CN1175811A - 具有导热部件的回转电机 - Google Patents

Abstract

为了有效冷却产生大量热量的定子线圈,一导热部件位于线圈末端和金属框架之间,并与它们相接触。定子线圈产生的热量被传至导热部件,同时导热部件被来自冷却风扇的冷空气冷却。来自导热部件的热量又被传递给金属框架,因此定子线圈被进一步冷却。即使由于线圈末端短,线圈末端不能被冷空气直接冷却时,线圈末端也可通过传导部件被有效冷却。由诸如铝板的导热金属板构成的波纹板最好用作导热部件。在金属框架上形成的冷却片也可用作导热部件。导热部件可位于定子线圈的两端,从而加强冷却效果。

Description

具有导热部件的回转电机

本申请基于1996年8月9日申请的，申请号为平-8-210779的日本专利，并要求其优先权，该日本专利所公开的内容在这里作为参考。

本发明涉及一种具有用于冷却定子线圈的冷却风扇的回转电机，尤其是涉及一种用在汽车上的交流电机，其中冷却片和定子线圈相连，以便有效地冷却定子线圈。

一种为回转电机并用于汽车上的交流电机产生电能，以便给电机充电并向各种电力设备提供电能，如照明设备、点火系统及其它。近来，由于用于车辆上的，包括电子控制系统的电力设备数量的增加，车辆所需的电能增加，而且交流电机的安装空间变小。因此，需要一种具有小尺寸，能产生高能的交流电机。交流电机的紧凑性及高能效也满足燃油经济性的要求。

交流电机的高能效可有效的减小定子线圈的铜损是公如的(I²R，其中I是定子电流，R是线圈电阻)。由于定子线圈的电阻取决于线圈的温度，而且随线圈温度的升高而增大，因此必须通过冷却线圈来抑制线圈温度的升高。

冷却定子线圈的传统技术披露在日本专利公开公告No.平-6-70508上。披露在这个公告中的回旋电机具有一个连在线圈末端的金属环，通过将线圈中产生的热量传导到金属环和壳体，该金属环可用来冷却线圈。金属环通过一胶带和一种填充材料被固定在线圈末端。日本实用新型公开公告No.平-1-166477及日本专利公开公告No.昭-63-213464披露了另一传统技术。其中公开的线性马达具有一个树脂模制线圈，线圈上形成有一热辐射片。线圈被热辐射片冷却。

由于公告平-6-70508中所公开的回转电机的线圈通过胶带和填充材料的导热而被冷却，所以其冷却效力不足以将这一技术应用于不断产生大量热量的汽车上所使用的交流电机的线圈。公告平-1-166477或昭-63-213464中所公开的线性马达的线圈通过在树脂模制线圈上形成的辐射片的自然辐射而被冷却。因此，其冷却效力不足以将相同技术应用于交流电机。

本发明根据上述问题而得到，本发明的一个目的是提供一种具有导热部件的回转电机，它能够有效地冷却产生大量热量的定子线圈，尤其是提供一个用于汽车上的、结构紧凑并具有高效能的交流电机。

为了达到上面所述的目的，一个导热部件和一定子线圈相接触，以便定子线圈产生的热量被传至导热部件，同时导热部件被一冷却风扇产生的冷却空气流冷却。这样一来，定子线圈能够被有效地冷却，而且回转电机的相应效能能够被提高。此外，冷却部件和固定部件相接触，如铝制的、构成机器外壳的一个框架。导热部件不仅被冷却风扇的冷却空气流冷却，还通过将热量传至通常比定子线圈温度低的框架而被冷却。导热部件可容易地置于定子线圈和框架之间，尤其是当框架上具有一个接收导热部件的凹口时。

最好在定子线圈和导热部件之间放置一个由诸如铝的导热材料制成的绝缘部件，当定子线圈的绝缘层由于和导热部件相接触或任何其它原因而被破坏时，该绝缘部件可确保定子线圈和导热部件之间的电绝缘。绝缘部件可以是覆包在导热部件表面的绝缘层，或者一个分开装置的部件。

导热部件的一可取形状是一个不会和来自冷却风扇的冷却空气流发生干扰的片。该片可以是由诸如铝或铜的导热材料制成的波纹板，或者是作为一个单独体形成于框架或壳体上的板。波纹板可通过压力加工和滚压弯曲而制造，这样一来，许多平板面和相应的弯曲面相连，并在相应的弯曲面弯折。当波纹板被装在机器上时，它被推向定子线圈，这样一来，由于弯曲面的一些变形，波纹板的接触面积增大。波纹板最好放置在回转式机器内，以便弯曲面可相对于旋转轴在径向放置并延展，即波纹板的平板面沿径向放置。这样一来，阻止流过波纹板的冷却空气的力变小。当在径向吹空气的冷却风扇被固定在转子的轴向端面时，波纹板的这种布置尤为有效。

最好把导热部件和缠绕短程搭接在线圈的转子线圈相结合，该线圈具有较小的线圈末端高度和较低的电阻。尽管由于线圈末端的高度低而很难通过向其直接吹冷却空气来冷却，但是线圈的热量被传至和线圈末端接触的传导部件，并且传导部件可被冷却空气有效地冷却。同时，在这种情况中，由于线圈末端的高度低，因此有足够的空间安装传导部件。

参考附图，通过对下述最优实施例的理解，本发明的其它目的和特征可变得更明显。

图1是按照本发明的第一实施例的交流电机的整体结构的局部剖视图；

图2显示了一个缠绕短程搭接线圈的定子线圈的例子；

图3是显示在第一实施例中固定在线圈末端的波纹板的透视图；

图4是显示空气流过波纹板上的气孔的简图；

图5A是显示形成波纹板的一个示意性过程的透视图；

图5B是显示弯曲波纹板的透视图；

图6A是把波纹板装在前端框架的剖面图；

图6B是把波纹板装在后端框架的剖面图；

图7是按照本发明的第二实施例的交流电机的整体结构的局部剖视图；

图8是按照本发明的第三实施例的交流电机的整体结构的局部剖视图；

图9是显示用于第三实施例的波纹板的透视图；

图10是显示按照本发明的第四实施例的局部剖面图；

图11是显示用于第四实施例的，从内侧看的驱动端框架的平面图。

参见图1-6B，本发明的第一实施例将被描述。图1显示了装有冷却风扇的一交流电机的整体结构的局部剖视图。

交流电机1主要包括旋转支撑在交流电机中的一个转子2，一定子3，一电刷系统4，一整流器5，一IC控制器6，一前端框架7，一后端框架8以及皮带轮9。转子2包括一轴24；一对固定安装在轴24上，其中每个具有六个卡爪的磁极铁芯22、23；以及由共轴缠绕的绝缘铜线形成筒形并位于一对磁极铁芯22、23之间的转子线圈21。通过焊接或其它可行的办法，一轴向吹动冷却风扇25被安装在磁极铁芯22的前端面(皮带轮一侧)。冷却风扇25从前侧(皮带轮一例)把空气吸入交流电机的内表面，并沿轴向和径向把吸入的空气吹出。同样，一离心吹动冷却风扇26安装在磁极铁芯23的后端面，风扇26从后端面吸入空气，并将吸入的空气沿径向吹出。一对滑环27、28固定安装在轴24的后端，以便滑环可以和电刷系统4的一对电刷41、42滑动接触，从而由整流器5向转子线圈21提供激励电流。

定子3包括其上形成许多狭槽(如24)的定子铁芯31以及设置在狭槽内并以特定缠绕方式(如短程搭接缠绕)三相缠绕的定子线圈32。作为导热部件的一波纹板33成一环形位于定子线圈32的前端和前端框架7之间。同样，另一波纹板34成一环形位于后端框架8和定子线圈32的后端。后面将对波纹极33和34进行详细描述。

用于把来自定子线圈32的交流电调整为直流电的整流器5包括一个终端板，该终端板具有线路终端，以一特定距离放置在终端板每一侧的一阳极散热片52和一阴极散热片53，以及一系列焊固在散热片52和53上的整流元件。IC控制器6控制提供给转子线圈21的电流，以使得交流电机1的输出电压恒定。皮带轮9由一螺母91固定在轴24的前端，并由发动机驱动。一后盖92位于后端框架8上，以便盖住其中的电刷系统4，整流器5以及IC控制器6。

上述的交流电机1由一个发动机驱动。当转子2沿一预定方向转动并且激励电流提供给转子线圈21时，定子线圈32内产生三相交流电，而且整流器5把该三相交流电调整为直流电输出。交流电机一旦开始工作，转子线圈21的激励电流就直接由交流电机自身通过IC控制器来提供，相应地，从外部提供激励电流就不需要了。

固定在磁极铁芯22前端面上的冷却风扇25和转子2一起转动。空气由在前端框架7上形成的窗口吸入，并在径向和轴向两个方向上流动。轴向空气流冷却转子线圈21，径向空气流冷却位于定子线圈32和前端框架7之间的波纹板33。相应地，和波纹板33接触的定子线圈32被冷却。固定在另一磁极铁芯23上的冷却风扇26也转动。空气由在后盖92上形成的窗口被吸入，并沿径向由在后端框架8上形成的窗口流出。这一空气流将整流器5，IC控制器6以及位于定子线圈32和后端框架8之间的波纹板34冷却。因此，和波纹板34接触的定子线圈32被冷却。

图2显示了从前侧看的(皮带轮一侧)，一个定子线圈缠绕结构的例子。这种缠绕是通常所公知的具有2/3磁极距的缠绕行程的(2/3)π短程搭接缠绕。这种缠绕的每一相的线圈电阻是具有一个磁极距的缠绕行程的全程缠绕的每一相线圈电阻的2/3。因此，和全程缠绕的线圈相比，线圈32的铜损失(I2R)减小到2/3。同时，从定子铁芯引伸出的线圈末端的高度比全程缠绕线圈由铁芯伸出的线圈末端的高度低。由于线圈末端的高度低，由冷却风扇25和26吹来的冷气不能直接吹至线圈末端，从而导致定子线圈的不充分冷却。因此波纹板33和34位于由降低的线圈末端而节省的空间内，从而使得冷空气如图1所示吹至波纹板上。热量由线圈32传至波纹板33和34，和波纹板33和34相接触的定子线圈32被冷却。

图3显示了波纹板33和34的具体结构。波纹板由诸如铝板的具有高导热性的薄板制成，并形成如图所示的波纹形。每一波纹板弯成如图5B所示的环形，并位于线圈末端和框架之间的空间内。波纹板33包括和前端框架7接触的弯曲面33a，和定子线圈32的前线圈末端接触的弯曲面33b，以及连接两弯曲面的平板面33c。同样，另一波纹板34包括和后端框架8接触的弯曲面34a，和定子线圈32的后线圈末端接触的弯曲面34b，以及连接两弯曲面的平板面34c。在平板面33c和34c上，形成有沿与转子2转动方向平行的方向延展的散热孔33d和34d。波纹板33和34具有一系列沿径向布置的热辐射板，来自冷却风扇25和26的冷空气流过该热辐射板，因此从和波纹板33和34相接触的定子线圈32传来的热量可由此被辐射。即波纹板33和34在与其相连的定子线圈32的两端成环形地形成有热辐射板。

和线圈末端相接触的波纹板表面被处理成绝缘，这样一来，即使当线圈的绝缘薄模被破坏时，波纹板和线圈末端两者之间可以很好地绝缘。波纹板表面的绝缘处理可通过形成诸如聚酰亚胺的树脂绝绝薄膜来实现(类似于定子线圈的绝缘)，或通过硬化包覆在波纹板表面的绝缘液体来实现。也可以当安装时，在波纹板和线圈末端之间插入一个绝级层，而不用在波纹板表面上进行任何绝缘处理。

图4是沿与转轴垂直的线的平板面的剖面图，显示了散热孔33d和空气流的方向。“S”是转子2的转动方向，“W”显示主要由冷却风扇25产生的、部分由转子2转动产生的径向冷空气流的方向。包括一些沿转动方向“S”部分的流动“W”大部分沿径向流动，而一部分流过散热孔33d之间的空间。相对于平板面33c的散热角不会与沿转动方向的空气流组成发生干扰。因此，由散热孔增加的空气流阻力被减至最小并且冷却效力被增加。

图5A和图5B显示了由其上具有绝缘层的铝带板加工波纹板的示意性过程。首先，通过压力加工在带板上形成散热孔33d，然后通过滚压过程，带板被加工成如图5A所示的波纹状，最后波纹状带板被弯曲如图5B所示的环形。

图6A显示了把波纹板33装配在前端框架7和定子线圈32的前线圈末端之间的一个方法。在前端框架上形成一凹口72，该凹口72用于使其中的波纹板33定位并使其不能沿径向移动。波纹板33被定位在凹口72内，然后定子3被装配，并把波纹板33推向前端框架7。波纹板33被弹性支撑在前端框架和定子线圈32的前线圈端之间。在把波纹板推向前端框架7时，弯曲面33a和33b最好有点变形，以便接触框架和线圈末端的面积增大，同时导热性增强。

类似地，图6B显示了把波纹板34装配在后端框架8和定子线圈32的后线圈末端之间的一个方法。在后端框架8上有一个用于定位并支撑波纹板34的凹口82。波纹板34以和波纹板33相同的方式被支撑在后端框架8和定子线圈32的后线圈端。

在具有和定子线圈32的两端相接触的波纹板33和34的交流电机1中，定子线圈32产生的热量可以被有效地传至波纹板33和34。前波纹板33被由前冷却风扇25沿径向吹来的冷空气冷却，同时后波纹板34被由后冷却风扇26沿径向吹来的冷空气冷却。波纹板33和34还进一步被在平板面33c和34c上形成的散热孔33d和34d的热辐射冷却。此外，通过热量传至端部框架7和8，波纹板33和34也被冷却，端部框架7和8是由诸如铝的导热材料制成的，并且具有比定子线圈32低的温度。

即使由于缠绕短程搭接线圈的定子线圈的线圈末端的低高度，定子线圈32的线圈末端不能直接被来自风扇的冷空气冷却，但通过和定子线圈32接触的波纹板，定子线圈32能够被有效地冷却。如前所述由于缠绕短程搭接线圈的定子线圈32的低线圈电阻，所以定子线圈32产生的热量通常较低，因此通过波纹板和定子线圈32相组合，定子线圈32的温度还能被进一步降低。

因为波纹板的表面被处理而具有电绝缘功能，而且定子线圈本身具有一绝缘层，所以定子线圈32可以和端部框架7和8很好的绝缘。尤其是由于无边缘部分的弯绕的弯曲面33b和34b如图3所示和定子线圈32的线圈末端相接触，因此绝缘破坏的可能性很低。当波纹板由铝板制成时，电绝缘能够被稳定保持，这是因为即使波纹板被长期搁置而氧化时，铝表面也只是被一层本身就是绝缘体的氧化铝覆盖。同时，由于波纹板33和34的平板面33c和34c沿径向放置，因此阻挠径向冷空气的空气流阻力可减至最小。

图7显示了按照本发明第二实施例的交流电机1A的整体结构。这一实施例中的交流电机1A具有和第一实施例中的交流电机1不同的结构。交流电机1A包括在后端框架8A内的整流器5A和一IC控制器6A，这和第一实施例中的交流电机1正相反，其中整流器5和IC控制器6安装在后端框架8的外侧，并由后盖92覆盖。在第二实施例的交流电机结构中，在定子线圈和后端框架之间不可能安放波纹板。因此，一波纹板36放置在一定子线圈35和组件(一IC控制器6A和一整流器5A)之间，而不是定子线圈35和后端框架8A之间，如图7所示。

与第一实施例相同，定子线圈35产生的热量被传至波纹板36，而且波纹板36被由冷却风扇29吹来的径向冷空气流冷却。同时，波纹板36的热量被传至比定子线圈35温度低的IC控制器6A和整流器5A。

参见图8及图9，下面将对按照本发明的第三实施例进行描述。图8显示了一交流电机1B的整体结构，其中一冷却风扇30安装在前端框架7B的外侧，这和前面所述交流电机中的一风扇(或几个风扇)位于框架内侧正相反。冷却风扇30由在后端框架8B和前端框架7B的筒形部分形成的窗口把空气吸入交流电机1B的内部空间，并且由在前端框架7B的轴端形成的窗口沿径向把吸入的空气吹出。一前波纹板38和一后波纹板39位于定子线圈37的外表面及前端框架7B和后端框架8B的内表面之间的环形空间。定子线圈37产生的热量被传至由流过其中的冷空气冷却的波纹板38和39，这和第一和第二实施例中所采用的方式相同。

由于这一实施例中的冷空气与前述实施例相反，是沿轴向流入内部空间的，因此波纹板38和39必须被不同放置，以便不与冷空气流相互干扰。如图9所示，波纹板38被弯折，从而使得与前端框架7B内表面接触弯曲面38a成为外侧，与定子线圈37的外圆周接触弯曲面38b成为内侧。当如此制作的波纹板38位于定子线圈37和前端框架7B的环形空间时，平板面38c沿和冷空气流即轴向平行的方向放置。散热孔38d以和其它实施例相同的方式形成于平板面38c上。后波纹板39以和前波纹板38相同的方式被制造，并同样放置在交流电机中。

参见图10和图11，下面将对按照本发明的第四实施例进行描述。图10是显示了冷却片74和84以及一定子线圈34的一交流电机IC的局部剖面图。图11显示了从交流电机1C内侧看的形成于前端框架7C上的冷却片74。在这一实施例中。冷却片74在前端框架7c上形成，冷却片84类似地在后端框架8c上形成。这些冷却片代替前面第一、二及第三实施例中波纹板，用作热导体。

冷却片74在前端框架上形成，并相对其作为一单独体，其在框架上的位置不会关闭空气排出窗口78。如图11所示，冷却片74沿转子2的转动方向以一特定的倾斜角形成，以便包括在冷却风扇25产生的径向空气流内的沿转动方向的冷空气流细份可在较小的阻力下平滑流动。通过一具有高导热性的电绝缘体76，冷却片74和定子线圈32的前线圈端接触。绝缘体76可以由切割成环形的薄绝缘层制成，或者由包覆在冷却片上并被处理的绝缘材料制成，或者由其它任何可达到目的的材料制成。冷却片84以和冷却片74相同的方式形成在后端框架8c上不会关闭空气排出口88的位置，并通过一绝缘体84和定子线圈32的后线圈端接触。

定子线圈32产生的热量被传至冷却片74和84，这些冷却片被风扇25由径向吹来的冷空气冷却。同时，由于框架通常比定子线圈32的温度低，因此通过冷却片74和84把定子线圈的热量传至框架7c和8c，定子线圈32从而被冷却。

用于第一、二和第三实施例中的波纹板可以不由上述铝制成，而由其它任何适合的材料制成。例如，可使用一个其上具有绝缘层的铜板。同时，波纹板可由不同于在前面图5A和5B中所述的其它方法制造。例如，冷却片可通过在具有特定轴向宽度的薄金属板环上直接加工出波纹形而制造。尽管在平板面上有散热孔的波纹板在前面已描述，但是散热孔可不必形成。定子线圈缠绕可不局限于上述的短程搭接缠绕，它可以是包括全程缠绕的其它缠绕线圈。本发明可用于各种不同形式的定子线圈。

参见前面的最优实施例，本发明已被显示并描述，很显然，对本领域的技术人员来讲，在不脱离本发明权利要求所限定的范围下，可作出形式及细节上的变化。

Claims (10)

1、一种回转电机包括：

一个转子；

一个其上具有一定子线圈的定子；

一个和所述转子一同转动的冷却风扇；

一个和所述定子相连的固定部件；以及

一个和所述定子线圈相接触，并位于所述定子线圈和所述固定部件之间导热部件，它用于接收所述定子线圈产生的热量，所述导热部件被所述冷却风扇引起的冷空气流冷却。

2、如权利要求1所述的回转电机，其特征在于：

一电绝缘部件位于所述定子线圈和所述导热部件之间。

3、如权利要求1所述的回转电机，其特征在于：

所述固定部件是一个覆盖所述定子线圈的框架。

4、如权利要求3所述的回转电机，其特征在于：

所述框架包括一个定位其中导热部件的凹口。

5、如权利要求3所述的回转电机，其特征在于：

所述导热部件是作为一加固部件形成于所述框架上的冷却片。

6、如权利要求1所述的回转电机，其特征在于：

通过把所述导热部件强行推向定子线圈，所述导热部件和所述定子线圈相接触，这样一来，接触面积扩大。

7、如权利要求1、2、3、4或6所述的回转电机，其特征在于：所述导热部件是一个具有一系列平板面和一系列与平板面相连的弯曲面的波纹板。

8、如权利要求7所述的回转电机，其特征在于：

所述波纹板位于回转电机中，所述波纹板的弯曲面相对于所述回转电机的转轴，在基本平行于径向的方向上延展。

9、如权利要求8所述的回转电机，其特征在于：

所述冷却风扇安装在转子的轴端面，并且在其径向吹冷空气以冷却波纹板。

10、如权利要求3所述的回转电机，其特征在于：

所述导热部件位于所述定子线圈的外圆用面和所述框架的内圆周面之间，从而使得所述导热部件环绕所述定子线圈。

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