CN1214565A - 磁通转向的电机,尤其是汽车的交流发电机 - Google Patents

Abstract

一种电机,包括定子(200)和转子(100)。定子在其内表面上包括位于一对凹槽中的至少一个感应线圈(213a～213c),还包括用于激励元件的一些凹槽。转子上不设置线圈,转子具有一些用以在感应线圈中建立起可变磁通的齿(101)。激励使永久磁体(214)能够在定子中建立起封闭的环形磁通,激励线圈(216)能够局部建立起沿着相反圆周方向的可调节磁通。根据本发明,转子齿的分布形式能够实现定子中的磁通换向,每个永久磁体所占据的角位置位于同一感应线圈(213a～213c)的两个支线的角位置之间。这样当转子转动时,就在感应线圈中产生出了交变的磁通。本发明可应用于无电刷的汽车发电机。

Description

磁通转向的电机、 尤其是汽车的交流发电机

本发明涉及诸如汽车交流发电机之类的旋转电机。

作为多相发电机的典型的汽车交流发电机通常包括一个定子，一个配备了激励线圈的转子在该定子中转动。该激励线圈由一些电刷供电，电刷则与设置在转子轴的凸出部分上的两个集电环相接触。

借助于电刷仍然存在许多问题，其中包括发电机的轴向尺寸要很长，以及电刷和集电环组件增加了成本和发生失效的可能性，尤其是由于磨损，在电刷与集电环之间的不良接触造成的失效。

在本技术领域中有一些关于制造旋转电机的技术方案，这些方案适合于所述的这类汽车发电机，它们不采用电刷。

正如人们所知道的一种交流发电机，在这种发电机中，转子的通常是相互贯穿的两个磁极齿轮的齿都被截去一段，以便设置在磁极齿轮内部的一个激励线圈支承件在一个横向面中通过。这个方案仍然有损于装置的效率，因为磁铁间隙表面很显著地减小了。另外，这种装置所提供的输出/速度曲线明显地劣于传统的电机，这在车用发电机的应用场合中尤其不利。

人们还知道一种发电机，在这种发电机中，齿交错的两个磁极齿轮被悬装在电机的一个轴向端部，位于一个固定的内部激励线圈和一些外部的定子线圈之间。

这个已知的方案也存在一些缺陷，尤其是要增加该电机的轴向尺寸和重量。另外，增大相应转子的磁铁间隙也减少了电机的效率。

另外，在上述的两个例子中，在电机的构成时不仅要在转动轴的垂直截面(即所谓的两维坐标)中，而且还必须在该轴的轴向方向(即所谓的空间第三维坐标)中，考虑到所有的电磁现象。

电机的这种三维构思要求使各种参量的模型化和优化变得难以处理和令人厌烦。

最后，尤其是通过欧州专利文献EP-0707374，人们还知道一种不采用电刷的磁通换向结构，它的优点是很容易以纯粹的两维方式进行模型化和优化。

当这种电机或是单独由一些磁体，或是由一些磁体加上一些激励线圈而被激励时，这种电机也仍然存在一些缺陷。尤其是在第一种情况下，从中产生出感应电流的磁通是单独由一些永久磁体产生的，这无法对电机的激励进行任何的控制。这样的一种电机就难以适用于汽车的发电机，因为它的转速可能是极为多变的。在这种情况下出现的一种已知方案是使用一些能够将输出电压保持在大约14伏固定值的电气功率元件。考虑到要以大量电流为代价，这一方案是难以接受和代价高昂的。另外，根据定子调节电流在能量平衡方面也是无法接受的，这是因为这将白白地消耗掉一部分由发电机产生的电功率。

在上述的第二种情况下，对这个问题的一种已知方案在于通过换向而对一个或几个激励线圈所感应出的电流进行控制。激励电流的换向用于在多种速度下减小永磁体的磁通。在这种类型的电机中，由于激励电流本来就是双向的交流电，这种换向需要借助于一个“H”型的切换电桥，这就增高了成本。

另外，当存在着所获得的感应电流为零或基本为零的问题时，若能考虑为这个由永久磁体产生出的激励磁场配备一个由激励线圈产生的补充激励磁场，这是很适当的，尤其是在发电机供电的电气装置暂停供电时。

根据欧州专利文献EP-A-0394527，人们还知道一种基于可变磁阻原理的异极激励的同步电机，它能够把磁体激励和线圈激励结合在一起，以便在一个基本为零的值和一个最大值之间改变激励。此外，这种电机本来就在感应线圈中产生出总朝着同一方向流动的电流。这样就不能以最佳的方式利用钢材：磁饱和达到极限，与传统电机和磁通换向电机相比，有用磁通的变化率降至1.15～1.2左右。这就不得不添加一些感应导体，从而使电机的尺寸过大。

本发明目的在于减少这些缺陷，以及提出一种旋转电机，尤其是一种交流发电机。在该电机中，激励时能够实现对输出电流的调节，并且尽管采用了一些永久磁体来实现这种激励，但仍可以在无激励(或基本上无激励)和最大激励之间改变这个激励。

本发明的另一个目的是要实现这样的一个电机，在该电机中，通过提供同样是在零和一个最大值之间变化的激励电流，使得激励在前述的两个极限之间变化。

因此本发明提出了一种电机，它包括定子和转子，定子在其内表面上包括位于一对凹槽中的至少一个感应线圈，定子还包括用于激励元件的一些凹槽；转子上不设置线圈，转子具有一些能够有选择地在感应线圈中建立起可变磁通的齿；激励元件包括至少一个永久磁体，它能够建立起沿着定子圆周方向的自身成环形的磁通，激励元件还包括至少一个激励线圈，它能够局部建立起与上述永磁体所产生的磁通相反的圆周方向的可调节的磁通，该电机的特征在于，转子齿的分布形式能够实现定子中的磁通换向，每个永久磁体所占据的角位置位于同一感应线圈中的两个支线的角位置之间，以便当转子转动时，在感应线圈中产生出交变的磁通。

本发明的一些优选的、但并非限制性的特征如下：

定子的周向长度上具有交替的一些永久磁体和激励线圈；

每个永久磁体延伸在定子的几乎整个的径向尺寸上；

定子包括一个独立的构架，在该构架中设有与每个永久磁体相配合的深槽；

定子包括由这些永久磁体相互连接起来的一些构架组成部分；

每个激励线圈位于分别设置在定子的内外表面上的两个凹槽中；

该电机具有均匀地分布在定子圆周上的相同数量的永久磁体、激励线圈和感应线圈；

转子的磁通换向齿具有与感应线圈不同的角位分布，以便在各个不同的感应线圈中产生出多相电流；

该电机包括一些装置，用以通过一个或几个激励线圈建立起对一个或几个永久磁体进行磁化或重新磁化的反向磁场；

该电机构成了汽车的交流发电机。

在结合附图阅读了下面作为举例的对本发明优选实施例的详细说明后，本发明的其它特征、目的和优点将变得更加清楚；其中：

图1是根据本发明简单实施例的旋转电机在第一种情况下的转子和定子组件的横截面示意图；

图2a示出图1的电机在第二种情况下、转子处于第一位置时的情形；

图2b示出该电机同样在第二种情况下、转子处于第二位置时的情形；

图3是根据本发明的三相电机的转子和定子组件的横截面视图。

首先参见图1、图2a和2b，图中示出能够配备于本发明的单相交流电机的定子和转子。

转子100在其周面上有一些凸出来的转子齿101，例如有四个，它们相互间最好是均匀地间隔90°。下面将会看到，这些齿101在该电机激励时起到磁通换向的作用。

至于定子200，它包括一个环形构架210，环形构架由两部分构成，这两部分连同径向相对的两个永久磁体214构成了连续的环形构件。在该构件的内周面上，更具体地说在组成构架的两部分的内周面上，设有一些凹槽，例如设置两组，每组三个，均匀或不均匀地分布。从其中一个永久磁体(例如位于图中上方的那个)开始，沿着顺时针方向依次是定子齿212，容纳着一个感应线圈213的凹槽，定子齿212，容纳着一个第一激励线圈216的凹槽，定子齿217，空槽218，另一个齿217，最后是径向相对的永久磁体214；继续沿着这一方向，可以看到另外两个齿217，它们确定出了另一个空槽218，然后是装有一个第二激励线圈216的凹槽，最后是两个齿212，它们确定出了装纳另一个感应线圈213的凹槽。

另一方面，定子在其外周面上具有另外的两个激励线圈，它们是为了在定子200的构架210中产生出基本上沿切向的磁通。

同样，永久磁体N/S极的取向是这样的：它们能在构架中产生出圆周方向的、在图1中沿顺时针方向的磁通。

图1所示的情况中未向激励线圈216提供任何电流。

定子自身封闭这一事实使得两个永久磁体产生出基本为圆形的围绕着定子的磁力线。

结果是磁场的任何部分都不会穿过转子100形成环路(或者说仅有可以忽略的一部分磁场穿过转子)，无论转子的角位置如何都是如此，因此在感应线圈213中不会产生任何电流(一些可忽略的电流除外)。

因而该电机丝毫未受激励。

如果现在(参见图2a和2b)把一个单向的电流引入到激励线圈中，以便产生出与磁体214的磁通方向相反的磁通，那么这两个相反的磁通只要有可能便会通过转子100的齿101转向。

如图2a所示那样，转子的四个齿101沿顺时针方向的位置如下：

第一个齿正对着把上方磁体214与感应线圈213分隔开的定子齿212；

第二个齿正对着把内部激励线圈216与空槽218分隔开的定子齿217；

第三个齿正对着把下方磁体214与另一个空槽218分隔开的定子齿217；

第四个齿正对着把另一个内部激励线圈216与另一个感应线圈213分隔开的定子齿212。

可以看到大部分磁力线都穿过了转子齿101，这产生了四个封闭的磁路。在图2a的状态下，其中的两个磁场的方向彼此是相反的，并且这个磁场分别围绕着一个感应线圈213的两个支线，同时在这两个支线之间进入到转子中。这两个磁回路分别由上方的永久磁体214和图2a右侧的激励线圈216来激励。

于是就会产生出某种符号的感应电流。

图2b表示了一种情形，其中的转子100与图2a相比转过了2π/8，即45°。可以看到在这种情况下，磁通沿着离开转子的方向从感应线圈213的两个支线之间穿过，从而产生出相反符号的感应电流。

这样，当转子转动时，在感应电路中产生出基本上是正弦的交变感应电流，其平均值为零，或基本为零。

众所周知，这种交变电流由于在基本为零和最大值之间变化，其有效值取决于激励线圈216所产生的磁场的幅度。

这里将会注意到，激励线圈中的磁场的最大值并非绝对地与永久磁体的强度相关，在简单地选择磁体强度时只需使永久磁体214的存在能够阻碍任何明显的反向磁场即可。

下面参照图3描述本发明多相电机的实施例。

该电机在此例中是三相的，它包括一个沿圆周方向的连续的定子210，它以传统的方式由叠合的一些钢片构成。这个定子具有深度不同的但基本上以等角度分布的十二个槽，这些槽两两之间以十二个齿212为界。

在这些不同的槽中，从图3上方的那个槽开始沿着顺时针方向可以看到：

第一永久磁体214；

第一感应线圈213a；

第一激励线圈216；

第二感应线圈213b；

第二永久磁体214；

另一个第二感应线圈213b；

第二激励线圈216；

第三感应线圈213c；

第三永久磁体214；

另一个第三感应线圈213c；

第三激励线圈216；以及

另一个第一感应线圈213a。

三个永久磁体装在三个槽中，这三个槽的深度只比定子的径向厚度略小一点，这是为了在产生激励时减小定子中产生的反向磁场。与此相反，装有激励线圈和感应线圈的槽则深度较浅。

另外，三个激励线圈216还分别具有设置在定子构架外周面上的凹部中的第二支线，以便产生出基本上是切向的激励磁通。

这样该电机就呈现出120°角的对称性，在每个120°的角度间隔中重复出现相同的结构。

可以理解，三个感应线圈213a、213b、213c构成了定子的三相。

为了使转子100的转动产生出与这三相对应的、所希望的120°电相位差，转子齿的数量和分布这样进行选择：对应于这三相中的每一相，转子齿对的位置应当是不同的，具有适当的角位移。

为转子配置彼此之间角度间隔为2π/7的七个磁通换向齿101即可有利地达到上述结果。其它的分布形式也可以考虑。

还将可以看到，转子齿的宽度基本上相同于把不同的定子槽分隔开的定子齿212的宽度。

另一方面，三个激励线圈216串联地或者最好是并联地连接到同一个激励源上。

图3的电机按照与图1、图2a和2b相同的原理进行工作。

尤其是当任何一个线圈216都未受激励时。三个永久磁体共同产生出实际上只在定子中循环的磁通，因此相位线圈213a～213c送出的电流基本为零。

与此相反，当沿着与永久磁体所产生的磁场相反的方向进行激励时，磁场就会包围不同的相位线圈支线，这种包围通过转子齿101以相位差的形式相互交替，因而当转子转动时该电机产生出三相的交流电，其平均值为零，以及当激励电流在零和最大激励值之间变化时，电流的有效值基本上在零和最大值之间变化。

最后还将看到，在需要的情况下图1至图3的电机可受到初始磁化或重新磁化。

更确切地说，假如磁体214在未受到预先磁化的情况下就装到了定子中，那末只需向激励线圈提供一个与激励电流方向相反的电流，因而就在定子中产生出一个圆周磁场，其方向与永久磁体所产生的磁场方向相同，这个磁场能够磁化或重新磁化那些磁体。例如可以借助半导体切换装置来建立起这个用于磁化或重新磁化的反向磁场，本领域的技术人员能够毫无困难地制出这类切换装置。

这个工作一方面可在汽车上通过蓄电池提供的电能来完成，另一方面也可在车间中在维修工作中完成。

当然，本发明绝不局限于所描述和示出的这些实施例。

具体地说，根据上面的论述，人们可以制造出按照发电机以及电动机原理运行的一些机器，例如车辆的交流起动器，以及具有任何数量相位的机器。

Claims (10)

1、一种电机，包括定子(200)和转子(100)，定子在其内表面上包括位于一对凹槽中的至少一个感应线圈(213,213a～213c)，定子还包括用于激励元件的一些凹槽，转子上不设置线圈，转子具有一些能够有选择地在感应线圈中建立起可变磁通的齿(101)，激励元件包括至少一个永久磁体(214)，它能够建立起沿着定子圆周方向的自身成环形的磁通，激励元件还包括至少一个激励线圈(216)，它能够局部建立起与上述磁体所产生的磁通相反的圆周方向的可调节的磁通，该电机的特征在于，转子齿(101)的分布形式能够实现定子中的磁通换向，每个永久磁体(214)所占据的角位置位于同一感应线圈(213,213a～213c)中的两个支线的角位置之间，以便当转子转动时，在感应线圈中产生出交变的磁通。

2、如权利要求1所述的电机，其特征在于，定子的周向长度上具有交替的一些永久磁体(214)和激励线圈(216)。

3、如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，每个永久磁体(214)延伸在定子(200)的几乎整个径向尺寸上。

4、如权利要求3所述的电机，其特征在于，定子包括一个独立的构架(210)，在该构架中设有与每个永久磁体(214)相配合的深槽。

5、如权利要求3所述的电机，其特征在于，定子包括由这些永久磁体(214)相互连接起来的一些构架(210)组成部分。

6、如权利要求1～5中任一项所述的电机，其特征在于，每个激励线圈(216)位于分别设置在定子(200)的内外表面上的两个凹槽中。

7、如权利要求1～6中任一项所述的电机，其特征在于，该装置具有均匀地分布在定子(200)圆周上相同数量的永久磁体(214)、激励线圈(216)和感应线圈(213a～213c)。

8、如权利要求7所述的电机，其特征在于，转子(100)的磁通换向齿(101)具有与感应线圈(213a～213c)不同的角位分布，以便在各个不同的感应线圈中产生出多相电流。

9、如权利要求1～8中任一项所述的电机，其特征在于，它包括一些装置，用以通过一个或几个激励线圈(216)建立起对一个或几个永久磁体(214)进行磁化或重新磁化的反向磁场。

10、如权利要求1～9中任一项所述的电机，其特征在于，它构成了汽车的交流发电机。

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