CN1643765A - 爪极式发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种爪极式发电机。该爪极式发电机(100)包括：一设置为环形的永久磁铁(101)；两个分别具有多个爪状极片(21L和21R)的定子轭(102L和102R)，该多个极片沿周向交替且平行地排列并被设置为与永久磁铁(101)相对；一磁性连接所述定子轭(102L和102R)的铁芯轭(103)；以及一围绕所述铁芯轭(103)设置的线圈(104)。该定子轭(102L和102R)是通过沿厚度方向叠置多个薄板材(25a－25f)构成的，该薄板材(25a－25f)具有盘状部(250a－250f)和多个从该盘状部(250a－250f)的周缘起以一沿周向的预定间隔轴向延伸的极片(251a－251f)。

Description

爪极式发电机

技术领域

本发明涉及一种爪极式发电机，尤其涉及一种用于自行车的爪极式发电机。

背景技术

一传统爪极式发电机包括一具有一永久磁铁的圆筒体、两个分别具有沿周向交替且平行设置的极片的爪极式定子轭，一磁性连接该定子轭的铁芯轭(core yoke)以及一围绕该铁芯轭设置的线圈(参见日本专利公开No.2991705)。该爪极式发电机包括作为一外转子的永久磁铁，作为一内定子的定子轭、铁芯轭以及线圈。该永久磁铁的转动导致铁芯轭内产生交变磁通量，于是一电流流过该线圈以发电。

由于在定子轭和铁芯轭内产生交变磁通量的同时会产生涡电流，并且该涡电流降低了发电效率，因此需要抑制爪极式发电机内产生涡电流。如上所述的涡电流在大量交变磁通量穿过的铁芯轭内以及在该定子轭中心附近较大。因此已设想这样的构造，这种构造通过在铁芯轭外周面上形成沿轴向的狭缝(参见日本专利公开No.2001-327139)或者通过在定子轭中心附近形成沿径向的狭缝(参见日本专利公开No.2991705)来抑制涡电流的产生。

尽管利用这些构造可抑制涡电流的产生，并提高爪极式发电机的发电效率，但还需要使该爪极式发电机进一步小型化，减轻该爪极式发电机的重量，并进一步提高其发电效率。尤其是有必要使一固定在自行车车轮的毂轴上且用作一灯等的电源的所谓自行车用轮毂发电机小型化并减轻其重量，以及有必要以一与该自行车车轮的转数相当的回转力为该灯等稳定地产生足够电能。因此优选的是，不仅要抑制在铁芯轭与定子轭的中心附近产生涡电流，还要抑制在其它部件内产生涡电流。

发明内容

本发明是考虑到前述内容得到的。本发明的目的是提供一种用于抑制爪极式发电机内更具体地说是一自行车用爪极式发电机的定子轭内产生涡电流的装置。

本发明的爪极式发电机包括：一设置为环形的永久磁铁；分别具有多个沿周向交替且平行地排列并被设置为与该永久磁铁相对的爪状极片的两个定子轭；一磁性连接该定子轭的铁芯轭；以及一围绕该铁芯轭设置的线圈，其中，该定子轭是通过沿厚度方向叠置多个薄板材构成的，该薄板材具有盘状部和多个从该盘状部的周缘起以沿周向的预定间隔轴向延伸的极片。由于涡电流难以沿定子轭的盘状部的厚度方向流动，且通过抑制该定子轭内产生涡电流来提高爪极式发电机的发电效率，因此依照本发明可获得一种重量轻、尺寸小且具有高电动势的爪极式发电机。

在本发明的爪极式发电机中，将薄板材的极片形成为使该极片的轴向长度随着把极片设置在定子轭的外侧而相继缩短。依照本发明，该薄板材的极片可分别与永久磁铁相对。由于在薄板材内有效地产生交变磁通量，因此可提高爪极式发电机的发电效率。

适于方便地利用沿厚度方向形成的嵌合/装配凹凸部或一嵌合孔分别把薄板材加工并组装为一体状态。从而降低爪极式发电机的组装成本。

薄板材由一硅钢板材制成。由于磁通量易于流过该薄板材且该薄板材具有较大的电阻，因此可进一步抑制铁芯轭内产生涡电流。

该爪极式发电机固定在一自行车车轮的毂轴上且用于该自行车。由此，可获得一种小且轻并以与自行车车轮转数相当的回转力为一灯或及类似物稳定地生成足够电能的轮毂发电机。

附图说明

图1是示出一固定在自行车车轮的一毂轴1上的爪极式发电机100的总体构造的正视图；

图2是一爪极式发电机100的侧视图；

图3是示出一永久磁铁101的构造的正视图；

图4(a)是示出定子轭102L和102R的组合状态的正视图，而图4(b)是其侧视图；

图5(a)是示出一定子轭102L的纵剖面的剖视图，而图5(b)是图5(a)的局部放大图；

图6是示出一薄板材25a的构造的平面图；

图7是示出一薄板材25f的构造的平面图；

图8(a)是示出嵌合凹凸部255f的局部剖视图，而图8(b)是示出一嵌合孔255a与嵌合凹凸部255b，255c，255d，255e和255f的嵌合状态的局部剖视图；

图9是说明用于制造一定子轭102的方法的工序布置图；

图10(a)是示出呈叠置状态的薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f的构造的平面图，而图10(b)是示出其纵剖面的剖视图；

图11(a)是示出一铁芯轭103、一线圈104以及一绕线管40的正视图，而图11(b)是示出其局部剖面的侧视图；以及

图12是示出在一爪极式发电机100内产生的一交变磁通量G和一涡电流I的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图说明本发明的实施例。

图1示出依照本发明实施例的一爪极式发电机100的总体构造。如图1所示，爪极式发电机100具有一设置为环形的永久磁铁101、两个设置为与永久磁铁101相对的定子轭102L和102R、一磁性连接定子轭102L和102R的铁芯轭103以及一围绕铁芯轭103设置的线圈104。由此构成的爪极式发电机100被固定在任何已知自行车车轮的毂轴1上，且爪极式发电机100构成了一自行车用轮毂发电机。尽管在图1中没有详细示出，毂轴1上形成有一阳螺纹/外螺纹，并且利用一螺母或其类似物把毂轴1固定在一自行车车轮用轮叉F上。

一毂盖2经由一轴承3可转动地连接到毂轴1上。毂盖2具有一鼓形毂2a和一辐条毂2b。如图1和2所示，鼓形毂2a是一中央附近直径较大且直径朝向两端渐缩呈锥形的圆筒体。盘形辐条毂2b分别设在鼓形毂2a的两端。多个孔2c沿周向排列在辐条毂2b的周缘附近。辐条S插入孔2c内，辐条毂2b经由该辐条S与一车轮的轮辋(未示出)连接。一用于输出容纳在毂盖2内的爪极式发电机100的电力的端子4从毂盖2向外伸出。

永久磁铁101经由一支承环10固定在毂盖2中央的大直径部分的内周面上。如图3所示，支承环10是一圆环形框体，四个构成永久磁铁101的磁性钢板连续且呈环状地固定在支承环10的内周面上。呈环状设置的永久磁铁101被磁化为N极和S极沿周向交替设置，这样总共存在28个磁极。上述永久磁铁101和毂盖2构成了爪极式发电机100的一外转子。自行车的车轮绕毂轴1的轴线转动。由此转动毂盖2，设在毂盖2的内周面上呈环状的永久磁铁101也转动。

如图1所示，定子轭102L和102R从外部安装在毂轴1上并设在永久磁铁101的内侧。如图4所示，定子轭102L具有与定子轭102R相同的形状，因此随后将以定子轭102L的构造为例进行说明。如图4(a)所示，定子轭102L具有一盘状部20L和多个从盘状部20L的周缘起以沿周向的预定间隔沿盘状部20L的厚度方向延伸的极片21L。尽管图4中没有详细表示，但定子轭102是通过沿厚度方向叠置多个薄板材构成的。随后将详细说明该叠置构造。

盘状部20L具有达到使盘状部20L容纳在永久磁铁101内侧的程度的尺寸。如图1所示，设定盘状部20L的外径，以使其达到远离当定子轭102L和102R设在永久磁铁101内侧时永久磁铁101的磁力作用于极片21L的程度。在盘状部20L的中央处打孔形成一用于插入毂轴1的插入孔22，以及在围绕该插入孔22的四点处打孔形成用于嵌合铁芯轭103的铁芯嵌合孔23。另外，从盘状部20L外周缘的四点起沿径向形成狭缝24。狭缝24抑制一依照交变磁通量沿盘状部20L周向流动的涡电流。详细地说，当沿着嵌合在铁芯嵌合孔23内的铁芯轭103的轴向生成交变磁通量时，就产生围绕该交变磁通量即沿盘状部20L周向的涡电流。在涡电流的流路上形成狭缝24就使得该涡电流难以沿盘状部20L的周向流动，从而抑制该涡电流的产生。14个磁极的极片21L形成在盘状部20L的外周缘上。极片21L沿着盖状部20L的厚度方向基本以直角延伸，并且其纵向平行于被插入盘状部20L的插入孔22内的毂轴1的轴向。

如图(4b)所示，如此构成的定子轭102L和102R相互结合，使极片21L和21R沿周向交替且平行地排列。当把定子轭102L和102R设在永久磁铁101的内侧时，14个磁极的极片21L和21R分别与永久磁铁101的28个磁极相对。

接着，将以定子轭102L的多个薄板材沿厚度方向叠置的叠置结构为例进行说明。图5(a)是定子轭102L的纵剖视图。如图5(a)所示，定子轭102L是一通过叠置具有预定形状的六个薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f构成的叠置体，盘状部20L和极片21L是通过使这些薄板材成一整体构成的。

图6是薄板材25a的展开。如图6所示，薄板材25a具有一盘状部250a和多个从盘状部250a的周缘延伸的极片251a。盘状部250a与定子轭102L的盘状部20L相当，且极片251a与极片21L相当。在盘状部250a的中央处打孔形成一用于插入毂轴1的插入孔252，且在围绕插入孔252的四点处打孔形成用于嵌合铁芯轭103的铁芯嵌合孔253。另外，从盘状部250a外周缘的四点起沿径向形成狭缝254。插入孔252、铁芯嵌合孔253及狭缝254分别与定子轭102的插入孔22、铁芯嵌合孔23和狭缝24相当。极片251a相对于盘状部250a基本以直角弯曲，且沿插入孔252的轴向伸出。嵌合孔255a适当地形成在盘状部250a内。该嵌合孔255a与一同该薄板材25a相邻的薄板材25b(未示出)的嵌合凹凸部嵌合。

图7是薄板材25f的展开。按照与薄板材25a相同的方式，薄板材25f也具有一盘状部250f和多个从盘状部250f的周缘延伸的极片251f。一用于插入毂轴1的插入孔252及用于嵌合铁芯轭103的铁芯嵌合孔253打孔形成在盘状部250f内。另外，从盘状部250f外周缘的四点起沿径向形成狭缝254。但是，差别是极片251f的伸出长度比薄板材25a的极片251a的伸出长度短。如图7中虚线所示，薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f的极片251a，251b，251c，251d，251e和251f的伸出长度被形成为随着定子轭102外部的叠置而相继缩短。因此，当叠置薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f以构成定子轭102L时，如图5(b)所示，露出定子轭102L的极片21L的极片251a，251b，251c，251d，251e和251f的端部附近。于是，极片251a，251b，251c，251d，251e和251f分别与永久磁铁101相对，永久磁铁101的磁力有效地作用于极片251a，251b，251c，251d，251e和251f。

嵌合凹凸部255f打孔形成在盘状部250f内对应于嵌合孔255a的位置处。嵌合凹凸部255f在叠置状态下与一相邻薄板材250e嵌合。如图8(a)所示，通过在薄板材250f上施加一半模切冲压(half blanking punch)，在该薄板材250f上一体形成该凹凸部。尽管图8中未示出，但类似的嵌合凹凸部形成在薄板材25b，25c，25d和25e上。如图8(b)所示，当薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f相继叠加时，形成在除薄板材25a以外的薄板材25b，25c，25d，25e和25f上的嵌合凹凸部255b，255c，255d，255e和255f的凸部与其凹部嵌合，且嵌合凹凸部255b的凸部与嵌合孔255a嵌合。于是，六个薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f固定成一体。由此，通过打出嵌合孔255a代替该嵌合凹凸部而使该嵌合凹凸部的凸部不从定子轭102L的外表面凸出，以及通过使薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f相互嵌合，可使盘状部250a结合为一体。尽管在该实施例中嵌合孔255a打孔形成在薄板材25a内，但通过反转该嵌合凹凸部的凹-凸方向，该嵌合凹凸部可形成在薄板材25a内，而该嵌合孔形成在薄板材25f内。

由此，当通过叠置薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f构成定子轭102L而产生从定子轭102L的极片21L到盘状部20L中央沿盘状部20L径向的交变磁通量时，可利用薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f之间的各个界面切断围绕磁通量方向即沿盘状部20L厚度方向生成的涡电流的流路。

以下将说明一种用于制造定子轭102L的方法。

图9是用于制造定子轭102L的一高速压力机的一顺序金属冲模的工序布置图。利用一顺序冲模的一敛缝模(caulking die)从硅钢板材中冲下薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f，获得定子轭102L。由于通过采用硅钢板材，磁通量易于穿过薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f且该薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f具有较大电阻，因此优选地能有效抑制定子轭102L内产生涡电流。但定子轭102L和102R并不限于硅钢板材。可采用产生交变的磁通量的任何已知且任意的磁性材料(例如，纯铁以及诸如SPCC、SPCD及SPCE一类的冷轧带材)。以下，将相继说明每个工序。

预先在一带状硅钢板材800内打出作为一定位标准的定位孔80。接着，冲切出狭缝254(S1)。然后，冲切出插入孔252和铁芯嵌合孔253(S2)。插入孔252、铁芯嵌合孔253和狭缝254为薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f所共有。

接着，冲切出用于定位除薄板材25a以外的薄板材25b，25c，25d，25e和25f的极片251b，251c，251d，251e和251f的端部的极片切割孔81b，81c，81d，81e和81f、以及薄板材25a的嵌合孔255a(S3-S8)。详细地说，从行进方向的上游起冲切出薄板材25a的嵌合孔255a(S8)、用于定位薄板材25b的极片251b的端部的极片切割孔81b(S7)、用于定位薄板材25c的极片251c的端部的极片切割孔81c(S6)、用于定位薄板材25d的极片251d的端部的极片切割孔81d(S5)、用于定位薄板材25e的极片251e的端部的极片切割孔81e(S4)，以及用于定位薄板材25f的极片251f的端部的极片切割孔81f(S3)。极片切割孔81b，81c，81d，81e和81f使得薄板材25b，25c，25d，25e和25f的极片251b，251c，251d，251e和251f的伸出长度相继缩短。极片切割孔81b，81c，81d，81e和81f径向形成为与14个极片对应。由于极片251b，251c，251d，251e和251f的伸出长度相继缩短，因此极片切割孔81b，81c，81d，81e和81f的径向长度相继缩短。

执行一用于形成极片切割孔81b，81c，81d，81e和81f和薄板材25a的嵌合孔255a的切割冲压，以同时形成叠置为一个定子轭102L的六个薄板材。在执行该切割冲压一次以后，利用一计数器或其类似物控制该切割冲压，使该切割冲压停止仅五次。于是，从向前输送方向的上游侧连续冲下极片251b，251c，251d，251e和251f长度不同的薄板材25b，25c，25d，25e和25f，并可在一金属冲模内嵌合该薄板材25b，25c，25d，25e和25f。

接着，执行一半模切冲压(half die cut punch)，以给除薄板材25a以外的薄板材25b，25c，25d，25e和25f分别形成嵌合凹凸部255b，255c，255d，255e和255f(S9)。在该半模切冲压中，执行一冲压以将冲孔设定为硅钢板材800的板厚度的大约60％，这样嵌合凹凸部255b，255c，255d，255e和255f被形成为凹进和凸起位置分别形成在硅钢板材800的上侧和其下侧上。半模切冲压的位置与上述用于形成嵌合孔255a的切割冲压的位置相同。由于嵌合孔255a已经形成在薄板材25a上，即使执行半模切冲压，也不会在该薄板材25a上形成嵌合凹凸部。

接着，冲切出一外形部82以施加一排出压力(S10)。由此，从硅钢板材800中拉出薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f，且这些薄板材通过该排出压力与已经冲切出的薄板材压力接触。如图(8b)所示，嵌合孔255a与嵌合凹凸部255b，255c，255d，255e和255f嵌合，薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f叠置在冲模内。由此，形成成一体的定子轭102L。尽管外形部82是薄板材25a的一外形，但已经在除薄板材25a以外的薄板材25b，25c，25d，25e和25f内分别形成极片切割孔81b，81c，81d，81e和81f，且极片251b，251c，251d，251e和251f被形成为其长度相继缩短。可利用一已知的排出压力环或其类似物施加用于使薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f压力接触的排出压力。尽管图9中未示出，但将冲切出外形部82的硅钢板材800废钢切割为适当长度。

图10是示出冲切出的薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f的叠置状态的平面图。分别弯曲由此构成的薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f的极片251a，251b，251c，251d，251e和251f基本90度以获得图5所示定子轭102L。

从硅钢板材800向下冲切出本实施例的薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f，并相继叠置薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f。但是，在冲切出薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f之后，也可将薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f排出到要叠置的硅钢板材800的上侧。尽管可在一要求的位置且以一要求的数量形成嵌合孔255a以及嵌合凹凸部255b，255c，255d，255e和255f，但优选的是，多个嵌合凹凸部沿周向以基本相等的预定间隔设置，使得作用于薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f的嵌合力均匀。可采用其它用于相互叠置薄板材的嵌合方法例如激光焊接。

图11示出铁芯轭103和线圈104，通过呈环形地组合四个铁芯轭块30使得毂轴1能够插入而构成铁芯轭103，且该铁芯轭103可容纳在一绕线管40的一中空部40a内，一线圈104缠绕在该绕线管40上。插入定子轭102L和102R的铁芯嵌合孔23内的嵌合凸部31分别形成在铁芯轭块30的两端面上。定子轭102L和102R插入铁芯轭103的两端内，且定子轭102L与定子轭102R磁性连接。铁芯轭块30可具有任何已知构造。例如，铁芯轭块30可由一硅钢板材和一电磁铁材或其类似物制成。另外，通过采用一粉末烧结材料例如铁氧体材料可以将铁芯轭块30结合为一体。

由一树脂制成的绕线管40要缠绕线圈104。一槽41形成在绕线管40的外周面上。在绕线管40的上部处从外周缘起沿径向形成一狭缝42，围绕该绕线管40缠绕的线圈的内周侧的一端可从狭缝42中抽出。铁芯轭103设在绕线管40的空心部40a内。另一方面，线圈104绕该绕线管40的槽41缠绕，由此线圈104被设置为环绕铁芯轭103。

如图1所示，按照这种方式构成的铁芯轭103、线圈104和绕线管40从外部固定在毂轴1上。另外，定子轭102L和102R分别插入铁芯轭103的两端的嵌合凸部31内。利用一螺母或其类似物把铁芯轭103、线圈104、绕线管40及定子轭102L和102R固定在毂轴1上，从而构成爪极式发电机100的内定子。

以下将说明爪极式发电机100的操作。

当使一具有爪极式发电机100的自行车行进时，该自行车的车轮绕毂轴1的轴线转动，且毂盖2转动。另外，呈环形设置在内周面上的永久磁铁101转动。永久磁铁101的28个磁极与设置在其内的定子轭102L和102R的极片21L和21R对应，且通过永久磁铁101的转动在定子轭102L和102R及铁芯轭103内生成交变磁通量，并且感应电流在线圈104内流动。

图12是示出交变磁通量的示意图。当产生从定子轭102L的极片21L到盘状部20L、铁芯轭103、定子轭102R的盘状部20R及极片21R的交变磁通量G时，就生成围绕该交变磁通量G的磁通方向的涡电流。这里，在定子轭102L和102R的盘状部20L和20R内，磁通方向是盘状部20L和20R的径向，涡电流I沿盘状部20L和20R的厚度方向生成。但是，定子轭102L和102R是如上所述的叠置体，且盘状部20L和20R是通过沿厚度方向叠置六个薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f构成的。因此，涡电流I的流路被六个薄板材25a，25b，25c，25d，25e和25f之间的每个界面所切断，涡电流I难以流动。因此，抑制了沿每个盘状部20L和20R的厚度方向产生的涡电流I。于是，提高了爪极式发电机的发电效率。

工业实用性

本发明的爪极式发电机抑制涡电流的产生、具有高发电效率且具有一高电动势。本发明的爪极式发电机尤其是用作一自行车用爪极式发电机，其重量轻且尺寸小。

附图标记

1             毂轴

100           爪极式发电机

101           永久磁铁

102L、102R    定子轭

103           铁芯轭

104           线圈

20L、20R      盘状部

21L、21R      极片

25a、25b、25c、25d、25e、25f          薄板材

251a、251b、251c、251d、251e、251f    极片

255b、255c、255d、255e、255f          嵌合凹凸部

255a          嵌合孔

800           硅钢板材

Claims (5)

1.一种爪极式发电机，它包括：

一设置为环形的永久磁铁；两个分别具有多个爪状极片的定子轭，所述多个极片沿周向交替且平行地排列并被设置为与所述永久磁铁相对；一磁性连接所述定子轭的铁芯轭；以及一围绕所述铁芯轭设置的线圈，

其特征在于，所述定子轭是通过沿厚度方向叠置多个薄板材构成的，所述薄板材具有盘状部和多个从所述盘状部的周缘起以沿周向的预定间隔轴向延伸的极片。

2.根据权利要求1所述的爪极式发电机，其特征在于，所述薄板材的所述极片被形成为所述极片沿轴向的长度随着所述极片被设置在所述定子轭的外侧而相继缩短。

3.根据权利要求2所述的爪极式发电机，其特征在于，通过沿厚度方向形成的嵌合凹凸部或一嵌合孔分别将所述薄板材嵌合为一体状态。

4.根据权利要求3所述的爪极式发电机，其特征在于，所述薄板材由一硅钢板材制成。

5.根据权利要求1至4所述的爪极式发电机，其特征在于，所述爪极式发电机固定在一自行车车轮的一毂轴上且用于所述自行车。

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