CN1833345B - 紧凑的大功率交流发电机 - Google Patents

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Abstract

一用来在机械能和电能之间进行转换的装置,其特别地适于用作汽车用途的紧凑的大功率发电机,以及“可移去和更换”地翻新现有的车辆。该装置包括一带有永久磁体的转子、一带有绕组的定子,以及一冷却系统。本发明揭示了各种机构,其通过最大程度地减小转子位移和吸收超过允许值的转子位移来防止转子磁体与定子冲撞。冷却系统引导冷却剂流动,与绕组和磁体中的至少一个形成热力接触,冷却系统包括至少一个通过定子芯的通道。描述了各种敞开的和闭合的冷却系统。例如,通过疏松地卷绕绕组端部匝、利用非对称的气流源,和/或引导冷却剂通过延伸通过定子的管道以与绕组形成热力接触,由此便于实现冷却。

Description

紧凑的大功率交流发电机

[0001] 相关申请

[0002]本申请要求对由发明人 Charles Y. Lafontaine 和 Harold C. Scott 于 2003 年7 月10日提交的美国专利临时申请系列No. 60/486,831的优先权。

技术领域

[0003] 本发明涉及机械能和电能之间转换的机器,具体来说,涉及一使用适用于汽车用 途的永久磁体的紧凑的大功率交流发电机。

背景技术

[0004] 一发电机通常包括一安装在转动轴上并相对于一静止的定子同心地设置的转子。 或者,一静止的转子可同心地定位在一转动的定子内。诸如一发动机或涡轮机那样的一外 部能源通常直接地或通过诸如一皮带轮那样的中间系统驱动转动元件。定子和转子都具有 一系列磁极,转子或定子产生一磁场,该磁场与其它结构的极上的绕组线圈互相作用。由于 磁场切割绕组线圈,所以,产生电流,其提供给一合适的负载。该感应的电流通常施加到一 桥式整流器,有时进行调整并作为一输出提供。在某些情形中,调整的输出信号施加到一变 换器以提供一交流电(AC)。

[0005] 反过来,如果一合适的电信号施加到绕组线圈,则该装置就可起作一电动机。

[0006] 传统上,用于汽车用途上的发电机通常包括:一安装在发动机外部上的外壳;一 容纳在外壳内的具有3相绕组的定子,一皮带传动的爪极型(例如,Lundell)转子可转动 地支承在定子内的外壳中。然而,这样传统的爪极型发电机的功率输出正比于发电机的尺 寸;为了提高功率输出,传统发电机的尺寸必须显著地增大。因此,车辆内的空间限制使得 这样的发电机难于用作高功率输出,例如,5kW的应用,诸如用于空调、冰箱,或通讯装置的 供电的应用。此外,爪极型发电机的缺点还在于,电压的调整是通过调整转动场来实现。这 样的调整影响所有的绕组。因此,电压的调整和个别绕组的控制不能实行。

[0007] 此外,爪极型转子、承载绕组相对较重(通常包括重达发电机总重量的一半),并 形成很大的惯性。每次发动机加速时,这样的惯性对发动机有效地呈现一载荷。这趋于降 低发动机的效率,导致燃料额外地消耗。发电机转动部件质量和直径的减小将导致减小发 动机须克服的总的惯性,由此,提高燃料的经济性。一永久磁体发电机理想地定位以便减小 总的惯量。与传统的Limdell发电机相比,转动部件的质量和直径减小,同时,提供一等量 的功率。

[0008] 机动车辆发电机中惯量的减小还转换为发动机加速发电机所需要马力的减小。可 以想见,马力的减少则可作用于车辆的传动系,导致更多的马力推动车辆。例如,对于必须 对付限制赛车发动机产生马力规定的赛车工程师来说,其尤感兴趣于这一点。即使驱动轮 子的马力方面有稍许的改进,也可产生巨大的竞技利益。

[0009] 此外,在诸如电动的或混合型车辆的应用中,这样的惯量可存在众多问题。混合型 车辆利用一汽油发动机在高于预定阈值的速度下推进车辆,例如,30kph的速度(通常对应于汽油发动机最有效的RPM的范围)。同样地,在所谓“轻度混合型”中,采用一起动发电 机,当驾驶员踩下加速器踏板时,该起动发电机提供一起始的推进爆发力,而当车辆因交通 而停车时,便于关闭车辆发动机以节约燃油和降低排放。这样的轻度混合型系统通常考虑 使用一高压(例如,42伏)电气系统。在此系统中的发电机必须能对电池充电达到能驱动 起动发电机的足够程度,以便在相继的停车之间(尤其是,停停开开的交通车辆)提供起动 的爆发力。因此,需要有一相对大功率、低惯量的发电机。

[0010] 一般来说,需要有附加的电力用来对控制和驱动系统、车辆的空调和其它应用供 电。这对于娱乐车辆、诸如冷藏车的工业运输应用、建筑应用和军事应用尤其是如此。

[0011] 例如,在汽车工业中,存在着一种趋势利用智能的电控制和驱动系统,而不是机械 的或液压的控制和驱动系统来降低对车辆发动机的动力载荷并提高燃料经济性。可结合 以下的部件来使用这样的系统,例如,驾驶操纵的伺服机构(其通常仅在需要操纵纠正时 才起作用)、避震器(使用对于路面和速度条件的反馈来调整避震器的刚度),以及空调器 (在最小速度时保持恒定温度所需要的压缩机的运行)。使用这样的电控制和驱动系统会 趋于增加对车辆电电功率系统的要求。

[0012] 同样地,人们希望移动的制冷系统也是电气驱动的。例如,通过在变速的情况下 (与车辆发动机的rpm无关)驱动制冷系统可提高效率。此外,利用电气驱动系统,对连接 各种部件的软管,例如,压缩机(发动机上)、冷凝器(设置成暴露于空气中)以及蒸发单元 (位于冷隔间内),可用类似于家用冰箱或空调器的电气驱动密封系统代替。因此,在如此 应用中的车辆电功率系统应能对需电气驱动的单元提供所需要的电功率水平。

[0013] 对于“可移去和更换”的大功率发动机还有一种特殊的需要来翻新现有的车辆。通 常在车辆的发动机室内只有有限的空间量来容纳发电机。除非更换的发电机适合于可供的 空间内,否则,如果可能的话,则安装相当复杂,通常需要移去诸如散热器、缓冲器等的主要 部件,以及额外的支架、皮带和硬件的设施。因此,要求更换发电机适合于所提供的原始空 间,并接口于原来的硬件。

[0014] 一般地来说,永久磁体发电机是众所周知的。这样的发电机利用永久磁体产生要 求的磁场。永久磁体发电机趋于比传统绕组磁场发电机重量轻和体积小。永久磁体发电机 的实例描述在以下美国专利中:1997年4月29日授予Scott等人的美国专利5,625,276 ; 1998年1月6日授予Scott等人的美国专利5,705, 917 ;1999年3月23日授予Scott等 人的美国专利5,886,504 ; 1999年7月27日授予Scott等人的美国专利5,929,611 ;2000 年3月7日授予Scott等人的美国专利6,034,511 ;以及2002年8月27日授予Scott等 人的美国专利6,441,522。

[0015] 尤其是,轻和紧凑的永久磁体发电机可利用一“外部”永久磁体转子和一“内部”定 子来实现。转子包括一中空的圆柱形外壳,其带有设置在圆柱形外壳内表面上的高能永久 磁体。定子同心地设置在转子壳内。转子围绕定子的转动致使转子磁体发出的磁通与定子 绕组互相作用并在定子绕组内感应出电流。如此一发电机的实例描述在上述1998年1月 6日授予Scott等人的美国专利5,705,917和1999年7月27日授予Scott等人的美国专 利 5,929,611 中。

[0016] 这样的永久磁体发电机中的定子合适地包括合适形状和化学成分的个别的薄钢 片叠合,然后,它们用焊接或用环氧树脂连接在一起而形成带有用来接纳绕组的齿槽的一圆柱体。堆叠起来的各自层叠薄片沿轴向和转动方向对齐地定位,这样,合成的状态或齿槽 沿轴向对齐(布置)。由轴向对齐齿槽产生的输出功率波其特性是方波。

[0017] 然而,在使用依赖于与输出同步的控制系统的应用中,有利地是使功率输出波具 有斜坡侧以提高控制定时。

[0018] 根据转子速度由永久磁 体发电机供应的电力变化很大。在许多应用中,由于汽车 中发动机速度变化,或载荷特性的变化,所以转子速度的变化很普遍。因此,通常采用一电 子控制系统。永久磁体发电机和用于其的控制系统的实例描述在上述的1997年4月29日 授予Scott等人的美国专利5,625,276中,其它控制系统的实例描述在2000年1月25日 授予Anderson等人的美国专利6,018,200中。

[0019] 然而,在这样的永久磁体发电机中,效率反比于磁体与定子分离的“气隙”。这样的 气隙通常在千分之20至40英寸的范围内。由于这样紧的间隙/容差,作用在发电机上的 外力所造成的转子的位移,使得永久磁体发电机特别容易在磁体和定子之间造成毁坏性的 干扰(冲撞)。在车辆的应用中,由于发动机振动(尤其是,柴油机起动时),其涉及到横向 颠簸的路面或地形,以及其它类型的冲击,相当严重的外力是很常有的事情。因此,需要有 这样的发电机,其中转子位移为最小,且其包括一吸收转子超常位移并防止转子磁体与定 子冲撞的机构。

[0020] 已知有使用发动机轴端部处的锥形来对中一附件,例如,将割草机刀片附连到一 发动机轴上。传统上,这样的锥形仅设置在轴端上。一轴向锥形孔设置在轴端表面内。该 附件包括一带有对应锥形孔的轮毂。然而,锥形孔通常只延伸到附连轮毂的半途(相对于 通孔);其有效地是一直径比其小的通孔的埋头孔。通过一穿过附件轮毂孔并旋入到轴端 表面内孔中的螺栓,将该附件固定到轴上。锥形连接趋于将附件对中在轴上,然而,轴端上 的附件实际上是悬臂的,并易于发生振动。

[0021] 此外,由紧凑的大功率发电机产生的热量也可造成诸多问题。这在相对低的发电 机转速rpm下产生相当水平功率的情形中尤其是如此,一般地,由风扇移去的空气量正比 于风扇转速的平方。由于发电机正变得越来越紧凑和高效,所以,产生相当的热量。永久磁 体由于过热特别易于损坏;在高载荷和高温的条件下,这样的磁体可变得退磁。同样地,用 于控制器内的电子部件易于热损坏。因此,必须采取策略来耗散热量聚集。

[0022] 已知在发电机设备中有使用空气流来冷却发热元件(例如,整流器)。这样冷却的 实例描述在上述1999年7月27日授予Scott等人的美国专利5,929,611中,传统上,空气 流是由安装转子的轴所驱动的一风扇提供的。然而,在各种汽车应用中,大量的热是在低转 速rpm情况下产生的。

[0023] 一般来说,可采取直径上可观的减小来实现惯量有效地减小。这趋于在小惯量发 电机中对于冷却形成一种迫切的需要。这些发电机在质量和总尺寸方面的减小致使利用传 统的冷却方法变得不可行。

[0024] 在面对某些元件进行冷却会有害于发电机运行的情形中,需要使永久磁体发电机 完全地被密封起来的冷却技术。这对于军事的或经受苛刻多尘的环境尤其重要,由于磁体 对于大部分沙尘中可见的含铁颗粒具有亲和性,所以,所述恶劣环境不利于磁体。

[0025] 对于发电机还需要其不仅能适应功率水平,而且要适应车辆使用所赋予的空间和 崎岖不平的限制条件。例如,车辆的操作趋于产生垂直于转子轴线的力,这些力有时足以造成转子和定子的冲撞。转子和定子的分离只有一很小的气隙,且外力趋于造成超过气隙的转子横向运动,则将造成显著的干扰。

发明内容

[0026] 本发明提供在机械能和电能之间进行转换的特别有优点的机器。

[0027] 本发明的各种方面提供一使用永久磁体的紧凑的功率转换装置,其不仅能适应功 率水平,而且要适应车辆使用所赋予的空间和崎岖不平的限制条件。本发明的另一方面提 供一 “可移去和更换”的大功率发动机以翻新现有的车辆。

[0028] 本发明的其它方面提供一使用永久磁体的紧凑的大功率转换装置,其中,转子位 移最小,且其包括一吸收转子超常位移并防止转子磁体与定子冲撞的机构。

[0029] 根据本发明的另一方面,一功率转换装置包括一转子、一定子以及一冷却系统。

[0030] 转子包括一圆柱形外壳和设置在圆柱形外壳内部的预定数量的永久磁体,并且转 子适于围绕圆柱形外壳轴线转动。

[0031] 定子包括一内芯和至少一个导电绕组。内芯包括一大致圆柱形的外周表面,其带 有形成在其中的预定数量的槽。绕组通过槽围绕内芯卷绕。

[0032] 定子同心地设置在转子外壳内,使定子内芯的周缘表面靠近转子磁体设置,与磁 体分离开一预定的间隙距离,这样,转子和定子的相对运动致使磁体发出的磁通与定子绕 组互相作用并在定子绕组内感应出电流。

[0033] 冷却系统引导冷却剂流与绕组和磁体中的至少一个形成热力接触,冷却系统包括 至少一个通过定子内芯的通道。

[0034] 根据本发明的其它方面,通过以下一个或多个措施来促进冷却:疏松地卷绕绕组 端部匝,以有效地增加绕组的表面面积;在至少一部分的定子绕组上方(较佳地通过绕组 的疏松卷绕的端部匝)建立一导向的空气流;在元件上方引导一部分气流与磁体热力接 触;从相对于安装转子的轴不同步的气源(例如,一电风扇)中提供气流;以及引导冷却剂 流体流与绕组端部匝形成热力接触。

[0035] 附图的简要说明

[0036] 下面将结合附图中诸图描述本发明,其中,相同的标号表述相同的零件,其中:

[0037] 图1是根据本发明一发电机的第一实施例的前视图(为清晰起见,绕组已移去)。

[0038] 图2是图1发电机的侧视图。

[0039] 图3是图1和2的发电机(沿图2的线BB截取)的示意的截面图(其中绕组示 意地示出)。

[0040] 图4A是图1、2和3的发电机(沿图2的线CC截取)的示意的截面图(为清晰起 见,其中绕组仅示意地示出)。

[0041] 图4B是图1、2和3的发电机(沿图2的线CC截取)的示意的截面图(为清晰起 见,其中绕组仅示意地示出),发电机经修改以使系杆位于壳体外面。

[0042] 图4C是图4A —部分的详细放大图。

[0043] 图4D是一轴向地和转动地对齐的定子芯的立体图。

[0044] 图4E是一斜向定子芯立体图。

[0045] 图4F是图4E的斜向定子芯安装的详细的截面图。[0046] 图4G是采用带有轴向对齐边缘的磁体的转子的立体图。

[0047] 图4H是采用带有斜向边缘的磁体的转子的立体图。

[0048] (图4A-4F统称为图4)

[0049] 图5A、5B和5C(统称为图5)是转子响应于外力发生运动的示意图。

[0050] 图6A、6B、6C、6D、6E、6F和6G(统称为图6)是用来防止根据本发明的发电机转子 和定子之间毁坏性干扰的机构的各自实施例的示意的截面图。

[0051] 图7A是使用一带有一锥形端帽的转子的发电机的示意的截面图,该端帽用来减 小转子响应于外力发生的位移。

[0052] 图7B是示出转子摆动的运动图。

[0053] 图7C是使用一带有一横截面面积增加很大的锥形端帽的转子的发电机的示意的 截面图,该端帽用来减小转子响应于外力发生的位移。

[0054] 图7D是使用一带有一焊接的转子外壳的转子的发电机的示意截面图。

[0055] 图7E是使用一铸造为一单一单元的转子和轴的发电机的示意截面图。

[0056] 图8是使用图7A的转子的发电机的示意截面图(局部),以及用来防止图6毁坏 性干扰的各种机构的组合。为清晰起见已夸大附图的各种图中的间隙空间。

[0057] 图9A是根据本发明一个方面的使用空气冷却的发电机的示意截面图。

[0058] 图9B是根据本发明另一个方面的使用空气冷却磁体和使用流体冷却线圈端部匝 的发电机的示意截面图。

[0059] 图9C是根据本发明一个方面的使用独特地在一密封的发电机内流体冷却的发电 机的示意截面图。

[0060] 图9D是传热的胶囊密封材料、流体冷却的发电机内的冷却管和传热翅片的结构 的详细截面图。

[0061] 图9E是流体冷却的发电机内的冷却管的合适路线的详图。

[0062] 图IOA是轴向对齐的定子和定子绕组的端部匝的简化的示意俯视图。

[0063] 图IOB是斜向定子和定子绕组的端部匝的简化的示意俯视图。

[0064] 图11是定子的一部分和定子绕组的端部匝的简化的示意立体图,使定子绕组的 端部匝弯入空气流中。

[0065] 图12是使用热交换器和内部和外部风扇的一密封的发电机单元的第一实施例的 示意截面图。

[0066] 图13A和13B(统称为图13)是一热交换器的各自实施例的示意图。

[0067] 图14是带有通过一气室供应的外部空气流的一密封的发电机单元的第一实施例 的示意截面图。

[0068] 图15是带有通过一双壁通气管供应的外部空气流的一局部密封的发电机单元的 第一实施例的示意截面图。

[0069] 图16A和16B(统称为图16)是使用一优化风扇的各自实施例的图15的发电机的

示意截面图。

[0070] 图17是使用一优化风扇的另一实施例的图15的发电机的示意截面图。

[0071] 图18A、18B和18C (统称为图18)是适用于图15的发电机的气流过滤策略的对应 实施例的示意图。[0072] 图19是一适用于使用一横向于发电机轴线的空气导管的图15的发电机的风扇外壳的后视图。

[0073] 图20A、20B和20C是分别适用于图16和17的优化风扇的过滤器系统的示意图。

[0074] 图21A是安装在空气冷却的发电机端板内的电气部件的示意的侧视截面图。

[0075] 图21B是图21A的安装件的示意的后视截面图(从图21A的A-A方向截取)。

[0076] 图22A是示出安装在一空气冷却发电机的风扇外壳内的电气部件的示意的侧视 截面图。

[0077] 图22B是图22A的电气部件安装件的立体图。

[0078] 图23A是示出安装在一享有发电机流体冷却的端部匝流体冷却的发电机内的电 气部件的截面图。

[0079] 图23B是示出安装在一享有发电机流体冷却的所有流体冷却的发电机内的电气 部件的截面图。

具体实施方式

[0080] 现参照图1、2、3和4,一在机械能和电能之间实施转换的装置,例如,根据本发明 的各种方面的发电机100包括:一轴110,较佳地包括一锥形突出部分310和一螺纹部分 312 •’一转子112 ;—定子114 ;一前端板116 ;—前轴承118 ; —防松螺母120 ;—后端板122 ; 一后轴保持环123 ;—后轴承124 ;—后防松螺母125 ;—后端板保持环127 ; —电风扇126 ; 一外壳128和对应的系杆130。转子112安装在轴110上以便随轴转动。定子114紧密地 接纳在转子112内,与转子112分离一小的气隙412。前端板116、前轴承118、后轴承124、 后端板122、外壳128和系杆130作为一支承组件进行合作,以使轴110、转子112和定子 114保持对齐。轴110由轴承118和124保持,两个轴承分别安装在前端板116和后端板 122上,并可转动地保持和对齐轴,使其与端板同心和垂直。转子112安装成在轴110上转 动,通过与锥形轴部分310合作确定地予以定位。后端板122安装和定位定子114,以使其 定位在转子112内并合适地与轴110和转子112对齐。外壳128具有垂直于其轴线(最好 是圆柱形)的端面,并设置在前端板116和后端板122之间。系杆130压迫端板116和122 抵靠在外壳128上,保持部件呈平直和对齐。

[0081] 在一典型的汽车发电机应用中,一皮带轮132安装在轴110端部上。动力从发动 机(未示出)通过合适的皮带传动(未示出)传输到皮带轮132和轴110。轴110又致使 转子112围绕定子114转动。转子112产生一磁场,该磁场与定子114上的绕组互相作用。 由于磁场的磁力线切割绕组,因而产生电流,电流供应到一合适的负载上。感应电流通常施 加到一桥式整流器,有时进行调制,形成为一输出。在某些情形中,调制的输出信号施加到 一变换器以提供一交流电(AC)输出。

[0082] 一般地,轴110是一预定直径(例如,3/4英寸)的圆柱,带有接纳皮带轮132(7/8 英寸),以及前轴承118 (例如,11/4英寸),转子112 (锥形部分310)和防松螺母120 (螺 纹部分312,例如,1英寸)的较大的直径部分。锥形突出部分310设置在轴110上的一预 定位置并具有一预定的锥度,即,其直径从一最小直径(基本上等于螺纹部分312的直径) 起每单位长度增加一预定量,合适地在这样的范围内,即,每7英寸长度增加1英寸至每16 英寸长度增加1英寸,较佳地是每英尺增加1英寸。锥形部分310较佳地保持在相当接近页

的公差,即,正或负0.004。选择该锥度确保在轴110和转子112之间有足够的表面面积接 触,同时,仍提供直径的足够变化,以防止一旦固定后转子不希望的轴向运动。

[0083] 转子112较佳地包括一端板314、一圆柱形壳体316和设置在壳体316的内部侧 壁内的一预定数量(例如,12对)的交替极性的永久磁体318。图7D和7E详细示出端板 314和圆柱形壳体316的变化结构。

[0084] 转子端帽314合适地基本上敞开,包括一周缘部分321、对应的交叉臂322和一中 心轮毂324以提供与轴110的连接。各自的空气通道323设置通过端帽314,与周缘部分 321、相邻的交叉臂322和中心轮毂324交界。如果需要的话,交叉臂322可构造成风扇的叶 片以便于冷却内部腔室320。如下文中更完整地解释的,转子轮毂324包括一通孔326,其 具有对应于轴部分310锥度的一预定锥度(例如,每英尺1英寸)。在组装中,轴110轴颈 地通过孔326,这样,轴的锥形部分310接纳在孔326内就在螺纹的轴部分312的前面。螺 纹的轴部分312与防松螺母120合作,以确定地将转子112定位在轴110上。一般地,交叉 臂322的厚度选择得尽可能薄(以将重量和材料成本减到最小),同时,仍能承受预期的载 荷,在其最薄处合适的范围在3/8英寸至5/8英寸内。由于转子壳体316从端帽314起实际 上呈悬臂状态,所以,必要的厚度正比于壳体316的长度。转子轮毂324在孔326附近,其 合适的厚度应足以提供与锥形轴部分310足够的表面接触,合适地应为11/2英寸的量级。

[0085] 圆柱形转子壳体316由“软磁”(磁通量相对容易透过)材料(例如,无铅钢)形 成为一预定外直径和厚度。一般地,为了使功率输出最大,在对发电机100给定适合的总体 尺寸限制下,要求由磁体318的内表面形成的圆直径DA(;(图4)(在本文中有时称之为气隙 直径)尽可能大。例如,在许多汽车应用中,发电机100必须长度不大于5英寸直径不大于 5英寸,以便能配合在可供的空间内。壳体316的厚度选择得尽可能薄(以将重量和材料成 本减到最小),同时,仍能承受预期的载荷,磁体318发出的磁通密度不饱和壳体。壳体316 的厚度合适地在1/8至1/2英寸的范围内,通常在3/16至1/4英寸的范围内,且在图1-4 的实施例中,为3/16英寸。

[0086] 磁体318较佳地包括高能产出的磁体,其具有的磁通密度至少在5千高斯的量级, 较佳地在8至11千高斯范围内,且合适地由诸如钕铁硼,或钐钴那样的稀土合金形成。这 样的稀土材料通常极其昂贵,因此,要求最大程度地减小使用的材料量。然而,同时,要求产 生相当高的磁通密度。在优选的实施例中,磁体802相当地薄,例如,在0. 1至0. 15英寸厚 的量级上,但具有一相当大的面积,其为0. 75英寸宽乘以近似1英寸至2. 5英寸长,以将使 用的高能产出的磁体量减到最小。

[0087] 磁体318可用任何合适的方式固定到壳体316。例如,磁体318可胶合在壳体316 上。磁体318部署在壳体316内部上的优点在于,磁力特别地趋于将磁体318固定到壳体 316 ;即使在粘结剂失效的情况下磁体也将趋于保持在其固有的位置上。如果需要的话,在 功率密度较小而可被接受的某些应用中,可使用软磁结果的磁极318A来代替一组永久磁 体的磁极。

[0088] 定子114合适地包括一内芯328和导体绕组330 (图3,仅示意地显示)。如图4 清晰地所示,内芯328大致地呈圆柱形,具有一沿轴向成钝锯齿形的外周缘表面,即,包括 一预定数量的齿402和槽404。内芯328较佳地基本上敞开(如下面讨论的全流体冷却的 发电机除外)使一中心孔406由内芯328的圆柱形内部表面407形成。[0089] 内芯328的一实施例合适地包括从表面407沿径向向内延伸的交叉臂408。交叉臂408合适地包括轴向通孔410以便于将内芯308安装在后端板122上。如图3清晰地所 示,定子内芯328可以通过轴颈地穿过孔410的对应的螺栓352固定到后端板122,并固定 在攻丝的孔350内。

[0090] 内芯328合适地包括多个软磁材料薄片的叠合的堆叠,例如,非定向的低损耗 (无铅)钢的软磁材料,它们切割或冲切成要求的形状,诸软磁材料薄片对齐并连接在一起 (例如,用焊接或环氧树脂在一精密夹具内连接在一起,以将分离的层叠保持在预定的对齐 中)。一般地,各自的层叠沿轴向地和转动向地对齐,以使合成的状态或齿和槽呈笔直对齐 (设置),如图4D所示,平行于内芯轴线。

[0091] 然而,在使用依赖于与输出同步的控制系统的应用中,有利地是,使输出功率波具 有一特殊的波形,例如,斜坡侧波形以提高控制的定时。这可在转子磁体和内芯齿之间建立 渐进的(逐渐的)互相作用来实现。例如,通过使用相对于磁体318具有倾斜边缘的齿和 槽,可提供这样渐进的互相作用,例如,显现为大致的螺旋形。在一叠合的内芯中,如此的齿 和槽可这样形成:各个相继叠合片采取稍微的和渐进的径向倾斜,这样,在焊接和环氧树脂 连接后的纯效果是这样一叠合的重叠,其在一给定齿的径向位置中,从叠合的重叠的前面 到后面偏移一预定量。在优选的实施例中,该偏移相当于一个齿(例如,前面上的第η齿 与后面上的第η+1齿对齐)。预定的偏移量合适地是高达近似地相当于一个齿的任何的偏 移,较佳的范围是相当于近似0. 01齿到1齿。内芯328的这样一“倾斜内芯,,实施例的实 例329示于图4Ε中(当另有具体说明的除外,下文中涉及到内芯328是指内芯沿轴向对齐 的实施例328和倾斜的实施例329)。

[0092] 如图4F所示,如果交叉臂408略去的话,例如,如在倾斜内芯329中,则内芯328 可使用一合适的安装环412固定到后端板122,安装环包括一与螺栓352 (代替交叉臂408) 合作的定位台肩和通孔416 (对应于交叉臂孔410)。在大多数情形中,施加到安装螺栓352 的足够的扭矩将足以防止内芯328相对于安装环412和后端板122转动。然而,如果需要 的话,可采用一合适的紧固方法(例如,环氧树脂、销,或键)来帮助防止使用时叠合的堆叠 的转动。

[0093] 也可通过使磁体318的边缘相对于定子齿倾斜一预定量,来提供转子磁体和内芯 齿之间的渐进(逐渐)的互相作用。例如,一使用带有倾斜边缘的磁体的转子示于图4Η中。 为了进行对比,一使用带有轴向对齐边缘的磁体的转子示于图4G中。如在倾斜内芯的情形 中,预定的偏移量是可高达相当于近似一个齿的合适的任何偏移,较佳的范围是相当于近 似0.01齿到1齿。

[0094] 由合适的绝缘导体(最好是马达用的漆包铜线)形成的绕组330设置在内芯328 上,向外沿着内芯328的侧表面围绕预定数量的齿402,卷绕通过对应的槽404,然后,返回 通过另一槽404。沿着内芯328的侧面在槽404外面延伸的绕组330的部分在这里分别称 之为前侧和后侧端部匝332Α和332Β (统称为端部匝332)。传统上,绕组330的端部匝332 紧紧地抽拉抵靠在内芯328的侧面上,以便最大程度地减小绕组内的线量(以及阻抗)。然 而,如下文中将进一步讨论的,根据本发明的一个方面,通过疏松地卷绕端部匝332,以使端 部匝332从内芯328向外延伸,在各线和内芯328之间提供空气间隙,这样可便于进行冷 却。[0095] 如果需要的话,绕组330可如上述授予Scott等人的美国专利5,625,276中所描述地分成预定数量的相和/或分成独立的组。

[0096] 在组装中,定子114与转子112同轴地设置,并紧密地接纳在转子112的内腔320 内。如下文中将解释的,后端板122安装和定位定子114以使其合适地对齐在转子112的 内腔320内。定子内芯328的周缘表面通过一小的预定气隙412与磁体318的内表面分离 (清晰地示于图4B中)。气隙412合适地在千分之20至40英寸的范围内,在图1_4的实 施例中,在千分之30英寸的量级上,例如,千分之31英寸。因此,壳体316的内直径、磁体 318,以及定子内芯328的外直径最好保持靠近的公差以保持对齐。重要地是,转子112和 定子114应小心地对齐,由于外力作用在发电机上引起元件离其正常位置的位移应保持在 阈值之下。

[0097] 如上所述,通过一包括前端板116、前轴承118、后轴承124、后端板122、外壳128 和系杆130的承载结构,实现轴110、转子112和定子114的对齐。轴承118和124事实上 在轴110和承载结构之间提供对应的转动连接点。轴承118和124以及轴110同心地设置 并分别垂直于端板116和122。通过穿过孔326的锥形转子轮毂和锥形轴部分310的合作, 转子112较佳地相对于轴110确定地定位。定子114通过后端板122相对于轴110和转子 112定位并与它们对齐。通过外壳128和系杆130使端板116和122保持对齐。

[0098] 前端板116合适地大致呈圆柱形,其包括:一中心设置的包括一带有埋头孔336 的同轴孔334的轮毂;一周缘部分133,其包括离孔334中心为预定径向距离设置的对应 的(例如,8个)锥形孔337,它们以等角距离分布以便接纳系杆130 ;以及将周缘部分133 连接到轮毂333并形成对应空气通道136的对应的(例如,4个)交叉臂134。前端板116 定尺寸和加工到高要求的公差(例如,对于埋头孔336为正或负0. 0008TYP,对于诸如系杆 孔337型式、外壳台肩、安装孔型式之类的其它零件为0. 005TYP),并合适地由金属形成,例 如,铝铸件,且应具有足够的强度抵抗由轴110和转子112转动产生的转动载荷,以及由于 皮带张拉在皮带轮132上发生的侧向载荷。前轴承118紧密地接纳在埋头孔336内,并通 过合适的固定环338进行合适的固定。因此,前端板116将前轴承118定位在中心轴110。

[0099] 后端板122承载和定位后轴承124,安装和定位定子内芯328,并合适地对风扇126 提供一安装表面。后端板122合适地包括一台阶形的中心轮毂340,其具有一向前的直径 减小的部分342和通过其间的中心孔344,以及一大致圆柱形向后的的外部分346,其较佳 地具有与前端板116相同的外直径并通过对应的交叉臂348连接到轮毂340。如下文中将 进一步描述的,后端板122还合适地包括对应的空气通道347,其由邻近的交叉臂348、外部 346和轮毂340交界。对应的通孔350以与前端板116内的攻丝孔337相同的离中心的径 向距离和角度部署设置在圆柱形的外部346中。一对应于定子交叉臂孔410 (或安装轴环 孔416)的预定数量的攻丝孔(例如,4个)设置在突出部340的台阶形表面内。直径减小 部分342的外直径基本上等于(但略微小于)定子孔406的直径,这样,后端板部分342可 紧密地接纳在定子孔406内。后端板122定尺寸和加工到高要求的公差(例如,对于中心 孔344为正或负0. 0008TYP,对于诸如系杆孔350型式、外壳台肩、安装孔型式之类的其它零 件为0. 005TYP),并合适地由金属形成,例如,铝铸件。后轴承124紧密地接纳在后端板轮毂 340的孔内,并因此对中轴110。

[0100] 定子内芯328安装在轮毂340上,使直径减小的轮毂部分342接纳在定子孔406内,定子后侧壁邻接抵靠轮毂台阶。如果内芯328包括交叉臂408,则交叉臂合适地邻接轮 毂340。如果内芯328不包括交叉臂408,例如,倾斜的内芯329,则内芯内部表面407合适 地邻接直径减小的轮毂342。对应的螺栓352轴颈地通过孔410 (或416)并固定在攻丝孔 350内,将定子内芯328固定到后端板122。定子144由此确定地定位和对齐于轴110。

[0101] 根据本发明的一个方面,转子112确定地定位在轴110上并与其对齐。具体来说, 如上所述,它包括一带有预定锥度的部分310(例如,合适地在这样一范围内:每7英寸长度 为1英寸直径至每16英寸长 度为1英寸直径,较佳地为每英尺长度为1英寸直径),就在螺 纹部分134前面介于前轴承118和后轴承124之间。轴锥形部分310的最小直径合适地稍 微大于螺纹部分134的直径。转子轮毂324包括一通孔326,其具有对应于轴部分310的锥 度的一预定的锥度。锥形通孔326的最大直径对应于(例如,基本上等于或稍许小于)锥 形部分310的轴的最大直径,而锥形通孔326的最小直径对应于(例如,基本上等于或稍许 小于)锥形部分310的轴的最小直径。轮毂324的轴向尺寸应是这样:当完全地座落时,它 略微地延伸超过轴部分310的端部。在组装中,轴110轴颈地通过孔326,以使轴锥形部分 310接纳在孔326内。螺纹的轴部分312与防松螺母120合作而强制转子轮毂锥形表面326 沿轴向与轴部分132的锥形表面揩拭地接触,直到两表面相匹配为止。转子112因此以强 的机械连接精确地定位、对中和对齐在轴110上。

[0102] 由于端板116和122通过外壳128和系杆130彼此保持对齐,而轴110 (和锥形部 分310)通过轴承118和124保持与端板116和122对齐,且定子114通过端板122确定地 定位并与轴110对齐,转子112在轴110上的确定的定位和对中也提供了转子112和定子 114之间相对的定位和对齐。

[0103] 在车辆的应用中,发电机110可经受相当严重的加速,由于在转动情形中固有的 转动惯量,这种加速趋于造成转子112的扭曲和/或位移。这样的加速原因例如有发动机 振动(特别是柴油机起动时),涉及到横向的崎岖不平的路面或地形以及其它类型的冲击。 永久磁体发电机100的效率反比于将磁体与定子分离开的“气隙”412的宽度。如上所述, 气隙412合适的范围为千分之20至40英寸,在图1-4的实施例中,在千分之30英寸的量 级上,例如为千分之31英寸。转子112的位移只需超过气隙412的宽度就可造成冲撞和可 能的毁坏性干扰。此外,由于各种原因,例如,为最大程度地减小发电机100操作中的惯量, 需要尽可能地减轻转子112的重量。因此,转子112趋于因这样的力而易于扭曲。

[0104] 参照图5A,在没有外力的情况下,转子112同心于和垂直于轴110 ;转子壳316位 于与轴110同轴的名义的正常位置(用线502和504表示),而转子端帽314的向前边缘 (最靠近前端板116)处于一垂直于轴110轴线的名义的正常位置(用线506表示)。通常 平行于轴110的轴线交会的诸外力分量趋于对转子112的部署影响很小;转子端帽314,以 及转子轮毂324、锥形的轴部分310和防松螺母120的合作足以阻止转子112的轴向移动或 扭曲,且在任何情形下,对于轴向扭曲总有较大的公差。然而,外力总趋于具有足够的强度 与垂直于轴110的轴线的部件相遇而扭曲转子112。除了转子112因外力发生挠曲之外,实 际上,由于制造过程中的限制(公差),转子112趋于形成非常小的不圆度(圆柱壳体316 将不是绝对平行于轴110),在转动过程中造成的锥形摆动将偏心地减小气隙。

[0105] 具体来说,当转子壳体316经受垂直于轴110轴线的加速时,转子壳体316趋于保 持其圆柱形外形。然而,在转子端帽314中显现出一扭曲。事实上,转子112在转子端帽314和轴110的连接处(示意地显示为锚固(悬臂)点508)呈悬臂状态。响应于垂直加速 度,转子112事实上围绕锚固点508沿力的方向枢转。在转子112最远离锚固点508的部 分(即,壳体316的远(后)端)和端帽314的外周缘(端帽314连接壳体316)处,经历 着离名义的正常位置的最大挠度。如果磁体318附近处的挠度超过气隙412,例如,千分之 31英寸,则磁体318将冲撞定子114,造成可能的毁坏性干扰。如果不圆度摆动造成超过气 隙412的对正常的偏移,则会发生同样的问题。

[0106] 例如,如图5B所示,响应于以向上的加速度,转子112将事实上向下枢转(如图所 示,沿顺时针方向)。转子壳316的向上侧将朝向轴110向内有效地枢转,使远端从名义的 正常位置502向内偏移一挠曲量510。端帽314的向上周缘同样地朝向其名义的正常位置 506的后面移动一挠曲量512。相反,转子壳316的向下侧的远端从名义的正常位置504向 外偏移一挠曲量514。端帽314的向下周缘同样地朝向其名义的正常位置506的前面移动 一挠曲量516。由于圆柱形转子壳316保持其形状,所以,对应的上和下部分的挠曲量基本 上成正比,即, 挠曲510和512基本上分别正比于(且在许多几何形中等于)挠曲514和 516。

[0107] 相对方向的力将造成镜面对称的挠曲。例如,如图5C所示,响应于一向下的加速 度,转子112事实上将向上枢转(如图所示,沿逆时针方向)。转子壳316的向下侧将朝向 轴110向内有效地枢转,使远端从名义的正常位置504向内偏移一挠曲量518。端帽314的 向下周缘同样地朝向其名义的正常位置506的后面移动一挠曲量520。相反,转子壳316的 向上侧的远端从名义的正常位置502向外偏移一挠曲量522,而端帽314的向上周缘同样地 朝向其名义的正常位置506的前面移动一挠曲量524。再者,由于圆柱形转子壳316保持其 形状,所以,对应的上和下部分的挠曲量基本上成正比(且在许多几何形中等于),即,挠曲 518和520基本上分别正比于挠曲522和524。

[0108] 根据本发明的另一方面,在磁体318的挠曲超过气隙412之前,通过设置一个或 多个缓冲器来擒获转子离名义的正常位置的偏移,可防止发生冲撞。缓冲器可设置在转子 112内部或外部的任一侧或两侧上,与壳体316或端帽314中的一个或两个互相作用;由于 转子壳体316保持其形状,所以,防止壳体316或端帽314的向内或向外偏移超过对应于 气隙宽度的预定的限值,将可阻止冲撞的发生。缓冲器由相对光滑和弹性的且具有预定硬 度的材料形成,这样,在响应于最大载荷(例如,20g重力)擒获转子112的偏移之前,使其 变形不大于一预定量。这样一材料的实例是特富龙、注入玻璃的特富龙以及油浸渍的烧结 青铜。缓冲器可设置在后端板122、前端板116或其它支承结构(例如,系杆130)的零件 上,并使用转子112的一部分作为承载表面。或者,缓冲器可设置在转子112上,并利用支 承结构的一零件作为一支承表面,或在某些情形中,可插入在磁体318和定子114之间的气 隙412内。缓冲器设置成与合作的承载表面分离一预定量,有时在本文中称之为“支承间 隙”,例如,0. 01英寸。选择支承间隙以使支承间隙加上缓冲器的最大变形量小于磁体的气 隙412。此外,与缓冲器互相作用的承载表面可进行处理,例如,最大程度地减小摩擦和/或 硬化。例如,可采用铬或某些其它类型的金属锌型的表面。

[0109] 如上所述,通过防止转子壳316向内偏移,可避免磁体318和定子114的冲撞。参 照图6A和8,一大致圆柱形的台肩602可形成在后端帽122上,向前延伸而位于转子壳316 端部的下面,即,接纳在转子内腔320内。台肩602的外直径小于转子壳316的内直径一预定量。一圆柱形缓冲器604围绕台肩602设置。因此,缓冲器604的外表面与转子壳316 同轴,并通过一支承间隙606与转子壳316的内表面分离。缓冲器604由具有预定硬度的 材料形成,这样,在擒获转子壳316的偏移之前,使其变形不大于预定量。选择支承间隙606 使其足够小于磁体的气隙412,以使重叠缓冲器604的转子壳316的内表面与缓冲器604接 触,在磁体318与定子内芯314接触之前,即,支承间隙加上缓冲器604的最大变形量小于 磁体的气隙412,发生缓冲器604的最大变形。如果需要的话,可在转子壳316的承载表面 上提供表面处理,例如,铬、金属锌或硬质阳极化处理层608。

[0110] 或者,如图6B所示,一圆柱形的缓冲器604具有的外直径基本上等于转子壳316 的内直径,该缓冲器可附连(例如,胶合)到转子壳316的内表面。缓冲器604A的内表面 通过轴承间隙606与后端台肩602的外表面(其起作承载表面)分离。如果需要的话,一 表面处理608A可设置在台肩602的承载表面上。 [0111] 在某些应用中,可要求使用一缓冲器(或表面处理),其呈围绕转子壳316的嘴被 接纳的轴环或套筒的形式。这样一结构的实例示于图6C中。一轴环缓冲器612具有预定 长度和厚度的圆柱形本体614和一唇形物616,缓冲器612附连到(例如,用环氧树脂胶合) 转子壳316的嘴上。轴环缓冲器612与后端板122合作以防止磁体318和定子114冲撞。 轴环本体614与台肩602 (其相对于轴环本体614起作一承载表面)的侧壁分离一支承间 隙606。如果需要的话,轴环唇形物616的端表面可与后端板122的侧壁合作,与后端板122 分离开一合适的支承间隙606A,以提供附加的保护防止转子壳316的偏移。

[0112] 一般地,希望设置在转子112上尽可能少,以将转子重量和其惯量减到最小。然 而,在某些情形中,为组装的方便可采取图6B或6C的实施例。

[0113] 如上所述,通过防止转子壳316向外偏移可避免磁体318和定子114的冲撞。参 照图6D和8,一大致圆柱形的台肩618与转子壳316同轴,但具有的一内直径比转子壳316 的外直径大一预定量,该圆柱形台肩618设置在后端板122上,向前延伸而重叠转子壳316 的端部。一圆柱形缓冲器620附连(例如,胶合)到台肩618的内侧壁,与转子壳316同轴 地定位。缓冲器620的内直径比转子壳316的外直径大一等于支承间隙622的量。转子壳 316的外表面起作一承载表面。如果需要的话,一表面处理608B可设置在转子壳316的承 载表面上。

[0114] 缓冲器可设置在其它支承结构上,并使用转子112的一部分作为一承载表面。例 如,参照图6E和8,对应的圆柱形缓冲器套筒624与一个或多个(最好每个)系杆130同轴 地设置。选择缓冲器套筒624的外直径,以使最靠近转子壳316的套筒表面与壳316分离 一合适的支承间隙626。缓冲器套筒624可附连到系杆130,但最好是可转动的,S卩,起作辊 子,以系杆130为轴。缓冲器套筒624的转动将趋于减小磨损,从而延长缓冲器的寿命。缓 冲器套筒624的部署至少为围绕转子壳316的两组相对的系杆130 (彼此相对180° ),这 趋于平衡从横向于轴110的任何方向作用在转子112上的力。

[0115] 缓冲器也可以设置在前端板116上,面对转子端帽314的前表面。参照图6F和 8,一环形缓冲器628附连(例如,胶合)在前端板116的内侧壁上,与转子壳316同轴地设 置。缓冲器628的内和外直径最好选择为对应于(例如,支架)端帽314的外周缘。一用 于接纳和定位缓冲器628的环形凹陷630合适地设置在前端板116内侧壁内。如果需要的 话,其它定位零件(例如,突出部或台肩)也可设置在前端板116的内侧壁上以定位缓冲器628。缓冲器628的厚度选择为使相对于转子端帽314的面与端帽314分离开一合适的支承间隙632。转子端帽314前表面(最靠近前端板116)起作为一承载表面。通过限制转子 端帽314的前边缘(最靠近前端板116)与其名义正常位置分离的程度,可避开磁体318和 定子114的冲撞。如果需要的话,可在转子端帽314的承载表面上设置表面处理608B。

[0116] 在某些情形中,可要求在磁体318和定子114之间的气隙412中插入一缓冲器材 料的薄带。例如,参照图6G和8,一相当结实的基本上透磁力线的材料薄带634(例如,特富 龙带)沿后边缘(最靠近后端板122的边缘)设置在定子114的外表面(钝锯齿形圆柱形 侧壁)上的气隙412内。带634由某种材料制成,其在带634的给定厚度下具有足够的硬 度来避免最大载荷下总的压缩和防止磁体318与定子114冲击。此外,还要求带634显示 相当低的摩擦系数。如果需要的话,一铬的表面处理可涂敷到磁体318上以进一步减小摩 擦。

[0117] 除了通过使用缓冲器来限制转子112可偏离其名义的正常位置的程度来防止可 能的冲撞之外,还可要求将外力的作用和因制造公差引起的不圆度状态减小到最小。

[0118] 根据本发明的另一方面,转子壳316(磁体318)响应于垂直于轴110的力分量离 名义的正常位置的偏离,以及因部件不圆度引起的摆动,均可通过减小磁体318和锚固点 之间的轴向距离得以减小。达到这一点的同时,通过构造端帽314的轮廓,将转子壳316的 最前端(最靠近前端板116)偶联到较靠近壳316的内部内的磁体318的一锚固点,仍在 内腔320内对定子绕组330提供足够的空间。转子端帽314的至少一部分(例如,交叉臂 322)可相对于转子壳316 (和轴110)交成90°之外的角度。该倾斜部分可以是直的(例 如,使得端帽314的一部分大致地呈锥形)或是弧形的(例如,使得端帽314的一部分大致 呈钟形)。

[0119] 如上所述,转子112事实上在转子端帽314和轴110的连接处(图5中的锚固点 508)呈悬臂状态。因外力作用引起的偏离名义的正常位置的最大偏移发生在最远离锚固点 的转子112的部分处,即,壳316和端帽314的外周缘(端帽314连接壳316处)的远(后) 端。同样地,因不圆度的摆动引起的偏离正常路径的最大偏离发生在转子112最远离锚固 点的位置处,即,壳316的远(后)端。由于公差引起的不圆度状态导致一偏离壳316的名 义位置的锥形位移,即,当转子112围绕定子114上一给定点转动时,转子壳316将接近和 撤离定子114上的该点。定子上的点离枢转点的轴向距离越大,则壳316的相对运动越大。 例如,如图7A和7B所示,在离枢转点为轴向距离Xl处(例如,从一平的轮毂的枢转点508 到转子壳316的后端的轴向距离),因公差引起的不圆度的状态将趋于造成朝向和离开定 子的一摆动量Wl。然而,在一较小的距离X2处(例如,从锥形轮毂的枢转点708到转子壳 316的后端的轴向距离),经历一较小量W2。因此,通过移动锚固点更靠近转子壳316(和磁 体318)的后端,则可减小磁体318和定子114附近的摆动。

[0120] 参照图7A,摆动减小的转子712包括一具有一轮毂724的端帽714,轮毂724建 立一设置在转子壳316的内部的锚固(悬臂)点708。锚固点708沿着轴110的轴线从壳 316的前边缘(最靠近前端板116)向后位移一预定距离D1。在典型的汽车应用中,壳316 的直径合适地在21/2至5英寸的范围内,且较佳地为41/2英寸;壳316的长度合适地在3 至6英寸的范围内,且较佳地为5英寸。距离Dl合适地在1/2至1英寸的范围内,且较佳 地为3/4英寸。在某些军事和商用车辆(例如,Hummer)中,壳316的直径合适地在5至8英寸的范围内,且较佳地为61/2英寸;而壳316的长度合适地在51/2至10英寸的范围内, 且较佳地为7英寸;距离D1合适地在3/4至2英寸的范围内,且较佳地为1/2英寸。

[0121] 转子端帽714的轮廓构造成将壳316的前端连接到轮毂724,而同时在内腔320内 提供足够的空间以容纳定子绕组330。例如,在图7A的实施例中,端帽714包括一锥形部分 726 (其可包括多个孔(例如,3个)以便提供预期倾斜的交叉臂),以及将交叉臂722连接 到壳316前端的一大致环形的周缘部分728。该周缘部分728从壳316朝向轴110垂直地 延伸一预定的距离,合适地在1/2至2英寸的范围内,且较佳地为3/4英寸。内腔室320因 此进一步向前延伸到定子内芯328的钝锯齿形外边缘和绕组330的附近。

[0122] 图7C示出一类似于图7A所示的轮毂,例外的是,外表面729垂直地与轴110相遇, 这大大地增加横截面的面积。这可提高端帽714的强度,有助于它更好地抵抗如图5所示 的挠度。在图7C中,壳316焊接到端帽714。

[0123] 图7D示出形成为单一的一体单元732的端帽714和壳316。单元732进行合适的 铸造然后机加工,这可进一步提高其强度。单元732还可完全从一单一的钢坯中加工出来。

[0124] 图7E示出所有三个铸件(端帽714、壳316和轴110),然后加工成一单一单元733。 该结构允许达到最大强度和对齐,因为轴的部分和内部壳两者将一起进行加工以将摆动减 小到最小。该结构还具有减少零部件组装时间的优点。单元733还可完全从一单一的钢坯 中加工出来而不需进行铸造。

[0125] 如图8示意地所示,各种缓冲器可与轮廓的转子端帽一起组合起来使用。

[0126] 如上所述,由紧凑的大功率发电机产生的热量也可造成诸多问题。定子绕组由合 适的绝缘导线,例如,电机用的漆包铜线形成,并通过定子内芯周缘内的对应槽和大约预定 数量的齿进行卷绕。当转子相对于定子转动时,由转子磁体产生的磁场与绕组互相作用,导 致电流产生。然而,绕组具有一种特性,即,电流流过绕组会产生热量,该热量必须消散掉。 传统上,绕组围绕定子内芯紧密地卷绕,以尽可能减小绕组的长度和与此相关的阻抗,实施 冷却的气流由输入到转子的电动势所驱动的风扇提供,例如,离开转子所附连的轴。因此, 在低速rpm下没有气流供应。

[0127] 然而,在各种汽车应用中,例如,混合型的车辆,要求有相当高水平的功率,因此, 在低速rpm下,例如,在惰转速度下,也可发生对冷却的高要求。在以下情形中尤其是这种 情况,当采用起动发电机或其它电机以在驾驶员踩下加速踏板时来提供推进的爆发力时, 当车辆因交通而停车时,便于关闭车辆发动机以节约燃料和降低排放。此外,在紧凑的大功 率发电机中,在相对小的区域内产生显著的热量水平。发电机部件的空气冷却功效是流过 发电机空气量的函数。对于给定的功率输出来说,紧凑的大功率发电机中对气流的可供横 截面面积小于传统发电机中可供的横截面面积。因此,空气冷却变得低效。然而,永久磁体 由于过热特别容易损坏;在高载荷、高温条件下,这样的磁体可变得退磁。同样地,用于控制 器内的电子部件易于热损坏。因此,传统的冷却技术对于这样紧凑的大功率的发电机显得 冷却不够充分,尤其是在汽车应用中。

[0128] 根据本发明的其它方面,通过以下中的一项或多项可便于冷却:疏松地卷绕绕组 端部匝332以增加绕组330的表面面积;在定子绕组的至少一部分上建立引导的气流(较 佳地通过绕组的疏松卷绕的端部匝);引导元件上方的一部分气流与磁体318形成热力接 触(例如,在转子壳316上)以便冷却磁体318;从气体源提供气流,该气体源相对于其上安装转子的轴不同步,例如,一电风扇;以及引导冷却剂流体流与端部匝332形成热力接触 (较佳地通过包括设置在多环路中的一个或多个部分的传热导管,其基本上与定子内芯同 心并与前端匝332A和/或后端匝332B形成热力接触)。

[0129] 如以上结合图3和4所述,绕组330沿着内芯328的侧面向外围绕预定数量的齿 402卷绕通过对应的槽404,形成一端部匝332,然后,返回通过另一槽404。具体来说,参照 图9A、10A和10B,各个绕组330包括个别股线的绝缘导线(例如,电机用的漆包铜线)的至 少相关一束。与传统实践对照不同之处在于,端部匝332疏松地卷绕在定子内芯侧面周围, 在各束和内芯侧面之间形成气隙(而不是拉紧绕组端部匝紧靠在定子内芯的侧面上,以便 尽可能减小成本和阻抗)。与由敞开的绕组结构的暴露表面面积提供的提高的 冷却容量相 比,超越定子疏松地延伸的绕组端部匝所固有的效率低下已被确定是无关重要的。较佳地, 如图IOA所示,对应的端部匝332离定子侧面328变距离地延伸,对于气流呈现一格子形的 结构。端部匝332从定子侧面328合适地延伸不同的距离,其范围从0至11/2英寸,且较佳 地为1/4至1英寸。例如,相邻的端部匝将递增地向外延伸不同的距离,例如,11/2英寸的 增量,以便逐渐地从定子伸出。在图10的实施例中,一第一端部匝1002偏离定子侧面328 为一近似的第一预定距离,例如,1/2英寸。下一个邻近的端部匝1004偏离定子侧面328为 一近似的递增的距离,例如,3/4英寸。同样地,下一个邻近的端部匝1006偏离定子侧面328 为一近似的另一递增的距离,例如,1英寸。然后,该型式合适地重复。该结构对于图IOB所 示的倾斜的内芯329同样地有效。

[0130] 如果需要的话,格子型式也可这样地建立:对应的端部匝与各相位有关地偏离定 子侧面328 —不同的偏移距离;对于三相系统来说,相位A、B和C的端部匝合适地分别具有 近似为1/2英寸、3/4英寸和1英寸的偏离距离。

[0131] 参照图9A,通过使用一冷却系统,一冷却空气流被引导在定子绕组330的上方(较 佳地通过疏松卷绕的前侧和后侧端部匝332A和332B),所述冷却系统包括一位于后端板 122内的空气通道902 (与相邻的后端板交叉臂348、外部分346和轮毂340交界)、定子中 心孔406、转子空气通道323,以及前端板空气通道136。如图9A的实施例中所示,借助于 合适的相对部署或轮廓,并与一后偏转器904合作,从后端板空气通道902退出的空气被弓I 导鼓吹到绕组330(后侧端部匝332B)上。同样地,如图9A的实施例中所示,借助于合适的 相对部署或轮廓,并与一前偏转器906合作,从定子中心孔406退出的空气被引导鼓吹到绕 组330 (前侧端部匝332A)上。最好采用一安装在后端板122背部上的非同步的强制空气 源,例如,电风扇126。在优选的实施例中,也安装一传统的风扇908用来随轴110在皮带 轮132和前端板116之间转动。较佳地选择好横截面、轮廓(匝和边缘)以及各种空气通 道的相对部署,以使空气速度减到最小而端部匝332上的气流达到最大。

[0132] 具体来说,冷却空气大致地用箭头910表示(较佳地是从非同步风扇126送出的 强制空气),该冷却空气通过端板空气通道902引入到发电机100内。气流910鼓吹在后偏 转器904上,并重新引入到一径向向外的方向;另外流动通过定子中心孔406的空气向外和 围绕定子内芯328流动。在优选的实施例中,向外重新引导的空气鼓吹和流过绕组330的后 侧疏松卷绕的后侧端部匝332B之间的空间。空气流910然后分成各自的气流914和916。 在退出端部匝332B之后,气流914流过定子中心孔406,鼓吹在前偏转器906上,并被导向 通过前侧疏松地卷绕的端部匝332A、转子通道323,然后,通过前端板116中的空气通道136退出发电机。气流914包括大批的空气流910,因为定子中心孔406代表了最大直径的路 径,因此,路径的阻力最小。气流916在退出后侧端部匝332B之后围绕转子壳316的外部 流动,然后,通过前端板116中的空气通道136退出发电机100。气流916对磁体318提供 冷却。 [0133] 后偏转器904包括一相对鼓吹的气流910呈一预定轮廓的元件,以便重新定向流 到绕组330 (较佳地是后侧端部匝332B)上的气流,以耗散绕组330中产生的热量。选择直 径和偏转器904的预定的轮廓,可有效地重新定向空气尽可能多地通过绕组,而在空气速 度中不形成太大的下跌。后偏转器904合适地是一带有中心孔的大致锥形或盘形元件,同 心地设置在后端板轮毂340上,并设置有面向气流的顶部。当气流退出后端板空气通道902 时,后偏转器904沿径向向外延伸到气流910的路径内,较佳地,处于定子中心孔406的外 周缘处或刚好在其下面。后偏转器904可以由任何合适的相对刚性的材料形成,例如,金属 板,或塑料板,或可与后端板122 —体地形成。使用一分离的偏转器部件还是一体地形成在 端板122内的一偏转器零件,这两者之间的选择主要是一成本的问题。

[0134] 前偏转器906同样地包括一相对鼓吹的气流914呈一预定轮廓的元件,以便重新 定向流到绕组330 (较佳地是前侧端部匝332A)上的气流,以耗散绕组330中产生的热量。 选择直径和偏转器906的预定的轮廓,可有效地重新定向空气尽可能多地通过绕组,而在 空气速度中不形成太大的下跌。偏转器906合适地包括一带有中心孔的大致锥形或盘形元 件,并设置有面向气流的顶部。前偏转器906与转子轮毂324 (轴110)同心,合适地随转子 112转动,并沿径向向外延伸进入从定子中心孔406退出的气流914的路径内。前偏转器 906可以由任何合适的相对刚性的材料形成,例如,金属板,或塑料板,或可与转子112或防 松螺母120 —体地形成。使用一分离的偏转器部件还是一体地形成在转子112或防松螺母 120内的一偏转器零件,这两者之间的选择主要是一成本的问题。在图9A的实施例中,前偏 转器906合适地具有一外直径,以使外周缘延伸大约3/4的路程就进入定子中心孔406内。

[0135] 如果需要的话,除了(或在某些情形中代替)偏转器906和904之外,传热效率可 通过将端部匝332弯折到气流中得到提高。具体来说,参照图11,端部匝332可向内弯折超 过定子中心孔406的周缘并进入到流过孔的空气路径内。

[0136] 如上所述,在图9A的实施例中,传统的同步风扇908安装成随轴110在皮带轮132 和前端板116之间转动。事实上,风扇908形成一抽吸空气通过发电机100的真空。然而, 发电机100能够在惰转,或刚好惰转之上的速度时产生高水平的功率。随轴110同步转动 的风扇908通常不能提供足够的气流在如此的条件下用来冷却。由轴110同步地运行的电 风扇126提供一轴向的冷却,提供一正压来推空气通过发电机100。

[0137] 如上所述,风扇126安装在后端板122的背面。一般地,要求通过发电机100的气 流为最大。因此,在发电机100给定尺寸的限制下,较佳地选择风扇126,使其提供最大的每 分钟立方英尺(CFM)和零压力。可以采用商业上出售的风扇。然而,风扇126较佳地是永 久磁体风扇,叶片直径接近发电机外壳128的直径。

[0138] 除了强制空气外或代替强制的空气,使用流体用于冷却可在以下操作条件下具有 优点:低的空气流,或极端炎热、多沙、潮湿,或其它恶劣条件。

[0139] 例如,在某些情形中,有利地是,用流体冷却线圈端部匝332来补充空气的冷却。 一般地,引导冷却剂流体与端部匝332形成热力接触,同时,保持电气绝缘。例如,冷却剂流体可以通过传热导管传送,导管包括设置在与前端部匝332A和/或后端部匝332B的热力接触中的一部分或多部分。导管部分合适地顺从端部匝332的形状,例如,包括大致圆形或 螺旋形环路,其大致与靠近端部匝设置的定子内芯同心。导管可由任何传热材料形成,该材 料能经受住发电机中存在的高温且与选定的冷却剂不起反应。例如,合适的材料包括铜和 铝管。导管较佳地通过电气绝缘的热导体(例如,工程环氧树脂)在热力上连接到相邻的 端部匝。冷却剂流体可以是任何的流体,最好是具有合适热和流动特性的液体。其中一个 实例是传统的发动机冷却剂。在车辆应用中,发动机冷却剂最好可在流出散热器之后立即 引入到发电机内。

[0140] 参照图9B和9E,在优选实施例中,引导冷却剂流体通过导管(例如,铜管)918与 端部匝332形成热力接触。导管918合适地包括一入口 922,朝向轴向的部分950、958和 966,朝向径向的部分952、956、960和964,以及环形的部分954和962。环形部分954和962 各合适地包括围绕定子内芯328的轴线对中的一个或多个圆形或螺旋形匝,使直径对应于 由端部匝332形成的环面(例如,由槽404的底部和内芯328的外周缘交界的)。导管部分 952、954和956合适地全部设置在一垂直于定子内芯328轴线的平面内(平行于前面),就 在前端部匝332A的前面。导管部分960、962和964同样合适地全部设置在一垂直于定子 内芯328轴线的平面内(平行于背面),就在后端部匝332B的后面。轴向部分950和958 合适地延伸通过定子中心孔406。轴向部分950和966合适地延伸通过后端板内通道902。 冷却剂在入口 922处引入,然后,顺次流过部分950、952、954、956、958、960、962、964和966, 然后,通过一出口 924退出。

[0141] 导管918用电气绝缘、导热材料920 (例如,工程环氧树脂)热力上连接到端部匝 332。材料920合适地封闭端部匝332、环形部分954和962,以及一部分径向部分952、956、 960和964。材料920将从端部匝332发出的热传导到冷却剂,同时,提供电气绝缘。

[0142] 在图9B的实施例中,利用气流916冷却磁体318。气流916围绕转子壳316的外 部流动,然后,通过前端板116内的空气通道136退出发电机100。气流由风扇908供应。 可使用一如图9A所示的非同步的风扇126来提高对磁体318的冷却。

[0143] 如果需要的话,也可使用流过导管918的冷却剂来冷却磁体318以允许形成一基 本上封闭的系统。一由流过导管918的冷却剂冷却的气流被引导朝向横贯的磁体318。

[0144] 参照图9C和9D,设置对应的热传导的热交换风扇922,并热力上连接到导管918。 风扇922合适地纳入在导热的封闭920中。风扇922合适地沿径向延伸到中心孔406内。

[0145] 对应的叶片设置在转子112的前面上以形成一离心式风扇926。风扇926产生一 气流916 ;空气通过定子内芯中心孔406抽出,在热交换风扇922上通过转子112的端板内 的孔323,然后,强制围绕转子壳316外部流动。气流围绕转子壳316外面流动之后,通过通 道928被引导返回到中心孔406。围绕转子壳316外面的气流,横贯嵌入在封闭920中的热 交换风扇,携带走由磁体318产生的热量。因此,冷却管918内流动的流体冷却剂携带走由 定子328的绕组和磁体318产生的热量。

[0146] 由于不再需要从外部源来进行空气循环,所以,发电机可使用0形环930和塞子 932进行合适的密封。如果不是所有的污染有害于永久磁体发电机的操作,则这对充分的密 封具有优点。如果需要的话,可设置一位于发电机最下位置点的单向阀或隔膜(未示出), 以帮助排出可能积存的水。在需要较大气流的情形中,可安装一异步风扇126。[0147] 在某些情形中,例如,在多沙、潮湿或其它恶劣条件下,一空气冷却的发电机可相 对于潜在的外部污染进行密封。根据本发明的另一方面,通过在起作为一热交换器的发电 机外壳上建立分离的内和外冷却气流,由此可提供一密封的空气冷却发电机。内和外气流 合适地由内和外风扇提供。内气流被引导通过定子线圈、转子的 上方,以及热交换器的内 部,以将热量从线圈和磁体传输到热交换器。外气流被引导在热交换器外部的上方以耗散 热量。如果需要的话,外气流源可远离发电机定位,例如,通过供气系统或通气管进行设置。

[0148] 参照图12,一密封的发电机1200的第一实施例包括:轴110 ;—密封的前端板 1202 ;前轴承118 ;定子114 ;一面向前的转子1204 ;防松螺母120 ; —内风扇1206 ;后轴承 124 ;—密封的后端板1208 ;—热交换器1210 ;—外风扇1212,以及一带有一空气入口 1214 的风扇外壳1213。(在此实施例中,如图4所示,系杆130(未示出)可设置在外面)前端 板1202合适地包括一台阶形中心轮毂1214(通常类似于图3实施例中的后端板轮毂340), 用来安装和定位前轴承118和定子内芯328。轴110的锥形部分310设置在离前端板1202 为预定轴向距离处(通常对应于转子1204的轴向长度)。转子1204基本上与转子112相 同,但将轮毂324的锥形部分反过来以便适应转子112的面向前的部署。如同图3的实施 例,转子1204安装成可在轴110上转动,通过轮毂324和轴的锥形部分310合作,转子确定 地位于轴110上并与其对齐,定子114紧密地接纳在转子1204内,与转子1204分离开一小 的气隙412。热交换器1210呈大致的圆柱形,与轴110同轴地设置并位于转予壳316的外 面。前端板1202、轴承118和124、热交换器1210和后端板1208提供一包围定子114、转子 1204和内风扇1206的密封的隔间。

[0149] 参照图12和13A,热交换器1210合适地包括一圆柱形分离器(壳体)1216,并分别 承载沿径向延伸的内和外风扇1218和1220,所有的都处于热力接触中。热交换器1210合 适地用导热材料(例如,铝或钢)一体地挤压成形。或者,如图13B所示,为了便于构造,热 交换器1210可由用第一材料(例如,钢)形成的单独的圆柱形外壳制成,还带有多个(例 如,12个,图中仅示出一个)用一第二材料(例如,铝)形成的单独的(合适地挤压成形 的)翅片部分1218A(各在一预定弧上延伸),其覆盖圆柱1216的内面,以及多个(例如,12 个,图中仅示出一个)单独的(合适地挤压成形的)翅片部分1220A,其覆盖圆柱1216的外 面。例如,可采用12个30°的翅片部分或4个90°的翅片部分。对应的翅片部分1216A 和1220A合适地用一粘结剂(其保持足够的柔性以适应第一和第二材料不同的热膨胀率) 固定在壳1216上并与其热力接触。

[0150] 热交换器1210与转子壳316同轴地设置并沿径向从转子壳316朝向外。对应的轴 向槽1226形成在相邻的内翅片1218、外壳1216和转子壳316的外表面之间。如下文中将 解释的,通过槽1226的气流将热量从转子112和绕组330传输到内翅片1218 (和壳1226)。 然后,热量从翅片1218传输到外翅片1220。外翅片1220 (和壳1216)上的气流用来耗散热量。

[0151] 如图12所示,热交换器1210较佳地包括一圆柱形的外盖1222,以便于气流在外翅 片1220上流动。盖1222与分离器(壳)1216同轴地且沿径向在热交换器外翅片1220外 面设置。盖1222合适地嵌套在外风扇外壳1213内,并合适地固定在其后端,且在其前端处 为热交换器1210提供一出口 1224。与风扇外壳1213内部连通的对应的轴向槽1228因此 形成在相邻的外翅片1220、壳1216和热交换器盖1222之间。[0152] 合适地附连到转子112或与转子112—体形成的内风扇1212,产生一内部气流,其 朝向定子线圈330 (较佳地通过端部匝332)、转子112上方,并通过热交换器1210的内部槽 1226。具体来说,内部风扇1212构造成向外推进空气,在转子112内部形成一负压,一大致 用箭头1230表示的气流被强制通过槽1226,冷却转子壳316 (和磁体318),并将热量传输 到内部热传导翅片1218和壳1216。气流1230退出槽1226流过前侧端部匝332A进入到定 子中心孔406内。退出定子中心孔406的后侧的气流被引导流过后侧的端部匝332B。这可 使用一偏转器1232合适地实施。气流流过端部匝332B之后,气流流过转子孔323,并用风 扇1206进行再循环。定子线圈330和磁体318内的热量由此得到耗散并传输到热交换器 的内部翅片1218。翅片1218与壳1216和外部翅片1220形成热力接触,以使热量从翅片 1218传输到外部翅片1220。外部翅片1220 (和壳1216)上的气流用来耗散热量。

[0153] 外翅片1220上方的气流1234由外风扇1212合适地产生。通过入口 1214提供的 外部空气通过风扇1212的转动在外壳1213的内部向外推,并强制通过槽1228,最终通过 出口 1224退出。如果需要的话,可在出口 1224和风扇外壳空气入口 1214上方设置过滤器 (未示出)。 [0154] 在某些情形中,可要求使用来自远离密封发电机单元的一气源的加压的外部空 气。这样一实施例1400显示在图14中。密封的发电机1400基本上类似于发电机1200,例 外之处在于,代替用专用的外部风扇1212进行驱动,发电机1400使用一后外壳1402,其内 部与热交换器外部槽1228连通,并与一增压通风系统1404和一诸如远处风扇1406那样的 合适的远处加压空气源合作。外部气流1234由远处风扇1406供应,其被引导通过增压通 风系统1404,通过外壳1402的内部和槽1228,最终通过出口 1224退出。

[0155] 本发明的一替代的实施例特别地适用于多沙、潮湿或其它恶劣条件下,其使用一 局部密封的发电机,该发电机与一双壁通气管合作,以从远处条件不太恶劣的源头提供一 冷却空气。参照图15,一局部密封的发电机1500与一通气管1502合作。发电机1500在大 多数方面合适地类似于图1-4所述的发电机100。然而,前端板116A(类似于前端板116) 和前轴承118A(类似于前轴承118)被密封,后端板122A(类似于后端板122)除了空气通 道902之外还包括一组单独的外侧空气通道1504,且(与图4实施例相同)系杆130设置 在外壳128的外面。此外,发电机1500包括一空气坝1506,以分离对应的气流,这将在下文 中描述。空气坝1506合适地由毡呢形成,或与后端板122A—体地形成。

[0156] 通气管1502合适地包括基本上垂直的、大致圆柱形的内和外烟囱部分(分别为 1512AU514A)以及横向的内和外连接部分(分别为1512B、1514B),其分别由内和外壁1512 和1514形成。对于任何给定的安装来说,垂直和横向部分的数量保持尽可能最少(S卩,最少 的弯头数量),以使空气的速度达到最大。内壁1512 (和靠近内部连接部分1512B的嘴)设 置在端板的内和外通道902和1504之间;内壁1512的外直径合适地小于或等于通道1504 的内直径,且内壁1512的内直径大于或等于通道902的外直径。一与端板外通道1504连 通的入口气道1516形成在内壁1512和外壁1514之间。一与端板内通道902连通的出口 气道1520形成在内壁1512内。入口气道1516和出口气道1520合适地分别用第一和第二 空气过滤器1518和1522盖上。输入过滤器1518事实上净化引入到发电机内的空气。输 出过滤器1522在发电机不运行时防止灰尘通过排气管进入发电机内。内部烟囱部分1512A 合适地延伸超过由外壁1514形成的外烟囱部分1514A。入口气道1516和出口气道1520的嘴(过滤器1518和1522)都设置在预定的高度上,对应于安装发电机1500的车辆将要迈 过的最大水深。一合适的偏转器1524合适地设置在空气通道902之间,以便最大程度地减 小将从输出气道1520排出的空气引入到入口气道1516内。

[0157] 通气管1502利用一适配器板1503固定到发电机1500的后端板122A。在图15的 实施例中,通气管1502和端板122A用系杆130固定。或者,外连接部分1514B的嘴可用力 配合在后端板122A的周缘上,如果需要的话,用金属条带予以固定。在任何情况下,可较佳 地使用合适的密封剂、密封垫或0形环(未示出)以建立一基本上防水的密封。电风扇126 合适地设置在内部连接部分1512B的内部的适配器板1503上(带有对应通过其间的空气 通道的合适的盘形),使叶片布置成在转子112内部形成一负压。

[0158] 风扇126沿着一冷却剂路径循环空气以形成通过转子和定子的冷却气流1526,空 气通过过滤器1518和入口气道1516吸入,流过横向外连接部分1514B、后端板122A内的 外空气通道1504、外壳128和转子壳316的外部之间的空间、端部匝332A上方的转子端帽 314内的通道323,通过端部匝332B上方的定子内芯328的孔406,通过后端板122A内的内 部空气通道902,通过风扇126,以及通过通气管内部连接部分1512B、输出气道1520和过 滤器1522。发电机1500因此是局部密封,并可浸没在高达由通气管1502形成的深度的水 中。

[0159] 风扇126可以是一传统的电风扇。然而,可要求风扇126提供的冷却剂循环达到 最大。一永久磁体风扇的设计对于小的能量输入开发出非常高的马力,并便于用大直径的 叶片来提高空气速度和压力,同时,显现相对小的轴向尺寸。

[0160] 因此,需要有一种用于可供空间内特别优化的风扇。现参照图16A,这样一风扇的 第一实施例1600A包括:一定子框架1602 ;—定子内芯1604和绕组1606 ;前和后风扇轴承 1608和1610 ;以及一风扇1612。定子框架1602合适地包括一大致圆柱形本体1615和合 适地包括中心地设置在其中的风扇轴承1608和1610。定子框架1602合适地与轴110同心 地固定在后端板122A。风扇定子内芯1604合适地呈大致圆柱形并围绕定子框架本体1615 设置。

[0161] 风扇1612合适地包括用工程塑料、铝或其它合适材料铸造的风扇本体1614,一风 扇转子1616,以及一固定用的紧固件1618。风扇本体1614合适地包括一带有一垂直的中 心内部轴1624(由轴承1608和1610保持可转动)的中心轮毂1623,其通过形成对应通道 1626的对应交叉臂连接到本体1614。通道1626与通气管内连接部分1512B连通。如果需 要的话,一合适地由毡呢或低摩擦的材料形成的空气坝1625可设置在通气管内壁1512和 风扇转子端帽1612之间,以最大程度地减小输入和输出通道之间的空气运动。

[0162] 风扇转子1616合适地(即,用环氧树脂或其它合适的固定方法)固定到风扇本 体1614的过程包括将对应的磁体1632设置在其内部。磁体1632紧密靠近风扇定子内芯 1604设置,仅分离开一小的气隙,以便与风扇定子绕组1606电磁地互相作用;电信号施加 到绕组1606导致磁体1632相对运动,和由此风扇1612的运动。电力可从发电机1500产 生的电力内部地供应,或可从外部电源(例如,一车辆电池)供应。设置风扇叶片1634,从 通气管的外部连接部分1514B通过后端板外通道1504移动空气。通过设置最大可能直径 的叶片,可提供最大的空气运动和气压。风扇叶片推气流1526通过后端板122A内的外空 气通道1504。如结合图15所描述的,气流1526然后循环通过发电机1500内部,然后,通过后端板122A内的内部空气通道902,通过风扇1600的通道1626退出,并通过合适地固定在 适配器板1503A的通气管内部连接部分1512B、输出气道1520和过滤器1522排出(如结合 图15所描述的)。

[0163] 如果需要的话,风扇叶片可构造成具有相应的不同倾斜部分,其与端板内和外通 道902和1504对齐,以便推空气进入到通道1504内,而将空气抽出通道902。参照图17, 一包括这样一叶片的风扇1700合适地大致类似于风扇1600。然而,风扇1700利用更紧 凑的定子框架1702 (合适地没有空气通道),且风扇转子1704分别包括同心的内和外圆柱 1706 (类似于圆柱形本体1630)和1708。一第一组风扇叶片1710 (基本上类似于叶片1634) 设置在外圆柱1708的外面(将其连接到一外圆柱1709)。一第二组风扇叶片1712连接圆 柱 1706 和 1708。

[0164] 外圆柱1708合适地与内通气管壁1512同心并具有与其大致相同的直径。设置风 扇叶片1710 (类似于图16的实施例中的叶片1634),以从通气管外部连接部分1514B通过 后端板外通道1504移动空气。圆柱1706和1708设置成使端板内通道902被圆柱支承(例 如,圆柱1706的外直径小于或等于通道902的内直径,而通道902的外直径小于或等于外 圆柱1708的内直径)。与风扇叶片1710相比,风扇叶片1712显现一反向角,以使负压产生 在通道902处(S卩,通过通道902将空气从发电机1500中抽出)。靠近端板122A的风扇转 子1614A的侧面合适地保持紧的公差,并与端板122A分离仅一相当小的气隙1714,合适地 在o. 01英寸至0. 05英寸的范围,且较佳地为0. 03英寸。气隙1714足够小以致通道之间 的任何空气的迁移可以忽略。当风扇转动时,它沿相对反向形成压力,外环空气进入而内环 空气流出发电机,这形成冷却发电机所需要的空气流动。

[0165] 在多沙、灰尘、潮湿或其它恶劣条件中(例如,沙漠或农业应用),可要求过滤引入 到发电机内的空气。灰尘和空气携带的污染物是潜在的研磨剂,且沙砾通常携带铁的化合 物,它们会积聚在永久磁体上(发电机和/或风扇内)。事实上,可采用一输入过滤器来净 化引入到发电机内的空气。当发电机不使用时,使用一输出过滤器来阻止灰尘通过排气管 进入发电机。可采用任何合适的过滤策略,较佳地,考虑将引入到发电机入口的排出空气减 到最小。例如,在图18A的实施例中,风扇1600B(使叶片布置成在发电机1500内形成负 压)设置在一外壳1800内,其包括一中心圆柱形管道和一同心的盘形偏转器1808。风扇 126合适地同心地安装在框架126A上的管道1802内(合适地具有一外周缘,其与管道1802 的内部相一致,以便通过其间)。框架126A可与外壳1800 —体形成。管道1802合适地靠 近端板122A的侧壁设置在一端上并在另一端上关闭,管道1802同心地设置在端板内和外 通道902和1504之间;管道1802的外直径合适地小于或等于通道1504的内直径,而管道 1802的内直径大于或等于通道902的外直径。管道1802形成对应的输入和输出气道1810 和1804。位于管道1802内部的输出气道1804与发电机端板122A内的内通道902连通,并 通过一嘴1805沿径向排出。一与管道1802同心的环型空气过滤器1806设置在输出气道 1804的嘴处。偏转器1808围绕管道1802的外部设置,并提供一面向前的嘴1812。一与管 道1802同心的环型空气过滤器1814设置在输入气道1810内。偏转器1808与管道1802合 作而形成输入气道1810。带有面向前的嘴1812的偏转器1808趋于将引入到发电机1500 内的排出空气减到最小。

[0166] 通过空气入口引入到发电机1500内的排出空气也可通过空气入口和出口的相对部署而减到最小。例如,在图18B和18C中,输入气道在管道1802外面沿径向打开,而输出气道在后面沿轴向打开。在图18B的实施例中,输入和输出过滤器1814和1806都是环型 过滤器。管道1802包括一台阶形(直径增加)部分1802B,其侧壁与端板122A合作以形成 输入气道。在图18C的实施例中,输入过滤器1814是一环型过滤器,而输出过滤器1806是 一平板型过滤器。在此情形中,输入气道由设置在管道1802外面与端板122A合作的一环 形板1820形成。如果需要的话,管道1802和板1820可形成为风扇框架126A的一体部分。

[0167] 有时需要从远离发电机的部位吸入空气,例如,发电机附近的环境空气温度高于 要求的温度。在图15的实施例中,这可利用一附连到后面且初始地沿径向从发电机延伸的 通气管来实现。在某些应用中,自由空间的轴向范围受到限制,且要求提供一相对于发电机 轴线横向地延伸的空气吸入管道。参照图19,这样一横向地引出管道的发电机合适地大致 类似于图18C的实施例,例外的是,使用一具有切向延伸的延伸部1904的导管1902,其合适 地盖上一空气过滤器1906,而不是使用板1820和环型过滤器1812。

[0168] 过滤器也可使用图16和17的最佳的风扇。例如,参照图20A,风扇1600可同心 地设置在一大致圆柱形的风扇外壳2000内。外壳2000合适地包括一同心的内圆柱形壁 2002,其向内延伸并终止的风扇转子端帽1614附近,与端帽1614仅分离一小的间隙2004。 壁2002的直径合适地是转子本体1630和空气通道1626的中间值,较佳地,使外直径等于 本体1630的直径。壁2002形成对应的输入和输出气道2006和2008。间隙2004足够小以 致气道2006和2008之间的任何空气的迁移可以忽略。位于壁2002外面的输入气道2006 与风扇叶片1634连通,最终与端板外通道1504连通,并包括一适于接纳与壁2002同心的 环型空气过滤器2010的入口。位于壁2002内部的输出气道2008与风扇1600的通道1626、 1620和1622连通,最终与发电机端板122A内的内通道902连通。输出气道2006延伸通过 一过滤器,其合适地是一平板型过滤器。考虑到风扇气流2010反向的能力,可考虑使用柔 性的橡胶管2012或其它合适的材料将气道2008延伸到一环境更加友好的部位,用冷却的 空气输送给发电机1500,而不是取自靠近发电机的非常恶劣条件下的空气。同样地,参照图 20B,风扇1700也可同心地设置在风扇外壳2000内。在如此的情形中,内圆柱形壁2002对 齐于风扇转子外圆柱1708 ;壁2002的外直径合适地等于圆柱1709的外直径。

[0169] 如上所述,发电机定子绕组内感应出的电流通常施加到一桥式整流器,有时进行 调整并作为一输出提供。在某些情形中,调整的输出信号施加到一变换器以提供一交流电 输出(AC)。此外,可使用电子控制系统来调节转子速度的变化或载荷特性的变化。应用在 这样电子系统内的部件趋于易遭受热损坏。因此,要求将电子部件(尤其是,在操作过程中 产生热量的那些部件)设置在最冷空气路径内的模具浇铸的热沉内,例如,在空气入口的 附近。例如,参照图21A和21B,产生热量的电子部件2100安装在(压入)一热沉2102上, 热沉又安装在发电机端板121A内的空气通道1504内。热沉2102由轻的传热材料,例如, 铝,来形成(例如,金加工或挤压成形),并包括一主肋2104带有横向的(例如,垂直的)冷 却翅片2106以及在两端的对应的紧固接片2108。部件2100合适地安装在主肋2104上。 热沉2102轮廓适于配合在端板通道1504内,以使冷却空气流(表示为标号1526)在翅片 2106上和翅片之间流过。用对应的螺钉2110通过接片2108并旋入端板121A内,热沉2102 合适地固定到端板121A。

[0170] 或者,承载电子部件的热沉可设置在与发电机合作的风扇外壳(例如,1800、2000)、通气管(例如,1502)、送风系统(例如,1402)等的输入气道内。例如,部件2200可 安装在一热沉2202上,热沉又安装在风扇外壳2000的输入气道2006内。热沉2202合适 地呈梳子形,由轻的传热材料,例如,铝,来形成(例如,金加工或挤压成形),并具有一底部 2204和横向的(例如,垂直的)冷却翅片2206。部件2200合适地安装在底部2204上。冷 却气流1526通过对应的冷却翅片2206流过过滤器2010,通过后端板通道1504进入发电机 内。

[0171] 在一诸如结合图12-14所描述的实施例那样的密封单元中,发热的功率部件最好 设置在密封发电机的外面,例如,在一设置在外部槽1228内的热交换器盖222上的热沉上。

[0172] 参照图23A和23B,发热的电子部件可安装在一热板上,在其使用图9B和9C所描 绘的发电机冷却剂流体,在进入发电机之前,冷却的流体流过热板2302。发热部件2303合 适地固定在热板2302上。应注意到,在图23B中,通过将2302和2303定位在发电机外面, 可保持发电机的密封。

[0173] 尽管本发明已结合各种示范的实施例进行了描述,但本发明不局限于所示特定的 形式,在不脱离本发明精神的前提下,可以想像到还可形成本发明的其它实施例。根据如附 后的权利要求书所表达的本发明,在部件、材料、数值、结构及设计和布置的其它方面可以 作出各种变化。

Claims (47)

  1. 一种功率转换装置,包括:一转子,包括一圆柱形壳体和设置在圆柱形壳体内部的预定数量的永久磁体,并且转子适于围绕圆柱形壳体轴线转动,一定子,包括一内芯和至少一个导电绕组,内芯包括一大致圆柱形的外周表面,以及形成在其中的预定数量的槽;绕组通过槽围绕内芯卷绕;定子同心地设置在转子壳体内,使定子内芯的周缘表面靠近转子磁体设置,与磁体分离开一预定的间隙距离,这样,转子和定子的相对运动致使磁体发出的磁通与定子绕组互相作用并在定子绕组内感应出电流;定子绕组包括从内芯向外延伸的端部匝,在端部匝和内芯之间提供空间;以及一冷却系统,引导冷却剂流与绕组和磁体中的至少一个形成热力接触,冷却系统包括至少一个通过定子内芯的通道。
  2. 2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括一端板,其中: 定子安装在端板上;以及转子安装成相对于端板可转动。
  3. 3.如权利要求2所述的装置,其特征在于,冷却系统还包括至少一个第一通道,其通过 端板通道并与定子内芯通道流体地连通。
  4. 4.如权利要求1所述的装置,其特征在于,冷却系统还包括至少一个第一通道,其通过 转子并与定子内芯通道流体地连通。
  5. 5.如权利要求4所述的装置,其特征在于,冷却系统还包括一安装成随转子转动的风 扇,所述风扇被设置成移动冷却剂通过定子内芯通道。
  6. 6.如权利要求3所述的装置,其特征在于,冷却剂是空气,冷却系统还包括一强制空气 供应源,其设置成将空气移动通过端板通道和定子内芯通道。
  7. 7.如权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括至少一个缓冲器,其设置成防止转子 位置响应于外力移动而比预定距离更靠近定子,这样,可避免磁体和定子之间的冲撞。
  8. 8.如权利要求2所述的装置,其特征在于,还包括一可转动地偶联到端板的轴,转子偶 联到轴以便随轴一起转动。
  9. 9.如权利要求8所述的装置,其特征在于:轴包括一锥形部分,其设置在相对于定子的一预定位置处的轴的两端之间,锥形部分 的直径具有一预定的锥度;转子包括一中心通孔,其具有一对应于轴的锥形部分的预定锥度;以及 轴轴颈地通过转子锥形孔,以使轴锥形部分被接纳在转子孔内,锥形转子孔和锥形轴 部分的合作,使转子相对于轴和定子定位。
  10. 10.如权利要求6所述的装置,其特征在于,强制的空气供应源包括一相对于转子的转 动不同步的风扇。
  11. 11.如权利要求1所述的装置,其特征在于,冷却系统包括一导管,其延伸通过定子内 芯通道并与绕组进行热力接触。
  12. 12.如权利要求1所述的装置,其特征在于,定子槽和转子磁体的至少一个的部署是相 对于定子轴线倾斜一预定量。
  13. 13.如权利要求1所述的装置,其特征在于,冷却系统包括一导管,其延伸通过定子内 芯通道并与绕组端部匝进行热力接触。
  14. 14.如权利要求13所述的装置,其特征在于,还包括一传热、电气绝缘的元件,其连接 导管和绕组端部匝。
  15. 15.如权利要求13所述的装置,其特征在于,导管连同绕组端部匝被一传热、电气绝缘 材料封闭。
  16. 16.如权利要求1所述的装置,其特征在于,绕组端部匝设置在通过定子内芯通道的冷 却剂流的路径内。
  17. 17.如权利要求11所述的装置,其特征在于,还包括冷却风扇,风扇热力上连接到导管。
  18. 18.如权利要求11所述的装置,其特征在于,冷却剂是液体。
  19. 19.如权利要求1所述的装置,其特征在于,定子绕组包括弯曲到冷却剂流路径内的端 部匝,所述冷却剂流通过定子内芯通道。
  20. 20.如权利要求1所述的装置,其特征在于,冷却剂是空气,还包括一强制空气供应源, 其设置来移动空气通过定子内芯通道。
  21. 21.如权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括一轴、第一和第二端板,以及一外 壳,其中:转子壳体、定子内芯和外壳与轴同心;轴可转动地偶联到第一和第二端板;定子安装在第二端板上;以及转子偶联到轴上,以便在第一和第二端板之间并在外壳内转动。
  22. 22.如权利要求21所述的装置,其特征在于:轴包括一锥形部分,其设置在相对于定子一预定位置处的轴的两端之间,锥形部分的 直径具有一预定的锥度;转子包括一中心通孔,其具有对应于轴的锥形部分锥度的一预定的锥度;以及轴轴颈地通过转子锥形孔,以使轴锥形部分被接纳在转子孔内,锥形转子孔和锥形轴 部分的合作,使转子相对于轴和定子定位。
  23. 23.如权利要求21所述的装置,其特征在于:转子包括一端帽以及一预定数量的永久磁体,永久磁体设置在外壳的内部;壳体和端帽形成为一体的单元。
  24. 24.如权利要求23所述的装置,其特征在于,转子和轴形成为一体的单元。
  25. 25.如权利要求21所述的装置,其特征在于:转子包括一端帽以及一预定数量的永久磁体,转子的圆柱形壳体具有第一和第二端, 永久磁体设置在壳体的内部靠近第二端,转子端帽同心地安装在轴上以便随轴转动,并连接到壳体的第一端,以使壳体相对于 轴同轴地设置,端帽和轴的连接位于轴上的一预定的轴向位置处;且转子端帽的轮廓形成 这样:端帽与轴连接之处和磁体之间的轴向距离小于磁体和转子壳体第一端之间的轴向距 离,在接纳绕组的定子内芯槽附近的壳体内部的轴向长度大于在轴附近的壳体内部的轴向 长度。
  26. 26.如权利要求21所述的装置,其特征在于,冷却剂系统还包括一通道,该通道通过转 子与定子内芯通道流体地连通。
  27. 27.如权利要求22所述的装置,其特征在于,通道设置成引导冷却剂流通过定子内芯 通道,与绕组的至少一部分热力接触,通过转子通道而与磁体形成热力接触。
  28. 28.如权利要求21所述的装置,其特征在于,还包括对应的系杆,系杆与第一和第二端 板合作,压迫第一和第二端板抵靠外壳。
  29. 29.如权利要求21所述的装置,其特征在于,第二端板包括至少一个通过其间的端板 通道,与定子内芯通道流体地连通,以允许冷却剂流动。
  30. 30.如权利要求29所述的装置,其特征在于,冷却剂是空气,冷却系统还包括一强制空 气供应源,其设置来移动空气通过端板通道和定子内芯通道。
  31. 31.如权利要求30所述的装置,其特征在于,强制空气供应源相对于轴不同步。
  32. 32.如权利要求30所述的装置,其特征在于,强制空气供应源包括一电风扇。
  33. 33.如权利要求32所述的装置,其特征在于,电风扇安装在第二端板上。
  34. 34.如权利要求30所述的装置,其特征在于,强制空气供应源包括一与第二端板连通 的导管,以从远离第二端板的一位置提供空气。
  35. 35.如权利要求30所述的装置,其特征在于,第一端板密封,第二端板具有分离的第一 和第二端板通道,还包括一导管,该导管包括一双壁通气管,通气管具有一与第一端板通道 连通的第一通风孔,以及一与第二端板通道连通的第二通风孔,设置强制空气供应源,致使 通过通气管的一个通风孔吸入空气,空气移动通过第一端板通道以及第二端板通道中的一 个,并通过另一通气管的通风孔排出。
  36. 36.如权利要求35所述的装置,其特征在于,强制空气供应源包括一风扇,风扇具有对 应的相对间隔开的同心设置的叶片,一个叶片定位成驱动空气进入第一端板通道内,与吸 气通气管的通风孔连通,而另一个叶片定位成从第二端板通道排出空气。
  37. 37.如权利要求30所述的装置,其特征在于,强制空气供应源包括一风扇,风扇设置成 随轴而转动。
  38. 38.如权利要求29所述的装置,其特征在于,第一端板包括一与转子通道流体地连通的端板通道,一第一冷却剂流路径通过定子内芯通道和转子通道,设置在所述第二端板的至少一个 端板通道和所述第一端板的端板通道之间,一第二冷却剂流路径通过转子壳体和外壳之间的空间,设置在所述第二端板的至少一 个端板通道和所述第一端板的端板通道之间。
  39. 39.如权利要求29所述的装置,其特征在于,第二端板包括第一和第二通道;一冷却剂流路径设置在第二端板的所述第一和第二通道之间,通过定子内芯通道、转 子通道、以及转子壳体和外壳之间的空间。
  40. 40.如权利要求21所述的装置,其特征在于,所述第一和第二端板被密封,而所述外壳 包括一热交换器。
  41. 41.如权利要求40所述的装置,其特征在于,包括一内部风扇,风扇设置成随所述轴转 动,以便通过定子内芯和转子循环冷却剂,并与热交换器形成接触。
  42. 42.如权利要求1所述的装置,其特征在于,冷却系统还包括以下中的至少一个: 松弛地卷绕的绕组端部匝,其从设置在通过定子内芯通道的气流的路径内向外延伸; 通道通过转子以便在转子壳体的部分上引导一部分气流通过定子内芯通道,与磁体形成热力接触;一气流源相对于转子的转动不同步;偏转器用来引导一部分气流通过定子内芯通道,与绕组端部匝和磁体中的至少一个形 成热力接触;一管道延伸通过定子内芯通道并与绕组端部匝形成热力接触;以及 一管道与定子内芯通道连通,以便从一远处源头提供空气。
  43. 43. 一种功率转换装置,包括: 第一禾口第二端板;一轴,可转动地偶联到第一和第二端板;一圆柱形外壳,设置成与轴同心,并介于第一和第二端板之间和偶联到第一和第二端板;一转子,包括一圆柱形壳体,设置成与轴同心,并介于第一和第二端板之间和位于外壳 内,转子偶联到轴上以便随轴转动,转子包括设置在壳体内部上的一预定数量的永久磁体; 一定子,包括一内芯和至少一个导电绕组,内芯具有一大致圆柱形的外周缘表面,其中形成有预定数量的槽,使绕组通过槽围绕 内芯卷绕,定子绕组包括从内芯向外延伸的端部匝,在端部匝和内芯之间提供空间;定子内芯固定到第二端板,使周缘表面设置成与靠近转子磁体与转子壳体同心,并位 于其内部,与磁体分离一预定的间隙距离,以使定子和转子的相对运动在磁体和定子绕组 之间造成电磁的互相作用。
  44. 44.如权利要求43所述的装置,其特征在于,还包括一用来引导冷却剂流在绕组上流 动的冷却系统,包括至少一个通过转子的通道和至少一个通过定子内芯的通道。
  45. 45.如权利要求43所述的装置,其特征在于,还包括至少一个缓冲器,其设置成防止 转子的位置响应于外力而比一预定距离更靠近定子移动,这样可避免磁体和定子之间的冲 撞。
  46. 46.如权利要求43所述的装置,其特征在于,第一和第二端板各包括一中心孔,中心孔 具有一设置在其中的轴承以便同心地接纳轴,以及一与中心孔同心的零件用来定位和安装 外壳,第二端板包括一与孔同心的中心轮毂,其沿第一端板的方形轴向地突出,定子内芯固 定到第二端板的轮毂。
  47. 47. 一种功率转换装置,包括:一轴、一定子、以及一转子;轴、定子和转子同轴地设置, 使转子安装在轴上,定子包括至少一个绕组,转子包括靠近定子设置的多个永久磁体,并与 定子分离一预定的间隙距离,这样,转子和定子的相对运动造成从磁体发出的磁通与定子 绕组相互作用,并在定子绕组内感应出电流,其中:定子包括一内芯,内芯包括前和背侧面以及大致圆柱形的外周缘表面,表面内形成有预 定数量的槽,定子绕组围绕内芯卷绕,使绕组通过槽围绕内芯卷绕,定子绕组包括从内芯向外 延伸的端部匝,在端部匝和内芯之间提供空间,由此,便于在绕组内产生的热量的耗散。
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