CN1933299A

CN1933299A - 车辆用发电机

Info

Publication number: CN1933299A
Application number: CN200610151778.8A
Authority: CN
Inventors: 向井拓三; 草濑新
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2007-03-21
Also published as: US20070057514A1; FR2893778A1; DE102006042593A1; DE102006042593B4; US7429802B2; JP2007082283A

Abstract

一种车辆用发电机，包括：第一转子芯，其具有围绕其缠绕的第一励磁线圈；第二转子芯，其具有围绕其缠绕的第二励磁线圈；旋转轴，其通过车辆发动机带式驱动，所述第一和第二转子芯以级联方式安装在所述旋转轴上；定子铁心，其具有围绕其缠绕的定子线圈，并且设置在所述第一和第二转子芯的径向向外处，以与所述第一和第二转子芯形成一个周边隙。当从给所述第一和第二励磁线圈提供励磁电流的外部励磁电流供应源观察时，所述第一和第二励磁线圈大体上彼此平行地相连。

Description

车辆用发电机

相关申请的相互参考

本申请要求享有2005年9月12日提出的日本专利申请2005-263662的优先权，该申请在此全部结合以供参考。

技术领域

本发明涉及车辆用发电机，更具体地是涉及如下所述的车辆用发电机，其包括级联转子芯，每个转子芯具有爪形磁极芯，励磁线圈围绕磁极芯缠绕。

背景技术

已经知道，例如在日本专利申请公开号1-157251，5-137295和5-308751中公开了一种具有级联转子结构的车辆用发电机，其中两个Lundell式转子级联在一起(此后被称为级联式车辆用发电机)。这种级联转子结构使得有可能提供紧凑且低成本的车辆用发电机，其能够输出两种可以被独立调节的不同的发电电压。换句话说，级联转子结构使得与分开安装两个不同的车辆用发电机相比有可能极大地减少车辆用发电机的制造成本和安装成本。

然而，这种级联式车辆用发电机具有的一个问题在于，其发电电压的调节速度慢，这是因为Lundell式转子结构的激励电路(其中具有很多匝数的励磁线圈围绕爪形磁极芯缠绕)表现出了相当大的电感，并且表现出了相当大的激励时间常数。这使得当电负载的消耗电流迅速改变时，很难通过调节励磁电流将发电电压保持在目标调节电压。

发明内容

在本发明的一个方面中，所述车辆用发电机包括：

第一转子芯，其具有围绕其缠绕的第一励磁线圈；

第二转子芯，其具有围绕其缠绕的第二励磁线圈；

旋转轴，其通过车辆发动机带式驱动，所述第一和第二转子芯以级联方式安装在所述旋转轴上；

定子铁心，其具有围绕其缠绕的定子线圈，并且设置在所述第一和第二转子芯的径向向外处，以与所述第一和第二转子芯形成周边隙；

其中，当从给所述第一和第二励磁线圈提供励磁电流的外部励磁电流供应源观察时，所述第一和第二励磁线圈大体上彼此平行地相连。

根据本发明的一个方面，其中具有级联转子结构的车辆用发电机的励磁线圈相对于一个励磁电流源来讲彼此平行地相连，有可能极大地改善车辆用发电机的输出控制响应，因为与车辆用发电机的励磁线圈相对于励磁电流源串联连接的传统情况相比，本发明的车辆用发电机的整个激励电路的励磁电感可以显著减少。此外，因为不是必须减少每个励磁线圈的匝数，每个励磁线圈可以具有足够大的安培匝数值(励磁电感)以在没有增加流过的励磁电流的情况下产生所需的磁通量。

附带地，在具有级联转子结构的传统的车辆用发电机中，多个励磁线圈串联连接以增加这些线圈的合成励磁电感来减少励磁电流，使得励磁线圈的温度升高可以被抑制。然而，本发明的发明者注意到，在具有级联转子结构的车辆用发电机中，减少励磁电流是不重要的，因为在级联转子结构中，励磁线圈设置在被不同的爪形磁极芯围绕的不同的空间中，因此励磁线圈可以被充分冷却。考虑到这个事实，在本发明中，多个励磁线圈不是串联的，而是并联的，以减少这些励磁线圈的合成电感，以改善车辆用发电机的输出控制响应。

在本发明的另一个方面中，所述车辆用发电机包括：

一个第一转子芯，具有围绕其缠绕的一个励磁线圈；

一个旋转轴，通过一个车辆发动机带式驱动，所述转子芯安装在所述旋转轴上；

一个定子铁心，具有围绕其缠绕的一个定子线圈，并且设置在所述转子芯的径向向外处，以与所述转子芯形成一个周边隙；

一个整流器，将在所述定子铁心中感应的AC电压整流为DC电压，一个车辆用蓄电池通过所述DC电压被充电；以及

一个调节器，开/关控制施加给所述励磁线圈的励磁电压；

其中，所述调节器被构造以通过逐步升高所述车辆用蓄电池的输出电压来产生所述励磁电压。

根据本发明的另一个方面，其中，所述车辆用发电机的励磁线圈被施加由所述车辆用发电机充电的一个车辆用蓄电池的逐步升高的输出电压所产生的励磁电压，与励磁线圈被施加车辆用蓄电池的输出电压的传统情况相比有可能迅速增加或减少励磁电流。因此，根据本发明的另一个方面，在没有导致高成本的情况下，所述车辆用发电机的输出控制响应可以极大地改善。

附图说明

本发明的其他优势和特征将通过下面包括附图和权利要求的描述而变得清楚。

附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的车辆用发电机的示意性截面图；

图2是具有Lundell式转子结构的传统车辆用发电机的示意性截面图；

图3是第一实施例的车辆用发电机和传统车辆用发电机的发电开始时间的发电扭矩(generation torque)的测量结果图表；

图4是第一实施例的车辆用发电机和传统车辆用发电机的发电停止时间的发电扭矩的测量结果图表；

图5是根据本发明的第二实施例的车辆用发电机的示意性截面图；

图6是一个电路图，示出了第二实施例的车辆用发电机的电路结构；

图7是一个电路图，示出了第三实施例的车辆用发电机的电路结构；

图8是一个电路图，示出了第四实施例的车辆用发电机的电路结构；

图9是一个电路图，示出了第五实施例的车辆用发电机的电路结构。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一实施例的车辆用发电机的示意性截面图。

图1中，附图标记1表示壳体，2表示第一转子部分，3表示第二转子部分，4表示旋转轴，5表示带轮，6表示定子铁心，7表示定子线圈，8表示整流器，9表示调节器，10表示滑环装置。

壳体1由一个前壳体1a和一个后壳体1b构成，它们通过贯穿螺栓彼此紧固。旋转轴4通过轴承被壳体1支撑。带轮5固定在从壳体1伸出的旋转轴4的前侧端。整流器8、调节器9以及滑环装置10在第二转子部分3的后部固定在后壳体1b上。

第一转子部分2包括装配在旋转轴4上的一个Lundell式转子芯21以及围绕转子芯21缠绕的励磁线圈22。转子芯21由一对爪形磁极铁心(此后称为爪部分)构成。第二转子部分3包括在第一转子部分2后部装配到旋转轴4上的一个Lundell式转子芯31以及围绕转子芯31缠绕的励磁线圈32。转子芯31由一对爪形磁极铁心(此后称为爪部分)构成。

因为这种Lundell式转子芯的结构是已知的，转子芯21、31的进一步的解释就不在这里给出。同样原因，整流器8、调节器9以及滑环装置10的进一步解释这里也不给出。

定子线圈7围绕定子铁心6缠绕，定子铁心6保持在前壳体1a和后壳体1b之间的轴向方向上并且面对转子芯21、31，使得在定子铁心6的内周面和转子芯21、31的爪部分的径向外表面之间形成一个周边电磁隙。因此，在转子芯21中由励磁线圈22产生的场磁通量和在转子铁心31中由励磁线圈32产生的场磁通量连接了公共定子铁心7。分别通到励磁线圈22、32的励磁电流的方向如此确定，即，使得转子芯21、31的位于同样的周边位置的爪部分被激励以具有同样的磁性极。

励磁线圈22的两端通过线圈导线221分别连接到滑环装置10的一对滑环11、12上。励磁线圈32的两端通过线圈导线321也分别连接到滑环装置10的一对滑环11、12上。因此，当从滑环11、12侧面看时，励磁线圈22和励磁线圈32是平行连接的。这使得有可能在保证励磁线圈22、32的大的匝数的同时减少从滑环11、12侧面看的激励电路的励磁电感。结果，励磁电流的值，也就是场磁通量的总量，可以迅速改变，并且因此车辆用发电机的输出电流的值以及与这个输出电流正相关的、车辆用发电机的负荷扭矩可以迅速改变。

具有上面描述的级联转子结构的车辆用发电机的特征将在下面通过与具有图2中所示的Lundell式转子结构的传统车辆用发电机进行比较而详细解释。这里，假定图1所示的车辆用发电机的转子直径和转子轴向长度与图2所示的车辆用发电机相同。

因为在图1所示的转子芯21和31中的每一个场磁通量的总量可以是图2所示的转子芯1001中场磁通量的总量的一半，轮毂部分的半径和转子芯21、31的爪部分的半径高度可以显著小于转子芯1001的相应部分。因此，因为在图1所示的级联转子结构中容纳励磁线圈的空间(在图1中用×表示)可以通过转子芯铁质量的减少而增加，这个空间可以制得大小相当于在图2所示的传统转子结构中容纳励磁线圈的空间(在图2中用×表示)大小的大概两倍。

在图2所示的传统转子结构中，当被励磁线圈1002激励的磁路的总磁抗是R，励磁线圈1002的匝数是N，且励磁线圈1002的最大励磁电流是imax时，最大磁通量Φmax由公式Φmax＝N-imax/R给出。如上面描述的，在由图1所示的级联转子结构中的励磁线圈22产生的最大磁通量可以是由图2所示的传统转子结构中的励磁线圈1002产生的最大磁通量的一半。在图1所示的级联转子结构中，由励磁线圈22激励的磁路的总磁抗R’等于两个串联电磁隙的合成隙磁抗Rg、转子芯21的磁抗Rr、以及定子铁心6的磁抗Rs的总和。由励磁线圈22激发的磁路的磁抗R’等于大约2R，因为其在电磁隙中的横截面面积是被图2所示的励磁线圈1002激励的磁路的横截面面积的大约一半，因此由励磁线圈22激励的磁路的合成隙磁抗Rg是由励磁线圈1002激励的磁路的合成隙磁抗的大约两倍。

因此，当图1所示的励磁线圈22的匝数N和最大励磁电流量与图2所示的励磁线圈1002的匝数和最大励磁电流量相同时，励磁线圈22产生的场磁通量大约等于由励磁线圈1002所产生的场磁通量的一半，并且由励磁线圈22、32产生的最大磁通量的总和等于由励磁线圈1002单独产生的最大磁通量Φmax。因此，图1所示的车辆用发电机的最大输出功率等于图2所示的车辆用发电机的最大输出功率。

图2所示的励磁线圈1002的电感是N·N/R，而在图1所示的励磁线圈22中的电感是N·N/R’＝N·N/2R。当励磁线圈22的电感等于励磁线圈32的电感并且它们彼此平行相连时，从滑环11、12侧面看的这些励磁线圈22、32的合成电感等于励磁线圈22的电感的一半，也就是励磁线圈1002的电感的四分之一。

如通过上面解释所理解的，通过将励磁线圈22、32彼此平行地相连，有可能在保持输出功率不变的同时显著减少具有级联转子结构的Lundell式转子芯的励磁电感。

换句话说，根据这个实施例，与图2所示的传统车辆用发电机相比，励磁线圈壳空间可以显著地增加。在这个实施例中，励磁线圈壳空间的可得到的增大被用来增加励磁线圈22、32的匝数。并且这些励磁线圈22、32平行连接以减少它们的从滑环11、12侧面看的合成励磁电感，使得激励电路的时间常数减少，藉此改善车辆用发电机的输出控制响应。此外，根据这个实施例，用于励磁线圈和滑环之间的线圈导线连接的人工时间可以减少，因为线圈导线221、321可以直接连接到滑环11、12上，并且因此无需给级联转子结构提供用于激励电路22、23之间连接的中继端子。

图3是一个图表，示出了图1所示的具有级联转子结构的、其中励磁线圈平行连接的这个实施例的车辆用发电机和图2所示的具有传统转子结构的传统车辆用发电机在发电开始时的发电扭矩(驱动车辆用发电机必须的扭矩)。在这个图表中，实线代表这个实施例的车辆用发电机的发电扭矩随时间的变化，虚线代表传统车辆用发电机的发电扭矩随时间的变化。如这个图表所示，在这个实施例的车辆用发电机中发电扭矩到达最大值的63％所需的时间是传统车辆用发电机中这个时间的大约三分之一。

图4是一个图表，示出了图1所示的具有级联转子结构的这个实施例的车辆用发电机和具有图2所示的传统转子结构的传统车辆用发电机在发电停止时的发电扭矩的测量结果。在这个图表中，实线代表这个实施例的车辆用发电机的发电扭矩随时间的变化，虚线代表传统车辆用发电机的发电扭矩随时间的变化。如这个图表所示，在这个实施例的车辆用发电机中发电扭矩降到最大值(100％值)的37％所需的时间是传统车辆用发电机中这个时间的大约三分之一。

在这个实施例中，转子芯21的后侧爪部分的磁极与转子芯31的前侧爪部分的磁极相同。然而，它们可以彼此相反。在这种情况下，转子芯21的柱形部分23中的磁通量的方向与转子芯31的柱形部分33中的磁通量的方向相反。

转子芯21的后侧爪部分的周边位置优选相对于转子芯31的前侧爪部分的周边位置具有一个磁极距(magnetic pole pitch)，使得转子芯21的后侧柱形部分23的轴向宽度以及转子芯31的前侧柱形部分33的轴向宽度部分可以制得较小，以藉此进一步增加励磁线圈壳空间。

在这个实施例中，平行连接的励磁线圈22、32由车辆用蓄电池(未示出)经由滑环装置10的滑环11、12提供励磁电流，并且，分别流入励磁线圈22、32的励磁电流由包含在调节器9中的一个公共开关元件来开/关控制。

作为选择，它们可以使用两个开关元件来独立地开/关控制。此时，如果这两个开关元件同步控制，从滑环11、12侧面看时励磁线圈22、32彼此平行地有效连接。这两个开关元件可以安装在壳体侧面上，尽管在这种情况下滑环装置10必须具有三个滑环。

第二实施例

图5是根据本发明的第二实施例的车辆用发电机的示意性截面图。

第二实施例具有一个三重级联转子结构，其中另一个Lundell式转子芯100被添加到图1所示的转子芯21、31上。在图5中，附图标记101表示围绕Lundell式转子芯100缠绕的励磁线圈，60表示定子铁心，70表示围绕定子铁心60缠绕的定子线圈。这里，由Lundell式转子芯21、31，励磁线圈22、32，定子铁心6和定子线圈7构成的定子—转子对用第一定子—转子对300表示，由Lundell式转子芯100，励磁线圈101，定子铁心60和定子线圈70构成的定子—转子对用第二定子—转子对200表示。

图6是一个电路图，示出了第二实施例的车辆用发电机的电路结构。如图所示，第二定子—转子对200通过整流器80给车辆用蓄电池400和一般负载500供电。调节器90对流入励磁线圈101内的励磁电流进行开/关反馈控制，以保持蓄电池400的电压恒定。

另一方面，通过整流器8，第一定子—转子对300给一个要求高速产生响应的高速响应负载600供电。高速响应负载600的状态的信号显示以及由一个外部电控制组件(未示出)产生的驱动指令被输入调节器9。调节器9根据驱动指令来开/关控制从蓄电池400流入励磁线圈22、32内的励磁电流。在第二实施例中，因为具有高的输出控制响应速度的第一定子—转子对300仅仅给要求高速产生响应的高速响应负载600供电，因此有可能减少提供给蓄电池400的发电电压中的波动。

第三实施例

图7是根据本发明的第三实施例的车辆用发电机的电路结构示意图。

第三实施例与第一实施例的不同之处在于，具有一个断路器式(chopper type)DC-DC转换器900，用于逐步提高蓄电池400的电压，并且在第三实施例中励磁线圈22、32被施加这个逐步升高的的电压。DC-DC转换器900由晶体管91、92以及用于积聚磁能的一个电抗器93构成。

DC-DC转换器900的晶体管91、92通过调节器9在某一频率下开启和关闭。DC-DC转换器900的电压升压比由这些晶体管的占空比决定。当晶体管92开启且晶体管91关闭时，磁能被积聚在电抗器93中。因此，当晶体管92关闭且晶体管91开启时，励磁线圈22、32被施加逐步升高的电压。根据第三实施例，因为当励磁电流开始流入励磁线圈22、32时励磁电流增加率以及当励磁电流停止流入励磁线圈22、32时励磁电流减少率可以增大，因此对高速响应负载600的供电响应可以容易地改善。附带地，在第三实施例中，励磁线圈22、32可以由一个单独的励磁线圈替换。

在下面这种情况下，DC-DC转换器900可以省略，即，除了蓄电池400以外还安装有输出电压高于蓄电池400的输出电压的一个不同的车辆用蓄电池以给励磁线圈22、32提供励磁电流。

第四实施例

图8是一个电路图，示出了根据本发明的第四实施例的车辆用电路结构。第四实施例不同于图7所示的第三实施例之处在于，在第四实施例中额外地提供有减振电路2000以及具有大电容的电双层式平滑电容器3000。

减振电路2000用于通过控制车辆用发电机的发电扭矩的相位来减少发动机振动和由发动机振动造成的车辆振动，车辆用发电机通过带轮机构与发动机相连，带轮机构使得扭矩能在发电机和发动机之间传递。更具体地，减振电路2000控制发电扭矩，使得发电扭矩和发动机扭矩在彼此相反的相位上变化。

当减振电路2000接收来自发动机输出扭矩的波形的外界指示的信号时，它产生相位与发动机输出扭矩的波形的相位相反的发电指令信号，并且将这个信号施加给DC-DC转换器900的晶体管91、92的选通电极(gate)，结果，励磁电流的相位以及由此的发电扭矩的相位变得与发动机输出扭矩的相位相反。电双层式平滑电容器3000用于吸收由于上述振动而在车辆用发电机的输出电压中产生的波动，以防止蓄电池400过早损坏。

第五实施例

图9是一个电路图，示出了根据本发明的第五实施例的车辆用电路结构。第四实施例不同于图8所示的第四实施例之处在于，减振电路2000被一个扭矩差吸收电路4000替代。

扭矩差吸收电路4000用于吸收由于在车辆的整个运转机构中的扭矩振动，尤其是运转负载扭矩的突然改变而产生的震动，这是根据扭矩差(后面描述)来调整车辆用发电机的发电扭矩来实现的，车辆用发电机通过带轮机构与车辆发动机相连，带轮使得扭矩能在发电机和发动机之间传递。

当可以通过例如车轮加速度值等来确定的运转负载扭矩的信号指示以及发动机输出扭矩的信号指示被输入到扭矩差吸收电路4000时，其判断用于驱动车轮的发动机输出扭矩部分和运转负载扭矩之间的扭矩差是否在根据加油踏板的下压量决定的某一允许范围内。如果扭矩差吸收电路4000判断扭矩差超过了允许范围，其调整流入励磁线圈22、32内的励磁电流值，使得扭矩差进入允许范围。

为了简化扭矩差吸收电路4000中的计算，第五实施例可以被如此构造以便于检测运行负载扭矩的突然变化，当其判断检测到的突然变化在某一允许范围之外时，调整流入励磁线圈22、32内的励磁电流以减少运转负载扭矩的突然变化对发动机的影响。这个构造使得有可能在车轮打滑且运转负载扭矩迅速地相应减少时快速减少发动机的输出扭矩。

显而易见的是可以对上面描述的实施例做出多种变化。举个例子，在第四和第五实施例中，励磁线圈22、32可以通过高压蓄电池来提供高压，而不是被提供由DC-DC转换器900输出的逐步升高的电压。

顺便提及，图6-9中的Df表示飞轮二极管。

上面解释的优选实施例是对本申请的发明的示例，本申请是通过下面所附的权利要求来描述的。应该理解，本领域技术人员可以对优选实施例做出变化。

Claims

1.一种车辆用发电机，包括：

第一转子芯，其具有围绕其缠绕的第一励磁线圈；

第二转子芯，其具有围绕其缠绕的第二励磁线圈；

2.如权利要求1所述的车辆用发电机，其特征在于，所述第一和第二转子芯每一个都具有多个爪形磁极芯部分。

3.如权利要求1所述的车辆用发电机，还包括公共调节器，所述公共调节器对提供给所述第一和第二励磁线圈的所述励磁电流进行开/关控制。

4.如权利要求1所述的车辆用发电机，还包括两个调节器，它们对提供给所述第一和第二励磁线圈的所述励磁电流单独进行开/关控制。

5.如权利要求1所述的车辆用发电机，还包括减振电路，所述减振电路用于调节所述励磁电流，使得所述励磁电流和所述车辆发动机的输出扭矩以相反的相位变化。

6.如权利要求1所述的车辆用发电机，还包括扭矩差吸收电路，所述扭矩差吸收电路用于调节所述励磁电流，使得由所述车辆发动机输出的车轮驱动扭矩和其上安装着所述车辆发动机的车辆的运转负载扭矩之间的差保持在一定范围。

7.一种车辆用发电机，包括：

第一转子芯，其具有围绕其缠绕的第一励磁线圈；

第二转子芯，其具有围绕其缠绕的第二励磁线圈；

第三转子芯，其具有围绕其缠绕的第三励磁线圈；

旋转轴，其通过一个车辆发动机带式驱动，所述第一、第二和第三转子芯以级联方式安装在所述旋转轴上；

第一定子铁心，其具有围绕其缠绕的第一定子线圈，并且设置在所述第一和第二转子芯的径向向外处，以与所述第一和第二转子芯形成周边隙；

第二定子铁心，其具有围绕其缠绕的第二定子线圈，并且设置在所述第三转子芯的径向向外处，以与所述第三转子芯形成周边隙；

8.如权利要求7所述的车辆用发电机，其特征在于，所述第一、第二和第三转子芯每一个都具有多个爪形磁极芯部分。

9.如权利要求7所述的车辆用发电机，还包括公共调节器，所述公共调节器对提供给所述第一和第二励磁线圈的所述励磁电流进行开/关控制。

10.如权利要求7所述的车辆用发电机，还包括两个调节器，它们对提供给所述第一和第二励磁线圈的所述励磁电流单独进行开/关控制。

11.一种车辆用发电机，包括：

转子芯，其具有围绕其缠绕的励磁线圈；

旋转轴，其通过车辆发动机带式驱动，并且所述转子芯安装在所述旋转轴上；

定子铁心，其具有围绕其缠绕的定子线圈，并且设置在所述转子芯的径向向外处，以与所述转子芯形成周边隙；

整流器，其将在所述定子铁心中感应的AC电压整流为DC电压，车辆用蓄电池通过所述DC电压被充电；以及

调节器，其对施加给所述励磁线圈的励磁电压进行开/关控制；

其中，所述调节器被构造成通过逐步升高所述车辆用蓄电池的输出电压来产生所述励磁电压。

12.如权利要求11所述的车辆用发电机，其特征在于，所述调节器还包括断路器式DC-DC转换器用于逐步升高所述车辆用蓄电池的所述输出电压。

13.如权利要求11所述的车辆用发电机，还包括减振电路，所述减振电路用于调节所述励磁低压，使得所述励磁电压和所述车辆发动机的输出扭矩以相反的相位变化。

14.如权利要求11所述的车辆用发电机，还包括扭矩差吸收电路，所述扭矩差吸收电路用于调节所述励磁电压，使得由所述车辆发动机输出的车轮驱动扭矩和和其上安装着所述车辆发动机的车辆的运转负载扭矩之间的差保持在一定范围。