CN208656513U - 一种车用发电机及其定子 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种车用发电机及其定子，通过设置标准总声功率和标准流量参数，从不同跨槽孔洞高度中选出目标高度，该目标高度对应的噪声评价位置处的总声功率不超过标准总声功率，冷却性能评价位置处的流量参数大小不小于标准流量参数，从而使得具有该定子的发电机的风噪大小既不超过最大可容忍风噪大小，散热冷却性能也满足要求，在车用发电机风噪大小和发电机冷却性能之间取得了合理平衡，提升了发电机的综合性能。

Description

一种车用发电机及其定子

技术领域

本实用新型实施例涉及发电机技术领域，尤其涉及一种车用发电机及其定子。

背景技术

随着汽车工业的发展和人们对汽车舒适性要求的不断提高，振动噪声成为汽车舒适性的重要评价指标。发电机由于其特殊的结构和运行工况，电磁噪声和风噪是噪声的两大重要来源，在其他噪声下降的情况下，发电机风噪就显得尤为突出，发电机的风噪大小受很多因素影响，定子跨槽孔洞高度是影响发电机风噪的重要因素之一。

而至今，人们还没有针对风噪大小的优化作出较为全面的优化，发电机风噪大小和发电机其他性能有时候难以平衡，从而影响发电机的综合性能。

实用新型内容

本实用新型提供一种车用发电机及其定子，以解决现有的车用发电机风噪大小和发电机冷却性能难以平衡的问题。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种车用发电机的定子，包括：定子铁芯和定子绕组；

所述定子绕组通过线槽缠绕在所述定子铁芯上，所述定子绕组跨槽绕线时形成跨槽孔洞，所述跨槽孔洞的高度被设置成目标高度，所述目标高度用于使得具有该定子的发电机的噪声评价位置处的总声功率不超过标准总声功率，且用于使得具有该定子的发电机的冷却性能评价位置处的流量参数大小不小于标准流量参数。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种车用发电机，包括转子、前端盖、后端盖和上述的定子；

所述转子和定子固定于所述前端盖和后端盖形成的空间。

本实用新型实施提供的车用发电机及其定子，通过设置标准总声功率和标准流量参数，从不同跨槽孔洞高度中选出目标高度，该目标高度对应的噪声评价位置处的总声功率不超过标准总声功率，冷却性能评价位置处的流量参数大小不小于标准流量参数，从而使得具有该定子的发电机的风噪大小既不超过最大可容忍风噪大小，散热冷却性能也满足要求，在车用发电机风噪大小和发电机冷却性能之间取得了合理平衡，提升了发电机的综合性能。

附图说明

图1是本实用新型实施例的一种车用发电机的定子的结构示意图；

图2是本实用新型实施例与图1中的定子对应的定子铁芯的结构示意图；

图3是具有本实用新型实施例的定子的发电机的前端盖的周向位置示意图；

图4是具有本实用新型实施的定子的发电机前端盖的出风口位置示意图；

图5本实用新型实施例的一种确定车用发电机的定子孔洞高度的方法的步骤流程示意图；

图6是本实用新型实施例的旋转域模型和旋转域滑移面组合示意图；

图7是本实用新型实施例对图6中的旋转域模型进行网格划分后的网格结构示意图；

图8是本实用新型实施例对旋转域滑移面30和旋转域模型进行网格划分后的网格结构示意图；

图9是本实用新型实施例对所述旋转域模型和旋转域滑移面进行网格划分，并删除所述旋转域模型对应的旋转域部分后的待计算流体网格沿图8中A-A’向的剖面图；

图10是本实用新型实施例的静止域模型和静止域滑移面组合示意图；

图11是本实用新型实施例的静止域模型和背景域组合示意图；

图12是本实用新型实施例对所述旋转域模型、旋转域滑移面、静止域滑移面、静止域模型和背景域进行网格划分，并删除所述旋转域模型和静止域模型对应的网格部分后，获得的待计算流体网格示意图；

图13是本实用新型实施例的待计算流体网格沿图12中A-A’向的剖面图；

图14是本实用新型实施例各发电机模型前端盖的出风口处的质量流量参数大小分布图；

图15是本实用新型实施例各发电机模型前端盖的周向位置处的总声功率分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本实用新型实施例的一种车用发电机的定子的结构示意图，图2为与图1中定子对应的定子铁芯的结构示意图，该定子可以包括定子铁芯1和定子绕组2。

所述定子绕组2通过线槽3缠绕在所述定子铁芯1上，所述定子绕组2跨槽绕线时形成跨槽孔洞4，所述跨槽孔洞4的高度被设置成目标高度，所述目标高度用于使得具有该定子的发电机的噪声评价位置处的总声功率不超过标准总声功率，且用于使得具有该定子的发电机的冷却性能评价位置处的流量参数大小不小于标准流量参数。

具体的，由于实际的定子的每个跨槽孔洞的高度可能都是略有不同的，例如，可能每个跨槽孔洞的高度是符合正态分布规律的，“所述跨槽孔洞的高度被设置成目标高度”应该理解成每个跨槽孔洞高度的平均值或期望值被设置成目标高度。

“标准总声功率”是本领域技术人员为满足汽车噪声标准而允许发电机的噪声评价位置处风噪大小的最大值，其可以根据本领域技术人员的设计需要而自行设计，当然，对于某些企业，也可能具有内部标准，其中，噪声评价位置处究竟位于哪个位置，是由本领域技术人员最关心的，最想知道的，能从整体上评价发电机风噪大小的位置而决定的，优选地，噪声评价位置处为具有该定子的发电机的前端盖和/或后端盖的周向位置，作为一种示例，图3为具有本实用新型实施例的定子的发电机的前端盖的周向位置示意图，其中周向位置如图3中的5示出。

“总声功率”是发电机风噪在各频率下声功率值的加权值。

“标准流量参数”是本领域技术人员为满足汽车发电机冷却性能而设置的冷却性能评价位置处要求流量大小的最小值，其可以根据本领域技术人员的设计需要而自行设计，针对与特定的发电机，其可以相应地变化，当然，对于某些企业，也可能具有内部标准，其中，冷却性能评价位置处究竟位于哪个位置，是由本领域技术人员最关心的，能从整体上评价发电机冷却性能的位置而决定的，优选地，冷却性能评价位置处为具有该定子的发电机的前端盖和/或后端盖的出风口位置，作为一种示例，图4为具有本实用新型实施的定子的发电机前端盖的出风口位置示意图，其中出风口位置如图4中的6示出。

流量参数可以为体积流量参数和质量流量参数，优选为质量流量参数，通过质量流量参数可以更为精确地表征出发电机的冷却性能(因为发电机在散热的过程中实质上是通过空气循环，冷空气吸收温度较高的发电机的热量，冷空气在吸热过程中，质量流量越大的冷空气，其能吸收更多的热量)。

噪声评价位置处的总声功率既可以是通过三维建模、设计不同的跨槽孔洞高度的发电机，最后通过风噪数值模拟计算得来的总声功率，也可以是通过真实电机，利用不同的绕线方法、设置不同的跨槽孔洞高度，利用声音传感器收集到的噪声数据而计算的总声功率。

优选地，噪声评价位置处的总声功率是通过三维建模、设计不同的跨槽孔洞高度的发电机，最后通过风噪数值模拟计算得来的总声功率，这种通过数值模拟计算方法得来的总声功率相比“通过真实电机，利用不同的绕线方法、设置不同的跨槽孔洞高度，利用声音传感器收集到的噪声数据而计算的总声功率”的方法可以有效地提高目标高度的验证效率，同时还避免大量的硬件成本。

类似地，冷却性能评价位置处的流量参数大小既可以是通过三维建模、设计不同的跨槽孔洞高度的发电机，最后通过风噪数值模拟计算得来的，也可以是通过真实电机，利用不同的绕线方法、设置不同的跨槽孔洞高度，利用流量传感器收集到的流量大小。

优选地，冷却性能评价位置处的流量参数大小是通过三维建模、设计不同的跨槽孔洞高度的发电机，最后通过风噪数值模拟计算得来的，这种通过数值模拟计算方法得来的流量参数大小相比“通过真实电机，利用不同的绕线方法、设置不同的跨槽孔洞高度，利用流量传感器收集到的流量大小”的方法可以有效地提高目标高度的验证效率，同时还避免大量的硬件成本。

具体的，本实用新型实施例还提供了一种通过风噪数据模拟的方法来确定车用发电机的定子孔洞高度的方法，参照图5示出的本实用新型实施例的一种确定车用发电机的定子孔洞高度的方法的步骤流程示意图，该方法可以包括：

步骤101、建立一系列具有不同跨槽孔洞高度的发电机定子三维模型，所述定子三维模型除孔洞高度不同外，其他参数都相同。

步骤102、基于所述定子三维模型建立车用发电机三维模型。

具体的，定子三维模型和发电机的三维模型都可以通过CATIA、Solidworks、Proe等三维建模软件参考实际的发电机的尺寸大小来建立，通常发电机的三维模型可以包括定子铁芯、定子绕组、转子、转子励磁绕组、皮带轮、端盖(前端盖、后端盖，通常靠近皮带轮一侧的端盖为前端盖，远离皮带轮一侧的端盖为后端盖)、轴承(包括内圈和外圈)、风扇(通常又可以分为前风扇和后风扇，通常前风扇为靠近前端盖的风扇，后风扇为靠近后端盖的风扇，前风扇和后风扇不一定同时存在)这些部件的三维模型。

在本实用新型实施例中，为了确定合适的孔洞高度，需要建立一系列具有不同跨槽孔洞高度的发电机定子三维模型所述定子三维模型除孔洞高度不同外，其他参数都相同，然后在此基础上建立车用发电机三维模型。

作为一种示例，一般发电机定子孔洞高度在2-8mm之间，可以以36线槽，定子内径99mm,外径128mm，定子高度29.7mm，线包高度分别为15.15mm的定子为例，通过三维建模、设计了3.15mm、4.15mm、5.15mm、6.15mm、7.15mm 5个不同高度的跨槽孔洞的发电机模型(除了跨槽孔洞高度不同外，发电机模型的其他参数都相同)。

步骤103、对所述发电机三维模型进行风噪数值模拟计算获得发电机的噪声评价位置处的总声功率，和发电机的冷却性能评价位置处的流量参数大小。

具体的，在发电机三维模型建立完毕之后，可以利用现有的一些风噪数值模拟方法来计算获得发电机的噪声评价位置处的总声功率，和发电机的冷却性能评价位置处的流量参数大小，从而便于后续对孔洞高度的筛选。

在本实用新型的一种优选实施例中，步骤103可以包括如下子步骤：

子步骤S11、以所述三维模型中的转子和风扇作为旋转域模型，建立圆柱体的旋转域滑移面，所述旋转域滑移面完全包络所述旋转域模型。

子步骤S12、以所述三维模型中的前端盖、后端盖、和定子作为静止域模型，建立与所述旋转域滑移面完全重叠的静止域滑移面，以及环绕所述静止域模型的背景域。

在本实用新型实施例中，在建立发电机的三维模型后，可以以三维模型中的转子和风扇作为旋转域模型，以示该旋转域模型中的转子和风扇模拟实际的发电机中的转子和风扇的转动。

还可以以三维模型中的前端盖、后端盖和定子作为静止域模型，以示该静止域模型中的前端盖、后端盖和定子模拟实际的发电机中的前端盖、后端盖和定子的静止状态。

旋转域滑移面是滑移网格技术中旋转域和静止域之间的交界面位于旋转域的部分，在本实用新型实施例中，由于发电机本身转子和风扇是嵌套在前端盖和后端盖之间形成的空间中的，因此，可以建立圆柱体的旋转域滑移面，该旋转域滑移面完全包络旋转域模型，同时不超出前端盖和后端盖之间形成的空间范围。

静止域滑移面是滑移网格技术中旋转域和静止域之间的交界面位于静止域的部分，在建立圆柱体旋转域滑移面后，也就对应地建立了与所述旋转域滑移面完全重叠的静止域滑移面，使得利用滑移面网格技术时大大减少交界面处的计算误差。

其中，“背景域”是本次风噪数值模拟过程中的本领域技术人员自行定义的需要考虑受发电机产生的风噪影响的空间范围，也被称作进出口，通常可以为环绕所述静止域模型的一个球体表面、前端盖、后端盖和定子外表面、静止域滑移面所组成的封闭空间。

子步骤S13、对所述旋转域模型、旋转域滑移面、静止域滑移面、静止域模型和背景域进行网格划分，并删除所述旋转域模型和静止域模型对应的网格部分，获得待计算流体网格。

具体的，对所述旋转域模型、旋转域滑移面、静止域滑移面、静止域模型和背景域进行网格划分的方法可以利用现有技术中常用的ICEM、Gambit等专用的网格划分软件，当然本领域技术人员也可以自行编制程序进行，参照图6示出的本实用新型实施例的旋转域模型和旋转域滑移面组合示意图，其中转子如图6中10示出，风扇如图6中的20示出，旋转域滑移面如图6中的30示出，对图6中的旋转域模型进行网格划分后的网格结构示意图如图7所示，对旋转域滑移面30和旋转域模型进行网格划分后的网格结构示意图如图8所示，其中图8中仅示出了旋转域滑移面30的网格，旋转域模型的网格被遮挡，图8中未示出，对所述旋转域模型和旋转域滑移面进行网格划分，并删除所述旋转域模型对应的旋转域部分后的待计算流体网格沿图8中A-A’向的剖面图如图9所示。

参照图10示出的本实用新型实施例的静止域模型和静止域滑移面组合示意图，以及图11示出的本实用新型实施例的静止域模型和背景域组合示意图，其中前端盖如图10中40示出，后端盖如图10中50示出，静止域滑移面如图10中60示出(静止域滑移面60与图4中的旋转域滑移面完全重合，位于前端盖40和后端盖50形成的空间内)，背景域如图11中70示出，对所述旋转域模型、旋转域滑移面、静止域滑移面、静止域模型和背景域进行网格划分，并删除所述旋转域模型和静止域模型对应的网格部分后，获得的待计算流体网格如图12所示，图13为本实用新型实施例的待计算流体网格沿图12中A-A’向的剖面图。

子步骤S14、设置所述待计算流体网格的初始条件，基于所述待计算流体网格对流场进行稳态计算，获得流场参数，从所述流场参数中获取发电机的冷却性能评价位置处的流量参数大小。

通常，在对需要模拟的问题进行数值模拟时，会经历如下过程：建立控制方程，确认初始条件及边界条件，划分计算网格，生成计算节点，建立离散方程，离散初始条件和边界条件，给定求解控制参数，求解离散方程，判断解的收敛性，显示和输出计算结果。

在本实用新型实施例中，可以设置计算流体网格中的气体介质密度，发电机转速等初始条件，然后根据该初始条件以及其他数值模拟计算必要的其他步骤，例如选取合适的控制方程，设置合适的边界条件等，在计算流体网格的基础上对流场进行稳态计算，获得稳态的流场参数，其中获得的稳态的流场参数可以包括计算网格处每一节点处的介质流速、压力、加速度和流量参数等，因此本实用新型实施例可以从流场参数中获取发电机的冷却性能评价位置处的流量参数大小。

延续步骤101-102中的示例，各发电机模型前端盖的出风口处的质量流量参数大小分布图如图14所示。

子步骤S15、将所述流场参数作为所述待计算流体网格的瞬态计算的初始条件，计算所述流场压力的瞬态值。

具体的，瞬态计算的目的是为了获取待计算流体网格中每一计算节点处的流场参数随时间的变化规律，每一计算节点处流场参数随时间的变化规律也会与风噪大小随时间的变化规律对应，在本实用新型实施例中，在子步骤S14已经获取稳态的流场参数之后，为了进一步提高后续瞬态计算的准确性，可以以稳态的流场参数值作为瞬态数值模拟计算的初始条件，获得流场参数的瞬态值，其中包括了流场压力的瞬态值。

子步骤S16、在所述旋转域模型中建立声学边界元网格，以所述流场压力的瞬态值加载到所述边界元网格。

具体的，声学边界元网格是本领域技术人员所关心的定义域的边界上的网格，具体边界元网格的建立方法可以利用LMS Virtual.lab等软件中现有的方法在旋转域模型中建立，通常，由于风噪辐射的无方向性，在旋转域模型中建立的边界元网格可以为包含所述旋转域模型的球体的表面，建立声学边界元网格之后，可以将子步骤S15中计算的流场压力的瞬态值加载到边界元网格中以作为边界元计算方法的初始条件。

子步骤S17、利用边界元法计算所述发电机的风噪数据，根据所述风噪数据计算发电机的噪声评价位置处的总声功率。

在本实用新型实施例中，将流场压力的瞬态值加载到边界元网格中后，可以继续利用LMS Virtual.lab等软件，利用压力脉动产生振动，振动发声的原理计算发电机风噪(风噪辐射)，然后根据现有的加权算法计算发电机的噪声评价位置处的总声功率，为实际的发电机风噪提供参考。

延续步骤101-102中的示例，通过风噪数值模拟计算得到各发电机模型前端盖的周向位置处的总声功率分布图如图15所示。

需要说明的是，需要说明的是，对于一些车用发电机的三维模型，其各组成部分中有一些较细微的结构的情况下，例如转子和风扇的风叶上的倒角、筋板和孔洞，前端盖和后端盖上的倒角等这些微小结构，如果这些微小结构的尺度小于一定的预设尺寸，例如0.5mm，在后续网格划分过程中，会严重影响网格质量，为了能够在后续待计算流体网格划分时能够划分出质量较好的网格，本实用新型实施例的步骤103还可以包括：删除所述转子和风扇的风叶上的倒角、筋板和孔洞，并删除所述前端盖和后端盖上的倒角。

相似地，对于一些车用发电机的三维模型，其前端盖与皮带轮连接部分，前端盖合皮带轮之间的间隙也会较小，如果该间隙的尺度小于一定的预设尺寸，例如0.5mm，在后续网格划分过程中，会严重影响网格质量，为了能够在后续待计算流体网格划分时能够划分出质量较好的网格，本实用新型实施例的步骤103还可以包括：设置所述前端盖与皮带轮连接部分封闭，即如图10中的前端盖与皮带轮连接部分80直接设置在前端盖上，而不预留一定的间隙。

步骤104、所述总声功率不超过标准总声功率，且流量参数大小不小于标准流量参数的对应的高度为定子跨槽孔洞的目标高度。

具体地，在本实用新型实施例中，在确定不同孔洞高度的定子模型的车用发电机的噪声评价位置处的总声功率的分布图和冷却性能评价位置处的流量参数大小的分布图后，根据设置的标准总声功率和标准流量参数，可以筛选出满足“总声功率不超过标准总声功率，且流量参数大小不小于标准流量参数”这一条件的高度为目标高度。

延续上述示例，该型号的发电机的标准总声功率大小被设置为76.8dBA，标准流量参数为0.075kg/s，根据图14和图15示出的分布图可知，满足条件的目标高度为4.15mm-5.15mm。

综上所述，本实用新型实施例提供的车用发电机、确定其定子孔洞高度的方法和定子，通过设置标准总声功率和标准流量参数，从不同跨槽孔洞高度中选出目标高度，该目标高度对应的噪声评价位置处的总声功率不超过标准总声功率，冷却性能评价位置处的流量参数大小不小于标准流量参数，从而使得具有该定子的发电机的风噪大小既不超过最大可容忍风噪大小，散热冷却性能也满足要求，在车用发电机风噪大小和发电机冷却性能之间取得了合理平衡，提升了发电机的综合性能。

在本实用新型的一种优选实施例中，由于设计有多个不同的跨槽孔洞高度，有可能满足噪声评价位置处的总声功率不超过标准总声功率，且冷却性能评价位置处的流量参数大小不小于标准流量参数的目标高度也有多个，为了从这些目标高度中选取最优的目标高度，总声功率P在确定最优的目标高度时具有第一权重系数K1(K1＞0)，所述流量参数Q在确定最优的目标高度时具有第二权重系数K2(K2＞0)，(K₂Q-K₁P)_max对应的目标高度为最优的目标高度，这是因为本领域技术人员期望跨槽孔洞高度在某一值下，噪声越低，即P越小，冷却性能越好，即流量参数Q越大(流量越大，越容易带走发电机产生的热量，冷却性能越好)。

其中，第一权重系数K1和第二权重系数K2的设置具体由技术人员自行设置，并可以根据对噪声性能和冷却性能哪个更为看重而调整，例如，如果对噪声性能更为看重，可以适当调整K1增大，对冷却性能更为看重，可以适当调整K2增大。

继续延续上述示例，总声功率P的第一权重系数K1＝0.5，流量参数Q的第二权重系数K2＝0.5，对于4.15mm的发电机模型，K₂Q-K₁P＝0.5*0.076-0.5*76.4＝-38.162；对于5.15mm的发电机模型，K₂Q-K₁P＝0.5*0.076-0.5*76.3＝-38.112，两者比较而言，5.15mm为最优的目标高度。

再如，总声功率P的第一权重系数K1＝50，流量参数Q的第二权重系数K2＝100，对于4.15mm的发电机模型，K₂Q-K₁P＝100*0.076-50*76.4＝-3812.4；对于5.15mm的发电机模型，K₂Q-K₁P＝100*0.076-50*76.3＝-3807.4，两者比较而言，5.15mm为最优的目标高度。

基于前述实施例公开的车用发电机的定子，本实用新型实施例还公开了一种车用发电机，该车用发电机包括转子、前端盖、后端盖和上述任意的定子，所述转子和定子固定于所述前端盖和后端盖形成的空间，从而使得车用发电机的噪声性能和冷却性能达到合理平衡。

可选地，该车用发电机可以为IBSG(Intergrated Belt-driven Starter/Generator集成皮带传动起动/发电一体化)发电机、非皮带传动的GMG电机(Gearbox MotorGeneration变速箱集成式电动机/发电机)或爪极电机。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种车用发电机的定子，其特征在于，包括：定子铁芯和定子绕组；

所述定子绕组通过线槽缠绕在所述定子铁芯上，所述定子绕组跨槽绕线时形成跨槽孔洞，所述跨槽孔洞的高度被设置成目标高度。

2.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，所述跨槽孔洞的目标高度为4.15-5.15mm。

3.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，所述目标高度的最优值为5.15mm。

4.一种车用发电机，其特征在于，包括转子、前端盖、后端盖和权利要求1-3任一项所述的定子；

所述转子和定子固定于所述前端盖和后端盖形成的空间。