TWI383562B - Alternating current generator and its core manufacturing method - Google Patents

Description

交流發電機及其磁心製造方法

本發明是有關於一種交流發電機及其磁心製造方法，特別是有關於一種具有低啟動轉速及高輸出特性之交流發電機及其磁心製造方法。

交流發電機(alternator)為一種利用電樞與定子間產生電磁交互作用，因而產生交流電力之發電裝置(generator)。其設置於車輛內並藉由內燃機經皮帶帶動皮帶輪，使之運轉，以供應車內電子元件所需電力。當車輛啟動時，需藉由車用蓄電池啟動發電機及馬達。待馬達啟動後，再藉由馬達帶動發電機運轉，並使發電機對車用蓄電池進行充電。其中，發電機包含一轉子組、一定子組(stator)、一整流器(rectifier)及一場二極體(field diodes)。

轉子組可相對定子轉動，且轉子組由一磁心(rotor core)、轉子線圈、轉子軸及軸承所組成。當電流通過轉子線圈時，其因電磁感應作用磁化而產生一磁場(magnetic field)。當轉子組轉動時，磁場方向亦隨之改變。

定子組環繞於轉子周圍，並由一組或多組定子線圈(winding)及磁心所組成。當轉子組相對定子組轉動時，將使定子線圈因電磁感應產生交流電流。

整流器電性連接定子線圈。整流器用以將定子線圈產生之交流電流轉換成直流電流，以對電瓶充電。

場二極體用以將定子線圈所產生之交流電流整流為直流後，輸出給定子線圈使用。因此，此種交流發電機可自行供應電流至定子線圈。此過程稱為自激(self excitation)。

當轉子組從靜止狀態(resting state)啟動時，多數的交流發電機需藉由殘留於磁心(rotor core)內之剩磁(residual magnetism)來建立磁場，使交流發電機能產生足夠的電力以觸發自激狀態。其中，用以達到自激狀態之轉子最低轉速稱為啟動轉速(turn-on speed)。在發電機達到啟動轉速之前，發電機需藉由蓄電池提供電能，帶動轉子組旋轉以進行啟動程序。

由於習知如農業機械、吊車等大型車輛，因其具有特定用途而較少使用。由於車用蓄電池具有自放電效應，其所儲存的電能會隨著時間逐漸減少。當此大型車輛久未發動，容易造成因蓄電池蓄電量不足，無法驅動發電機之轉子組轉動之所需之啟動轉速，導致此種車輛發動不易或無法發動。

此外，習知如自用轎車等小型車輛，因其啟動頻率較高(如通勤或營業用轎車)，而較不具有大型車輛蓄電池蓄電量不足導致車輛無法發動之問題，然而因其發電機啟動轉速較高，而將消耗蓄電池較多電能。

此外，於交流發電機中，磁心主要作為以下用途：

(1)於轉子組及定子組之間傳遞磁通量(magnetic flux)以形成一磁路(magnetic circuit)。

(2)需具有永久磁石(permanent magnet)之特性，以提供剩磁來產生電力，直到交流發電機到達自激狀態，使轉子組能持續轉動。當剩磁越高，轉子之啟動速度便可隨之降低。

磁心通常利用碳鋼(carbon steel)來製作，而碳鋼可依照其含碳量之高低分為低碳鋼，中碳鋼及高碳鋼。低碳鋼通常具有較佳磁通量傳遞性，而可增進發電機輸出特性，如輸出電流或輸出電壓。然而，低碳鋼之缺點在於，當磁化後撤除外界磁場，其所殘留磁力(residual magnetic force)較低。而高碳鋼則較接近永久磁鐵之特性，因此其殘留磁力較低碳鋼為高，然而，其導磁率較低。因此，習知之交流發電機通常選用介於兩者之間之中碳鋼作為磁心製造材料，以維持適當之啟動轉速及輸出特性。

然而，此種以中碳鋼製作之磁心，其截面積之磁動勢壓降(magnetomotive force drop,MMF drop)較高，即導磁率下降，導致發電機輸出特性變差。此外，以中碳鋼所製成的磁心，其磁通量飽和密度(magnetic saturation flux density)較低，因此其重量、體積及質量慣性矩(mass moment of inertia)較高而無法進一步縮小。

有鑒於上述問題，提供一種具有可降低啟動耗電量、高輸出特性及小體積而不佔空間的交流發電機，為目前迫切所需。

有鑑於上述先前技術之問題，本發明之目的就是在提供一種交流發電機及其磁心製造方法，以解決習知技藝之交流發電機輸出特性不佳之問題。

根據本發明之目的，提出一種交流發電機，包含一定子組及一轉子組。轉子組具有一磁心，磁心被滲碳處理從其表面滲碳至內部，藉以形成第一磁心部及第二磁心部。第一磁心部位於磁心外側，使得第一磁心部的含碳量從其表面到內部逐步遞減到一預定值。第二磁心部位於磁心內側與第一磁心部之間。

其中，第一磁心部表面的含碳量介於0.5%~1%之間。

其中，第一磁心部從其表面到內部逐步遞減到含碳量介於0.3~0.4%之間。

其中，第二磁心部之含碳量為預定值的1.1~0.9倍。

其中，第二磁心部之硬度小於第一磁心部。

根據本發明之目的，又提出一種交流發電機，包含一定子組及一轉子組。轉子組具有一磁心，其具有一第一磁心部及一第二磁心部。第一磁心部位於磁心內側，第一磁心部的含碳量從其表面到內部逐步遞減到一預定值。第二磁心部位於磁心外側。

其中，第一磁心部表面的含碳量介於0.5%~1%之間。

其中，第一磁心部從其表面到內部逐步遞減到含碳量介於0.3~0.4%之間。

其中，第二磁心部之含碳量為預定值的1.1~0.9倍。

其中，第一磁心部之硬度小於第二磁心部。

根據本發明之目的，更提出一種交流發電機的磁心製造方法，包含下列步驟：首先，提供由一碳鋼所製成一磁心；接著，對磁心之表面進行滲碳處理，直到第一磁心部的內部一預定位置的含碳量提高到一預定值，並藉以形成一第一磁心部及一第二磁心部，且第一磁心部之含碳量從其表面向內部逐漸遞減達到該預定值。

承上所述，依本發明之交流發電機及其磁心製造方法，可藉由第一磁心部之含碳量，從其表面向內部逐漸遞減達到該預定值特性，以降低交流發電機之啟動轉速，及提升發電機之輸出。

請參閱第1圖、第2圖及第3圖，其係為本發明之交流發電機之分解圖、剖面圖及磁心剖面圖。圖中，交流發電機係由一內燃機(圖未示)所驅動，並包含一轉子組11及一定子組12。其中，定子組12設置於發電機之外側，其由線圈纏繞於矽鋼片周圍所組成。而轉子組11設置於定子組12之內側，包括一電樞軸111、一磁心112、一磁極片組113、一套管114，另外一線軸組115設置於轉子組11內部，固定於發電機之後蓋上。

電樞軸111插設於磁心112內。磁極片組113則設置於磁心112外側，並由複數組磁極相互交錯排列所構成。每一組磁極是由極性相異之一第一磁極113a及一第二磁極113b，以相對三角形之尖角處相互排列所組成。套管114則套設於電樞軸111上。其中，磁極片組113用以提供磁 心導磁用之磁路，其係依序穿過磁心112、第一磁極113a、定子組12、第二磁極113b、線軸組115及磁心112，以構成一封閉迴路(close loop)之等效磁路。

套管114套設於電樞軸111之一端，其用以保持電樞軸111穩定轉動。線軸組115由線圈及磁心所組成，用以產生磁路。

磁心112為一非均質(non-homogenous)之圓柱形(cylinder)套體，其具有一第一磁心部112a及一第二磁心部112b。第一磁心部112a位於磁心112外側，第一磁心部112a從其表面滲碳至內部，使得第一磁心部112a的含碳量從其表面到至內部一定位置，係逐步遞減到一預定值，第一磁心部112a表面的含碳量介於0.5%~1%之間。該預定值係為介於0.3~0.4%之間的含碳量。第二磁心部112b位於磁心112內側與第一磁心部112a之間，其含碳量約為近似於該預定值。更進一步而言，第一磁心部112a的表面含碳量大於第二磁心部112b的含碳量，且該第二磁心部之含碳量為該預定值的1.1~0.9倍，而第一磁心部之硬度大於第二磁心部。

當發電機運轉後，藉由轉子組11之轉動使其與定子組12產生電磁感應，使定子組12輸出一交流感應電流。

由於，第一磁心部112a之磁性特性，係較永久磁鐵為接近，令其具有較高的剩磁量，故，當發電機啟動時，發電機於較低的轉速，便可於定子組12及轉子組11之間產生足夠磁力，使電樞軸受電磁感應而自行轉動，即可降 低交流發電機到達自激狀態所需之啟動轉速。

舉例而言，本發明之一實施例中，第一磁心部112a表面的含碳量約為0.54%，直到第一磁心部112a內部一定深度的位置之含碳量約為0.35%，且第一磁心部112a約為每深入0.1mm即減少至少0.01%的含碳量，為能更清楚表示第一磁心部112a從其表面到內部一定的含碳量，係於下表列出不同深度的含碳量：

再者，此實施例的非均質碳鋼磁心，其第一磁心部112a內部一定深度的位置之含碳量約為0.35%者，與習知的均質碳鋼磁心含碳量為0.35%者，其特性比較表如下所示：

承上表所示，此實施例的非均質磁心於冷車時的最大輸出功率為2209瓦，負載下最大輸出電流為170.0安培，調整器為14.5伏特，啟動轉速為1419Rpms。此實施例的非均質磁心於熱車時的最大輸出功率為1989瓦，負載下最大輸出電流為152.6安培，調整器為14.5伏特，啟動轉速為1297Rpms。而習知的均質磁心於冷車時的最大輸 出功率為2233瓦，負載下最大輸出電流為172.1安培，調整器為14.5伏特，啟動轉速為1947Rpms。習知的均質磁心於熱車時的最大輸出功率為2034瓦，負載下最大輸出電流為156.7安培，調整器為14.5伏特，啟動轉速為1297Rpms。

請參閱第4圖，係特性比較表中此實施例非均質碳鋼磁心的啟動轉速與習知含碳量0.35%的均質碳鋼磁心的啟動轉速的比較示意圖。圖中，此實施例的發電機在冷車時的啟動轉速約為每分鐘1400轉(1400RPM)，熱車時的啟動轉速約為每分鐘1300轉。習知含碳量0.35%的均質碳鋼磁心於冷車時的啟動轉速約為每分鐘1950轉，熱車時的啟動轉速約為每分鐘1630轉。由前述可知，此實施例的非均質磁心與習知的均質磁心，不論是在冷車或熱車時，兩者最大輸出功率、負載下最大輸出電流及調整器的數值相當接近或完全相同。但是兩者於在冷車或熱車時的啟動轉速具有相當大的差異，本發明的非均質磁心於冷車時的啟動轉速約為習知均質磁心的73%，本發明的非均質磁心於熱車時的啟動轉速約為習知均質磁心的79%。換言之，本發明有效降低發電機之啟動轉速，使發電機在低轉速時即可發電，達到降低啟動發電機所需之耗電量的效果。

又，請參閱第5圖，係特性比較表中此實施例與習知的輸出電流特性曲線的比較圖，圖中，係此實施例與習知磁心在冷車及熱車狀態下，於1600RPM~6000RPM間的各區段轉速之輸出電流特性曲線，由圖可知，此實施例的輸 出電流特性曲線，係相當接近於習知磁心的輸出電流特性曲線。藉此，可使定子組12輸出接近習知發電機之電流，以維持輸出特性，進而達到穩定提供發電機之發電效率之目的。

此外，由於磁心之第二磁心部112b導磁率較習知技藝之磁心為佳，而可降低磁心之體積及其質量慣性矩(moment of inertia)，以達成節省配設空間及縮小發電機總體體積之效果。

在本發明之另一種交流發電機，其架構與前述本發明之一交流發電機大致相同，二者之不同處僅在於磁心第一磁心部112a設置於磁心內側，且該第一磁心部的含碳量從其表面至內部逐步遞減到一預定值，第二磁心部112b設置於磁心外側，而第一磁心部之硬度小於第二磁心部。此種架構係可達到相同或相近的效果及目的。

請參照第6圖，其係為本發明磁心製造方法之步驟流程圖，其包含下列步驟：S11：提供由碳鋼所製成的一磁心；以及S12：對磁心表面進行滲碳處理，直到磁心內部在一定深度的位置上，其含碳量提高到一預定值，藉以在該磁心表面到含碳量達到該預定值的位置間，形成一第一磁心部，且該第一磁心部之含碳量從其表面向內部逐漸遞減達到該預定值，及在該磁心內部到含碳量達到該預定值的位置間，形成一第二磁心部。

其中，當第一磁心部表面的含碳量介於0.5%~1%之間。 且該預定值含碳量介於0.3~0.4%之間。第二磁心部之含碳量近似於預定值。此外，由於第二磁心部之導磁率高於第一磁心部，而可增加發電機之輸出電流或輸出電壓等輸出特性。第一磁心部之剩磁較高，而可降低發電機之啟動轉速，且第一磁心部可做一硬化熱處理(hardened heat treatment)，以提升其耐磨度。

綜上所述，本發明之交流發電機及其轉子磁心製造方法之功效在於轉子組之磁心上之外側形成一第一磁心部，內側則形成一第二磁心部，而使發電機同時具有低啟動轉速及高輸出特性之效果。

本發明之交流發電機及其轉子磁心製造方法之另一功效在於可藉由提高剩磁以降低磁心之體積，以縮小發電機之尺寸及重量。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

11‧‧‧轉子組

111‧‧‧電樞軸

112‧‧‧磁心

112a‧‧‧第一磁心部

112b‧‧‧第二磁心部

113‧‧‧磁極片組

113a‧‧‧第一磁極

113b‧‧‧第二磁極

114‧‧‧套管

115‧‧‧線軸組

12‧‧‧定子組

S11~S12‧‧‧步驟流程

第1圖係為本發明之交流發電機之轉子組之分解圖；第2圖係為本發明之交流發電機之剖面圖；第3圖係為本發明之交流發電機之磁心之剖面圖；第4圖係本發明之一實施例與習知均質碳鋼的磁心的啟動轉速的比較示意圖；第5圖係本發明之一實施例與習知均質碳鋼的磁心的輸出電流特性曲線的比較圖；以及第6圖係為本發明之磁心製造方法之步驟流程圖。

111‧‧‧電樞軸

112‧‧‧磁心

113a‧‧‧第一磁極

113b‧‧‧第二磁極

114‧‧‧套管

115‧‧‧線軸組

12‧‧‧定子組

Claims (15)

1. 一種交流發電機，包含：一定子組；及一轉子組，設置於該定子組之內側，該轉子組包括一磁心，且該磁心係被滲碳處理形成包括：一第一磁心部，形成於該磁心外側，該第一磁心部的含碳量從其表面到內部逐步遞減到一預定值；一第二磁心部，形成於該磁心內側與該第一磁心部之間，且該第二磁心部之含碳量近似於該預定值；一電樞軸，該電樞軸係插設於該磁心內；一套管，該套管係套設該電樞軸之一端；一磁極片組，其設置於該磁心外側；以及一線軸組，其設置於該轉子組內部，並固定於該交流發電機之後蓋上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之交流發電機，其中該第一磁心部的表面之含碳量介於0.5%~1%。
3. 如申請專利範圍第2項所述之交流發電機，其中該預定值介於0.3~0.4%。
4. 如申請專利範圍第3項所述之交流發電機，其中該第二磁心部之含碳量為該預定值的1.1~0.9倍。
5. 如申請專利範圍第1項所述之交流發電機，其中該第二磁心部的硬度小於該第一磁心部。
6. 一種交流發電機，包含：一定子組；一轉子組，設置於該定子組之內側，該轉子組包括一磁心 ，且該磁心包括：一第一磁心部，設置於該磁心內側，且該第一磁心部的含碳量從其表面至內部逐步遞減到一預定值；一第二磁心部，位於該磁心外側；一電樞軸，該電樞軸係插設於該磁心內；一套管，該套管係套設該電樞軸之一端；一磁極片組，其設置於該磁心外側；以及一線軸組，其設置於該轉子組內部，並固定於該交流發電機之後蓋上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之交流發電機，其中該第一磁心部的表面之含碳量介於0.5%~1%。
8. 如申請專利範圍第7項所述之交流發電機，其中該預定值介於0.3~0.4%。
9. 如申請專利範圍第8項所述之交流發電機，其中該第二磁心部之含碳量為該預定值的1.1~0.9倍。
10. 如申請專利範圍第6項所述之交流發電機，其中該第一磁心部的硬度小於該第二磁心部。
11. 一種交流發電機磁心製造方法，包含：提供一磁心，該磁心係由一碳鋼所製成；以及從該磁心之表面進行滲碳處理，使得該磁心內部的一定深度的位置上，其含碳量達到一預定值，藉以在該磁心表面到含碳量達到該預定值的位置間，形成一第一磁心部，且該第一磁心部之含碳量從其表面向內部逐漸遞減達到該預定值，及在該磁心內部到含碳量達到該預定值的位置間，形成一第二磁心部。
12. 如申請專利範圍第11項所述之磁心製造方法，其中該第一 磁心部之表面的含碳量介於0.5%~1%之間。
13. 如申請專利範圍第12項所述之磁心製造方法，其中該預定值的含碳量介於0.3~0.4%之間。
14. 如申請專利範圍第13項所述之磁心製造方法，其中該第二磁心部之含碳量為該預定值的1.1~0.9倍。
15. 如申請專利範圍第14項所述之磁心製造方法，其中該第一磁心部更包括施加一硬化熱處理的步驟。