专利名称：用于车辆的发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于诸如一客车或一卡车的车用发电机。
为了减小车辆行驶状况下的空气阻力，车体趋于加工成倾斜尖形。向乘员部提供足够的乘坐空间是最迫切的需求。为了满足这些需求，车辆的发动机腔目前已变得又窄又拥挤，因此只有有限的空间用于安装发电机。另外，发电机周围区域的温度升高。同时，为了提高燃油经济性，怠速期间的发动机的转速趋于减小。随着发动机转速的减小，发电机的转速也减小。另一方面，安全控制装置或其它装置的电负荷需要增大。这样一来，发电机的电力生成能力需要大大地增加。即，需要为车辆提供一个结构紧凑的高电力发电机。同时，希望用于车辆的发电机是廉价的。
如图2所示，在一个用于车辆的普通发电机(一个已有发电机)中，一个转子包括一个Lundel型铁芯(下面称为柱铁芯)，该柱铁芯具有一个圆柱部分，一个拨叉部分以及一个爪形磁极部分。普通发电机的全长由转子的沿轴向方向的长度(下面称为轴向长度)确定。相应地，为了设计结构紧凑的发电机，希望转子的轴向长度减小。
在如图2所示的普通发电机的转子中，磁通量φ由圆柱部分流向拨叉部分和爪形磁极部分，然后逐渐由爪形磁极部分流向定子铁芯。转子产生的磁通量φ的大小由下面给出φ=AT/G其中“A”流过磁场线圈的电流；“T”表示磁场线圈的圈数；“G”表示相应部分的磁阻的总和。“AT”代表电流“A”和与磁场线圈的横截面的面积的平方根成正比的的圈数“T”的乘积。乘积“AT”也称为线圈“AT”。每个磁阻和磁路的长度成正比，与磁路的横截面面积成反比。
在图2所示的已有结构中，柱铁芯不同部分的磁路横截面的面积S1,S2和S3被设置成彼此基本相同，以防止发生局部磁饱和。选择柱铁芯各部分的尺寸，以便为磁场线圈提供适当的空间。定子铁芯的一个磁路的横截面的面积被设置成基本上和转子产生的磁通量相同。根据每一组缠绕的磁阻，定子铁芯每个凹槽的横截面的面积被确定。因此，定子的轴向长度也被确定。
在如此设计的已有的磁路中，柱铁芯的圆柱部分的轴向长度L2基本上或近似等于图2所示定子铁芯的轴向长度L1。
在图2所示的已有结构中，当需要增大发电机的电力输出时，转子产生的磁通量增大。为了实现增大的磁通量的产生，需要增大线圈“AT”(即，加大磁场线圈)的值或减小磁阻。
在图2所示的已有结构中，在不改变转子尺寸的情况下，如果产生的磁通量增加，则转子相应部分的横截面的面积需减小，以便允许磁场线圈的横截面的面积的增大，从而增强线圈“AT”。如果需要较大的磁路横截面的面积，以便减小磁阻，则磁阻线圈的横截面的面积必须减小。这样一来，图2所示的已有结构需要在两种需求之间考虑折中选择。
图3示出了另外一种已有结构，其中转子的尺寸等于图2所示已有结构中的转子的尺寸，而且定子铁芯的轴向长度L1被设置成比柱铁芯的圆柱部分的轴向长度L2长，以便减小定子铁芯的磁阻以及定子和转子之间的空隙。如果定子侧的磁阻被减小以增大磁通量，则由于磁通量的总量被转子相应部分的磁饱和限制，因此磁通量的增大量只能很小。在这种情况中，尽管定子重量的增加可看作是一个补偿因素，但是提高每单位重量的发电机的动力输出很困难。
图4还示出了另一种已有结构，其中爪形磁极部分基部的横截面的面积S3被设置成小于圆柱部分的横截面的面积S1和拨叉部分的横截面的面积S2，以便得到较大的磁场线圈的横截面的面积。在图4所示的已有结构中，爪形磁极部分的基部趋于磁饱和。因此，尽管圆柱部分和拨叉部分具有足够的磁容量，但是爪形磁极部分的基部的磁阻趋向于突然增大，从而使得磁通量的总量明显受到限制。
在图4所示的已有结构中，磁通量被爪形磁极部分阻断，因此磁通量沿轴向泄漏。磁通量的泄漏导致到达定子铁芯的磁通量的减少。定子铁芯中减少的磁通量降低了发电机的电力输出。
在已知的占有较窄空间的磁场线圈中，线圈的磁阻减小，提供适当的线圈“AT”，则磁场电流增大。在这种情况中，磁场线圈产生的热量增加，因此造成对其冷却的难题。同时，产生激磁损失增加和电力产生效能降低的难题。
日本公开的未审查专利申请61-85045公开了一种磁铁被插入爪形磁极部分之间的区域，以防止磁通量的泄漏，从而增加转子中的磁通量的总量。在这种情况中，由于磁铁而造成费用问题。此外，需要提供一个夹持磁铁的装置。夹持装置增加了费用。另外，由于离心力，磁铁有机会离开正常位置。因此，很难实际应用日本申请61-85045中所述的已有结构。
本发明已发现下列事实。上述问题是由涉及方针引起的，在该涉及方针中，流过一个柱铁芯的一个磁路的磁通量被认为总是相同的，而且磁路不同部分的横截面的面积也被假设相同。
在图2和图4所示的已有结构中，轴向长度L1和L2彼此相等，而且磁通量趋于一致流动。这样一来，图2和图4所示的已有结构需要根据相等的磁路横截面面积的情况来设计。相应地，转子横截面的面积需要大致相等。在图2和图4所示的已有结构中，由于磁路的横截面的面积增大，因此磁场线圈的横截面的面积需要被减小。这样一来，磁场线圈的能力减小。
在图3所示的已有结构中，轴向长度L1大于轴向长度L2，并且拨叉部分和定子铁芯相对。因此，在这种情况中，磁通量直接由拨叉部分流向定子。相应地，爪形磁极部分的磁通量的总量减小，因此，较窄的爪形磁极部分的横截面的面积就可能足够了。
本发明建立了图5所示的一个新结构，并且已发现了图5所示新结构所具有的优点。在图5所示的新结构中，圆柱部分和拨叉部分的横截面的面积S1和S2被设置得大，同时爪形磁极部分的基部的横截面的面积S3设置得小。在这种情况下，对应于较大的横截面的面积S1和S2的一部分增大的磁通量能够直接由拨叉部分流向定子，其余磁通量在流向定子前能够流经爪形磁极部分。因此，磁路的横截面的面积能够增加，而且磁通量的总量能够增大，同时磁场线圈所期望的横截面的面积能够保持不变。
在图5所示的新结构中，拨叉部分和定子铁芯相对。这种设计意味着由拨叉部分泄漏至外部的磁通量的总量最小。这样一来，可以增加转子产生的磁通量的使用效率。
图6示出了图2和4所示的已有结构的等效磁电路。图7示出了图5所示新结构的等效磁电路。按照图7，磁阻器r6和r7加在图6所示的等效磁电路的一个平行的基准上。对应于从拨叉部分至外部的磁泄漏的一个磁阻器r0被磁阻器r7代替。因此，考虑图7所示的等效磁电路，泄漏至外部的磁通量φ0’基本上不存在。
在图6所示的等效磁电路中，当爪形磁极部分保持非磁饱和时，磁通量φ0均匀流动。在图7所示的等效磁电路中，磁通量φ0分成在爪形磁极部分流动的磁通量φ1和直接流入定子铁芯的磁通量φ2。爪形磁极部分流动的磁通量φ1小于下列关系式所代表的磁通量φ0。
φ1={(r6+r7)φ0}/(r3+r4+r6+r7)相应地，在爪形磁极部分的磁路的横截面面积以这一关系减小的情况下，磁饱和不变情况不存在，而且所有磁通量φ0的总量不减小。
在图6所示的等效磁路中，当磁饱和发生，从而使得磁阻器r3的磁阻变大时，磁通量经过磁阻器r0由拨叉部分泄漏至外部。另一方面，在图7所示的等效磁电路中，即使当磁饱和发生，结果使得磁阻器r3的磁阻变大时，磁通量经过磁阻器r7流至定子铁芯。因此，按照图7所示的等效磁电路，可以缩小爪形磁极部分。
爪形磁极部分横截面面积的减小增加了柱铁芯中的可用空间。当可用增加的空间恰当地分配给磁路以增大其横截面面积且磁场线圈区域增大时，发电机的动力输出较已有结构可得到的动力输出有明显地改进。
在图7所示的等效磁电路中，加在一个平行基准上的磁阻器r6和r7的磁阻取决于定子铁芯的轴向长度L1和圆柱部分的轴向长度L2之间的差值。当差值增大时，爪形磁极部分的横截面面积能够减小，从而使得发电机电力输出进一步改进。另一方面，定子总量随定子轴向长度L1成正比增加。因此，在特定情况下的每单位重量的发电机电力输出最大。
本发明已经按照上述的设想实施。本发明采用了使定子铁芯的轴向长度L1大于圆柱部分的轴向长度L2的设计。同时，本发明使用了各部分尺寸适当确定的设计。这些设计方法提供了一协同效应，而本发明采用了这一协同效应，在不减少线圈磁阻或不使用磁铁的情况下，目的地于为车辆提供一个结构紧凑的大电力发电机的，其具有好的冷却性能、良好的效率及低费用。
按照权利要求1的本发明，用于车辆的发电机包括一个磁场转子和定子。磁场转子包括一个Lundel型铁芯和一个位于Lundel型铁芯上的磁场线圈。Lundel型铁芯具有一个圆柱部分，一个拨叉部分以及一个爪形磁极部分。磁场线圈位于圆柱部分上。拨叉部分由圆柱部分径向向外延伸。爪形磁极部分和拨叉部分相连。爪形磁极部分环绕磁场线圈而形成。定子位于转子的爪形磁极部分的径向外侧。定子和转子的爪形磁极部分相对。定子包括一个多层铁芯和一个位于多层铁芯上的电枢线圈。定子的多层铁芯的轴向长度L1和Lundel型铁芯的圆柱部分的轴向长度L2的比值L1/L2在1.25-1.75的范围内。Lundel型铁芯的圆柱部分的外径R2和Lundel型铁芯爪形磁极部分的外径R1的比值R2/R1在0.54-0.60的范围内。
在权利要求1所述的本发明中，定子的多层铁芯的轴向长度L1和Lundel型铁芯的圆柱部分的轴向长度L2的比值L1/L2在1.25-1.75的范围内。因此，如图3所示，柱铁芯的拨叉部分能够和定子铁芯相对，而且磁通量能够直接从拨叉部分流入定子铁芯。这样一来，来自爪形磁极部分的磁通量能够减小，并且爪形磁极部分的横截面面积能够成正比的减小。相应地，柱铁芯中的可用空间具有剩余，因此Lundel型铁芯的圆柱部分的外径R2和Lundel型铁芯爪形磁极部分的外径R1的比值R2/R1能够被恰当地设计，当适当提供一线圈横截面面积时，使得磁路横截面面积大于已有结构中的磁路横截面面积。更具体地说，比值“R2/R1”设置在0.54-0.60的范围内。这样一来，在不增大磁场电流的情况下提供一个结构紧凑，高效能以及大电力的发电机成为可能。
在权利要求2所述的本发明中，爪形磁极部分基部的径向厚度X1和拨叉部分的径向厚度X2的比值“X1/X2”在0.5-0.9的范围内。由于比值“X1/X2”设定在预先指示的范围内，因此爪形磁极部分的磁通量密度可以设置在一个适当的范围内，而没有任何超出和不足。相应地，可以防止爪形磁极部分基部的径向厚度X1过大而减小线圈的横截面面积。同时，也可以防止爪形磁极部分基部的径向厚度X1过小而降低发电机的电力输出。
在权利要求3所述的本发明中，磁场线圈的轴向横截面相对于轴向中心基本上对称，并且具有一个山形，从而使得一部分磁场线圈的外径大于紧邻中心位置的一部分磁场线圈的外径。因此，线圈占用率得以改进，并且发电机的电力输出能够进一步增大。
在权利要求4所述的本发明中，一树脂浸渍层环绕磁场线圈，而且磁场线圈通过该树脂浸渍层和爪形磁极部分的内圆周面相结合。由于磁场线圈和爪形磁极部分的内圆周面相结合，可以防止由爪形磁极部分的共振磁场力产生的噪音。爪形磁极部分的厚度及刚度小于已有结构。因此，它提供了一个很大的好处。在权利要求4所述的本发明中，磁场线圈被树脂浸渍层环绕。因此，爪形磁极部分和磁场线圈之间能够具有充分的电绝缘，并且柱铁芯的空间能够最大限度的使用，发电机的电力输出能够进一步得到提高。由于树脂浸渍层的使用，磁场线圈可在不使用任何粘合剂的情况下被固定。
按照权利要求5所述的本发明，车用发电机包括磁场电流调节装置。磁场电流调节装置具有一个于磁场线圈的高电压侧相连的晶体管。这样一来，当车辆保持不工作时，磁场线圈不承受电压。相应地，磁场线圈和柱铁芯之间，特别是磁场线圈和爪形磁极部分之间的电蚀可以被防止。因此，磁场线圈和柱铁芯之间的最小空隙足够，而且占用率能够增加。所以，发电机的电力输出能够进一步得以提高。
在权利要求6所述的本发明中，多层铁芯具有凹槽，电枢线圈具有许多电导体。至少具有一对相对于凹槽的纵深方向彼此电绝缘的电导体，并且其被分割成放置在凹槽纵深区域的外层和放置在凹槽开口侧的内层。在不同凹槽的内层及外层的电导体串联连接。
在权利要求6所述的本发明中，电枢线圈的线圈末端对齐，并被防止彼此在径向重叠。相应地，电枢线圈的线圈末端能够缩小，定子的轴向总长能够缩短。这样一来，定子铁芯的轴向长度L1能够大动此发电机的参数能够被设置在预先提到的最优范围之内，而不会受到发电机壳体的限制。所以，提供一个结构紧凑的发电机结构及高发电机电力输出成为可能。与此同时，线圈长度能够缩短，在不增大电枢线圈的磁阻的情况下，定子铁芯的轴向长度L1能够增大。这样一来，可以避免铜损的增加，并因此可得到高效能和高冷却性能的发电机。
图1是按照本发明的一个实施例的车用发电机的主要部分的剖面图。
图2是在已有结构中的定子和转子间流动的磁通量的示意图，其中柱铁芯各相应部分的磁通路的横截面的面积设置成基本上或几乎相等。
图3是在已有结构中的定子和转子间流动的磁通量的示意图，其中定子铁芯的轴向长度设置成大于柱铁芯圆柱部分的轴向长度。
图4是在已有结构中的定子和转子间流动的磁通量的示意图，其中柱铁芯爪形磁极部分的基部的横截面面积设置成比其圆柱部分和拨叉部分的横截面面积窄，线圈的横截面面积设置的很大。
图5是在本发明一个结构中的定子和转子间流动的磁通量的示意图，其中其中柱铁芯爪形磁极部分的基部的横截面面积设置成比其圆柱部分和拨叉部分的横截面面积窄，定子铁芯的轴向长度大于柱铁芯圆柱部分的轴向长度。
图6是已有结构的等效磁路的示意图。
图7是按照本发明的一个结构的等效磁路的示意图。
图8是按照本发明实施例的包括在车用发电机中的转子的柱铁芯的剖面图。
图9是从转子的圆柱部分方向看的平面视图，该转子包括在按照本发明的实施例的车用发电机中。
图10是每单位重量的发电机的电力输出，比值“L1/L2”及比值“R2/R1”之间关系的示意图。
图11是每单位重量的发电机的电力输出和比值“R2/R1”之间关系的示意图。
图12是每单位重量的发电机的电力输出和比值“L1/L2”之间关系的示意图。
图13是每单位重量的发电机的电力输出，比值“L1/L2”及比值“X1/X2”之间关系的示意图。
图14是每单位重量的发电机的电力输出和比值“X1/X2”之间关系的示意图。
图15是每单位重量的发电机的电力输出和比值“L1/L2”之间关系的示意图。
图16是在本发明实施例中的U型电枢线圈部分的透视图。
图17是在本发明实施例中的定子上的电枢线圈末端的透视图。
参见图1，按照本发明的一个实施例的一个车用发电机1包括一个定子2，一个转子3，一个壳体4，一个整流器5，以上一个电压调节装置11。定子2用作一个电枢。转子3用于产生磁场。壳体4支撑定子2及转子3。整流器5直接于定子2相连。整流器5将交流电转换为直流电。电压调节装置11调节磁场电流以控制产生的电力。这样一来，电压调节装置11用作一个磁场电流调节装置。电压调节装置11中的一个晶体管和一个磁场线圈的高电压侧(热侧)相连，从而当发电机1不工作时，磁场线圈可以不承受电压。
转子3和一轴6一同转动。转子3包括一套Lundel型柱铁芯7，冷却风扇12，一个磁场线圈8，以及滑环9和10。轴6和一个皮带轮20相连，并且由一个向车辆提供动力的发动机(未示出)驱动并旋转。
如图1,8和9所示，转子3的每个柱铁芯7包括一个圆柱部分71，一个拨叉部分72以及一个爪形磁极部分73。磁场线圈8呈山形，以使得由轴向看的磁场线圈8的中心部分的外径大，随着接近其末端，磁场线圈8的外径减小。磁场线圈8的外形对应于爪形磁极部分73的形状。磁场线圈8通过绝缘纸81在一个适当的压力下和爪形磁极部分73的内表面相连。绝缘纸81使用一树脂浸渍层，并且环绕磁场线圈8。由于热辐照，绝缘纸81牢固地附在磁场线圈8上。例如，一带状层旋转地缠绕在磁场线圈8上，以实现包围。磁场线圈8可夹在形成包围的夹心层之间。
定子2具有一个铁芯32，一个电枢线圈33以及一个绝缘体34。电枢线圈33位于铁芯32上。绝缘体34提供铁芯32和电枢线圈33之间的电绝缘。如前所述，定子2由壳体4支撑。铁芯32具有一层层薄钢板。因此，铁芯32为多层形。
柱铁芯7对应于Lundel型铁芯，定子2的铁芯32对应于多层铁芯。
下面参考图8和9，将对磁路进行详细的描述。柱铁芯7圆柱部分71的轴向长度L2设置成小于定子铁芯32的轴向长度L1。轴向长度L1和轴向长度L2的比值“L1/L2”在1.25-1.75的范围内。拨叉部分72的轴向厚度由X2表示。每个拨叉部分72的横截面面积设置成基本或近似等于(±10％范围内)被磁极对数(在本实施例中为6对)相除的每个圆柱部分71的横截面面积。爪形磁极部分73基部的径向厚度由X1表示。值X1和值X2的比值“X1/X2”在0.5-0.9的范围内。圆柱部分71的外径由R2表示。爪形磁极部分73的外径由R1表示。外径R2和外径R1的比值“R2/R1”在0.54-0.60的范围内。
一参考横截面面积S1如下S1={4π/(4P)}(R22-R32)其中“P”表示柱铁芯7中的磁极对数，“R3”表示轴6的直径(其等于爪形磁极部分73外径的18％)。
爪形磁极部分73的宽度W如下W=πR1/(2P)拨叉部分72的横截面面积S2如下
S2≈S1=W·X2柱铁芯7的轴向长度L0设置成等于外径R1的55％。
磁场线圈8的线圈直径和其它参数被选择以满足下列情况。由圆柱部分71，拨叉部分72以及爪形磁极部分73所确定的可用空间的68％被磁场线圈8占有。磁场线圈8的磁阻为2.3Ω。
定子2的外径R4等于柱铁芯7的爪形磁极部分73外径R1的129％。选择定子铁芯32的尺寸，以使得其横截面面积相对于参考横截面面积S1具有66％的比值。比值66％的使用是考虑磁通量的泄漏而得到的。选择电枢线圈33的线圈直径，以相对于由前述尺寸确定的凹槽区域具有44％的占有率。
发电机1的空隙δ(定子2和转子3之间的空隙)等于通常所使用的值，即0.35mm。爪形磁极部分73的外径φ等于92mm。爪形磁极部分73的末端厚度及其它尺寸的选择成对应于一个和已有结构的比值相同的值。
电枢线圈33由U形电导体231形成，每个电导体231具有两个直部232，以及一个如图16所示和直部232的端部相连的弯曲部233。参见图17，U形电导体231以如下方式插入定子铁芯32的凹槽内，U形电导体231的一个直部231放置在凹槽的内径向区域内(即，在径向的凹槽开口侧)，以形成内层，同时其它直部231放置在凹槽的外径向区域内(即，凹槽的纵深区域)，以形成外层。此外，与U形电导体231的直部232的端部相连的弯曲部233形成了伸出凹槽外的线圈端部。在定子铁芯32上的电枢线圈33形成的过程中，U形电导体231制成一叠，通过一侧的凹槽端部而插入凹槽，从而使得线圈端部对齐。由另一侧凹槽端部伸出的U形电导体231的内层及外层的直部232向定子铁芯32的圆周方向弯曲。然后，伸出凹槽的一个直部232和另一个通过一个柱和前面的直部232分开的直部232相连，并且其处于一个不同于前面直部232的层内。在不同凹槽内层和外层内的电导体231串联，以构成电枢线圈33。
下面将对本发明实施例所具有的优点进行详细的描述。如前所述，定子铁芯32的轴向长度L1和柱铁芯7圆柱部分71的轴向长度L2的比值“L1/L2”在1.25-1.75的范围内。因此，柱铁芯7的拨叉部分72可制成和定子铁芯32相对，磁通量可直接由拨叉部分72流入定子铁芯32。这样一来，来自爪形磁极部分73的磁通量可以减小，而且爪形磁极部分73的横截面面积可以成正比减小。相应地，柱铁芯7的可用空间过剩，因此圆柱部分71的外径R2和爪形磁极部分73的外径R1的比值可以被恰当地设置，使得磁通路的横截面面积大于已有结构的横截面面积，同时可以提供合适的线圈横截面面积。比值“R2/R1”设置在0.54-0.60的最佳范围内。这样一来，发电机的电力输出能够较已有结构的电力输出得以增加。
如前所述，爪形磁极部分73基部的径向厚度X1和拨叉部分72的径向厚度X2的比值“X1/X2”在0.5-0.9的范围内。这样一来，爪形磁极部分73的磁通密度可以设定在一个适当的值，而不存在任何筛渣和缺陷。相应地，可以防止爪形磁极部分73过厚而破坏线圈横截面区域。同时也可防止爪形磁极部分73过薄而减少发电机的电力输出。
本发明实施例的优点通过实验而得以证明。图10示出了实验结果，当比值“L1/L2”和比值“R2/R1”作为参数变化时，测量每单位重量的发电机电力输出。如前所述，比值“L1/L2”等于定子铁芯32的轴向长度L1和柱铁芯7圆柱部分71的轴向长度L2的比值。比值“R2/R1”等于圆柱部分71的外径R2和爪形磁极部分73的外径R1的比值。
在图10中，纵坐标表示比值“L1/L2”，即定子铁芯32的轴向长度L1和柱铁芯7的圆柱部分71的轴向长度L2的比值，横坐标表示比值“R2/R1”，即圆柱部分71的外径R2和爪形磁极部分73的外径R1的比值。在图10中，横值线表示每单位重量的发电机电力输出。在实验期间，当发电机转速为2000rpm，电压为13.5V以及当前的热饱和状况下工作时，发电机电力输出的最大值被测得。图10中的每单位重量的发电机电力输出为最大电力输出除以定子和转子的重量和。
图11示出了图10最大点附近区域的情况。更具体地说，图11示出了在比值“L1/L2”为1.50，比值“R2/R1”可变情况下可得到的每单位重量的发电机电力输出值。
图12示出了图10最大点附近区域的情况。更具体地说，图11示出了在比值“R2/R1”为0.56，比值“L1/L2”可变情况下可得到的每单位重量的发电机电力输出。
在图10中，已有结构的这一区域邻近比值“L1/L2”等于“1”的直线延伸。如图10所示，每单位重量的发电机电力输出在从已有结构区域处开始的比值“L1/L2”和比值“R2/R1”都增加的一个区域内增加。更具体地说，当比值“L1/L2”大约等于1.5，比值“R2/R1”大约等于0.56时，每单位重量的发电机电力输出最大。相对于已有结构区域，比值“R2/R1”的最佳范围随着比值“L1/L2”的变化而变化。在磁通路的横截面面积大于已有结构的磁通路横截面面积，或者圆柱部分71的外径R2相对的大时，最佳点可存在，而且最大发电机电力输出进一步增大。另一方面，当比值“L1/L2”超出一定值时，定子2的重量过分增大。当比值“L1/L2”在1.25-1.75范围内，比值“R2/R1”在0.54-0.60范围内时，发现每单位重量的发电机电力输出较已有结构的此值得以增大。
在图10中很显然，只有比值“L1/L2”变化或只有比值“R2/R1”变化几乎没有效果，而且这种变化区域减小发电机的电力输出。在本发明的实施例中，当比值“L1/L2”和比值“R2/R1”被适当地调整时，可得到导致良好的发电机输出特性的协同效应，这种效应在已有结构中是不存在的。
图13示出了每单位重量的发电机电力输出的测定值，其中比值“L1/L2”作为一个参数，爪形磁极部分73的外径R1等于92mm，圆柱部分71的外径R2参考图10被设置为最佳值，爪形磁极部分73基部的径向厚度X1可变。在图13中，纵坐标表示比值“L1/L2”，即定子铁芯32的轴向长度L1和柱铁芯7圆柱部分71的轴向长度L2的比值，横坐标表示比值“X1/X2”，即爪形磁极部分73基部的径向厚度X1和拨叉部分72的径向厚度X2的比值。在图13中，横值线表示每单位重量的发电机电力输出。
图14示出了图13最大点附近区域的情况。更具体地说，图14示出了在比值“L1/L2”为1.5，比值“X1/X2”可变情况下可得到的每单位重量的发电机电力输出。
图15示出了图13最大点附近区域的情况。更具体地说，图15示出了在比值“X1/X2”为0.65，比值“L1/L2”可变情况下可得到的每单位重量的发电机电力输出。
由图13可看出，比值“X1/X2”最佳范围随着比值“L1/L2”的变化而变化。在爪形磁极部分73基部的横截面面积或爪形磁极部分73基部的径向厚度X1小于已有结构的此值时，最佳点可存在，而且最大发电机电力输出进一步增大。另一方面，当比值“L1/L2”超出一定值时，定子2的重量过分增大。当比值“L1/L2”在1.25-1.75范围内，比值“X1/X2”在0.5-0.85范围内时，发现每单位重量的发电机电力输出较已有结构的此值得以增大。在这些设置下，爪形磁极部分73的磁通密度可以设定在一个适当的值，而不存在任何超出和不足。相应地，可以防止爪形磁极部分73过厚而破坏线圈横截面区域。同时也可防止爪形磁极部分73过薄而减少发电机的电力输出。
在图13中很显然，只有比值“L1/L2”变化或只有比值“X1/X2”变化几乎没有效果，而且这种变化区域减小发电机的电力输出。在本发明的实施例中，当比值“L1/L2”和比值“X1/X2”被适当地调整时，可得到导致良好的发电机输出特性的协同效应，这种效应在已有结构中是不存在的。
在本发明的实施例中，如前面所解释的，参数被设置在最佳范围内。因此可能提供适当的在已有结构中的不足的线圈横截面面积，而不用加大转子3。此外，可能获得一个紧凑的发电机结构和一个高电力输出。由于磁场线圈8产生的热和已有结构产生的热差不多，因此可以防止磁场线圈8过热问题的发生。
定子2的线圈端用作冷却片。在本发明的实施例中，由于经过定子2的线圈端和冷却风扇12相对的区域相对的宽，因此电枢线圈33可以被有效地冷却。
在本发明的实施例中，由于磁场线圈8具有一个山形，因此磁场线圈8占有的区域增大，从而可得到较大的发电机电力输出。由于磁场线圈在适当的压力下和爪形磁极部分73的内圆周面相连，因此可防止由爪形磁极部分73的磁力共振而产生的噪声。这样一来，爪形磁极部分73基部的厚度可以很小，而不必考虑其刚度，并且可得到最大的发电机电力输出，而不受噪声的限制。
在本发明的实施例中，磁场线圈8被使用树脂浸渍层的绝缘纸81环绕。这样一来，爪形磁极部分73和磁场线圈之间具有足够的电绝缘，柱铁芯7的空间能够最大限度的利用，并且发电机的电力输出能够进一步增大。不必使用粘合剂来固定磁场线圈8。这对于简化的发电机结构是有利的。
在本发明的实施例中，电压调节装置11中的晶体管与磁场线圈8的高电压侧相连。这样一来，当车辆不工作时，磁场线圈8不承受电压。因此磁场线圈8和柱铁芯7之间的电蚀可以防止。具有山形的磁场线圈8不会破坏周围的特性，而且相应的占有量增大。
如图17所示，电枢线圈33通过U形电导体231有规则的排列而形成。形成线圈端的电导体231以有规则的间隔在定子铁芯32的圆周方向上排列，从而使得电枢线圈33具有一个图案。
在已有结构中，在定子上的一个具有不同相位的电枢线圈的线圈端彼此在径向方向上部分叠加，并且线圈端的径向厚度必须很小，以在发电机壳体内放置具有电枢线圈的定子。相应地，在已有结构中，线圈端的轴向高度通常设置得大，线圈端因此被制成一个平板形，而且其径向厚度设置得小。这样一来，在已有结构中，线圈端的高度必须等于或大于一给定值。其结果是，在已有结构中，随着定子铁芯轴向长度的增大，定子的轴向长度增大，在不改变轴向空间的情况下，很难在发电机壳体内放置定子。
另一方面，在本发明的实施例中，如图17所示，线圈端在轴向的厚度相同，而且线圈端的高度可以小于已有结构中的线圈端的高度。相应地，定子铁芯32的轴向长度L1能够大于已有结构中的此值，同时发电机1的壳体4保持不变。因此，发电机1的参数能够设置在前面所提到的最佳范围内，而不受发电机1壳体4的限制。其结果是，可能提供一个紧凑的发电机结构和一个高的发电机电力输出。与此同时，线圈长度可以缩短，定子铁芯的轴向长度L1能够在不增大电枢线圈的磁阻的情况下增大。因而可以避免铜损的增加，并因此可得到发电机1的高效能和高冷却性能。
在本发明的实施例中，定子铁芯32的轴向长度L1和柱铁芯7圆柱部分71的轴向长度L2的比值“L1/L2”在1.25-1.75的范围内。此外，圆柱部分71的外径R2和爪形磁极部分73的外径R1的比值“R2/R1”设置在0.54-0.60的最佳范围内。而且爪形磁极部分73基部的厚度X1和拨叉部分72的厚度X2的比值“X1/X2”在0.5-0.9范围内。如图10和13所示，为了提供稳定的并且高的每单位重量的发电机的电力输出，比值“L1/L2”最好设置在1.45-1.55的范围内，比值“R2/R1”最后设置在0.54-0.58的范围内，比值“X1/X2”最后设置在0.6-0.87的范围内。
在本发明的实施例中，磁场线圈8具有2.3Ω的磁阻。即使磁场线圈8的磁阻不是2.3Ω，原理也是一样的，而且也可得到相同的结果，只是线圈“AT”变化(即，只是磁场线圈8的尺寸发生变化)。
一个磁场线圈的磁阻的通常范围受车用空冷发电机的冷却效能的限制。设计在12V电压下工作的发电机的线圈磁阻的通常范围在1.2Ω-3.6Ω之间。设计在24V电压下工作的发电机的线圈磁阻的通常范围在4.8Ω-14.4Ω之间。
当磁场线圈8的磁阻在上述的通常范围内时，本发明实施例的参数设置范围是有效的。
在本发明的实施例中，爪形磁极部分73的外径R1等于92mm。即使当爪形磁极部分73的尺寸发生变化，也可得到同样好的结果。当爪形磁极部分73的外径R1设置在70mm-110mm范围内时，本发明实施例的参数设置范围是有效的。
在本发明的实施例中，转子3的柱铁芯的个数是12。即使当转子3的柱铁芯的个数等于其它值，例如14或16，也可得到同样好的结果。
权利要求
1．一种车用发电机，包括一个磁场转子，包括一个Lundel型铁芯和一个位于Lundel型铁芯上的磁场线圈，该Lundel型铁芯具有一个圆柱部分，一个拨叉部分，以及一个爪形磁极部分，该磁场线圈位于该圆柱部分上，该拨叉部分由该圆柱部分径向向外延伸，该爪形磁极部分和该拨叉部分相连，以便形成环绕该磁场线圈；以及一个定子，该定子放置在该爪形磁极部分的径向外部，并且和该爪形磁极部分相对，该定子包括一个多层铁芯以及一个位于多层铁芯上的电枢线圈；其中，该定子的多层铁芯的轴向长度L1和该Lundel型铁芯的该圆柱部分的轴向长度L2的比值在1.25-1.75的范围内，该Lundel型铁芯的该圆柱部分的外径R2和该Lundel型铁芯的该爪形磁极部分的外径R1的比值在0.54-0.60的范围内。
2.一种如权利要求1所述的发电机，其特征在于该爪形磁极部分基部的径向厚度X1和该拨叉部分的轴向厚度X2的比值在0.5-0.9的范围内。
3．一种如权利要求1或2中任一所述的发电机，其特征在于磁场线圈的轴向横截面相对于一轴向中心大体上对称，并且具有一个山形，从而使得一部分磁场线圈的外径大于邻近轴向中心处的磁场线圈部的外径。
4．一种如权利要求3所述的发电机，还包括一个环绕该磁场线圈的树脂浸渍层，该磁场线圈通过该树脂浸渍层与该爪形磁极部分的一个内圆周面相接合。
5．一种如权利要求1-4中任一所述的发电机，还包括一个磁场电流调节装置，该装置包括一个与该磁场线圈的高电压侧相连的晶体管。
6．一种如权利要求1-5中任一所述的发电机，其特征在于该多层铁芯具有凹槽，该电枢线圈具有许多电导体，其中至少具有一对相对于凹槽的纵深方向彼此电绝缘的电导体，并且其被分割成放置在该凹槽纵深区域的外层和放置在该凹槽开口侧的内层，在不同凹槽的外层及内层的电导体串联连接。
全文摘要
一种结构紧凑的大电力车用发电机,包括定子和转子,可在不减小线圈磁阻或不用磁铁情况下有良好冷却性能、效率及低成本。转子包括Lundel型铁芯和其上的磁场线圈。该铁芯有圆柱(71)、拨叉(72)和爪形磁极部分(73)。磁场线圈位于圆柱部分上。拨叉部分由圆柱部分径向向外延伸。爪形磁极部分和拨叉部分相连,并环绕磁场线圈。定子包括多层铁芯(32),其轴向长度L1和圆柱部分轴向长度L2的比值在1.25—1.75。圆柱部分外径R2和爪形磁极部分外径R1的比值在0.54—0.60。
文档编号H02K9/04GK1208277SQ9810972
公开日1999年2月17日 申请日期1998年5月22日 优先权日1997年5月26日
发明者梅田敦司, 志贺孜, 草濑新 申请人:株式会社电装