紧凑的大功率交流发电机的制作方法

专利名称：紧凑的大功率交流发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在机械能和电能之间转换的机械的电压和电流控 制系统，例如无刷交流发电机，尤其涉及一种用于紧凑的大功率永磁 交流发电机的控制系统，例如适合于车用的紧凑的大功率永磁交流发 电机。
背景技术：
交流发电机一般包括转子，该转子安装在旋转轴上，并布置成与 静止的定子同心。转子通常布置在定子内。然而可替代地，定子可以 同心地布置在转子内。外部能源，如电动机或涡轮机，通常直接地或 者通过中间系统如传动带驱动旋转元件。定子和转子都具有一系列磁 极。转子或定子产生磁场，该磁场与另一结构的磁极上的绕组相互作 用。当磁场切割绕组时产生电场，该电场被提供给合适的负载。感应 的电场(其一般称为电压源)通常可应用于整流器，有时可被调节， 并作为直流输出电源。感应的电流一般可应用于整流器，有时可被调 节，并作为直流输出电源。在一些情况中，将调节的直流输出信号施 加给直流-交流逆变器，以提供交流输出。
传统上，机动车辆中采用的交流发电机通常包括安装在发动机 外部上的壳；布置在壳内的具有三相绕组的定子；在定子内可旋转地 支撑壳内的皮带驱动的爪极式(例如Lundell)转子。然而，为了增大功率输出，必须显著地增大传统交流发电机的尺寸。因此，车辆内
的空间限制容易使这种交流发电机难以在高输出(如5KW )应用中使 用，例如为了给空调设备、制冷设备或通讯设备提供电力。
此外，承载绕组的爪极式转子相对较重(通常占交流发电机全部 重量的多达四分之三)，并产生很大的惯性。实际上，每当发动机加速 时这种惯性都会给发动机造成负载。这容易降低发动机的效率，导致 额外的燃料消耗。此外，这种惯性在诸如电动车或混合动力车辆的应 用中存在问题。混合动力车辆利用汽油发动机来以高于预定阀值如 30Kph (通常相应于汽油发动机的效率最高的RPM范围)的速度推 进车辆。类似地，在所谓的"轻度混合动力车辆，，中，利用起动器-发电 机来在驾驶员压下油门踏板时提供推进力的初始爆发，从而当车辆在 交通中停止时便于关闭车辆发动机，以节省燃料并削减排放。这种轻 度混合动力系统通常是预期使用高电压(例如42伏特)的电力系统。 这种系统中的交流发电机必须能使电池再充电到足够的水平，以便驱 动起动器-发电机，从而在连续的停止之间特别是在停停走走的交通中 提供推进力的初始爆发。因而，需要相对大功率的低惯性的交流发电 机。
一般地，需要额外的电功率来给车辆中的控制和驱动系统、空调
和电器提供电力。对于用于娱乐的、工业运输应用如冷藏、建筑应用 以及军事应用的车辆来说特别是这样。
例如，机动车辆领域中的趋势是利用智能的电控制和驱动系统， 而不是利用机械的或液压控制和驱动系统，来减小车辆发动机上的动 力负载和增大燃料经济性。这种系统例如可以与转向伺服机构(其通 常仅在需要转向纠正时才起作用)、减震器(使用反馈来调节减震器对 道路和速度状况的刚度)以及空调(以保持恒定温度所需的最小速度 运行压缩机)相结合地使用。这种电控制和驱动系统的使用容易增大 对车辆的电力系统的要求。
类似地，期望的是移动式制冷系统通过电力驱动。例如，以可变 的速度(与车辆发动机的每分钟转数无关)驱动制冷系统可提高效率。此外，利用电驱动的系统，连接各个元件的软管可以用类似于家用冰 箱或空调器的电驱动密封系统来代替，所述各个元件例如是压缩机(在 发动机上)、冷凝器(布置成暴露在空气中)以及蒸发单元(布置在冷 藏室中)。因此，期望的是在这样的应用中的车辆电力系统应该能够为 电力驱动的单元提供必需的电力水平。
还特别需要一种"可移除和更换"的大功率交流发电机，以便改造 现有的车辆。通常，在车辆的发动机机舱内只有有限的空间来容纳交 流发电机。除非更换的交流发电机适合于在该可利用的空间内，否则， 如果可能的安装非常复杂，通常需要移除一些主要部件如散热器、保 险杠等等以及安装额外的支架、传动带和硬件。因此，期望的是更换
的交流发电机适合于在所提供的原始空间内，并与原始硬件接口 。
一般地，永/磁交流发电机是众所周知的。这种交流发电机一使用永 磁体来产生必需的磁场。永磁发电机倾向于比传统缠绕的场发电机轻
得多、小得多。在以下专利中描述了永磁交流发电机的实例1997年 4月29日授予给Scott等的美国专利5,625,276; 1998年1月6日授予 给Scott等的美国专利5，705，917; 1999年3月23日授予给Scott等的 美国专利5,886,504; 1999年7月27日授予给Scott等的美国专利 5，929，611;2000年3月7日授予给Scott等的美国专利6,034,511; 2002 年8月27日授予给Scott等的美国专利6,441,522。
特别地，通过采用"外部，，永磁转子和"内部，，定子可以实现轻的紧 凑的永磁发电机。转子包括中空的圆柱形壳，高能永磁体布置在该圆 柱形壳的内表面上。定子同心地布置在转子壳内，并且适当地包括软 磁铁芯和导电绕组。该铁芯一般为圆柱形，其具有在轴向上成锯齿形 的外周表面，即具有预定数量的等间隔的齿和槽。导电绕组(由合适 绝缘的导电体构成，如涂有清漆的电动机铜线)通过相应槽沿4失芯的 侧面向外围绕预定数量的齿缠绕，然后再通过另一个槽向回缠绕。这 里将绕组沿铁芯的侧面在成锯齿形的槽外侧延伸的部分称为端匝。转 子围绕定子的旋转从转子磁铁产生磁通量，以和定子绕组相互作用并 在其中感应产生电流。例如在上述的1998年1月6日授予给Scott等的美国专利5，705，917和1999年7月27日授予给Scott等的美国专利 5,929,611中描述了这种交流发电机的示例。
由永磁发电机供给的电力根据转子的速度显著地变化。在许多应 用中，例如由于汽车发动机速度的变化或者负载特性的改变，转子速 度的变化是普遍的。因此，通常采用电子控制系统。在上述的1997 年4月29日授予给Scott等的美国专利5，625，276中描述了永磁交流 发电机和用于其的控制系统的实例。在2000年1月25日授予给 Anderson等的美国专利6,018,200中描述了其他控制系统的实例。在 2004年6月6日提交的、名称为"用于永磁交流发电机的控制器" ("Controller for Permanent Magnet Alternator")的、Quazi等共同所 有的共同未决的美国专利申请No.l0/860，393中以及在2006年2月2 日提交的、名称为"用于交流发电机的控制器"("Controller for AC Generator")的、Faber man等(包括本发明人)共同所有的共同未 决的美国专利申请No. 11/347,777中描述了控制系统的其他实例。在此 将上述共同所有的申请引入作为参考，就如其在此被全文地描述一样。
适应宽范围的转子速度的需要在机动车辆应用中是特别迫切的。 例如，当发动机用于使卡车的速度减小时，通常大型卡车柴油发动机 会从怠速的600RPM运转到高速公路行驶速度的2600RPM，偶尔会 达到3000RPM。这样，交流发电机系统的RPM变化为5:1。轻负载 柴油机在稍;微更宽的范围上运转，例如从600到4000RPM。和汽油车 辆发动机一起使用的交流发电机通常必须适应更宽范围的RPM，例如 从600至6500RPM。此外，交流发电机必须适应负栽的变化，即零负 载到全负载。这样，和汽油车辆发动机一起使用的永磁交流发电机的 输出电压会经历12: l的变化。因此，如果需要传统的永磁交流发电 机在具有给定负栽的怠速时提供运转电压(例如12伏特)，则在具有 该负载的发动机满RPM时其将提供多倍的运转电压，例如上述运转 电压的10倍，如120伏特。在怠速电压为120伏特的场合，例如用于 电驱动空调或通讯设备，则在发动才几满RPM时的电压例如将是1200 伏特。这种电压水平很难处理，并且实际上是很危险的。此外，这种电压和电流的极端变化需要更加昂贵的元件；用于在高发动机RPM 时(例如高速公路行驶速度)下产生的高电压和电流的元件比用于较 为中等电压的元件昂贵得多。
传统的高电流机动车辆交流发电机的定子构造成具有有效串联连 接的具有大横截面积的多个导体。更加特别地，传统上是采用线圏组， 每个相位(A、 B和C相位)与一个组相应。各个相位线圏组(A、 B 和C)在一个端部以"Y"或"A (Delta)，，的方式连接起在一起(端接 的)。线圏组的相对端部按照相位布置，使得每个相位隔离，然后端接 以便集中并交流发电机引出到电压控制系统。在引出的端接端，相似 相位的线圏端部成组地焊接到绝缘的电机引线。然后可将这些电机引 线成组地焊接到更大规格的引线，以成为对于每个相位A、 B和C的 三个分离导体。然后通过将导体捆绑在定子的端匝上来将引线固定在 定子上。将导体捆绑在端匝上减小了铜暴露在流过交流发电机的冷却 流体中的量，从而实际上作为绝缘套并且妨碍了端匝和引线的冷却。 这种缠绕方法存在几个额外的问题。例如由于每个磁极相位线圏的 匝数少(在一些情况下仅有一匝)，因此很难或者不可能通过改变磁极 相位线圏的匝数来使设计输出电压发生微小的变化；大的导体横截面 积使定子难以缠绕；以及通常线圏之间的短路将烧坏整个定子，使交 流发电机停机，从而可能损坏驱动系统或使车辆发动机过载。
一般地，已知的是这样的永磁发电机，其包括有预定数量的各独 立组的绕组，它们通过槽围绕预定数量的齿缠绕，其中由每组绕组提 供的功率相对地不受其他组的状态的影响。例如，在1999年5月4 日授予给Scott等的美国专利5,900,722中描述了这种交流发电机和用 于其的控制器。在专利US5，900，722描述的交流发电机中，绕组的组 数等于磁极数量的整分数，控制器电路选择性地完成到达各独立组绕 组的电流通路，从而实现期望的输出。
然而，仍然需要一种紧凑的大功率交流发电机，其中通过改变磁 极相位线圏的匝数可以实现期望的输出电压，该磁极相位线圏相对容 易缠绕，并使短路的后果最小，同时有利于冷却。

发明内容
根据本发明的各个方面，定子绕组用预定数量的磁极相位线圏缠 绕，优选地等于磁极的数量。每个磁极相位线圏缠绕足够的臣数，以 产生所需的交流发电机的输出电压和等于1除以磁极数量的输出电流 分数。然后将这些单独的磁极相位线圏并联连接。
根据本发明的另一个方面，相应于每个输出相位的各个导电相位 环安装在交流发电机内，每个线圏对应于与导电相位环电连接的相应 相位，从而促进冷却和分组以及将输出相位传递给控制系统。
根据本发明的另一个方面，导电相位环由非导电的支撑结构保持 定位。
根据本发明的另 一个方面，导电相位环布置成通过暴露在冷却流 体如空气中来提供有效的冷却，所述冷却流体流过导电相位环和端匝。


下文将结合附图描述本发明，其中相同的标记表示相同的元件(除 非另外指明)。
图1是用于机械能和电能之间转换的系统的方框图。
图2A是根据本发明的各个方面的交流发电机的外部的侧视图。
图2B是沿图2A的交流发电机中的A-A的剖面图。
图2C是沿图2A的交流发电机中的B-B的简化剖面图，其示出
了导电相位环在交流发电机内的相对布置。
图2D是图2A的交流发电机中的端子的简化剖面图。
图2E是示出了导电相位环的可替换实施例的视图。
图2F是图2A的交流发电机的定子铁芯以及导电相位环的简化透
视图，其示出了导电相位环和各组绕组(省略了绕组端匝)之间的连接。
图2G是采用根据本发明相位环的交流发电机的布线方框图，该 交流发电机适于产生DC电压输出。 (图2A-2G共同地称为图2)。
图3A是根据本发明的各个方面的可替换实施例的交流发电机的
10外部的侧浮见图。
图3B是沿图3A的交流发电机中的C-C的剖面图。
图3C是图3A的交流发电机的定子铁芯以及分段导电相位环的简
化透视图，其示出了分段的导电相位环和各组绕组(省略了绕组端匪)
之间的连接。
图3D是根据本发明利用分段导电相位环的交流发电机的布线的 示意性方框图，该交流发电机适于产生DC电压输出。(图3A-3D共 同地称为图3)。
图4A是根据本发明的各个方面的可替换实施例的交流发电机的 外部的顶4见图。
图4B是沿图4A的交流发电机中的D-D的剖面图。
图4C是图3A的交流发电机的定子铁芯以及多段式导电相位环的 简化透视图，其示出了多段式导电相位环和各组绕组(省略了绕组端 匝)之间的连接。
图4D是根据本发明利用多段式导电相位环的交流发电机的布线 的示意性方框图，该交流发电机适于产生DC电压输出。(图4A-4D 共同地称为图4)。
图5是示意性的布线方框图，其示出了在本发明的每个实施例中 使用的定子的三相磁极组的三个单独绕组。
具体实施例方式
现在参考图1，根据本发明的各个方面的功率转换装置如交流发 电机102适当地与整流控制系统100和机械能源(例如驱动器)104 如发动机或涡轮机、负栽106如电动机以及如果需要的话在能量存储 装置108中如电池、电容器或飞轮相配合。
整流控制系统可以是适合于将来自交流发电机102的交流信号整 流也就是将其变换成直流信号和以预定的电平如28V调节该信号电压 的任何系统。在优选的实施例中，该系统100包括控制器110和切换 桥接器112，例如在2006年2月2日提交的、名称为"用于交流发电 才几的控制器，，("Controller for AC generator")的、Faber man等(包括本发明人)共同所有的美国专利申请No.11/347,777中所描述的部 件。如果期望，还可以提供逆变器(有时归类为包括一部分负载106)， 以便以不变的预定频率和振幅(例如60Hz， 120V)产生交流信号。
一般地，交流发电机102响应来自能源104的机械输入产生交流 功率。交流发电机102优选提供多相(例如三相、六相等等)交流输 出信号，例如相位A(118)、相位B(120)、和相位C(122)。通常 这些输出信号未被调节，其可以根据驱动器转速RPM (能源104)显 著地变化。
优选地通过输入保险丝128，将来自交流发电机102的AC相位 信号施加给系统100。系统IOO对来自交流发电才几102的交流信号进 行整流，即将其变换成直流信号，和以预定的电平例如28伏特调节该 信号的电压。在优选的实施例中，切换桥接器112响应来自控制器110 的控制信号选择性地在来自交流发电机102的交流信号的各个相位和 负栽106之间提供传导通路。在2006年2月2日提交的、Faberman 等(包括本发明人)共同所有的共同未决的美国专利申请 No.11/347，777中示出了示例性的切换桥接器112。控制器110选择性 地产生控制信号给切换桥接器112，以便以预定的电压产生调节的输 出信号。控制器110在本地在输入114处或者远程地在输入140处合 适地对调节的输出取样，并且调整给桥接器112的信号，以便保持合 适的输出。此外，在输入116处检测输出电流，以便进一步修改给桥 接器112的控制信号。
然后，合适地通过输出保险丝136，将调节的直流信号电压调节 输出(VRO)施加给负载106和能量存储装置108。负载106可以是 使用功率的任何装置，例如灯、电动机、加热器、电气设备、功率变 换器如逆变器或直流-直流转换器。能量存储装置108对控制系统110 的输出进行滤波或平滑(尽管在各个实施例中，控制器110本身可以 包括或者以另外的方式提供充分的滤波)。
如果期望，其他输出150和160可以由系统IOO提供。此外，可 以提供合适的消弧电路142以用于系统保护。优选地，交流发电机102通常是在2004年7月12日提交的、名 称为"紧凑的大功率交流发电机，，("Compact High Power Alternator") 的、Charles Y. Lafontaine和Harold C. Scott共同所有的共同未决的 美国专利申请No.l0/889，980中所描述的类型的交流发电机，但是其对 于每一个磁极包括相应组的绕组(包括至少一个相应于每个相位的绕 组)，相应于给定相位的所有绕组并联连接。在此将上述的Lafontaine 等的申请引入作为参考，就如其在此被全文地描述一样。
根据本发明的一个方面，相应于同 一相位的线圏之间的并联连接 可通过相应的导电相位环138实现，该并联连接包括布置在导电相位 环138和交流发电机的输出端子262之间的熔断丝124。每个单独线 圏的输出由各自的导电相位环138收集，各导电相位环138与其各自 的输出端子126连接。
随着交流发电机102中的总磁极数增多，单独线圏的数量也增多。 传统的集中线圏的方法包括将电机电线焊接到通常绝缘的电机引线 上。随着交流发电机的额定输出增大，也需要相应地增大电机引线的 负栽承栽能力。通常，通过增大电线的累积规格(cumulative gauge), 即或者通过增大单个导线的规格或者通过使用并联的多个电线，可以 满足在电机引线上增大的负栽要求。其净效果是电机引线的横截面积 越来越大。当考虑到线圏及其各自端匝的总数量和导线及其相应的绝 缘时，这样所产生的具有结合在一起的导体和电机引线的定子组件使 端匝绝缘，这对冷却不利。这样所产生的组件还限制了在端匝上唯一 可用的冷却剂流(例如空气流)，进一步降低了冷却。
这样，就需要一种紧凑的大功率的交流发电机，其中通过改变相 对容易缠绕的磁极相位线圏的匝数，可以实现期望的输出电压，并使 短路的后果最小，同时有利于冷却。根据本发明的各个方面，这可以 通过利用预定数量的磁极相位线圏实现，优选地该预定数量等于磁极 的数量，同时磁极相位线圏缠绕有足以产生所需交流发电机输出电压 的(相对小直径线的)的匝，并且输出电流分数等于1除以磁极的数 量，然后将这些单独的磁极线圏并联连接，优选地利用导电相位环(集流环)138。使用导电相位环138不仅大大简化了交流发电机102的组 装，而且还有利于冷却绕组。
更加特别地，交流发电机102优选地包括轴202，其优选包括 锥形的突出部分204和螺紋部分206;转子208;定子210;前端板212; 前轴承214;止动螺母216;后端板218;后轴保持环220;后轴承222; 后止动螺母224;外壳226和各自的系杆(tie rod)(未示出)。转子 208安装在轴202上，以便和轴一起旋转。定子210紧密地容纳在转 子208内，与转子208间隔很小的气隙228。前端板212、前轴承214、 后轴承222、后端板218、外壳226和系杆配合作为支撑组件，以使轴 202、转子208和定子210保持对齐。轴202由轴承214和222保持， 上述轴承分别安装在前端板212和后端板218上，并使轴202可旋转 地保持和对齐，该轴与前后端板同心且垂直。转子208安装成在轴202 上旋转，其通过与锥形的轴部分204相配合进行强制定位。后端板218 上安装和定位定子210，使得其设置在转子208内，该定子合适地与 轴202和转子112对齐。外壳226具有垂直于其轴线的端面(优选为 圆柱形)，并布置在前端板212和后端板218之间。系杆使端板218 和212压靠在外壳226上，从而使各元件放正和对齐。
在典型的汽车交流发电机应用中，皮带轮230安装在轴202的端 部上。来自发动机(例如104，在图2中未示出)的功率通过合适的 皮带驱动器(未示出)传递给皮带轮230，并且因此传递给轴202。轴 202使转子208围绕定子210旋转。转子208产生磁场，该磁场与定 子210上的绕组相互作用。当磁场切割绕组时，产生电流，该电流4皮 提供给合适的负栽。
转子208优选包括端盖232、圆柱形壳234和预定数量(例如16 对)的可交替磁极的永磁体236，该永磁体布置在壳234的内部侧壁 中。转子端盖232大体上合适地敞开，其包括外周部分238、相应的 横臂(未示出)和中心毂240,以便给轴202提供连接。提供穿过端 盖234的相应的冷却剂(例如空气)通道242，其由与横臂(未示出) 相邻的外周部分238以及中心毂240限定。定子210适当地包括铁芯244和导电绕组(示意性地示出)280。 铁芯244适当地包括软磁材料的薄片的叠合堆叠，如非定向的、低耗 损的(无铅的)钢，这些薄片被切割或冲压成期望的形状，然后对齐 和接合。铁芯244通常为圓柱形，其具有在轴向上成锯齿形的外周侧 表面，也就是说，包括预定数量的齿和槽。铁芯244优选大体上为敞 开的，具有中心孔，该铁芯适当地包括具有轴向通孔的横臂，以便易 于安装到后端板218上。
前端板212适当地通常为圓柱形，包括居中布置毂246，该毂 包括用于定位前轴承214的同轴的孔；外周部分，其包括与中心孔相 隔预定的径向距离布置并且以相同角距离分布的各螺紋孔(未示出)， 用于容纳系杆(未示出)；以及相应的(例如4个)将外周部分248 与毂246连接的横臂(未示出)，这些横臂限定了各个冷却剂(例如空 气)通道250。
后端板218支撑和定位后轴承222，并安装和定位定子铁芯244。 后端板218适当地包括阶梯式中心毂252,该毂具有向前减小直径的 部分254和穿过毂的中心孔256，并且该后端^反通常为圆柱形，优选 地具有与前端板212相同的外径，并通过相应的横臂(未示出)连接 到毂252。后端板218还适当地包括相应的冷却剂(例如空气)通道 258，该通道由相邻的横臂(未示出)、外部部分260和毂252限定。
来自定子绕组280的输出由相位环138集中，并在相应的输出端 子262提供。更加特别地，输出端子262 (每个相位一个端子)适当 地布置在后端板218中。端子262通过熔断丝124适当地电连接到相 应的导电相位环(集流环)138。输出端子262和熔断丝124围绕导电 相位环138径向地定位。各个相位环138通过例如导体276纟皮例如电 连接到具有相应相位的每个单独线圏来集中每个单独线圏。各个单独 导电电缆(例如图2G中的294 )连接到端子264，以便将相位输出传 递给控制系统100。
导电相位环138由合适的导电材料制成，例如电镀的铜。相位环 138适当地未被绝缘或者最低限度地绝缘(例如用清漆)以有利于冷却，并且充分地坚硬或刚性，从而一旦被安装和受到环境力/加速度时 易于彼此隔离。导电相位环可由线材坯料制成或者由合适材料的薄片
沖压而成。在图2的实施例中，每个导电相位环138都是连续的，例 如单件式的线材坯料，其端部例如通过软钎焊或硬钎焊连接，以形成
连续的导电环。
使用一体的连续的相位环138是特别有利的，因为通向熔断丝124 的双电流通路允许使用更低规格的(因此更轻和更便宜)材料来形成 相位环138。当使用一体连续的相位环138时，可在与连接熔断丝124 的点成180度相对的点处有效地划分电流。由导体276在相位环的一 半上产生的流出到熔断丝124的所有电流有效地保持在该一半相位环 上，在相对另一半上产生的电流沿着该路径到达熔断丝124。其结果 是相位环大约是导体规格的一半，且只有一个通路到达熔断丝124。
各个环138布置在冷却剂流路中，彼此电绝缘和隔开，并与后端 板218电绝缘和隔开。使用非导电的导电相位环安装结构264将导电 相位环138适当地机械固定于端板218,该安装结构264优选由非常 耐沖击的且化学稳定的材料如聚酰胺-酰亚胺制成，使得每个导电相位 环(每个相位输出对应一个导电相位环)彼此物理隔开和电绝缘，以 及与后端板218物理隔开和电绝缘。导电相位环138定位在冷却剂(例 如空气)通道258中，以便最大程度地暴露在交流发电机102产生的 冷却剂(例如空气)流中。通过逐渐改变相邻相位环的直径可以进一 步使对空气流的暴露最大化。例如，与相位A (端子118)相应的相 位环138布置得最靠近端板218的内部，但是其具有相对大的直径(适 当地接近端板218中冷却剂(例如空气)通道2S8的外径)。与相位B (端子120)相应的相位环138适当地同轴布置但是向后偏移，其具有 较小的直径(相位B的导电环的外径比相位A的导电环的内径适当地 小预定的量)。与相位C (端子122)相应的相位环138同样适当地同 轴布置但相对于相位B的导电环138更向后偏移，且具有更小的直径 (相位C的导电环的外径比相位B的导电环的内径适当地小预定的 量)。这种能够通过相位环安装结构264获得的排列使每个导电环以尽可能接近环境入口温度暴露在冷却空气流中。优选地，最远离环境入 口的导电环具有更大的直径。
参考图2D，输出端子组件126适当地包括优选由高导电耐腐蚀材 料(例如电镀的铜)构成的导电螺柱266和优选由高耐沖击且化学稳 定的材料(例如聚酰胺-酰亚胺)构成的非导电套管268,以便使输出 端子与交流发电机的后端板218电绝缘。该优选实施例中的导电螺柱 266具有一体的肩270，其用作交流发电机后端板218内部的支座，螺 母272可紧固在该后端板上，从而将组件固定在后端板218中。
熔断丝124由合适的材料构成，例如计算直径和长度的丝(优选 是电镀的铜)，该丝在受到计算出的对交流发电机102、控制系统100 或由所述设备提供功率的电气系统具有破坏性的负载时将熔化。在优 选的实施例中，熔断丝124软钎焊或硬钎焊在导电螺柱266和导电相 位环138上。固定熔断丝的可替换方法是将合适的接线片与熔断丝124 的端部连接，然后通过螺母机械地将该端部固定在螺柱266上。
特别地参考图2B和2C，导电相位环138固定在安装结构264上。 导电相位环138布置在冷却剂路径中，暴露在冷却剂流(例如空气流) 274中，从而冷却导电相位环138和导体276(将线圏绕组连接到相位 环138)。导电相位环安装结构264定位成在相位环138和定子端匝(未 示出)之间产生间隙。该间隙使后定子端匝暴露在冷却流体中，这在 传统方式缠绕的定子中是得不到的。
冷却剂(例如冷却空气)持续通过交流发电机并冲击定子210的 绕组端臣280,从而冷却该端匝。然后空气流分开和继续通过定子铁 芯244并进入空腔278，在此空气流冷却定子210的远侧端匝。另一 分开的空气流在转子壳234和外壳226之间穿过，从而冷却转子壳234 和永磁体236。分开的空气流在空气通道250再次汇合，然后离开交 流发电才几到达离心风扇282。
如下面将要描述的，导体276包括单个三相磁极组的A相位118、 B相位120和C相位122部分，该导体离开定子210,并被软钎焊或 硬钎焊到其各自相应的导电相位环138。在该优选的实施例中，导体
17276暴露在空气流274中。在某些情况下，期望的是使用薄壁的电绝 缘材料如高熔点芳香族聚酰胺(Nomex)包裹导体276，以便防止接 地。
现在参考图2E，通过用矩形原料形成导电相位环使得提供合适的 表面来钻出和攻丝孔284，实现制造导电相位环138的可替换方法。 在该实施例中，熔断丝124的端部可与合适的接线片286连接，用于 通过如带螺紋的紧固件288固定在导电相位环138上。同样地，导体 276也可以配设有类似的接线片，并利用紧固件290固定到导电相位 环138上。使用类似于安装结构264的合适结构以类似的方式将导电 相位环138固定在后端板218上。可替换地，可以在每个相位环中以 规则的间隔切割出槽292，在槽292中可以软钎焊离开定子的各单独 导体。这种装配方法优于前面描述的将导体276固定在相位环138上 的方法之处主要在于，通过改造现有的在电动机制造中端接导体所用 的超声焊接设备就可以实现自动装配。
现在参考图2F，其示出了定子210，为了清楚，去除了线圏，并 且大大地简略了各单独导体276。在该特殊的实施例中，与三个相位 A、 B和C的每一个相应的各个相位环138通过软钎焊、硬钎焊、或 者由未绝缘的耐腐蚀导电材料如电镀的铜构成的整体材料机械加工而 成为连续的。图示的端子126相应于A相位118、 B相位120和C相 位122。每个磁极组的输出通过相位环138集中在交流发电机内，并 通过三个代表连接到控制系统100的所有三个相位的三个导体离开交 流发电机。
现在参考图2G，来自相应的A相位、B相位和C相位绕组118、 120和122的各单独导体276终止在相应的收集相位环138上端接， 接着各收集湘位环通过导体294传送到控制系统100。控制系统100 的输出产生电压调节输出或VRO，具有特定的应用电压，例如 28VDC。
连接在输出端子264和控制系统IOO之间的导体294适当地具有 足够的规格，以便充分地运载电流。随着电线或电缆的规格增大，电缆布线变得越来越难，因为在大规格的电线中弯曲半径更大。因此， 在许多应用中难以使用非常大规格的电线或电缆。正如将要讨论的， 在非常大的导体可能是不合适的应用场合中，就能将相位环分成多个 段，每个相位环的分段分配一个合适尺寸的导体，以便运栽该特定分 段产生的减小电流。
例如，通过利用被分成多组的相位环可以减少电流要求。现在参
考图3A-3D,交流发电机302采用了两组相位环306，具有相应的端 子126和熔断丝124，该交流发电机与相应的控制系统308和310配 合。相位环310在点312和314处^皮电气隔离。每组相位环承载相应 的A相位、B相位和C相位部分，每个相位部分通向相应的控制系统 308和310。后端板304与端板218的各个方面都相似，除了一个特征 之外，即该后端板304被机械加工以容纳第二组端子126。
现在参考图3D，每个相位环部分306容纳来自定子210的相应导 体276。相位环部分306通过端子126、导体316与控制系统308和 310电连接。当端子126连接到相位环部分306的中部时，在连接熔 断丝124的位置处将电流有效分开。由导体276在该相位环部分的一 半上产生的流出到熔断丝124的所有电流有效地保持在该一半上，在 相对的另一半上产生的电流沿着该路径到达熔断丝124。其结果是相 位环部分大约是导体规格的一半，且只有一个通路到达熔断丝。导体 316的规格可以根据特定的应用要求来确定尺寸。当例如考虑到以 28VDC适当地传导600安培的电力所需的导体尺寸时，目前的发动机 机舱只能提供非常小的空间。通过在极高的输出应用中将导体316运 载的电流二等分，就更容易对电缆进行布线。在控制系统中也有相应 的益处。随着安培数增大，元件的尺寸和成本增大，但不是以线性的 方式增大。因此通过使导体承栽的电流以及控制元件二等分，可以节 省空间和成本。
通过将相位环分成多个部分，可以进一步减小电流要求。例如， 参考图4A-4D,相位环可以分成在点416、 418、 420和422处电隔离 的四个部分406。为每个相位环的分段提供相应组的端子118、 120、122，以与相应的控制系统408、 410、 412和414连接。对于相位环部 分306,端子126连接在相位环部分406的中部，电流在连接熔断丝 124的位置处有效地分开。由导体276在相位环一半上产生的流出到 熔断丝124的所有电流有效地保持在该一半上，在相对的另一半上产 生的电流沿着该路径到达熔断丝124。其结果是相位环大约是导体规 格的一半，且只有一个单独的通路到达熔断丝124。控制系统408、410、 412和414的输出并联连接，以便提供输出VRO +和VRO-。
如前面所描述的，定子铁芯210通常为圆柱形，其具有在轴向上 成锯齿形的外周表面，即具有预定数量的等间隔的齿和槽。导电绕组 (由合适绝缘的导电体构成，如涂有清漆的电动机铜线)通过各个槽沿 铁芯的侧面向外围绕预定数量的齿缠绕，然后再通过另一个槽向回缠 绕。现在参考图5，定子铁芯210包括预定数量的槽，例如36个(在 图5中示意性示出，用数字l-36表示)。导电绕组包括相应于转子中 的每个磁极的预定数量的各个相位线圏(A相位、B相位和C相位)。 三相交流发电机的各个万兹极相位线圏包括A》兹极相位线圏518、 B磁 极相位线圏520和C磁极相位线闺522，这些磁极相位线圏共同地构 成磁极相位线圏组526。对于在"Y，，连接524中相互配合的交流发电机 的每个磁极有一个磁极相位线圏组(例如，在12个磁极的交流发电机 中的12个磁极相位线圏组)。12个磁极的交流发电机的磁极相位线圏 导体526与其相应的导电相位环506、 508和510连接。
例如，单独磁极相位线圏522 (磁极组1的C相位)缠绕在定子 210的#36和#3槽上。包括线圏522的导体526的匝数等于产生交 流发电机的一个相位的额定输出电压所需的匝数。单独相位线圏的输 出电流部分等于1除以交流发电机的磁极数量。这样，单独磁极相位 线圈由臣数相对较多的相对小的线组成。
这种构造在制造交流发电机以及运行交流发电机的过程中都具有 许多的优点。
因为每个单独的》兹极相位线圏由相对较多的匝组成，因此通过改 变臣数可以实现设计电压的微小变化。例如，以传统的方式缠绕的且
20所有磁极相位线圏串联连接的特定的12磁极交流发电机需要等于线 规为6.285的1.0417匝的导体，以便在1940rpm时产生14VDC (在 适当整流后)、300安培的功率。匝数和同等的线规都不是用于生产的 实际数字。通过构造磁极相位线圏并联连接的示例性交流发电机，每 个单独的磁极相位线圏为17线规的12.5匝。(应该注意，通过在定子 叠合堆叠的一側上端接单独磁极相位线圏的一个端部(称为起点)并 在定子叠合堆叠的另一侧上端接单独磁极相位线圏的另一端(称为终 点)可以构造一半匝。该构造在图18A中示出)。还对于该实例，把 初始设计增大到1.0833匝(也不是实际的数字)将使每分钟转数降低 到1894。这可以在该可替换的结构中通过将每个并联的磁极相位线圏 增大到13匝来实现。导体相对小的横截面积使得可以更容易地缠绕线
单独磁极相位线圏的匝之间的短路使在交流发电机中产生的大部 分电力流入短路线圏。由于线圏由相对大量匝数的相对小橫截面积的 导体构成，因此短路的匝将非常快地熔化，并清除短路。由一个磁极 相位线圏断开(opening up)导致的输出功率的下降近似为1/(磁极数 +相位数)。例如，在一个磁极相位线圏被短路并然后自清除的情况下， 12磁极的、三相交流发电机的功率输出下降近似为3%。
例如，通常将在小于2秒内清除单独磁极相位线圏的匝之间的短 路。消除了对交流发电机驱动系统的损害，发动机可以继续运行，且 没有附加的负载，交流发电机可以继续产生功率给所连接的负载。导 电相位环138分别标识为A环506、 B环508和C环510。为了清楚 的目的，示意性地示出了三个单独的磁极相位线圏导体，即A相位 512、 B相位514和C相位516。在该图示中，构成磁极相位线圏组的 三个磁极相位线围中的每一个以"Y"连接524的方式进行连接。如前 面所描述的，还可以利用相位集流环实现"A (Delta)"连接。
各个单独相位线圏导体以不会妨碍冷却的有效方式集中。通过使 相位线圏导体的相位线圏端匝相对于定子210的面成90度，端匝暴露 在尽可能最大的空气流中，从而可以给所述端匝提供尽可能最佳的冷却。
尽管已经结合各个示例性实施例描述了本发明，但是本发明不限 于示出的具体形式，可以设想在不脱离本发明的精神的条件下创造本 发明的其他实施例。如下面的权利要求所表达的，可以根据本发明对 元件、材料、数值、结构以及设计和布置的其他方面作出多种变化。
权利要求
1. 紧凑、大功率的功率转换装置，包括转子，该转子包括圆柱形壳和布置在壳上的预定数量的永磁体，该转子适于围绕壳的轴线旋转；包括铁芯和多组导电绕组的定子，每组导电绕组包括预定数量的单独导电绕组并与电相位相应；与每组导电绕组相关联的相应收集导体，每组导电绕组中的每个单独导电绕组与相应的收集导体并联电连接；和引导冷却剂以使其与定子绕组接触的冷却剂流路；各个收集导体布置在冷却剂流路中，收集导体彼此电绝缘和彼此隔开并且与绕组电绝缘和隔开。
2. 如权利要求1所述的装置，其中每个收集导体包括连续的导电环。
3. 如权利要求2所述的装置，还包括与每个导电环相关联的相应 输出端子组件，输出端子组件分别在单个点处电连接到导电环，使得 从连接到导电环上相对于端子组件连接点而言不同位置处的各单独绕 组提供的电流选择由输出端子组件的连接点和导电环上相对于所述输 出端子组件的连接点成大约180度的点所限定的两条路径中的一条。
4. 如权利要求3所述的装置，其中输出端子组件包括导电柱和电 连接在导电柱和相应导电环之间的熔断丝。
5. 如权利要求2所述的装置，其中各个导电环具有不同的直径， 以便促进冷却。
6. 如权利要求5所述的装置，其中各个导电环相对彼此同心且轴 向地移位。
7. 如权利要求2所述的装置，还包括非导电的安装结构，该安装 结构与导电环相配合以将导电环保持在预定的位置。
8. 如权利要求2所述的装置，其中导电环由端部相连接的线材坯 形成。
9. 如权利要求2所述的装置，其中导电环通过冲压导电材料片形成。
10. 如权利要求2所述的装置，其中导电环由矩形料形成。
11. 如权利要求l所述的装置，还包括非导电的安装结构，该安 装结构与收集导体相配合以将收集导体保持成预定的布置方式。
12. 如权利要求l所述的装置，其中收集导体是非绝缘的，以便 促进冷却。
13. 如权利要求7所述的装置，其中安装结构同心和轴向地保持 各组导电环，以便在环境入口温度将导电环暴露于冷却流体。
14. 如权利要求2所述的装置，其中导电环相对刚性，使得导电 环在正常运行时发生的加速过程中保持形状。
15. 如权利要求l所述的装置，其中对于每个电相位来说，每个 收集导体包括相应一组预定数量的电绝缘的且大小相同的导电弧。
16. 如权利要求15所述的装置，还包括与每个导电弧相应的输出 端子组件，其在单个点与导电弧电连接。
17. 如权利要求16所述的装置，其中端子组件包括导电柱和电连 接在导电柱和相应导电弧之间的熔断丝。
18. 如权利要求15所述的装置，其中各组导电弧具有不同的半径， 以便促进冷却。
19. 如权利要求15所述的装置，其中各组导电弧相对彼此同心且 轴向地移位。
20. 如权利要求15所述的装置，还包括非导电的安装结构，该安 装结构与各组导电弧相配合以将导电弧保持成预定的布置方式。
21. 如权利要求20所述的装置，其中安装结构同心且轴向地保持 各组导电弧，以便在环境入口温度将导电弧暴露于冷却流体。
22. 如权利要求16所述的装置，其中与导电弧连接的单个点大约 在导电弧的中点。
23. 如权利要求15所述的装置，其中导电弧由线材坯形成。
24. 如权利要求15所述的装置，其中导电弧由矩形料形成，并且包括适于接纳各单独绕组的相应槽口 。
25. 如权利要求15所述的装置，其中收集导体弧相对刚性，使得 收集导体弧在正常运行出现的加速过程中保持形状。
26. 如权利要求15所述的装置，其中与转子中的每个磁极相应的 各单独相位线圏均匀地分布在各组导电弧之间。
27. 如权利要求15所述的装置，其中对于每个电相位来说，每个 收集导体包括一组两个电绝缘的且大小相同的导电弧。
28. 如权利要求15所述的装置，其中对于每个电相位来说，每个 收集导体包括一组四个电绝缘的且大小相同的导电弧。
29. 如权利要求l所述的装置，其中冷却剂流路包括穿过定子铁 芯的通路和穿过转子的通路。
30. 如权利要求l所述的装置，其中各单独导电绕组具有相对小 的直径，使得单独绕组中的短路状态将导致该单独绕组熔化并清除短 路。
全文摘要
一种紧凑的大功率的功率转换装置，包括转子和定子。转子包括圆柱形壳和布置在壳上的预定数量的永磁体，并且转子适于围绕壳的轴线旋转。定子包括铁芯和多组导电绕组，每组导电绕组包括预定数量的单独导电绕组并与电相位相应。各个收集导体与每组导电绕组相应，每组中的每个单独导电绕组与相应的收集导体电连接。各个收集导体布置在冷却剂流路中，该冷却剂流路引导冷却剂与定子绕组相接触，收集导体彼此电绝缘和彼此隔开并且与绕组电绝缘和隔开。公开了形式为连续环和形式为多个弧的收集导体。
文档编号H02K9/06GK101438483SQ200780013577
公开日2009年5月20日 申请日期2007年2月22日 优先权日2006年2月22日
发明者C·Y·拉方丹, H·C·斯科特 申请人:磁应用公司