专利名称：紧凑型高功率交流发电机的制作方法
紧凑型高功率交流发电机
背景技术：
由永磁发电机供给的功率根据转子的速度显著变化。在许多应用中，转子速度的 变化通常是由于例如汽车内发动机速度的变化或负载特性的变化。因而，通常采用电子控 制系统。因此于1997年4月四日授予Scott等人的上述美国专利5，625，276中描述了永 磁交流发电机和控制系统的实例。2000年1月25日授予Anderson等人的美国专利6 018 200中描述了其它控制系统的实例。在与本文本发明实施例的内容不冲突的范围内，为了所 有目的将上述文献完全以参见的方式纳入本文。在这种永磁交流发电机中，效率与将磁体与定子分隔开的“气隙”成反比。这些气 隙通常在一英寸的千分之20至千分之40范围内。由定子产生的输出与气隙直径(另外在 下文结合IF定义)的平方成比例，因此尤其有利的是使特定应用所允许的气隙直径最大。通常，汽车应用中的交流发电机装备有安装附件，其更通常地称为安装凸耳，该安 装凸耳用于通过中间支架将交流发电机固定到发动机块体上并通过稍后将描述的方法允 许交流发电机适当运行而没有滑带。称为J180或铰链型安装件的通用布置(也称为三点 安装件)包括用于该目的的三个安装凸耳。两个安装凸耳位于交流发电机的前部和后部并 轴向对准。通过使用穿过两个凸耳和安装支架的螺栓将两个对准的凸耳固定到发动机上相 应的结构以有效地用作铰链。通常称为上部调节凸耳的第三安装凸耳通常定位在交流发电 机的前部并与所述前两个凸耳径向相对。该上部调节凸耳安装到装备有螺旋千斤顶的装置 以使交流发电机绕由前两个凸耳形成的铰链转动且一旦实现适当的带张力就将交流发电 机锁定在位。螺旋千斤顶并不总是存在于该类型的所有支架中，在该情况下，使用杠杆(通 常是木杆)使交流发电机绕铰链转动，并然后通过设计成用于该功能的简单支架和锁定固 定件固定交流发电机。在任一种情况下，交流发电机都用作电气系统的功率产生部件和绕 过交流发电机带轮到达相应驱动带轮(通常是发动机曲轴带轮)的汽车安全带的张紧器。 在某些发动机中，通常是大型柴油机，内部联接辅助驱动轴装备有用于代替曲轴带轮驱动 交流发电机的带轮。尽管J180标准作为安装交流发电机和对驱动安全带施加张力的方法是有效的， 但J180标准仅有三个安装点，交流发电机的大部分仍悬伸着。仅用三个安装凸耳，交流发 电机经受绕悬伸部分的“摆动”，这又放大了加速度的效果。通常，在汽油和柴油发动机应用 中发现这些破坏性的力，但在柴油机启动期间最剧烈。当车辆经受方向的突然改变时，例如 当撞到坑洼或其它类似路障时也会遇到猛烈的加速度。这些力的作用大大缩短交流发电机 的寿命。汽车安全带工程最近的改进致使汽车安全带张紧器组件的发展，通过使用一体式 扭转弹簧对安全带施加所要求的拉力，由此不再需要交流发电机用作安全带张紧器。在该 布置中，交流发电机凸耳硬安装到固定支架，不再需要铰链和螺旋千斤顶。利用汽车安全带 张紧器的优点在于，总是正确地施加正确的安全带张力，但使用J-180铰链座架和利用三 点安装凸耳的改型的交流发电机中仍然发现破坏性力g，因为没有安装凸耳的交流发电机 的部分仍然会摆动。
在进一步减小观察到的破坏性力的尝试中，汽车工程师协会(SAE)颁布了衬垫安 装交流发电机规格建议(Pad Mount Alternator Specification Proposal)作为将交流发 电机固定到发动机的方法(SAE文件2002-01-1282)。衬垫安装交流发电机规格建议包括四 个规格版本2-1至2-4。2-1和2-4尚待得到广泛的接受并打算将来使用，而2_2和2_3已 经总体被重型发动机制造商接受，使正在构建的交流发电机符合所提出的标准。如下文将 描述的，衬垫安装交流发电机(Pad Mount Alternator)利用将交流发电机硬安装到发动机 块体的四个安装凸耳。在降低破坏性力的尝试中，已经开发出包括第四个安装凸耳的J180 安装件的改型。在任一种情况下，都将在四个位置将交流发电机硬安装到发动机。由于用 于固定交流发电机的安装凸耳之间的距离固定，所以SAE衬垫安装标准以及J180四个点改 型在物理上限制总体交流发电机直径。当前由于总体直径被限制，增加衬垫安装交流发电 机内交流发电机输出的唯一有效方法是增加总体轴向长度。该方法将输出限制成随着轴向 程度成比例地增加。然后非常需要开发增加交流发电机输出的方法，同时符合SAE衬垫安 装标准强加的预定几何形状或因此符合任何四点安装交流发电机。永磁交流发电机的转动部分包括具有其上固接有永磁铁的转子。在其中交流发 电机的总体直径受限的给定应用中，显著增加输出一个方法是增加定子的总体长度。如 Lafontaine等人申请中所讨论的那样，由于该类型交流发电机中的转子是端部敞开的，所 以它实际上是悬伸的并在暴露于剧烈径向负载时经受偏移。因此，该类型交流发电机的有 效长度受转子可耐受的径向负载量的限制，从而防止永磁体与定子碰损。尽管永磁体转子 可设计成耐受最大的负载，但对于尺寸和总体重量的实际限制往往使该方法超过某些长度 是不实际的。因此，理想的是设计其中输出显著增加但不受转子长度限制的永磁机器。对远离电网的电动工具的需求随着时间日益增加。在接触到诸如110VAC的线路 级电压不实际或完全不可能的区域，负有维修设备任务的现场维修人员对此需求有强烈的 感觉。用于解决该问题的一种方法是通过使用发电机组来产生手钻、圆锯以及诊断设备等 所需要的AC功率。该方法的缺点在于与现场维修人员所做工作不直接相关的发电机组所 需要的频繁维护以及携带较大重量的设备件的不便。另一方面，如果发动机罩下交流发电 机能够传输车辆系统DC功率和AC功率供外部使用，则能够消除携带发电机组的成本和负 担。考虑到单个交流发电机产生例如12VDC车辆功率和110VAC功率，在交流发电机优化成 产生12VDC将电压增加到110的情况下或者在交流发电机优化成产生110VAC将电压相反 逐渐下降到12VDC的情况下固有的低效就成为问题。因此，生产出对为特定任务优化的独 立输出电压或电流构造能够使电输出翻倍的交流发电机是尤其有利的。具体来说，最佳为 12VDC的输出电压范围且最佳为110VAC的第二独立的电压范围。磁边缘通量的效果是公知的，且可用来增加永磁机器的功率。在永磁交流发电机 中，对给定应用限制总可用轴向长度对交流发电机的轴向定子长度施加限制。这是因为，除 了配装在交流发电机内的定子之外，前部和后部端板、转子以及对所有线圈必要的间隙必 须都共享相同限制的轴向长度。在永磁机器中，能够使磁体的长度延伸超过两定子表面而 不影响交流发电机的总体长度。在该方法中形成的磁边缘通量场会延伸超过定子并与也延 伸超过定子的绕组端部线圈相交。结果是磁通与延伸超过定子表面的线圈相互作用，对于 给定长度的定子，这又产生更多的功率。然后理想的是设计利用磁边缘通量的交流发电机 作为对固定长度的定子增加功率的方法。
永磁机器往往显示出不合要求的嵌齿效应。嵌齿效应是永磁交流发电机的其中磁 体绕转子径向等间距设置的几何形状的直接结果，使北极和南极交替并在每个磁体之间形 成间隙。该定子包括齿和槽，与磁体的几何形状相匹配。静止时，由永磁体产生的磁场产生 将磁体预设置成直接对准在定子的相应齿上的力。当转子开始旋转时，由永磁体产生的磁 场随着组件的势能增加而产生转动阻力。随着转动继续，当永磁体对准在相邻定子齿之间 间隙的中部时，势能达到其最大值。从中部位置，进一步转动产生加速度，该加速度在磁体 再次直接对准在定子上的相邻齿上时终止。该减速和随后的加速度产生永磁体交流发电机 中的嵌齿效应。重要的要指出的是该循环的净效应是在用于使交流发电机转动的能量上的 零净效应。永磁体交流发电机的嵌齿效应产生几个不合要求的特性。这些效应中的两个仅 在于美观第一，产生尖锐的像汽笛的声音，第二是由于永磁体的磁场产生的阻力不能使交 流发电机自由旋转。由于常规Limdell交流发电机在没有励磁场时自由旋转，所以可以认 识到永磁体交流发电机不能正常工作。在较大永磁体交流发电机中发现第三或更多的不利 效应，其中嵌齿效应的加速度和减速产生振动，该振动经过一定时间可使交流发电机部件 过早磨损。该加速度和减速也在使交流发电机旋转的驱动带上产生不合要求的力，缩短其 使用寿命。Lafontaine等人的申请描述了通过使用斜定子来减轻嵌齿。如Lafontaine等 人的申请中所指出的，固定斜定子的一种可能方式是使用压紧环。由于其几何的特性，压紧环和其固定件突出到中心芯内，可能不利地影响空气流 动。为了保持足够的冷却流体流动，有利的是减少阻碍该流动障碍。因此，有利的是产生一 种固定斜定子而不会不利地影响空气流动的方法。
发明内容
本发明提供一种用于在机械能和电能之间转换的尤其有利的机器。某些实施例提 供在SAE衬垫安装标准规定的限制内运行的改进的交流发电机。本发明的各方面提供一种显著增加永磁体交流发电机的输出同时解决径向负载 施加到永磁体交流发电机转子的问题的方法。本发明的另一方面允许产生两种不同电压的功率，且在一替代实施例中，交流发 电机的至少一个输出是直流电，另一个输出是交流电。在直径和总体轴向长度受限的应用中，该发明的一方面允许通过使用磁边缘通量 使输出能力的显著增加而不会增加轴向长度。本发明的一方面提供一种安装偏斜层叠件的有效方法，该方法消除或减小永磁体 机器内存在的嵌齿而不会不利地影响空气流动。本发明的一方面通过将双转子永磁体机器的相对磁体径向偏移来减小嵌齿。本发明的一方面包括功率转换装置，该功率转换装置包括轴、第一定子、第二定 子、第一转子和直径相对的第二转子。轴、定子和转子壳体可同轴布置，转子壳体安装在轴 上。第一和第二定子分别包括至少一个绕组。第一转子还包括第一多个永磁体，该第一多 个永磁体联接到第一转子并靠近第一定子设置，并通过第一预定间隙距离与第一定子分隔 开，从而第一定子与第一转子的相对运动使来自磁体的磁通量与第一定子绕组相互磁作 用。此外，第二转子还包括第二多个永磁体，该第二多个永磁体联接到第二转子并靠近第二 定子设置，并通过第二预定间隙距离与第二定子分隔开，从而第二定子与第二转子的相对运动使来自磁体的磁通量与第二定子绕组相互磁作用。相应第一和第二多个永磁体的相应 的预定长度超过相应预定的第一和第二定子表面长度。本发明的另一方面包括一种引导冷却剂流动与绕组和磁体中的至少一个热力接 触的冷却系统。该冷却系统产生以预定速度或高于预定速度流过预定流动路径的充分冷却 剂流动，从而消散产生的热量并保持磁体的温度低于预定破坏性值第一和第二定子狭槽和 相应永磁体中的至少一个的设置相对于第一和第二定子的轴线偏斜预定的量。此外第一芯 侧表面处狭槽的径向位置从第二芯侧表面处的狭槽的径向位置偏移。在一实施例中，轴具 有预定直径并包括轴锥形部分，该轴锥形部分在相对于第一和第二定子的预定位置设置在 轴的两端之间。轴锥形部分的直径根据预定锥度从最小直径变化到大于轴预定直径的预定 最大直径。第一和第二转子包括毂和中心通孔，该中心通孔的预定锥度对应于轴的至少一 个轴锥形部分的锥度。锥形通孔的直径根据预定锥度从大于轴预定直径的最小通孔直径变 化到预定最大通孔直径。第一和第二转子毂设置成轴穿过并延伸通过毂通孔，轴锥形部分 接纳在通孔内，通孔的内表面与轴锥形部分的外表面匹配接触，其中锥形第一和第二转子 孔的协作是与轴锥形部分的表面接触，将第一和第二转子都相对于轴和第一和第二定子轴 向和径向定位，将第一和第二转子联接到轴以随着轴转动。在一实施例中，第一和第二转子 和轴可构成一体单元。第一转子可安装在第一端板上；且第一定子安装成相对于第一端板 转动。在另一实施例中，轴可转动地联接到第一端板。第一和第二转子包括端帽，该端帽 将圆柱形壳体联接到轴；壳体和端帽构成一体单元。在本发明的一方面，冷却系统还包括穿过第一端板的至少第一通路，该第一通路 与预定流动路径流体连通。冷却系统冷却剂可以是空气，且冷却系统还包括设置成使空气 移动通过第一端板通路和预定流动路径的强制空气供给。强制空气供给包括相对于第一定 子的转动异步的风机。在另一实施例中，冷却系统还包括至少穿过第一定子芯的通路，且穿 过第一转子的第一通路与第一定子芯通路流体连通。在一实施例中，冷却系统还包括安装成随着第一转子转动的风机，第一转子设置 成使冷却剂移动通过第一定子芯通路。定子绕组包括端部线圈，该端部线圈弯曲到穿过第 一定子芯通路的冷却剂流动路径内。此外，冷却系统还包括设置在第一定子与第一转子之 间的偏斜件表面以从第一定子通路引导冷却剂流动与绕组端部线圈热力接触。另一实施例 包括第二端板，其中第二转子安装在第二端板上；且第二定子安装成相对于第二端板转动。 轴可以可转动地联接到第二端板。冷却系统可还包括穿过第二端板的至少第二通路，该第二通路与预定流动路径流 体连通。在另一实施例中，冷却系统冷却剂是空气，且冷却系统还包括设置成使空气移动 通过第二端板通路和预定流动路径的强制空气供给。强制空气供给可包括相对于第二定子 的转动异步的风机。冷却系统可还包括至少穿过第二定子芯的通路，且穿过第二转子的第 二通路与第二定子芯通路流体连通。此外，冷却系统可还包括安装成随着第二转子转动的 风机，第二转子设置成使冷却剂移动通过第二定子芯通路。第二定子绕组包括端部线圈，该 端部线圈弯曲到穿过第二定子芯通路的冷却剂流动路径内。此外，冷却系统还包括设置在 第二定子与第二转子之间的偏斜件表面以从第二定子通路引导冷却剂流动与绕组端部线圈热力接触。在一替代实施例中，冷却系统还包括设置在第一与第二转子之间的转子偏斜 件。另一实施例可包括第二端板和外壳，其中第一和第二转子壳体、第一和第二定子芯以及 外壳与轴同心，轴可转动地联接到第一和第二端板；第二转子安装在第二端板上；且第一 和第二定子联接到轴以随着轴在第一和第二端板之间并在外壳内转动。冷却系统可包括穿过第一和第二定子芯的通路，且穿过第一和第二转子的通路与 第一和第二定子芯通路流体连通。第一和第二转子通路设置成冷却剂流动被引导通过第一 端板通路，与第一定子第一绕组端部线圈热力接触，穿过所述第一定子芯通路，与所述第一 定子第二绕组端部线圈热力接触，与所述第二定子第一绕组端部线圈热力接触，穿过第二 定子芯通路，与第二定子第二绕组端部线圈热力接触，穿过第二端板通路；并与第一和第二 磁体热力接触。另一实施例包括相应系杆，该系杆与第一和第二端板协作，将第一和第二端 板抵靠外壳压紧；第一和第二端板、外壳和系杆协作以保持轴、第一和第二转子以及第一和 第二定子对准。冷却剂是空气，且冷却系统可包括设置成使空气移动通过第一和第二端板 通路和第一和第二定子芯通路的至少一个强制空气供给。该强制空气供给可包括至少一个 电动风机。电动风机可安装在第一和第二端板上。在另一替代实施例中，强制空气供给包 括设置成随着轴转动的至少一个风机。此外，第一转子和第一定子对以及第二转子和第二定子对可包括独立的电输出。 独立输出可构造成分别提供直流电和交流电。例如，第一转子和定子对以及第二转子和定 子对构造成提供最佳为12VDC的输出电压范围和最佳为110VAC的第二独立电压范围。在一替代实施例中，磁体的表面长度构造成形成磁边缘通量定子。此外，相对的磁 体可构造成径向偏移以减小嵌齿。第一和第二定子的叠片可构造成偏斜以减小嵌齿。在一替代实施例中，第一和第二定子包括多个绕组，这些绕组的端部线圈向外延 伸超出芯变化的距离，以呈冷却剂流动路径内的栅格状结构。端部线圈向外延伸超过芯周 向部分侧表面以提供端部线圈与芯周向部分侧表面之间的空间，由此便于线圈内产生的热 的消散。在一实施例中，第一和第二转子、第一和第二定子协作作为用于车辆的紧凑型高功 率交流发电机。替代地，第一和第二转子、第一和第二定子协作作为用于改装现有车辆的紧 凑型高功率交流发电机。此外，第一转子和直径相对的第二转子的设计有助于抵抗由于加速度造成的装置 变形。第一转子和直径相对的第二转子的设计缩短了所述装置的力矩臂长度，其中减小多 个转子的变形。本发明的一替代实施例包括功率转换装置，该功率转换装置包括轴、第一定子、第 二定子、第一转子和直径相对的第二转子。轴、定子和转子壳体同轴布置，转子壳体安装在 轴上。第一和第二定子包括至少一个绕组。第一转子包括第一多个永磁体，该第一多个永磁 体靠近第一定子设置，并通过预定间隙距离与第一定子分隔开，从而第一定子与第一转子 的相对运动使来自磁体的磁通量与第一定子绕组相互磁作用。此外，第二转子包括第二多 个永磁体，该第二多个永磁体靠近第二定子设置，并通过预定间隙距离与第二定子分隔开， 从而第二定子与第二转子的相对运动使来自磁体的磁通量与第二定子绕组相互磁作用。相 应第一和第二多个永磁体的预定长度超过预定的第一和第二定子的各自表面长度。此外， 可有将装置联接到表面的四个凸片。第一和第二定子狭槽和相应永磁体中的至少一个的设 置相对于第一和第二定子的轴线偏斜预定的量；且其中第一转子和定子对以及第二转子和定子对包括独立的输出电压。这些独立输出电压可包括直流电和交流电。例如，第一转子和 定子对以及第二转子和定子对构造成提供最佳为12VDC的输出电压范围和最佳为110VAC 的第二独立电压范围。应当理解本文中本发明的描述仅是例示性和说明性的，而不是限制所要求保护的 本发明。
此后将结合附图描述本发明，其中相同的附图标记标示相同的构件。图IA是作为本发明参考的衬垫安装交流发电机的现有实施例的正视图。图IA包 括沿线B-B的剖视图。图IB是图IA的衬垫安装交流发电机的俯视图。图IC是图IA的衬垫安装交流发电机的后视图(图IB中的视图C_C)。图ID是图IA和IB的衬垫安装交流发电机的(沿图IB的线DD截取)的示意性 剖视图。图IE是图IA和IB的衬垫安装交流发电机的(沿图IB的线EE截取)的示意性 剖视图。图IF是图IA和IB的衬垫安装交流发电机的(沿图IE的线FF截取)的详图。图IG是图IA和IB的衬垫安装交流发电机的(沿图IA的线AA截取)的示意性 剖视图。图IH是图IA和IB的衬垫安装交流发电机的(沿图IA的线AA截取)的示意性 剖视图，示出较大直径的转子。图II是图IA和IB的衬垫安装交流发电机的(沿图IA的线AA截取)的示意性 剖视图，示出轴向较长的转子。图2A是根据本发明的衬垫安装交流发电机的第一实施例的正视图，示出使用两 个直径相对但连成一体的转子增加输出的方法(图2A包括沿线G-G的剖切图)。图2B是图2A的衬垫安装交流发电机的俯视图。图2C是图2A的交流发电机的后视图(图4B中的视图1_1)。图2D是图2B的交流发电机的剖视图(沿线J-J截取)。图2E是图2A和2B的衬垫安装交流发电机的(沿图2A的线H-H截取)的示意性 剖视图。图3A是根据本发明的交流发电机的第二实施例的正视图，其利用两个直径相对 但具有相等直径和长度的联合转子使输出最大，图3A包括沿线K-K截取的剖切图。图;3B是图3A的交流发电机的俯视图。图3C是图3A的交流发电机的后视图(图:3B中的视图MM)。图3D是图3A和;3B的交流发电机的(沿图3A的线N-N截取)的示意性剖视图。图3E是图3A和;3B的交流发电机的(沿图3A的线L-L截取)的示意性剖视图。图3F是图3A和的交流发电机的(沿图3A的线L-L截取)的示意性剖视图， 其利用两个直径相对但具有相等直径和不等长度的联合转子使输出最大，示出定子和不等 长度的转子组。
图4A-4C是示出交流发电机转子(图1A-1I中的交流发电机)上径向负载的效应 的简化示意图。图4D-4F是示出直径相对但相等直径和长度的联合转子上径向负载的效应的简 化示意图(图3A-3D中的交流发电机)。图4G-4H是示出直径相对但不等直径的联合转子上径向负载的效应的简化示意 图(图2A-2E中的交流发电机)。图4I-4J是示出直径相对但相等直径和不等长度的联合转子上径向负载的效应 的简化示意图(图3F中的交流发电机)。图5A是根据本发明的交流发电机的第五实施例的正视图，其利用两个不同转子 使对于给定直径的输出最大。图5A包括沿线0-0截取的剖切图。图5B是图5A的交流发电机的俯视图。图5C是沿线Q-Q截取的图5A的交流发电机的后视图(图5C包括沿线T-T截取 的剖切图)。图5D是沿线R-R截取的图5B的交流发电机的剖视图(图5D包括沿线U-U截取 的剖切图)。图5E是沿线S-S截取的图5B的交流发电机的局部剖视图(图5E包括沿线V_V 截取的剖切图)。图5F是图5A和5B的交流发电机的示意性剖视图(沿图5A的线P-P截取)。图5G是图5A和5B的衬垫安装交流发电机的(沿图5A的线P-P截取)的示意性 剖视图，其选择两个紧密隔开的不同转子。图6A是根据本发明的衬垫安装交流发电机的第六实施例的正视图，其利用磁边 缘通量使输出最大。图6B是示出悬置磁体的示意性剖视图(沿图6A的线X-X截取)。图7A-7G是详细示出固定斜的永磁体交流发电机定子的方法的详图。图8A是具有偏移磁体的双转子的详图。图8B是沿线Y-Y截取的图8A中双转子的详细剖切图。
具体实施例方式现参照图IA-IGJn Lafontaine等人描述的那样，为了使永磁体机器内的功率输 出最大，理想的是使诸如定子和转子的直径之类的某些尺寸最大。或者说，理想的是给定大 小、壳体和安装限制，使绕芯156的齿158的外半径划出的圆的直径最大。该直径在此称为 气隙直径Dag(参见图1F)。如上所述，汽车工程师协会(SAE)提出了适于车辆应用的四种 安装标准，版本2-1至2-4。图IB所示的安装孔型式是螺栓103与107之间和螺栓105与 109之间径向伸展设置为190. 0mm，且螺栓103与105之间和螺栓107与109之间的轴向伸 展设置为126. 3mm，符合SAE衬垫安装版本2-3，并通常发现用在卡车应用中。图IA示出交 流发电机100的与安装支架101接触的安装表面111，其保持交流发电机所需要的径向间 隙，如SAE所提出的最小为70. Omm但通常使用102mm。除非另外指出，所有的尺寸都以英寸 为单位。当考虑衬垫安装应用中的安装螺栓103、105、107和109时，有两个增加功率的当前方法。第一是增加转子直径，使得其总体长度适合安装螺栓之间的轴向伸展以避免图IH 中清楚示出的过盈。第二方法是通过选择转子直径增加转子的总体长度，这避免与图II中 清楚示出的安装螺栓的径向伸展的过盈。两种方法中，增加直径更为理想，因为功率的增加 与直径的平方成比例，而增加转子长度仅使功率与长度成比例的增加。传统交流发电机制造商选择设计总体定子和电枢直径在SAE提出的径向伸展内 的交流发电机。这部分地由于增加常规交流发电机的电枢增大总体直径，即对传统交流发 电机的功率的适度增加转换成不可接受的直径增加。于是，该方法增加轴向长度而不是直 径。图IG示出见证线(witnessline)113，示出从交流发电机的中心轴线的最大气隙直径， 在受到安装螺栓的径向伸展的限制时，在交流发电机中可得到该最大气隙直径。实际上，用 于转子的该可得到的最大半径由于每个安装螺栓周围的端板126的材料而进一步减小。尽 管增加输出的较佳方法是增加总体气隙直径，但可能的总体轴向长度受到限制，由此限制 潜在输出。相反，增加转子的轴向长度来改进输出由于减小气隙直径而受到限制。因此理 想的是在单个衬垫安装交流发电机中既增加直径又增加轴向长度来使潜在输出最大。现参照图1A-1G，符合SAE提出的衬垫安装标准版本2_3的在机械能和电能之间 转换的装置，例如交流发电机100包括轴110，较佳地包括锥形突出部分112和螺纹部分 114(最好参见图1G)、转子116、定子118、前端板120、前部轴承122、后端板126、后部轴保 持环128、后部轴承130、外壳132和相应的系杆134。转子116安装在轴110上以随着轴转 动。定子118紧密地接纳在转子116内，通过小的气隙AG与转子116分隔开。前端板120、 前部轴承122、后部轴承130、后端板126、外壳132和系杆134作为支承组件协作来保持轴 110、转子116和定子118对准。通过轴承122和130来保持轴110，轴承122和130分别 安装在前端板120和后端板1 上，并可转动地保持轴110与端板对准并与端板同心且垂 直。转子116安装成在轴110上转动并通过锁紧螺母IM轴向固定，锁紧螺母通过与锥形 轴部分112协作而积极定位。后端板1 将定子118安装和定位成使其设置在转子116内 与轴110和转子116恰当对准。外壳132具有垂直于其轴线(较佳地为圆柱形)的端面， 并设置在前端板120与后端板1 之间。系杆134将端板120和1 抵靠外壳132压紧， 保持各部件平直对准。在典型的汽车交流发电机应用中，带轮136、风机138和螺母140安装在轴110的 端部上。功率从发动机(未示出)通过适当的带传动装置(未示出)传递到带轮136，并因 此传递到轴110。这样施加到轴110的扭矩又使转子116绕定子118转动。转子116产生 磁场，该磁场与定子118上的绕组相互作用。当磁场穿过绕组，产生电流，该电流提供给适 当的负载。该感应电流通常施加到桥式整流器，有时被调节并作为输出来提供。在某些情 况下，将调节过的输出信号施加到逆变器来提供AC输出。如图IG所清楚示出的，转子116较佳地包括端帽142、圆柱形壳体144和设置在壳 体144的内侧壁内的预定数量(例如8对)的交替磁极永磁体146。如图ID所清楚示出的，转子端帽142适当地基本上敞开，包括周向部分131、相应 交叉臂148和中心转子毂150以提供到轴110的连接。穿过端帽142设有相应的空气通路 152，由周向部分131、相邻交叉臂148以及中心毂150界定。中心转子毂150包括具有预定 锥度(例如每英尺1英寸)的通孔154，该锥度对应于轴部分112的锥度。组装时，轴110的 轴颈穿过通孔154，使得轴锥形部分112在螺纹轴部分114紧接着的前部接纳在孔154内。螺纹轴部分114与锁紧螺母IM协作以将转子115积极地定位在轴110上。一般而言，交 叉臂148的厚度适当地选择成尽可能薄(以使重量和材料成本最低)，同时在其最薄位置 仍能承受预期负载，适当地在3/8英寸至5/8英寸范围内。由于转子壳体144实际上从端 帽142悬伸出来，必需的厚度与壳体144的长度成比例。孔154附近的转子毂150适当地 足够厚以提供与锥形轴部分112接触的充分表面，适当地为1 英寸的量级。定子118适当地包括芯156和导体绕组170。芯156适当地包括软磁材料薄片的叠 片堆叠件，软磁材料例如非定向的低损(无铅)钢，各薄片切割或冲切成所要求的形状对准 并连结(例如在精确夹具内焊接或环氧粘合在一起以保持各叠层对准)。如图IE和IF中 所清楚示出的，芯156大致为圆柱形，具有轴向锯齿状外周表面，即包括预定数量的齿158 和狭槽160。齿通常轴向对准，但在某些要求获取波形定时和/或消除轴向对准叠片中发现 的嵌齿效应的控制系统中，各叠片可逐渐偏斜预定的首尾齿偏移(较佳地但不限于偏移一 个齿)，如稍后将解释的那样，将解释固定偏斜定子而不会不利地影响空气流动的方法。芯 156较佳地基本上开有中心孔162，并适当地包括交叉臂164和轴向通孔166以便于用安装 螺栓168安装到后端板1 上。如稍后将描述的那样，径向狭槽可用于将叠片堆叠件安装 成优化通过中心孔162的空气流动。由适当绝缘的电导体(较佳地是涂漆的铜质电动机式导线)形成的绕组170设置 在芯156上，缠绕穿过相应狭槽160，沿芯156的侧面向外绕过预定数量的齿158，并然后绕 回穿过另一狭槽160。组装时，定子118与转子116同轴设置，并紧密地接纳在转子116的内腔内。如下 文将解释的那样，后端板126将定子118安装和定位成使其适当地对准在转子116的内腔 内。定子芯156的周向表面通过小的预定气隙AG与磁体146的内表面分隔开(如图IF所 清楚示出的)。气隙AG适当地在千分之20至40英寸范围内，且在图1A-1I的实施例中为 千分之30英寸的量级，例如千分之31英寸。因而，壳体144、磁体146的内径和定子芯156 的外径较佳地保持成紧密公差以保持对准。重要的是将转子116和定子118小心地对准， 且由交流发电机上外力造成的各构件从其正常位置的移位保持在低于临界值。如上文所指出的，通过包括前端板120、前部轴承122、后部轴承130、后端板126、 外壳132和系杆134的支承结构来实现轴110、转子116和定子118的对准。实际上，轴承 122和130提供轴110和支承结构之间相应的可转动连接点。轴承122和130，且因此轴110 与端板120和1 分别同心设置并垂直于端板120和126。转子116较佳地通过锥形转子 毂通孔IM和锥形轴部分112的协作相对于轴110积极定位。定子118通过后端板1 相 对于轴110且因此相对于转子116定位，并与轴110且因此与转子116对准。通过外壳132 和系杆134保持端板120与1 对准。前端板120适当地大致为圆柱形，包括中心设置的毂174，包括同轴的孔176，周 向部分178包括与孔176的中心隔开预定径向距离设置并以相等角距离分布的相应(例如 4个)埋头的钻孔180以接纳系杆134，并包括相应的(例如4个)将周向部分178连接到 毂174的交叉臂182，并限定相应的空气通道184。前端板120定尺寸成并加工成高公差 (例如对于孔176是正负0. 0008TYP，对于诸如系杆孔180型式、外壳肩部、安装孔型式的其 它结构是0. 005TYP)，适当地由例如铸铝的金属制成，并应当充分坚固以承受由轴110和转 子116转动产生的转动负载，以及在带轮136上拉动皮带产生的侧向负载。前部轴承122紧密地接纳在轴承套筒186内。前端板120和轴承套筒186用于分布由从轴110传递到轴 承122的负载产生的应力。轴承套筒186定位前部轴承122和轴110。后端板1 承载并定位后部轴承130，安装并定位定子118。后端板1 适当地包 括台阶形中心毂188，该中心毂188具有向前直径减小部分190和穿过其中的中心孔192， 以及大致圆柱形向后延伸的外周部分194，该外周部分较佳地具有与前端板120相同的外 部轮廓，并通过相应交叉臂145连接到毂188。相应的螺纹孔196在距离中心相等径向距 离处设置在圆柱形外周部分194内且角度设置与前端板120上的埋头钻孔180相同。与定 子交叉臂孔166对应的预定数量的螺纹孔196 (例如4个)设置在突起188的台阶形表面 上。直径减小部分190的外径大致等于(但稍小于)交叉臂164上同心径向定位结构198 的直径，从而后端板部分190可紧密地接纳在定子118的交叉臂164上同心径向定位结构 198内。后端板1 定尺寸成并加工成高公差(例如对于中心孔192是正负0. 0008TYP，对 于诸如螺纹孔196型式、外壳肩部、安装孔型式的其它结构是0. 005TYP)，并适当地由诸如 铸铝的金属制成。后部轴承130紧密地接纳在后端板毂188的孔192内，并因此与轴110 对中。定子118安装在毂188上，直径减小毂部分190接纳在定子118的交叉臂164上同 心径向定位结构198内，定子后侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓168穿过通孔166并固定在螺 纹孔196内，将定子118固定到后端板126。因此定子118相对于轴110积极定位并对准。 由于端板120和1 通过外壳132和系杆134保持彼此对准，所以轴110(和锥形部分112) 通过轴承122和130保持与端板120和1 对准，且定子118通过端板1 相对于轴110 积极定位并与轴110对准，转子116在轴110上的积极定位和对中也提供转子116与定子 118之间的相对定位和对准。对于给定的定子长度，增加永磁体机器的定子和转子的直径，更具体地说，增加气 隙直径Dag产生输出的显著增加(输出增加直径的平方)。现参照图1H，增加气隙直径显著增加交流发电机100的输出而除了增加转子和定 子的直径之外不会改变任何部件。也符合SAE提出的衬垫安装标准版本2-3的交流发电机 147包括轴110，较佳地包括锥形突出部分112和螺纹部分114(最好参见图1H)、转子115、 定子123、前端板120、前部轴承122、后端板126、后部轴保持环128、后部轴承130、外壳132 和相应的系杆134。转子115安装在轴110上以随着轴110转动。转子115具有比转子116大的直径 并延伸超过证示线113。像转子116—样，转子115包括端帽117、圆柱形壳体119和设置 在壳体119的内侧壁内的预定数量(例如8对)的交替磁极永磁体121。转子端帽117适 当地基本上敞开，包括周向部分137，相应的交叉臂(未示出)和中心转子毂139以提供到 轴110的连接。穿过端帽117设有相应的空气通路152，由周向部分137、相邻交叉臂(未 示出)以及中心毂139界定。中心转子毂139包括具有预定锥度(例如每英尺1英寸)的 通孔141，该锥度对应于轴部分112的锥度。组装时，轴110的轴颈穿过通孔141，使得轴锥 形部分112在螺纹轴部分114紧接着的前部接纳在孔141内。螺纹轴部分114与锁紧螺母 1 协作以将转子115积极地定位在轴110上。一般而言，交叉臂(未示出)的厚度适当 地选择成尽可能薄(以使重量和材料成本最低)，同时在其最薄位置仍能承受预期负载，适 当地在3/8英寸至5/8英寸范围内。由于转子壳体119实际上从端帽117悬伸出来，必需 的厚度与壳体119的长度大致成比例。孔141附近的转子毂139适当地足够厚以提供与锥形轴部分112接触的充分表面，适当地为1 英寸的量级。在所有实际和实用方面，转子115 类似于交流发电机100的转子116。定子123的直径有相应增加以与转子115的直径匹配，这增加气隙直径Dag。定 子123适当地包括芯(未示出)和导体绕组170。定子芯适当地包括软磁材料薄片的叠片 堆叠件，软磁材料例如非定向的低损(无铅)钢，各薄片切割或冲切成所要求的形状对准并 连结(例如在精确夹具内焊接或环氧粘合在一起以保持各叠层对准)。该芯大致为圆柱形， 具有轴向锯齿状外周表面，即包括预定数量的齿和狭槽(参照图1E)，并较佳地大致开口， 具有中心孔127，并适当地包括交叉臂(未示出)和轴向通孔129以便于使用安装螺栓168 安装到后端板126。由适当绝缘的电导体(较佳地是涂漆的铜质电动机式导线)形成的绕 组170设置在芯(未示出)上，缠绕穿过相应狭槽(未示出)，沿芯的侧面(未示出)向外 绕过预定数量的齿(未示出)，并然后绕回穿过另一狭槽(未示出)。组装时，定子123与转子115同轴设置，并紧密地接纳在转子115的内腔内。定子 芯(未示出)的周向表面通过小的预定气隙AG与磁体121的内表面分隔开(参见例如图 1F)。气隙AG适当地在千分之20至40英寸范围内，且在图1A-1I的实施例中为千分之30 英寸的量级，例如千分之31英寸。因而，壳体119、磁体121的内径和定子123的外径较佳 地保持成紧密公差以保持对准。重要的是将转子116和定子118小心地对准，且由交流发 电机上外力造成的各构件从其正常位置的移位保持在低于临界值。定子123安装在毂188上，直径减小毂部分190接纳在定子118的交叉臂(未示 出)上同心径向定位结构198内，定子后侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓168穿过通孔1 并 固定在螺纹孔196内，将定子123固定到后端板126。因此定子123相对于轴110积极定位 并对准。由于端板120和1 通过外壳132和系杆134保持彼此对准，所以轴110(和锥形 部分11 通过轴承122和130保持与端板120和1 对准，且定子123通过端板1 相对 于轴110积极定位并与轴110对准，转子115在轴110上的积极定位和对中也提供转子116 与定子118之间的相对定位和对准。在所有实际和实用方面，定子123类似于交流发电机 100的定子118。改进永磁体机器输出的第二方法通过增加转子和定子的轴向长度来实现。加长转 子和定子是不够理想的方法，因为输出的增加与长度增加以线性关系变化。但是，在某些应 用中，增加转子和定子的长度可能是增加输出的唯一可行方法。在增加长度的其它缺点中， 如Lafontaine等人描述的那样，诸如发动机安装之类的应用中转子的长度在实践中受到 由悬伸配件施加在交流发电机上的力的限制。现参照图II，也符合SAE提出的衬垫安装标准版本2-3的交流发电机133包括轴 167，较佳地包括锥形突出部分112和螺纹部分114(最好参见图1H)、转子135、定子137、前 端板120、前部轴承122、后端板149、后部轴保持环128、后部轴承130、外壳132和相应的系 杆 134。转子135的外径设计成使得转子壳体175与后端板149之间保持余隙。转子135 安装在轴167上以随着轴110转动。转子135包括端帽177、圆柱形壳体175和设置在壳体 175的内侧壁内的预定数量(例如8对)的交替磁极永磁体173。转子端帽177适当地基 本上敞开，包括周向部分179，相应的交叉臂(未示出)和中心转子毂181以提供到轴167 的连接。穿过端帽177设有相应的空气通路183，由周向部分179、相邻交叉臂(未示出)以及中心毂181界定。中心转子毂181包括具有预定锥度(例如每英尺1英寸)的通孔 183，该锥度对应于轴部分112的锥度。组装时，轴167的轴颈穿过通孔183，使得轴锥形部 分112在螺纹轴部分114紧接着的前部接纳在孔183内。螺纹轴部分114与锁紧螺母IM 协作以将转子135积极地定位在轴167上。一般而言，交叉臂(未示出)的厚度适当地选 择成尽可能薄(以使重量和材料成本最低)，同时在其最薄位置仍能承受由于增加的长度 引起的预期负载适当地在5/8英寸至5 英寸范围内。由于转子壳体175实际上从端帽177 悬伸出来，必需的厚度与壳体177的长度大致成比例。孔183附近的转子毂181适当地足 够厚以提供与锥形轴部分112接触的充分表面，适当地为1 英寸的量级。在所有实际和实 用方面，转子135类似于交流发电机100的转子116。后端板149承载并定位后部轴承130，安装并定位定子137。后端板149包括向后 延伸部151以接受长度增加的定子137，并适当地包括具有前部直径减小部分155和穿过其 中的中心孔157的台阶形中心毂153，以及大致圆柱形向后延伸的外周部分159，较佳地具 有与前端板120相同的外部轮廓。相应的螺纹孔161在距离中心相等径向距离处设置在圆 柱形外周部分159内且角度设置与前端板120上的埋头钻孔180相同。与定子137的交叉 臂孔165对应的预定数量的螺纹孔163(例如4个)设置在突起153的台阶形表面上。直径 减小部分155的外径大致等于(但稍小于)交叉臂(未示出)上同心径向定位结构(未示 出)的直径，从而后端板部分巧5可紧密地接纳在定子137的交叉臂(未示出)上同心径向 定位结构(未示出)内。后端板149定尺寸成并加工成高公差(例如对于中心孔157是正 负0. 0008TYP，对于诸如螺纹孔163型式、外壳肩部、安装孔型式的其它结构是0. 005TYP)， 并适当地由诸如铸铝的金属制成。后部轴承130紧密地接纳在后端板毂153的孔157内， 并因此与轴167对中。定子137安装在毂153上，直径减小毂部分155接纳在定子137的 交叉臂(未示出)上同心径向定位结构(未示出)内，定子后侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓 169穿过通孔165并固定在螺纹孔163内，将定子137固定到后端板149。因此定子137相 对于轴167积极定位并对准。由于端板120和149通过外壳132和系杆134保持彼此对准， 所以轴167(和锥形部分11 通过轴承122和130保持与端板120和149对准，且定子137 通过端板149相对于轴167积极定位并与轴167对准，转子135在轴110上的积极定位和 对中也提供转子135与定子137之间的相对定位和对准。定子137，其长度相应增加以与转子135的长度匹配，适当地包括芯(未示出)和 导体绕组170。定子芯适当地包括软磁材料薄片的叠片堆叠件，软磁材料例如非定向的低 损(无铅)钢，各薄片切割或冲切成所要求的形状对准并连结(例如在精确夹具内焊接或 环氧粘合在一起以保持各叠层对准)。该芯大致为圆柱形，具有轴向锯齿状外周表面，即包 括预定数量的齿和狭槽(参照图1E)，并较佳地大致开口，具有中心孔171，并适当地包括交 叉臂(未示出)和轴向通孔165以便于使用安装螺栓169安装到后端板149。由适当绝缘 的电导体(较佳地是涂漆的铜质电动机式导线)形成的绕组170设置在芯(未示出)上， 缠绕穿过相应狭槽(未示出)，沿芯的侧面(未示出)向外绕过预定数量的齿(未示出)， 并然后绕回穿过另一狭槽(未示出)。组装时，定子137与转子135同轴设置，并紧密地接纳在转子135的内腔内。定子 芯(未示出)的周向表面通过小的预定气隙AG与磁体173的内表面分隔开(参照图1F)。 气隙AG适当地在千分之20至40英寸范围内，且在图II的实施例中为千分之30英寸的量级，例如千分之31英寸。因而，转子壳体175、磁体173的内径和定子芯137的外径较佳地 保持成紧密公差以保持对准。重要的是将转子135和定子137小心地对准，且由交流发电 机上外力造成的各构件从其正常位置的移位保持在低于临界值。如上所述，符合提出的SAE衬垫安装标准的交流发电机受到安装螺栓孔形式的限 制。制造商可或者增加气隙直径Dag，将转子和定子配装在轴向安装螺栓之间，或者利用直 径显著较小的转子和定子并位于安装螺栓的径向伸展之间。现参照图2A-2E，其示出通过将 直径相对的转子壳体组合同时仍保持符合SAE提出的衬垫安装标准来显著增加交流发电 机输出的方法。交流发电机200具有交流发电机100中发现的多个类似结构；轴202，较佳地包 括锥形突出部分112和螺纹部分114 ；锁紧螺母124 ；前端板204 ；前部轴承122 ；轴承套筒 176 ；后部轴承130 ；后部轴保持环128 ；外壳132以及相应的系杆134。后端板206已延伸 到除了后部定子217和转子部分209。转子201，像转子116—样，具有类似于转子端板134的支承板203，但中心定位有 两个直径相对不同直径的转子壳体部分207和209。转子壳体部分209具有减小的直径，足 以避开安装螺栓105和109。前端板206，不像前端板120，安装和定位前部定子215以及承 载和定位前部轴承122。定子215和217适当地分别包括芯288和四0以及导体绕组272和254。芯288 和290适当地包括软磁材料薄片的叠片堆叠件，软磁材料例如非定向的低损(无铅)钢，各 薄片切割或冲切成所要求的形状对准并连结(例如在精确夹具内焊接或环氧粘合在一起 以保持各叠层对准)。如图2D中所清楚示出的，芯288和290大致为圆柱形，具有轴向锯齿 状外周表面，即包括预定数量的齿158和狭槽160。定子215和217都较佳地基本上敞开， 定子215具有中心孔266并适当地包括交叉臂224、径向定位结构222和轴向通孔220以便 于使用安装螺栓246安装到前部端板204，且定子217具有中心孔262并适当地包括交叉臂 观6、径向定位结构284和轴向通孔MO以便于使用安装螺栓246安装到后端板M8。如稍 后将描述的那样，径向狭槽可用于将叠片堆叠件安装成优化通过中心孔262和沈6的空气 流动。由适当绝缘的电导体(较佳地是涂漆的铜质电动机式导线)形成的绕组邪4和 272设置在芯288和290上，缠绕穿过相应狭槽160，沿芯288和四0的侧面向外绕过预定 数量的齿158，并然后绕回穿过另一狭槽160。组装时，定子215和217与转子201同轴设置，并紧密地接纳在转子201的内腔内。 如将解释的那样，后端板206安装和定位后部定子217，且前端板204安装和定位前部定子 215，从而起适当地对准在转子201的内腔内。定子芯288和四0的周向表面通过小的预定 气隙直径Dag与磁体211和213的内表面分隔开(如图IF所清楚示出的)。前端板204适当地包括台阶形中心毂208，该中心毂具有前部直径减小部分210 和穿过其中的中心孔212以及大致圆柱形的通过相应交叉臂252连接到毂208的外周部分 214。相应埋头钻孔216设置在圆柱形外周部分214内。与定子交叉臂孔220对应的预定 数量的螺纹孔218(例如4个)设置在突起208的台阶形表面上。直径减小部分210的外 径大致等于(但稍小于)交叉臂2M上同心径向定位结构222的直径，从而前端板部分210 可紧密地接纳在定子215的交叉臂2 上同心径向定位结构222内。前轴承套筒176紧密地接纳在前端板毂208的埋头钻孔226内，且因此与轴202对中。定子215安装在毂208 上，直径减小毂部分210接纳在定子215的交叉臂2M上同心径向定位结构222内，定子后 侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓四3穿过通孔220并固定在螺纹孔218内，将定子215固定到 前端板204。因此定子215相对于轴202积极定位并对准。后端板206，为了适应由增加后部转子部分209和定子217产生的轴向长度增加， 具有承载和定位后部轴承130的圆柱形延伸部218，安装和定位定子217。圆柱形延伸部 248必须具有足够的强度来支承由安装定子217产生的增加的应力。后端板206具有大致 圆柱形向后延伸的外周部分234，较佳地具有与前端板204相同的外部轮廓，圆柱形延伸部 248适当地包括通过相应交叉臂244连接的台阶形中心毂208，该台阶形中心毂208具有前 部直径减小部分230和穿过其中的中心孔232。相应的螺纹孔236在距离中心相等径向距 离处设置在圆柱形外周部分234内且角度设置与前端板204上的埋头钻孔216相同。与定 子交叉臂孔238对应的预定数量的螺纹孔MO (例如4个)设置在突起228的台阶形表面 上。直径减小部分230的外径大致等于(但稍小于)交叉臂286上同心径向定位结构284 的直径，从而后端板直径减小部分230可紧密地接纳在定子217的交叉臂286上同心径向 定位结构观4内。后部轴承130紧密地接纳在后端板毂228的孔232内，并因此与轴202 对中。定子217安装在毂2 上，直径减小毂部分230接纳在定子217的交叉臂286上同 心径向定位结构观4内，定子后侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓M6穿过通孔240并固定在螺 纹孔238内，将定子217固定到后端板206。因此定子217相对于轴202积极定位并对准。转子201安装在轴202上以随着轴转动。定子215和217紧密地接纳在转子201 内，通过相应气隙AG与转子201分隔开。前端板204、轴承套筒186、前部轴承122、后部轴 承130、后端板206、外壳132和系杆134作为支承组件协作来保持轴202、转子201以及定 子215和217对准。通过轴承122和130来保持轴202，轴承122和130分别安装在前端板 204和后端板206上，并可转动地保持轴202与端板对准并与端板同心且垂直。转子201安 装成在轴202上转动，通过与锥形轴部分112协作而积极定位。前端板204将定子215安 装和定位成使其设置在转子201内与轴202和转子201恰当对准。后端板206将定子217 安装和定位成使其设置在转子201内与轴202和转子201恰当对准。外壳132具有垂直于 其轴线(较佳地为圆柱形)的端面，并设置在前端板204与后端板206之间。系杆134将 端板204和206抵靠外壳132压紧，保持各部件平直对准。参照图2E，通过采用包括后端板206内的空气通路沈0(由相邻后端板交叉臂 M4、外部248和毂2 界定)、定子217中心孔沈2、转子空气通道沈4的冷却系统引导进 入交流发电机200的冷却气流278经过定子绕组254(较佳地分别穿过松弛缠绕的前侧和 后侧端部的相应线圈256和258)，经过定子绕组272 (较佳地分别穿过松弛缠绕的前侧和 后侧端部的线圈274和276)、定子215中心孔沈6以及前端板空气通路沈8。引导进入后 端板空气通路沈0的气流278冲击绕组254(后侧端部线圈258)。借助于适当的相对设置 或轮廓，或如图2E的实施例中所示与轴安装后偏斜件270协作将排出定子中心孔沈2的空 气引导到冲击绕组254(前侧端部线圈256)。将排出转子空气通道沈4的空气引导到通过 后侧端部线圈276冲击定子215的绕组272。在穿过后侧端部线圈276之后，然后通过转子 偏斜件观2引导到定子215中心孔沈6，然后经过前侧端部线圈274，然后穿过前端板204 空气通路沈8。可将异步强制空气供给，例如Lafontaine等人描述的电动风机安装在端板206后部以增强空气流动。在较佳实施例中，离心式风机138安装成在带轮136与前端板 204之间随着轴202转动。各空气通路的横截面、轮廓(转弯和边缘)和相对设置较佳地选 择成使空气速度的减小最少，并使经过定子217的端部线圈258、256和定子215的端部线 圈274、276的气流最大。更具体地说，将总地用箭头278指示的冷却空气通过端板空气通路沈0引入交流 发电机200。气流278冲击在后端部线圈258上。然后气流278分成相应的流280和观2。 在流出端部线圈258之后，气流280流过定子217中心孔沈2，冲击后部轴偏斜件270，然后 被引导穿过前侧松弛缠绕的端部线圈256，然后气流280进入转子通路沈4，冲击定子215 的端部线圈276，然后与转子偏斜件282协作被引导到定子215中心孔沈6，并然后通过前 端板204内的空气通路268流出交流发电机200。气流282在流出后侧端部线圈258之后， 流过转子壳体部分209外侧之间并然后流过转子部分207与圆柱形部分248的内侧和外壳 132之间，然后冲击定子215的前侧端部线圈，然后通过前端板204内的空气通路268流出 交流发电机200。气流282提供对磁体213、211和前侧端部线圈274的冷却。气流280提 供对端部线圈258、256和276的冷却。如上所述，使用直径相对的定子壳体提供显著增加交流发电机输出而不会在转子 壳体的整体长度否则会悬伸情况下使转子经受过度变形的可能性。在SAE衬垫安装交流发 电机的情况下，使用在直径相对转子壳体的一端使用减小的转子直径以充分避开安装螺栓 是尤其有利的。在其中转子直径对于转子的整体长度可最大的应用中，对该应用实现最大 输出。交流发电机300，由于增加的长度和单个轴向直径不仅用于符合提出的SAE衬垫安装 标准的应用，而且适用于诸如J180SAE标准或其它类似安装型式的各种其它安装应用。现参照图3A-3E，交流发电机300具有交流发电机200中发现的多个类似结构，但 最显著的是直径相对的转子具有相等直径。交流发电机300具有轴302，较佳地包括锥形 突出部分112和螺纹部分114 ；锁紧螺母124 ；前端板304 ；前部轴承122 ；后端板306 ；后部 轴承130 ；后部轴保持环128 ；外壳308以及相应的系杆310。转子3 具有支承板328，该 支承板中心定位在转子壳体330内，转子壳体具有两个直径相等的直径相对的转子壳体部 分 332 和 334。定子340和342适当地分别包括芯312和314以及导体绕组316和318。芯312 和314适当地包括软磁材料薄片的叠片堆叠件，软磁材料例如非定向的低损(无铅)钢，各 薄片切割或冲切成所要求的形状对准并连结(例如在精确夹具内焊接或环氧粘合在一起 以保持各叠层对准)。如图3D中所清楚示出的，芯312和314大致为圆柱形，具有轴向锯齿 状外周表面，即包括预定数量的齿158和狭槽160。定子340和342都较佳地基本上敞开， 定子340具有中心孔320并适当地包括交叉臂349、径向定位结构351和轴向通孔322以便 于使用安装螺栓359安装到前部端板304，且定子342具有中心孔3M并适当地包括交叉臂 353、径向定位结构355和轴向通孔393以便于使用安装螺栓313安装到后端板306。由适当绝缘的电导体(较佳地是涂漆的铜质电动机式导线)形成的绕组316和 318设置在芯312和314上，缠绕穿过相应狭槽160，沿芯312和314的侧面向外绕过预定 数量的齿158，并然后绕回穿过另一狭槽160。组装时，定子340和342与转子3 同轴设置，并紧密地接纳在转子3 的内腔内。 如将解释的那样，后端板306安装和定位后部定子342，且前端板304安装和定位前部定子340，从而其适当地对准在转子326的内腔内。定子340和342的周向表面通过小的预定气 隙AG与磁体336和338的内表面分隔开(参见例如图1F)。前端板304适当地包括台阶形中心毂397，该中心毂具有前部直径减小部分317 和穿过其中的中心孔395以及大致圆柱形的通过相应交叉臂325连接到毂323的外周部分 321。前端板空气通路331由外周部分321、毂323和交叉臂325界定。相应埋头钻孔327 设置在圆柱形外周部分321内。与定子交叉臂孔322对应的预定数量的螺纹孔344(例如4 个)设置在突起397的台阶形表面上。直径减小部分317的外径大致等于(但稍小于)交 叉臂349上同心径向定位结构351的直径，从而直径减小部分317可紧密地接纳在定子340 的交叉臂349上同心径向定位结构351内。前轴承套筒186紧密地接纳在前端板毂397的 埋头孔346内，且因此与轴302对中。定子340安装在毂397上，直径减小毂部分317接纳 在定子340的交叉臂349上同心径向定位结构351内，定子前侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓 359穿过通孔322并固定在螺纹孔344内，将定子340固定到前端板304。因此定子340相 对于轴302积极定位并对准。后端板306承载并定位后部轴承130，安装并定位定子342。后端板306适当地包 括台阶形中心毂348，该中心毂348具有向前直径减小部分350和穿过其中的中心孔352， 以及大致圆柱形的外周部分354，该外周部分较佳地具有与前端板304相同的外部轮廓，并 通过相应交叉臂356连接到毂348。外周部分354、交叉臂356和毂348形成后端板306空 气通路358。相应的螺纹孔360在距离中心相等径向距离处设置在圆柱形外周部分354内 且角度设置与前端板304上的埋头钻孔327相同。与定子交叉臂孔393对应的预定数量的 螺纹孔362(例如4个)设置在毂348的台阶形表面突起上。直径减小部分350的外径大 致等于(但稍小于)定子342的交叉臂353上同心径向定位结构355的直径，从而直径减 小部分350可紧密地接纳在定子342的交叉臂353上同心径向定位结构355内。后部轴承 130紧密地接纳在后端板毂348的孔352内，并因此与轴302对中。定子342安装在毂348 上，直径减小毂部分350接纳在定子342的交叉臂353上同心径向定位结构355内，定子后 侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓313穿过通孔393并固定在螺纹孔362内，将定子342固定到 后端板306。因此定子342相对于轴302积极定位并对准。转子3 安装在轴302上以随着轴转动。定子340和342紧密地接纳在转子3 内，通过小的气隙AG与转子3 分隔开(参见例如图1F)。前端板304、轴承套筒186、前部 轴承122、后部轴承130、后端板306、外壳308和系杆310作为支承组件协作来保持轴302、 转子326以及定子340和342对准。通过轴承套筒186、轴承122和130来保持轴302，轴 承122和130分别安装在前端板304和后端板306上，并可转动地保持轴302与端板304和 306对准并与端板同心且垂直。转子3 安装成在轴302上转动，通过与锥形轴部分112协 作而积极定位。前端板304将定子340安装和定位成使其设置在转子部分332内与轴302 和转子3 恰当对准。后端板306将定子342安装和定位成使其设置在转子部分334内与 轴302和转子3 恰当对准。外壳308具有垂直于其轴线(较佳地为圆柱形)的端面，并 设置在前端板304与后端板306之间。系杆310将端板304和306抵靠外壳308压紧，保 持各部件平直对准。参照图3E，通过采用包括后端板306内的空气通路358、定子342中心孔324、转子 空气通道329、定子340中心孔320和前端板空气通道331的冷却系统引导冷却气流经过定子；342的定子绕组318 (较佳地分别穿过松弛缠绕的后侧和前侧端部线圈364和366)。引 导进入后端板空气通路358的空气冲击绕组318的后侧端部线圈364。借助于适当的相对 设置或轮廓，或如图3E的实施例中所示与轴安装后偏斜件333协作将排出定子中心孔3M 的空气引导到冲击绕组318(前侧端部线圈366)。将排出转子空气通道329的空气引导到 冲击定子；340的绕组316 (较佳地分别通过松弛缠绕的后侧和前侧端部线圈335和337)。 在穿过后侧端部线圈335之后，然后通过使用转子偏斜件339引导到定子340中心孔320， 然后经过前侧端部线圈337，然后穿过前端板304空气通路331。可将异步强制空气供给， 例如Lafontaine等人描述的电动风机安装在后端板306后部以增强空气流动。在较佳实 施例中，离心式风机138安装成在带轮136与前端板304之间随着轴302转动。各空气通 路的横截面、轮廓(转弯和边缘)和相对设置较佳地选择成使空气速度的减小最少，并使经 过定子；342的端部线圈364、366和定子342的端部线圈335、337的气流最大。更具体地说，将总地用箭头341指示的冷却空气通过后端板空气通路358引入交 流发电机300。气流341冲击在后端部线圈364上。然后气流341分成相应的流343和345。 在流出端部线圈364之后，气流343流过定子342中心孔324，冲击后部轴偏斜件333，被引 导穿过前侧松弛缠绕的端部线圈366、转子通路329，冲击定子340的端部线圈335，与转子 偏斜件339协作被引导到定子340中心孔320，然后部分冲击端部线圈337，并然后通过前 端板304内的空气通路331流出交流发电机300。气流345在流出后侧端部线圈364之后， 流过转子壳体303外侧与外壳308的内侧之间，然后冲击定子340的前侧端部线圈337，然 后通过前端板304内的空气通路331流出交流发电机300。气流345提供对磁体336、338 和端部线圈364和337的冷却。气流343提供对端部线圈364、366、335和337的冷却。非常需要单个装置来提供多种电输出以用于可能多种输出电压和/或电流构造， 例如构造成向电动车系统提供12VDC并向诸如用在远程位置的电锯和电钻之类的电动设 备提供110VAC的单个装置。图3A-3E中描述的交流发电机定子可独立地缠绕以产生更接 近地与所要求的应用匹配的电压范围。例如，定子342可优化成接近地匹配12VDC车辆系 统功率，定子340优化成更接近地匹配110VAC功率要求。采用该具有相等尺寸定子的方法 的缺点在于，例如，过剩能力的定子340能够为12VDC车辆系统供电。现代卡车通常需要80 安培或更小来对车辆系统供电。由于定子340和342尺寸相等，所以定子340能够产生250 至350安培功率并不意外。在该特定构造中，170至270安培的功率实质上归于“浪费”。因 此在某些应用中具有不同的定子长度来优化输出是有利的。具体来说，定子342可缩短以 更匹配80安培车辆要求，且定子340可加长以能够为110VAC系统输送最大安培数。现参照图3F，交流发电机357具有轴309，较佳地包括锥形突出部分112和螺纹 部分114 ；锁紧螺母124 ；前端板304 ；前部轴承122 ；后端板306 ；后部轴承130 ；后部轴保持 环128 ；外壳308以及相应的系杆310。转子368具有支承板370，该支承板与中心偏移定 位在转子壳体372内，转子壳体具有两个直径相等的直径相对的转子壳体部分374和376。 转子部分374和定子382比转子部分376和定子384长。定子382和384适当地分别包括芯以及导体绕组392和394。定子382和384的 芯适当地包括软磁材料薄片的叠片堆叠件，软磁材料例如非定向的低损(无铅)钢，各薄片 切割或冲切成所要求的形状对准并连结(例如在精确夹具内焊接或环氧粘合在一起以保 持各叠层对准)。定子382和384的芯大致为圆柱形，具有轴向锯齿状外周表面，即包括预定数量的齿和狭槽(未示出，参照图3D)。定子382和384都较佳地基本上敞开，定子382 具有中心孔396并适当地包括交叉臂(未示出，参照图3D)、径向定位结构(未示出，参照图 3D)和轴向通孔398以便于使用安装螺栓301安装到前部端板304，且定子384具有中心孔 303并适当地包括交叉臂(未示出，参照图3D)、径向定位结构(未示出，参照图3D)和轴向 通孔305以便于使用安装螺栓307安装到后端板306。由适当绝缘的电导体(较佳地是涂漆的铜质电动机式导线)形成的绕组392和 394分别设置在定子382和384的芯上，缠绕穿过相应狭槽，沿芯的侧面向外绕过预定数量 的齿，并然后绕回穿过另一狭槽。组装时，定子382和384与转子368同轴设置，并紧密地接纳在转子368的内腔内。 如将解释的那样，后端板306安装和定位后部定子384，且前端板304安装和定位前部定子 382，从而其适当地对准在转子368的内腔内。定子芯382和384的周向表面通过小的预定 气隙AG与磁体378和380的内表面分隔开(参见例如图1F)。如前所述的前端板304适当地包括台阶形中心毂397，该台阶形中心毂具有前部 直径减小部分317。与定子交叉臂孔344对应的预定数量的螺纹孔398(例如4个)设置在 突起397的台阶形表面上。直径减小部分317大致等于(但稍小于)交叉臂(未示出，参 照图3D)上同心径向定位结构(未示出，参照图3D)的直径，从而前端板部分304可紧密地 接纳在定子382的交叉臂(未示出，参照图3D)上同心径向定位结构(未示出，参照图3D) 内。前轴承套筒186紧密地接纳在前端板毂397的埋头孔346内，且因此与轴309对中。 定子382安装在毂397上，直径减小毂部分317接纳在定子382的交叉臂(未示出，参照图 3D)上同心径向定位结构(未示出，参照图3D)内，定子前侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓301 穿过通孔398并固定在螺纹孔344内，将定子382固定到前端板304。因此定子382相对于 轴309积极定位并对准。后端板306安装和定位定子384。后端板306适当地包括台阶形中心毂348，该 台阶形中心毂具有前部直径减小部分350。与定子交叉臂孔305对应的预定数量的螺纹孔 362(例如4个)设置在毂348的台阶形表面突起上。直径减小部分350的外径大致等于 (但稍小于)定子382的交叉臂(未示出，参照图3D)上同心径向定位结构(未示出，参照 图3D)的直径，从而后端板306的直径减小部分350可紧密地接纳在定子382的交叉臂(未 示出，参照图3D)上同心径向定位结构(未示出，参照图3D)内。后部轴承130紧密地接纳 在后端板毂348的孔352内，并因此与轴309对中。定子384安装在毂348上，直径减小毂 部分350接纳在定子384的交叉臂(未示出，参照图3D)上同心径向定位结构(未示出，参 照图3D)内，定子后侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓307穿过通孔305并固定在螺纹孔362内， 将定子382固定到后端板306。因此定子382相对于轴309积极定位并对准。转子3 安装在轴309上以随着轴转动。定子382和384紧密地接纳在转子368 内，通过小的气隙AG与转子368分隔开(参见例如图1F)。前端板304、轴承套筒186、前部 轴承122、后部轴承130、后端板306、外壳308和系杆310作为支承组件协作来保持轴309、 转子368以及定子382和384对准。通过轴承122和130来保持轴309，轴承122和130分 别安装在前端板302和后端板306上，并可转动地保持轴309与端板304和306对准并与 端板同心且垂直。转子368安装成在轴309上转动，通过与锥形轴部分112协作而积极定 位。前端板304将定子384安装和定位成使其设置在转子部分374内与轴309和转子368恰当对准。后端板306将定子384安装和定位成使其设置在转子部分376内与轴309和转 子368恰当对准。外壳308具有垂直于其轴线(较佳地为圆柱形)的端面，并设置在前端 板304与后端板306之间。系杆310将端板304和306抵靠外壳308压紧，保持各部件平
直对准。再参照图3F，通过采用包括后端板306内的空气通路358、定子384中心孔303、转 子空气通道315、定子384中心孔396和前端板空气通路331的冷却系统引导冷却气流经过 定子384的定子绕组394(较佳地分别穿过松弛缠绕的后侧和前侧端部线圈311和313)。引 导进入后端板空气通路358的空气冲击绕组394的后侧端部线圈311。借助于适当的相对 设置或轮廓，或如图3F的实施例中所示与轴安装后偏斜件317协作将排出定子中心孔303 的空气引导到冲击绕组394(前侧端部线圈313)。将排出转子空气通道315的空气引导到 冲击定子382的绕组392 (较佳地分别通过松弛缠绕的后侧和前侧端部线圈319和321)。 在穿过后侧端部线圈319之后，然后通过使用转子偏斜件347引导到定子382中心孔396， 然后经过前侧端部线圈321，然后穿过前端板304空气通路331。可将异步强制空气供给， 例如Lafontaine等人描述的电动风机安装在后端板306后部以增强空气流动。在较佳实 施例中，离心式风机138安装成在带轮136与前端板304之间随着轴309转动。各空气通 路的横截面、轮廓(转弯和边缘)和相对设置较佳地选择成使空气速度的减小最少，并使经 过定子384的端部线圈311、313和定子382的端部线圈319、321的气流最大。更具体地说，将总地用箭头341指示的冷却空气通过后端板空气通路358引入交 流发电机357。气流341冲击在后端部线圈311上。然后气流341分成相应的流343和345。 在流出端部线圈311之后，气流343流过定子384中心孔303，冲击后部轴偏斜件317，被引 导穿过前侧松弛缠绕的端部线圈313、转子通路315，冲击定子382的端部线圈319，与转子 偏斜件347协作被引导到定子382中心孔396，然后部分冲击端部线圈321，并然后通过前 端板304内的空气通路331流出交流发电机357。气流345在流出后侧端部线圈311之后， 流过转子壳体372外侧与外壳308的内侧之间，然后冲击定子382的前侧端部线圈321，然 后通过前端板304内的空气通路331流出交流发电机357。气流345提供对磁体378、380 和端部线圈311和321的冷却。气流343提供对端部线圈311、313、319和321的冷却。图2和3中所描述的本发明的各实施例具有的辅助优点在于，在加速度期间由于 转子壳体和转子端板的物理构造特性造成的转子变形大大降低。如Lafontaine等人描述 的，转子的最大长度收到负载量的限制，转子端板可有效地抵抗防止致使磁体与转子之间 破坏性撞击的严重变形。参照图4A-4C (为了更清楚已大大简化)，在没有外力时，交流发电机100的转子 116与轴110同心并垂直于轴110，转子壳体144处在与轴110同轴的标称正常位置(由线 402和404标示)，且转子端帽142的前(最靠近前端板)边缘处在垂直于轴110的轴线的 标称正常位置(由线406标示)。通常遇到的外力的平行于轴110的轴线的各分量趋于对 转子116、转子端帽142的布置几乎没有影响，且转子毂(未示出)、锥形轴部分112和锁紧 螺母(未示出)的协作足够坚固以抵抗转子116的轴向移动或扭曲，且在任何情况下能够 更大地容许轴向扭曲。但是，遇到的具有足够强度的垂直于轴110轴线的外力如果不适当 解决也会使转子116扭曲。更具体来说，转子116具有质心(重心)403，该质心403延伸出转子端帽142与轴110的结合处(示意性地示出为枢转(悬臂)点408)，当经受垂直于轴110的加速度时形 成力矩臂。对于这些不完全垂直于轴110但具有垂直于轴110的合成加速度分量的加速度 来说也是如此。当经受垂直于轴Iio的轴线的加速度时，转子壳体144由于其圆柱形形状 而趋于抵抗变形，但在转子端帽142内的扭曲本身是显然的。实际上，转子116是悬伸的， 且响应于垂直加速度，转子116实际上围绕枢转点408枢转。在转子116的最远离枢转点 408的部分，即壳体144的远(后)端和端帽142的外周(端帽142与壳体144连结处)， 经受从标称正常位置的最大偏移。如果磁体146附近的偏移超过气隙AG，例如千分之31英 寸，则磁体146会与定子118撞击，可能造成破坏性过盈。例如，如图4B所示，响应于向上的加速度，转子116实际上会向下枢转(如图所 示，但为了清楚起见进行了放大，沿顺时针方向)。转子壳体144的上侧会有效地朝向轴110 向内枢转，远端从标称正常位置402向内偏移大致由附图标记410指示的量。端帽142的 上周界类似地向其标称正常位置406的后面移动大致由附图标记412指示的量。相反，转 子壳体144的下侧的远端将从标称正常位置402向外偏移大致由附图标记414指示的量， 且端帽142的下周界类似地向其标称正常位置406的前方移动大致由附图标记416指示的 量。由于圆柱形转子壳体144趋于保持其形状，相应上部和下部的偏移量基本上成比例，即 偏移量410和412基本上分别与偏移量414和416成比例。来自相反方向的力将引起镜像偏移。例如，如图4C所示，响应于向下的加速度，转 子116实际上会向上枢转(如图所示，沿逆时针方向)。转子壳体144的下侧会有效地朝向 轴110向内枢转，远端从标称正常位置404向内偏移大致由附图标记418指示的量。端帽 142的下周界类似地向其标称正常位置406的后面移动大致由附图标记420指示的量。相 反，转子壳体144的上侧的远端将从标称正常位置402向上偏移大致由附图标记422指示 的量，且端帽142的上周界类似地向其标称正常位置406的前方移动大致由附图标记424 指示的量。同样，由于圆柱形转子壳体144保持其形状，相应上部和下部的偏移量基本上成 比例，即偏移量418和420基本上分别与偏移量422和似4成比例。如上所述，如果加速度足够剧烈的话，则垂直于轴110的加速度趋于使转子116偏 移成磁体146会与定子118撞击。转子偏移的问题随着其轴向长度的增加而增加，更具体地 随着力矩臂长度的增加而增加。与任何机械系统一样，转子可设计成无论加速度多么剧烈 都抵抗破坏性偏移，但在实践方面，这需要转子具有非常厚的转子端板和壳体来抵抗偏移， 这在汽车和其它重量是重要考虑的应用中是非常不理想的。如图3所述，能够利用直径相 对的转子显著增加输出而不使转子经受磁体与定子之间的碰撞造成的变形。现参照图4D_4F(为了更加清楚已经简化)，交流发电机300的转子3 包括同轴 设置在单个圆柱形转子壳体330的轴向中心的支承板328，形成两个直径相对的圆柱形壳 体部分332和334。圆柱形壳体部分332具有设置在壳体部分332的内壁内的预定数量(例 如8对)的交替磁极永磁体336。圆柱形壳体部分334也具有设置在壳体部分334的内壁 内的预定数量(例如8对)的交替磁极永磁体338。由于转子326的转子支承板328中心 地定位在壳体330内，所以转子3 的质心403定位在枢转点408处。当交流发电机经受加 速度时，转子326的转子壳体部分332将趋于绕枢转点408逆时针方向(方向426)偏移。 转子326的转子壳体部分334将趋于绕枢转点408顺时针方向(方向428)偏移。转子壳 体330由于其圆柱形形状非常适于抵抗变形，且由于转子326的质心403处于枢转点408处，所以负载将趋于沿路径430向下通过支承板3 的本体传递到轴110。由于通过支承板 328传递的力不超出支承板328的本体，因此没有力矩臂，不发生转子326的显著变形。如关于图2A-2E所描述的那样，详细描述了一种显著增加输出而符合提出的SAE 衬垫安装标准的方法。该转子构造的优点还在于其能够抵抗由于剧烈加速度造成的变形。现参照图4G和4H(为了更清楚已经简化)，交流发电机200的转子201包括两个 直径相对的直径不等的转子。转子201包括同轴布置在双圆柱形转子壳体205轴向中心处 的支承板203，双圆柱形转子壳体205形成两个直径相对的具有较小直径的圆柱形壳体部 分207和209。圆柱形壳体部分207具有设置在壳体部分207的内壁内的预定数量(例如 8对)的交替磁极永磁体211。圆柱形壳体部分209也具有设置在壳体部分209的内壁内 的预定数量(例如8对)的交替磁极永磁体213。转子201的转子支承板203中心地定位 在壳体205内，但因为转子部分207具有比转子部分209大的直径，其具有转子201的质心 403稍微定位在枢转点408左边的稍大的质量。重要的要指出的是注意到转子部分207与 209之间质量差相对小，在加速期间形成小的力矩臂，比交流发电机100的力矩臂小得多， 且如预期的那样，产生小量扭曲。当交流发电机200经受加速度时，转子201的转子壳体部 分207将趋于绕枢转点408逆时针方向(方向426)偏移。转子201的转子壳体部分209 将趋于绕枢转点408顺时针方向(方向428)偏移。转子壳体201由于其圆柱形形状非常 适于抵抗变形，且由于转子201的质心403处于枢转点408稍微左边，所以负载将趋于传递 到轴110，由于存在的小力矩臂使转子支承板203仅稍微变形。通过利用不同输出优化交流发电机在需要双电压输出的应用中是有利的。通过形 成具有不同长度定子的交流发电机来以不同电压产生安培数输出，实现了优化。在这种应 用中，转子支承板可设计成充分抵抗加速度期间由于存在的增加的质心长度引起的变形。现参照图4I-4J(为了更清楚已大大简化)，在没有外力时，交流发电机309的转 子368与轴309同心并垂直于轴309 ；转子壳体372处在与轴309同轴的标称正常位置(由 线432和436标示)，且转子壳体372的前(最靠近前端板304)边缘处在垂直于轴309的 轴线的标称正常位置(由线438标示)，且转子壳体372的后(最靠近后端板306)边缘处 在也垂直于轴309的轴线的标称正常位置(由线440标示)。通常遇到的外力的平行于轴 309的轴线的各分量趋于对转子368、转子支承板370的布置几乎没有影响，且转子毂(未 示出)、锥形轴部分112和锁紧螺母(未示出)的协作足够坚固以抵抗转子368的轴向移动 或扭曲，且在任何情况下能够更大地容许轴向扭曲。但是，遇到的垂直于轴309轴线的外力 可具有足够强度，从而如果不适当解决也会使转子368扭曲。更具体来说，转子368具有质心(重心)403，该质心403延伸出转子支承板370与 轴309的结合处(示意性地示出为枢转点408)，由于不相等的长度，当经受垂直于轴309的 加速度时形成力矩臂(悬臂)。对于这些不完全垂直于轴309但具有垂直于轴110的合成 加速度分量的加速度来说也是如此。当经受垂直于轴309的轴线的加速度时，转子壳体372 由于其圆柱形形状而趋于抵抗变形，但在转子支承板370内的扭曲本身是显然的。实际上， 转子368是悬伸的，且响应于垂直加速度，转子368围绕枢转点408枢转。在转子368的最 远离枢转点408的部分，即转子壳体372的远(后部分374)端，经受从标称正常位置的最 大偏移。如果磁体378附近的偏移超过气隙AG，例如千分之31英寸，则磁体378会与定子 382撞击，可能造成破坏性过盈。例如，如图4J所示，响应于向上的加速度，转子368实际上会向下枢转(如图所示，但为了清楚起见进行了放大，沿逆时针方向)。转子部分374的上 侧将有效地从其标称正常位置432向下枢转大致由附图标记442指示的量。转子部分374 的下侧将有效地从其标称正常位置434向下枢转大致由附图标记444指示的量。相反，转 子部分376的上侧的远端将从标称正常位置432向上偏移大致由附图标记446指示的量， 且转子部分376的下侧将从其标称正常位置432向上偏移大致由附图标记448指示的量。 由于转子部分374最远离枢转点408，可以看到对于转子368的给定转动量来说最大的偏移 量。因此转子支承板370必须具有足够的强度来抵抗造成磁体378与定子382之间破坏性 撞击的变形。图2和3中所述的交流发电机，利用具有单个转子支承板的直径相对的转子壳体， 在增加输出和抵抗变形能力方面都尤其有利。尽管当然不能抵抗经受巨大加速度时的变 形，但在单个轴上直径相对定位的各包括分开端板的两个独立转子和转子壳体可实现对交 流发电机300的类似的输出增加。由于每个转子壳体实质上是悬伸的，所以必须小心地适 当设计和选择转子和板的材料，这将抵抗由于转子磁体与各定子碰撞产生的破坏性变形。现参照图5A-5F，交流发电机500适当地包括轴502，具有两个锥形突出部分504 和506，以及两个螺纹部分508和510 ；两个锁紧螺母512和514 ；前端板516 ；前部轴承122 ； 轴承套筒186 ；后端板518 ；后部轴保持环128 ；后部轴承130 ；两个转子530和532 ；定子 568和570 ；包含气流进口通气孔522的外壳520以及相应系杆524。风机537和539与通 气孔522协作来冷却交流发电机500的发热部件。如图5F所清楚示出的，两个转子530和 532都较佳地分别包括端帽534和536、圆柱形壳体538和MO以及设置在壳体538的内侧 壁内的预定数量(例如8对)交替磁极永磁体542和设置在壳体540的内侧壁内的预定数 量(例如8对)交替磁极永磁体M4。如图5D和5E所清楚示出的，转子530和532适当地基本上敞开，分别包括周向部 分546和M8、相应交叉臂550和552以及中心转子毂5M和556以分别提供到轴502的连 接。穿过转子530的端帽534设有相应的空气通路558，由周向部分M6、相邻交叉臂550以 及中心毂5M界定。穿过转子532的端帽536设有相应的空气通路560，由周向部分M8、 相邻交叉臂阳2以及中心毂556界定。中心转子毂5M和556分别包括具有预定锥度(例 如每英尺1英寸)的通孔562和564，该锥度对应于轴部分504和506的锥度。组装时，轴 502的轴颈穿过通孔562和564，使得轴锥形部分504和506在螺纹轴部分508和510紧接 着的前部接纳在孔562和564内。螺纹轴部分508和510与锁紧螺母514和516协作以将 转子530和532积极地定位在轴502上。如上文所描述的，交叉臂550和552的厚度适当 地选择成尽可能薄(以使重量和材料成本最少)，同时仍能承受预期负载。定子568和570适当地分别包括芯583和585以及导体绕组572和574。定子568 和570的芯适当地包括软磁材料薄片的叠片堆叠件，软磁材料例如非定向的低损(无铅) 钢，各薄片切割或冲切成所要求的形状对准并连结(例如在精确夹具内焊接或环氧粘合在 一起以保持各叠层对准)。定子568和570的芯大致为圆柱形，具有轴向锯齿状外周表面， 即包括预定数量的齿158和狭槽160。定子568和570都较佳地基本上敞开，定子568具有 中心孔576并适当地包括交叉臂575、径向定位结构577和轴向通孔578以便于使用安装螺 栓580安装到前部端板516，且定子570具有中心孔582并适当地包括交叉臂579、径向定 位结构581和轴向通孔584以便于使用安装螺栓518安装到后端板586。
由适当绝缘的电导体(较佳地是涂漆的铜质电动机式导线)形成的绕组572和 574分别设置在定子568和570的芯583和585上，缠绕穿过相应狭槽160，沿芯的侧面向 外绕过预定数量的齿158，并然后绕回穿过另一狭槽。组装时，定子568与转子530同轴设置，并紧密地接纳在转子530的内腔内。如将 解释的那样，前端板516将前定子568安装和定位成使其适当地对准在转子530的内腔内， 且定子570与转子532同轴布置并紧密地接纳在转子532的内腔内。如下文将解释的那样， 后端板518将后定子570安装和定位成使其适当地对准在转子532的内腔内。定子568和 570的周向表面通过小的预定气隙AG分别与磁体542和544的内表面分隔开(参见例如图 1F)。前端板516适当地包括台阶形中心毂592，该中心毂592具有向前直径减小部分 594和穿过其中的中心孔596，以及大致圆柱形的外周部分598，该外周部分较佳地具有与 后端板518相同的外部轮廓，并通过相应交叉臂501连接到毂592。相应埋头钻孔503设置 在圆柱形外周部分598内。与定子交叉臂孔578对应的预定数量的螺纹孔553 (例如4个) 设置在毂592的台阶形表面上。直径减小部分594大致等于(但稍小于)定子568的交叉 臂575上同心径向定位结构577的直径，从而前端板部分594可紧密地接纳在定子568的 交叉臂575上同心径向定位结构577内。前轴承套筒186紧密地接纳在前端板毂592的埋 头钻孔505内，且因此与轴承122和轴502对中。定子568安装在毂592上，直径减小毂部 分594接纳在定子568的交叉臂575上同心径向定位结构577内，定子前侧壁抵靠毂台阶。 相应螺栓580穿过通孔578并固定在螺纹孔553内，将定子568固定到前端板516。因此定 子516相对于轴502积极定位并对准。后端板518承载并定位后部轴承130，安装并定位定子570。后端板518适当地包 括台阶形中心毂509，该中心毂511具有向前直径减小部分511和穿过其中的中心孔513， 以及大致圆柱形的外周部分515，该外周部分较佳地具有与前端板516相同的外部轮廓，并 通过相应交叉臂517连接到毂509。相应的螺纹孔519在距离中心相等径向距离处设置在 圆柱形外周部分515内且角度设置与前端板516上的埋头钻孔503相同。与定子交叉臂孔 584对应的预定数量的螺纹孔591(例如4个)设置在毂509的台阶形表面上。直径减小部 分511的外径大致等于(或稍小于)交叉臂579上同心径向定位结构581的直径，从而后 端板部分511可紧密地接纳在定子570的交叉臂579上同心径向定位结构581内。后部轴 承130紧密地接纳在后端板毂509的孔513内，并因此与轴502对中。定子570安装在毂 509上，直径减小毂部分511接纳在定子570的交叉臂579上同心径向定位结构581内，定 子后侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓586穿过通孔584并固定在螺纹孔591内，将定子570固 定到后端板518。因此定子570相对于轴502积极定位并对准。转子530和532安装在轴502上以随着轴转动。定子568和570紧密地接纳在 转子530和532内，通过小的气隙AG与转子530和532分隔开(参见例如图1F)。前端板 516、轴承套筒186、前部轴承122、后部轴承130、后端板518、外壳520和系杆5 作为支承 组件协作来保持轴502、转子530和532以及定子568和570对准。通过轴承套筒186、轴 承122和130来保持轴502，轴承122和130分别安装在前端板516和后端板518上，并可 转动地保持轴502与端板对准并与端板同心且垂直。转子530和532安装成在轴502上转 动，通过与锥形轴部分504和506协作而积极定位。前端板516将定子568安装和定位成使其设置在转子530内与轴502和转子530恰当对准。后端板518将定子570安装和定位 成使其设置在转子532内与轴502和转子532恰当对准。外壳520具有垂直于其轴线(较 佳地为圆柱形)的端面，并设置在前端板516与后端板518之间。系杆5M将端板516和 518抵靠外壳520压紧，保持各部件平直对准。再参照图5F，通过采用冷却系统将冷却气流弓I导经过定子568的定子绕组572 (较 佳地分别通过松散缠绕的后侧和前侧端部线圈523和52 并穿过定子570的定子线圈 574 (较佳地分别穿过松散缠绕的后侧和前侧端部线圈527和529)，该冷却系统包括空气进 口通气孔522，内部定子空隙531，转子空气通道560和558，定子中心孔580和582，由相邻 的后端板交叉臂517、外部515和毂509界定的后端板518空气通路533，由相邻后端板交 叉臂501、外部598和毂592界定的前端板516空气通路535，以及风机537和539。通过外 壳520的空气进口通气孔522进入转子530和532之间内部转子空隙531的空气分成两部 分，一半气流进入转子空气通道560，另一半进入转子空气通路558。将离开转子空气通道 560的气流引导经过定子绕组574的前侧端部线圈529。在离开前端部线圈5 之后，气流 与转子偏斜件590协作进入定子570中心孔582，并然后借助于适当的相对设置或轮廓或 如图5D的实施例中那样与后部偏斜件535协作被引导经过定子绕组574的松散缠绕的后 端部线圈527。然后气流进入由后端板518内的相邻后端板交叉臂517、外部515和毂509 界定的通路533并由通过螺母589安装在轴502上的风机539驱动。将离开转子空气通道 558的气流引导经过定子绕组572的后侧端部线圈523。在离开后端部线圈523之后，气流 与偏斜件541协作进入定子568中心孔580，并然后借助于适当的相对设置或轮廓或如图 5D的实施例中那样与前部偏斜件587协作被引导经过定子绕组574的松散缠绕的后端部线 圈525。然后气流进入由前端板516内的相邻前端板外部598、交叉臂501和毂592界定的 通路535并由风机537驱动。在较佳实施例中，离心式风机537安装成在带轮136与前端 板516之间随着轴502转动，且离心式风机539安装成在螺母589与后端板518之间随着 轴502转动。各空气通路的横截面、轮廓(转弯和边缘)和相对设置较佳地选择成使空气 速度的减小最少，并使经过定子568的端部线圈523和525以及定子570的端部线圈527、 529的气流最大。更具体地说，将总地用箭头541指示的冷却空气通过进口通气孔522引入交流发 电机500并进入内部转子空隙531。气流543分成四个不同的气流路径545、547、549和 551。气流545进入转子通路558并冲击定子端部线圈523。在离开端部线圈523之后，气 流545被转子空气偏斜件541改向并进入定子568的孔576。然后气流545通过使用前端 板空气偏斜件587改向经过端部线圈525，然后由风机537驱动通过空气通道535离开定子 500。气流547移动通过转子壳体538和外壳520之间，由此冷却附连到转子壳体538的磁 体M2。然后气流547冲击端部线圈525，此后其进入空气通路535，由风机537驱动离开 交流发电机500。气流549进入转子通路560并冲击定子端部线圈529。在离开端部线圈 529之后，气流549被转子空气偏斜件590改向并进入定子570的孔582。然后气流549通 过使用后端板空气偏斜件535改向经过端部线圈527，然后由风机533驱动通过空气通道 533离开定子500。气流551移动通过转子壳体540和外壳520之间，由此冷却附连到转子 壳体MO的磁体M4。然后气流551冲击端部线圈527，此后其进入空气通路533，由风机 539驱动离开交流发电机500。气流545和547冷却前部部件，具体是端部线圈523和525以及磁体M2，且气流549和551冷却后部部件，具体是端部线圈5 和527以及磁体M4。尽管有效地冷却交流发电机500的各部件，但空气进口 522不可能总是适于所有 应用，在该情况下，必须利用类似于交流发电机300的气流路径。现参照图5G，交流发电机555适当地包括轴557，包括两个锥形突出部分559和 561，以及两个螺纹部分561和593 ；两个锁紧螺母512和514 ；前端板516 ；前部轴承122 ；轴 承套筒186 ；后端板518 ；后部轴保持环128 ；后部轴承130 ；两个转子5 和528 ；定子568 和570 ；外壳573以及相应系杆595。如图5G所清楚示出的，两个转子530和532都较佳地 分别包括端帽534和536、圆柱形壳体538和MO以及设置在壳体538的内侧壁内的预定 数量(例如8对)交替磁极永磁体542和设置在壳体MO的内侧壁内的预定数量(例如8 对)交替磁极永磁体讨4。转子530和532适当地基本上敞开，分别包括周向部分546和M8、相应交叉臂550 和552以及中心转子毂5M和556以分别提供到轴502的连接。穿过端帽534设有相应的 空气通路558，由周向部分M6、相邻交叉臂550以及中心毂M4界定。穿过端帽536设有 相应的空气通路560，由周向部分M8、相邻交叉臂552以及中心毂556界定。中心转子毂 554和556分别包括具有预定锥度(例如每英尺1英寸)的通孔562和564，该锥度对应于 轴部分559和561的锥度。组装时，轴502穿过通孔562和564，使得轴锥形部分559和561 在螺纹轴部分561和563紧接着的前部接纳在孔562和564内。螺纹轴部分561和563与 锁紧螺母514和516协作以将转子530和532积极地定位在轴502上。如上文所描述的， 交叉臂550和552的厚度适当地选择成尽可能薄(以使重量和材料成本最少)，同时仍能承 受预期负载。转子530和532安装成轴向紧靠轴557，从而当转子530安置在锥形部分559 上且转子532安置在锥形部分561上时，在组装后保持小间隙565。这确保当分别对螺栓 512和514施加扭矩时各转子将具有适当的间隙来完全安置。转子空气通道558和560在 组装期间对准以形成不间断的冷却流体通路。定子568和570适当地分别包括芯583和585以及导体绕组572和574。定子568 和570的芯适当地包括软磁材料薄片的叠片堆叠件，软磁材料例如非定向的低损(无铅) 钢，各薄片切割或冲切成所要求的形状对准并连结(例如在精确夹具内焊接或环氧粘合在 一起以保持各叠层对准)。定子568和570的芯大致为圆柱形，具有轴向锯齿状外周表面， 即包括预定数量的齿158和狭槽160。定子568和570都较佳地基本上敞开，定子568具有 中心孔576并适当地包括交叉臂575、径向定位结构577和轴向通孔578以便于使用安装螺 栓580安装到前部端板516，且定子570具有中心孔582并适当地包括交叉臂575、径向定 位结构581和轴向通孔584以便于使用安装螺栓586安装到后端板518。由适当绝缘的电导体(较佳地是涂漆的铜质电动机式导线)形成的绕组572和 574分别设置在定子568和570的芯583和585上，缠绕穿过相应狭槽160，沿芯的侧面向 外绕过预定数量的齿158，并然后绕回穿过另一狭槽。组装时，定子568与转子530同轴设置，并紧密地接纳在转子530的内腔内。如将 解释的那样，前端板516将前定子568安装和定位成使其适当地对准在转子530的内腔内， 且定子570与转子532同轴布置并紧密地接纳在转子532的内腔内。如下文将解释的那样， 后端板518将后定子570安装和定位成使其适当地对准在转子532的内腔内。定子568和 570的周向表面通过小的预定气隙AG分别与磁体542和544的内表面分隔开(参见例如图1F)。前端板516适当地包括台阶形中心毂592，该中心毂592具有向前直径减小部分 594和穿过其中的中心孔596，以及大致圆柱形的外周部分598，该外周部分较佳地具有与 前端板518具有相同的外部轮廓，并通过相应交叉臂501连接到毂592。相应埋头钻孔503 设置在圆柱形外周部分598内。与定子交叉臂孔578对应的预定数量的螺纹孔553(例如 4个)设置在毂592的台阶形表面上。直径减小部分594大致等于(但稍小于)定子568 的交叉臂575上同心径向定位结构577的直径，从而前端板部分594可紧密地接纳在定子 568的交叉臂575上同心径向定位结构577内。前轴承套筒186紧密地接纳在前端板毂592 的埋头钻孔505内，且因此与轴承122和轴502对中。定子568安装在毂592上，直径减小 毂部分594接纳在定子568的交叉臂575上同心径向定位结构577内，定子前侧壁抵靠毂 台阶。相应螺栓580穿过通孔578并固定在螺纹孔553内，将定子568固定到前端板516。 因此定子516相对于轴502积极定位并对准。后端板518承载并定位后部轴承130，安装并定位定子570。后端板518适当地包 括台阶形中心毂509，该中心毂511具有向前直径减小部分511和穿过其中的中心孔515， 以及大致圆柱形的外周部分517，该外周部分较佳地具有与前端板516具有的外部轮廓，并 通过相应交叉臂517连接到毂509。相应的螺纹孔519在距离中心相等径向距离处设置在 圆柱形外周部分515内且角度设置与前端板516上的埋头钻孔503相同。与定子交叉臂孔 584对应的预定数量的螺纹孔591(例如4个)设置在毂509的台阶形表面上。直径减小部 分511的外径大致等于(但稍小于)交叉臂579上同心径向定位结构581的直径，从而后 端板部分511可紧密地接纳在定子570的交叉臂579上同心径向定位结构581内。后部轴 承130紧密地接纳在后端板毂509的孔513内，并因此与轴502对中。定子570安装在毂 509上，直径减小毂部分511接纳在定子570的交叉臂579上同心径向定位结构581内，定 子后侧壁抵靠毂台阶。相应螺栓586穿过通孔584并固定在螺纹孔519内，将定子570固 定到后端板518。因此定子570相对于轴502积极定位并对准。转子530和532安装在轴502上以随着轴转动。定子568和570紧密地接纳在 转子530和532内，通过小的气隙AG与转子530和532分隔开(参见例如图1F)。前端板 516、轴承套筒186、前部轴承122、后部轴承130、后端板518、外壳520和系杆5 作为支承 组件协作来保持轴502、转子530和532以及定子568和570对准。通过轴承套筒186、轴 承122和130来保持轴502，轴承122和130分别安装在前端板516和后端板518上，并可 转动地保持轴502与端板对准并与端板同心且垂直。转子530和532安装成在轴502上转 动，通过与锥形轴部分557和559协作而积极定位。前端板516将定子568安装和定位成 使其设置在转子530内与轴502和转子530恰当对准。后端板518将定子570安装和定位 成使其设置在转子532内与轴502和转子532恰当对准。外壳520具有垂直于其轴线(较 佳地为圆柱形)的端面，并设置在前端板516与后端板518之间。系杆597将端板516和 518抵靠外壳573压紧，保持各部件平直对准。参照图5G，通过采用包括后端板518内的空气通路533、定子570中心孔582、转子 空气通道558和560、定子568中心孔576和前端板空气通道535的冷却系统引导冷却气 流经过定子570的定子绕组574(较佳地分别穿过松弛缠绕的后侧和前侧端部线圈527和 529)。引导进入后端板空气通路533的空气冲击绕组518的后侧端部线圈527。借助于适当的相对设置或轮廓，或如图5G的实施例中所示与转子偏斜件590协作将排出定子中心孔 582的空气引导到冲击绕组574(前侧端部线圈529)。将排出转子空气通道558和560的 空气引导到冲击定子568的绕组572(较佳地分别通过松弛缠绕的后侧和前侧端部线圈523 和52 。在穿过后侧端部线圈523之后，然后通过使用转子偏斜件Ml引导到定子568中 心孔576，然后经过前侧端部线圈525，然后穿过前端板516空气通路535。可将异步强制空 气供给，例如Lafontaine等人描述的电动风机安装在后端板518后部以增强空气流动。在 较佳实施例中，离心式风机138安装成在带轮136与前端板516之间随着轴557转动。各 空气通路的横截面、轮廓(转弯和边缘)和相对设置较佳地选择成使空气速度的减小最少， 并使经过定子570的端部线圈527、5四和定子570的端部线圈523、525的气流最大。更具体地说，将总地用箭头567指示的冷却空气通过后端板空气通路533引入交 流发电机阳5。气流567冲击在后端部线圈527上。然后气流567分成相应的流571和569。 在流出端部线圈527之后，气流571流过定子570中心孔582，冲击转子偏斜件590，被引导 穿过前侧松弛缠绕的端部线圈529、转子通路558和560，然后与转子偏斜件541协作冲击 定子568的端部线圈523，被引导到定子568中心孔576，然后部分冲击端部线圈525，并然 后通过前端板516内的空气通路535流出交流发电机555。气流569在流出后侧端部线圈 527之后，流过转子壳体538和540外侧与外壳573的内侧之间，然后冲击定子568的前侧 端部线圈525，然后通过前端板516内的空气通路535流出交流发电机555。气流569提供 对磁体M4、542和端部线圈574和525的冷却。气流571提供对端部线圈527、5 、523和 525的冷却。磁边缘通量的效果是公知的，且可用来增加永磁机器的功率。在常规永磁体机器 中，磁体的长度大致等于定子长度。如果能够将磁体的长度延伸超过定子表面，则形成的磁 边缘通量场会延伸超过定子并与也延伸超过定子的绕组端部线圈相交。因此，在一实施例 中，永磁体具有超过预定定子表面长度的预定长度，且在一实施例中具有多个定子，多组多 个磁体的预定长度可超过相应定子表面长度的表面长度。结果是磁通的总体增加与线圈相 互作用，对于给定长度的定子，这又产生更多的功率。现参照图6A和6B，也符合SAE提出的衬垫安装标准版本2_3的交流发电机600 在所有方便都非常类似于交流发电机100，除了转子602，其根据本发明的各方面包括轴 110，较佳地包括锥形突出部分112和螺纹部分114(最好参见图1E)、定子118、前端板120、 前部轴承122、锁紧螺母124、后端板126、后部轴保持环128、后部轴承130、外壳132和相应 的系杆(未示出)。转子602安装在轴110上以随着轴110转动。定子118紧密地接纳在 转子602内，通过小的气隙AG与转子602分隔开(参见例如图1F)。前端板120、轴承套筒 186、前部轴承122、后部轴承130、后端板126、外壳132和系杆(未示出)作为支承组件协 作来保持轴110、转子602和定子118对准。通过轴承122和130来保持轴110，轴承122和 130分别安装在前端板120和后端板1 上，并可转动地保持轴110与端板对准并与端板同 心且垂直。转子602安装成在轴110上转动，通过与锥形轴部分112协作而积极定位。后 端板126将定子118安装和定位成使其设置在转子116内与轴110和转子602恰当对准。 外壳132具有垂直于其轴线(较佳地为圆柱形)的端面，并设置在前端板120与后端板126 之间。系杆(未示出)将端板120和1 抵靠外壳132压紧，保持各部件平直对准。如图6B所清楚示出的，转子602较佳地包括端帽604、圆柱形壳体606和设置在壳体606的内壁内的预定数量(例如8对)的交替磁极永磁体608。磁体608延伸超过定子118的定子表面610和612。理想的是，超过定子表面604 和606的延伸部应当在两侧具有相等长度，且在3/16至5/16英寸范围内。超过上述的增加 在磁性方面几乎没有益处，且仅会增加交流发电机的总成本。由于稀土磁体是永磁体交流 发电机的最昂贵部件之一，所以有利的是仅使用产生所要求输出所需的最少量的磁材料。如Lafontaine等人所描述的，永磁体机器运行期间，嵌齿会产生不合要求的效 果。当考虑双转子交流发电机时，由于定子、转子和磁体的总体长度增加，嵌齿效应被大大 放大。使叠片偏斜消除大部分嵌齿效应。由于稀土磁体的特性，即磁体必须保持低于一定 温度(居里温度)以防止磁体永久退磁，有利的是开发一种使偏斜定子能够安装在后端板 上同时使对冷却流体的影响最小的方法。现参照图7A-7F，定子700适当地包括软磁材料薄片的叠片堆叠件，软磁材料例如 非定向的低损(无铅)钢，具有芯702和导体绕组(未示出)。定子700较佳地基本上敞开， 具有由芯704的圆柱形内表面706限定的中心孔704，芯704具有适当的交叉臂708和径向 定位结构710，包括圆柱形通孔718以将定子700固定到端板720。叠片通常为圆柱形，具 有轴向锯齿状外周表面，即包括预定数量的齿714和狭槽716，各叠片切割或冲切成所要求 的形状对准并连结(例如在精确夹具内焊接或环氧粘合在一起以保持各叠层预定对准)。如图7B清楚示出的，无法使用用于安装偏斜定子的圆柱形通孔718，因为通孔的 总体轴向截面面积由于相邻片的逐渐偏斜而减小。截面面积的逐渐减小使得由于在位置 724处的过盈而不能用安装螺栓722穿过通孔718到达端板720并仍保持垂直性。使用 Lafontaine等人所述的夹持环来固定定子700也是欠佳的，因为其减小定子中心孔706用 于冷却流体的中心孔的有效直径。如图7C所清楚示出的，夹持环732用于与螺栓722协作 来压紧定子700。形成夹持件732的直径减小部分734。为了克服偏斜定子内圆柱形通孔的横截面积逐渐减小并使气流最大，交叉臂 710应当适当地包括径向有狭槽的孔726以便于将芯700安装到端板720。较佳的是，如 Lafontaine等人所描述的，从定子表面7 到定子表面730的总角度偏斜是形成在定子叠 片的相邻齿之间的角度(参见图7A)。因此，为了计算角度偏斜，将定子齿的总数除360°。 在48齿定子的情况下，就是360/48或7. 50°的偏斜。为了确保螺栓722在通孔732内的足 够间隙，围绕径向槽7 的弧必须等于或稍大于所要求的偏斜(在48齿定子中为7. 50° ) 所形成的角度，以确保适当的间隙(参见图7E和7F)。如图7G所清楚示出的，有径向狭槽 的通孔732使安装螺栓722能够拧入孔738并保持垂直于端板720安装表面734。有利的 是包括垫圈736以分布施加到定子700的夹持力，因为径向狭槽可消除否则在圆柱形通孔 内可用的某些夹持表面。该安装定子700的方法能够使冷却流体穿过定子700的中心孔的 可能横截面积最大。如上所述，使定子叠片偏斜一个完整的齿可消除嵌齿。由于转子转动时磁体和偏 斜线圈的相互作用，已偏斜该度数的定子将经受磁通密度损失。降低嵌齿而不会不利地影 响磁通密度的唯一可能可在双转子构造中实现。现参照图8A和8B，转子800包括圆柱形转子壳体802、中心支承板804以及磁体 806和808。磁体806在圆柱形转子壳802内均勻地径向布置。磁体808也在圆柱形转子 壳802内均勻地径向布置。磁体808的轴向边缘定位在转子壳802内，使得由磁体808的边缘形成的证示线810将磁体806的中心轴线二等分。 本发明可以其它特定形式来具体实施而不脱离其精神或实质特征。上述实施例在 所有方面都将被理解成仅仅是示例性的和非限制性的。所有落入权利要求书的等同意义和 范围内的改变都将被包含在该范围内。
权利要求
1.一种功率转换装置，包括轴、第一定子、第二定子、第一转子和直径相对的第二转子，所述轴、定子和转子壳体同 轴布置，所述转子壳体安装在所述轴上，所述第一和第二定子分别包括至少一个绕组；其中所述第一转子还包括第一多个永磁体，所述第一多个永磁体联接到所述第一转 子并靠近所述第一定子设置，并通过第一预定间隙距离与所述第一定子分隔开，从而所述 第一定子与第一转子的相对运动使来自所述磁体的磁通量与所述第一定子绕组相互磁作 用；其中所述第二转子还包括第二多个永磁体，所述第二多个永磁体联接到所述第二转子 并靠近所述第二定子设置，并通过第二预定间隙距离与所述第二定子分隔开，从而所述第 二定子与第二转子的相对运动使来自所述磁体的磁通量与所述第二定子绕组相互磁作用； 以及所述相应第一和第二多个永磁体的相应的预定长度超过相应预定的第一和第二定子 表面长度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括冷却系统，所述冷却系统用于引导冷 却剂流动与所述绕组和磁体中的至少一个热力接触，所述冷却系统产生以预定速度或高于 预定速度流过预定流动路径的充分冷却剂流动，从而消散产生的热量并保持所述磁体的温 度低于预定破坏性值。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二定子狭槽和相应永磁体中 的至少一个的设置相对于所述第一和第二定子的轴线偏斜预定的量。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一芯侧表面处所述狭槽的径向位置 从所述第二芯侧表面处所述狭槽的径向位置偏移。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述轴具有预定直径并包括轴锥形部分，所 述轴锥形部分在相对于所述第一和第二定子的预定位置处设置在所述轴的端部之间，所述 轴锥形部分的直径根据预定锥度从最小直径变化到大于所述轴预定直径的预定最大直径； 以及所述第一和第二转子包括毂和中心通孔，所述中心通孔具有对应于所述轴的至少一个 轴锥形部分的锥度的预定锥度，所述锥形通孔的直径根据所述预定锥度从大于所述轴预定 直径的最小通孔直径变化到预定最大通孔直径；以及所述第一和第二转子毂设置成所述轴的轴颈穿过并延伸通过毂通孔，所述轴锥形部分 接纳在所述通孔内，所述通孔的内表面与所述轴锥形部分的外表面匹配接触，其中所述锥 形第一和第二转子孔的协作是与所述轴锥形部分的表面接触，将所述第一和第二转子都相 对于所述轴和第一和第二定子轴向和径向定位，将所述第一和第二转子联接到所述轴以随 着所述轴转动。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二转子和轴构成一体单元。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括第一端板，其中所述第一转子安装在 所述第一端板上；且所述第一定子安装成相对于所述第一端板转动。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述轴可转动地联接到所述第一端板。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一和第二转子包括端帽，所述端帽将 圆柱形壳体联接到所述轴；所述壳体和端帽构成一体单元。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述冷却系统还包括穿过所述第一端板的 至少第一通路，所述第一通路与所述预定流动路径流体连通。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述冷却系统的冷却剂是空气，且所述冷 却系统还包括设置成使空气移动通过所述第一端板通路和所述预定流动路径的强制空气供给。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述强制空气供给包括相对于所述第一 定子的转动异步的风机。
13.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述冷却系统还包括至少穿过所述第一定 子芯的通路，且穿过所述第一转子的第一通路与所述第一定子芯通路流体连通。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述冷却系统还包括安装成随着所述第 一转子转动的风机，所述第一转子设置成使冷却剂移动通过所述第一定子芯通路。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述定子绕组包括端部线圈，所述端部线 圈弯曲到穿过所述第一定子芯通路的冷却剂流动路径内。
16.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述冷却系统还包括设置在所述第一定 子与第一转子之间的偏斜件表面以从所述第一定子通路引导冷却剂流动与绕组端部线圈 热力接触。
17.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括第二端板，其中所述第二转子安装 在所述第二端板上；且所述第二定子安装成相对于所述第二端板转动。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述轴可转动地联接到所述第二端板。
19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述冷却系统还包括穿过所述第二端板 的至少第二通路，所述第二通路与所述预定流动路径流体连通。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述冷却系统的冷却剂是空气，且所述冷 却系统还包括设置成使空气移动通过所述第二端板通路和所述预定流动路径的强制空气 供给。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述强制空气供给包括相对于所述第二 定子的转动异步的风机。
22.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述冷却系统还包括至少穿过所述第二定 子芯的通路，且穿过所述第二转子的通路与所述第二定子芯通路流体连通。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述冷却系统还包括安装成随着所述第 二转子转动的风机，所述第二转子设置成使冷却剂移动通过所述第二定子芯通路。
24.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述第二定子绕组包括端部线圈，所述端 部线圈弯曲到穿过所述第二定子芯通路的冷却剂流动路径内。
25.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述冷却系统还包括设置在所述第二定 子与第二转子之间的偏斜件表面以从所述第二定子通路引导冷却剂流动与绕组端部线圈 热力接触。
26.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述冷却系统还包括设置在所述第一与第 二转子之间的转子偏斜件。
27.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括第二端板以及外壳，其中所述第一 和第二转子壳体、第一和第二定子芯以及外壳与所述轴同心，所述轴可转动地联接到所述第一和第二端板；所述第二转子安装在所述第二端板上；且所述第一和第二定子联接到所 述轴以随着所述轴在所述第一和第二端板之间并在所述外壳内转动。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述冷却系统包括穿过所述第一和第二 定子芯的通路，且穿过所述第一和第二转子的通路与所述第一和第二定子芯通路流体连通。
29.如权利要求观所述的装置，其特征在于，所述第一和第二转子通路设置成引导冷 却剂流动通过第一端板通路，与所述第一定子第一绕组端部线圈热力接触，穿过所述第一 定子芯通路，与所述第一定子第二绕组端部线圈热力接触，与所述第二定子第一绕组端部 线圈热力接触，穿过所述第二定子芯通路，与所述第二定子第二绕组端部线圈热力接触，穿 过第二端板通路；并与所述第一和第二磁体热力接触。
30.如权利要求四所述的装置，其特征在于，还包括相应系杆，所述系杆与所述第一和 第二端板协作，将所述第一和第二端板抵靠所述外壳压紧；所述第一和第二端板、外壳和系 杆协作以保持所述轴、第一和第二转子以及第一和第二定子对准。
31.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述冷却剂是空气，且所述冷却系统还包 括设置成使空气移动通过所述第一和第二端板通路和所述第一和第二定子芯通路的至少 一个强制空气供给。
32.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述强制空气供给包括至少一个电动风机。
33.如权利要求32所述的装置，其特征在于，电动风机安装在所述第一和第二端板上。
34.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述强制空气供给包括设置成随着所述 轴转动的至少一个风机。
35.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一转子和第一定子对以及第二转子 和第二定子对包括独立的电输出。
36.如权利要求35所述的装置，其特征在于，所述独立输出构造成分别提供直流电和 交流电。
37.如权利要求35所述的装置，其特征在于，所述第一转子和定子对以及第二转子和 定子对构造成提供最佳为12V DC的输出电压范围和最佳为IlOV AC的第二独立电压范围。
38.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁体的所述表面长度构造成形成磁边缘通量定子。
39.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相对的磁体构造成径向偏移以减小嵌齿。
40.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二定子的叠片构造成偏斜以 减小嵌齿。
41.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一和第二定子包括多个绕组，这些 绕组的端部线圈向外延伸超出所述芯变化的距离，以呈所述冷却剂流动路径内的栅格状结 构。
42.如权利要求41所述的装置，其特征在于，所述端部线圈向外延伸超过所述芯周向 部分侧表面以提供所述端部线圈与芯周向部分侧表面之间的空间，由此便于所述线圈内产 生的热的消散。
43.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二转子、第一和第二定子协 作作为用于车辆的紧凑型高功率交流发电机。
44.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二转子、第一和第二定子协 作作为用于改装现有车辆的紧凑型高功率交流发电机。
45.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一转子和直径相对的第二转子的设 计有助于抵抗由于加速度造成的装置变形。
46.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一转子和直径相对的第二转子的设 计缩短所述装置的力矩臂长度，并减小多个转子的变形。
47.一种功率转换装置，包括轴、第一定子、第二定子、第一转子和直径相对的第二转子，所述轴、定子和转子壳体同 轴布置，所述转子壳体安装在所述轴上，所述第一和第二定子包括至少一个绕组所述第一转子包括第一多个永磁体，所述第一多个永磁体靠近所述第一定子设置，并 通过预定间隙距离与所述第一定子分隔开，从而所述第一定子与第一转子的相对运动使来 自所述磁体的磁通量与所述第一定子绕组相互磁作用；所述第二转子包括第二多个永磁体，所述第二多个永磁体靠近所述第二定子设置，并 通过预定间隙距离与所述第二定子分隔开，从而所述第二定子与第二转子的相对运动使来 自所述磁体的磁通量与所述第二定子绕组相互磁作用；其中所述相应第一和第二多个永磁体的预定长度超过预定的第一和第二定子的各自 表面长度；其中所述装置还包括将所述装置联接到表面的四个凸片；其中所述第一和第二定子狭槽和相应永磁体中的至少一个的设置相对于所述第一和 第二定子的轴线偏斜预定的量；以及其中所述第一转子和定子对以及第二转子和定子对包括独立的输出电压。
48.如权利要求47所述的装置，其特征在于，所述独立输出电压包括直流电和交流电。
49.如权利要求48所述的装置，其特征在于，所述第一转子和第一定子对以及第二转 子和第二定子对构造成提供最佳为12V DC的输出电压范围和最佳为IlOV AC的第二独立 电压范围。
全文摘要
一种用于在机械能与电能之间转换的装置，尤其适于用作用于车辆使用的紧凑性高功率交流发电机和现有车辆的“拆除和替换”改装。本发明的各方面提供一种显著增加永磁体交流发电机的输出同时解决径向负载施加到永磁体交流发电机转子的问题的方法。本发明的另一方面能够产生两种不同电压的功率。本发明的一方面允许通过使用磁边缘通量使输出能力的显著增加而不会增加轴向长度。本发明的一方面提供一种安装偏斜层叠件的有效方法，该方法消除或降低永磁体机器内存在的嵌齿而不会不利地影响空气流动。本发明的另一方面通过将双转子永磁体机器的相对磁体径向偏移来减小嵌齿。
文档编号H02K16/00GK102084579SQ200980112561
公开日2011年6月1日 申请日期2009年2月9日 优先权日2008年2月7日
发明者C·Y·拉弗塔尼, H·C·斯科特 申请人:磁应用股份有限公司