紧凑的大功率交流发电机制造技术

一用来在机械能和电能之间进行转换的装置，其特别地适于用作汽车用途的紧凑的大功率发电机，以及“可移去和更换”地翻新现有的车辆。该装置包括一带有永久磁体的转子、一带有绕组的定子，以及一冷却系统。本发明专利技术揭示了各种机构，其通过最大程度地减小转子位移和吸收超过允许值的转子位移来防止转子磁体与定子冲撞。冷却系统引导冷却剂流动，与绕组和磁体中的至少一个形成热力接触，冷却系统包括至少一个通过定子芯的通道。描述了各种敞开的和闭合的冷却系统。例如，通过疏松地卷绕绕组端部匝、利用非对称的气流源，和／或引导冷却剂通过延伸通过定子的管道以与绕组形成热力接触，由此便于实现冷却。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械能和电能之间转换的机器，具体来说，涉及一使用适用于汽车用 途的永久磁体的紧凑的大功率交流发电机。
技术介绍
一发电机通常包括一安装在转动轴上并相对于一静止的定子同心地设置的转子。 或者，一静止的转子可同心地定位在一转动的定子内。诸如一发动机或涡轮机那样的一外 部能源通常直接地或通过诸如一皮带轮那样的中间系统驱动转动元件。定子和转子都具有 一系列磁极，转子或定子产生一磁场，该磁场与其它结构的极上的绕组线圈互相作用。由于 磁场切割绕组线圈，所以，产生电流，其提供给一合适的负载。该感应的电流通常施加到一 桥式整流器，有时进行调整并作为一输出提供。在某些情形中，调整的输出信号施加到一变 换器以提供一交流电(AC)。反过来，如果一合适的电信号施加到绕组线圈，则该装置就可起作一电动机。传统上，用于汽车用途上的发电机通常包括一安装在发动机外部上的外壳；一 容纳在外壳内的具有3相绕组的定子，一皮带传动的爪极型(例如，Lundell)转子可转动 地支承在定子内的外壳中。然而，这样传统的爪极型发电机的功率输出正比于发电机的尺 寸；为了提高功率输出，传统发电机的尺寸必须显著地增大。因此，车辆内的空间限制使得 这样的发电机难于用作高功率输出，例如，5kW的应用，诸如用于空调、冰箱，或通讯装置的 供电的应用。此外，爪极型发电机的缺点还在于，电压的调整是通过调整转动场来实现。这 样的调整影响所有的绕组。因此，电压的调整和个别绕组的控制不能实行。此外，爪极型转子、承载绕组相对较重(通常包括重达发电机总重量的一半)，并 形成很大的惯性。每次发动机加速时，这样的惯性对发动机有效地呈现一载荷。这趋于降 低发动机的效率，导致燃料额外地消耗。发电机转动部件质量和直径的减小将导致减小发 动机须克服的总的惯性，由此，提高燃料的经济性。一永久磁体发电机理想地定位以便减小 总的惯量。与传统的Lundell发电机相比，转动部件的质量和直径减小，同时，提供一等量 的功率。机动车辆发电机中惯量的减小还转换为发动机加速发电机所需要马力的减小。可 以想见，马力的减少则可作用于车辆的传动系，导致更多的马力推动车辆。例如，对于必须 对付限制赛车发动机产生马力规定的赛车工程师来说，其尤感兴趣于这一点。即使驱动轮子的马力方面有稍许的改进，也可产生巨大的竞技利益。此外，在诸如电动的或混合型车辆的应用中，这样的惯量可存在众多问题。混合型 车辆利用一汽油发动机在高于预定阈值的速度下推进车辆，例如，30kph的速度(通常对应 于汽油发动机最有效的RPM的范围)。同样地，在所谓“轻度混合型”中，采用一起动发电 机，当驾驶员踩下加速器踏板时，该起动发电机提供一起始的推进爆发力，而当车辆因交通 而停车时，便于关闭车辆发动机以节约燃油和降低排放。这样的轻度混合型系统通常考虑 使用一高压(例如，42伏)电气系统。在此系统中的发电机必须能对电池充电达到能驱动 起动发电机的足够程度，以便在相继的停车之间(尤其是，停停开开的交通车辆)提供起动 的爆发力。因此，需要有一相对大功率、低惯量的发电机。一般来说，需要有附加的电力用来对控制和驱动系统、车辆的空调和其它应用供 电。这对于娱乐车辆、诸如冷藏车的工业运输应用、建筑应用和军事应用尤其是如此。例如，在汽车工业中，存在着一种趋势利用智能的电控制和驱动系统，而不是机械 的或液压的控制和驱动系统来降低对车辆发动机的动力载荷并提高燃料经济性。可结合 以下的部件来使用这样的系统，例如，驾驶操纵的伺服机构(其通常仅在需要操纵纠正时 才起作用)、避震器(使用对于路面和速度条件的反馈来调整避震器的刚度)，以及空调器 (在最小速度时保持恒定温度所需要的压缩机的运行)。使用这样的电控制和驱动系统会 趋于增加对车辆电电功率系统的要求。同样地，人们希望移动的制冷系统也是电气驱动的。例如，通过在变速的情况下 (与车辆发动机的rpm无关)驱动制冷系统可提高效率。此外，利用电气驱动系统，对连接 各种部件的软管，例如，压缩机(发动机上)、冷凝器(设置成暴露于空气中)以及蒸发单元 (位于冷隔间内)，可用类似于家用冰箱或空调器的电气驱动密封系统代替。因此，在如此 应用中的车辆电功率系统应能对需电气驱动的单元提供所需要的电功率水平。对于“可移去和更换”的大功率发动机还有一种特殊的需要来翻新现有的车辆。通 常在车辆的发动机室内只有有限的空间量来容纳发电机。除非更换的发电机适合于可供的 空间内，否则，如果可能的话，则安装相当复杂，通常需要移去诸如散热器、缓冲器等的主要 部件，以及额外的支架、皮带和硬件的设施。因此，要求更换发电机适合于所提供的原始空 间，并接口于原来的硬件。一般地来说，永久磁体发电机是众所周知的。这样的发电机利用永久磁体产生要 求的磁场。永久磁体发电机趋于比传统绕组磁场发电机重量轻和体积小。永久磁体发电机 的实例描述在以下美国专利中1997年4月29日授予Scott等人的美国专利5，625，276 ； 1998年1月6日授予Scott等人的美国专利5，705, 917 ；1999年3月23日授予Scott等 人的美国专利5，886，504 ； 1999年7月27日授予Scott等人的美国专利5，929，611 ；2000 年3月7日授予Scott等人的美国专利6，034，511 ；以及2002年8月27日授予Scott等 人的美国专利6，441，522。尤其是，轻和紧凑的永久磁体发电机可利用一“外部”永久磁体转子和一“内部”定 子来实现。转子包括一中空的圆柱形外壳，其带有设置在圆柱形外壳内表面上的高能永久 磁体。定子同心地设置在转子壳内。转子围绕定子的转动致使转子磁体发出的磁通与定子 绕组互相作用并在定子绕组内感应出电流。如此一发电机的实例描述在上述1998年1月 6日授予Scott等人的美国专利5，705，917和1999年7月27日授予Scott等人的美国专5利 5，929，611 中。这样的永久磁体发电机中的定子合适地包括合适形状和化学成分的个别的薄钢 片叠合，然后，它们用焊接或用环氧树脂连接在一起而形成带有用来接纳绕组的齿槽的一 圆柱体。堆叠起来的各自层叠薄片沿轴向和转动方向对齐地定位，这样，合成的状态或齿槽 沿轴向对齐(布置)。由轴向对齐齿槽产生的输出功率波其特性是方波。然而，在使用依赖于与输出同步的控制系统的应用中，有利地是使功率输出波具 有斜坡侧以提高控制定时。根据转子速度由永久磁体发电机供应的电力变化很大。在许多应用中，由于汽车 中发动机速度变化，或载荷特性的变化，所以转子速度的变化很普遍。因此，通常采用一电 子控制系统。永久磁体发电机和用于其的控制系统的实例描述在上述的1997年4月29日 授予Scott等人的美国专利5，625，276中，其它控制系统的实例描述在2000年1月25日 授予Anderson等人的美国专利6，018，200中。然而，在这样的永久磁体发电机中，效率反比于磁体与定子分离的“气隙”。这样的 气隙通常在千分之20至40英寸的范围内。由于这样紧的间隙/容差，作用在发电机上的 外力所造成的转子的位移，使得永久磁体发电机特别容易在磁体和定子之间造成毁坏性的 干扰(冲撞)。在车辆的应用中，由于发动机振动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率转换装置，包括：一轴、一定子、以及一转子；轴、定子和转子同轴地设置，使转子安装在轴上，定子包括至少一个绕组，转子包括靠近定子设置的多个永久磁体，并与定子分离一预定的间隙距离，这样，转子和定子的相对运动造成从磁体发出的磁通与定子绕组相互作用，并在定子绕组内感应出电流，其中：轴包括一锥形部分，其设置在轴的两端之间位于相对于定子的一预定位置处，锥形部分的直径具有一预定的锥度；转子包括一具有一预定锥度的中心通孔，该锥度对应于轴的锥形部分的锥度；以及轴轴颈地通过转子的锥形孔，以使轴的锥形部分接纳在转子孔内，转子的锥形孔和轴的锥形部分的合作，可相对于轴和定子定位转子。

【技术特征摘要】
US 2003-7-10 60/486,831一种功率转换装置，包括一轴、一定子、以及一转子；轴、定子和转子同轴地设置，使转子安装在轴上，定子包括至少一个绕组，转子包括靠近定子设置的多个永久磁体，并与定子分离一预定的间隙距离，这样，转子和定子的相对运动造成从磁体发出的磁通与定子绕组相互作用，并在定子绕组内感应出电流，其中轴包括一锥形部分，其设置在轴的两端之间位于相对于定子的一预定位置处，锥形部分的直径具有一预定的锥度；转子包括一具有一预定锥度的中心通孔，该锥度对应于轴的锥形部分的锥度；以及轴轴颈地通过转子的锥形孔，以使轴的锥形部分接纳在转子孔内，转子的锥形孔和轴的锥形部分的合作，可相对于轴和定子定位转子。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，预定锥度的范围是每7英寸长度为1英寸 直径至每16英寸长度为1英寸直径。3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括第一和第二端板、一外壳和多个系 杆，它们合作而保持轴、转子和定子的对齐，其中轴可转动地被端板保持，并沿轴向与端板对齐；定子附连到端板之一，并相对于端板保持在预定的部署上；以及外壳设置在前和后端板之间，使系杆设置成压迫前和后端板抵靠外壳。4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，转子包括一端帽以及一圆柱形外壳，磁体设置在外壳的内部上；定子设置在转子壳内。5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，定子包括一内芯，内芯包括前和背侧面以及大致圆柱形的外周缘表面，表面内形成有 预定数量的槽；以及定子绕组围绕内芯卷绕，这样，相对于至少一个端部面，绕组通过一第一槽，形成一端 部匝向外延伸超过内芯的侧面，在端部匝和端面之间提供一空间，然后，向后通过另一槽。6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一风扇和对应的空气通道，通道设置 成循环由风扇在绕组端部匝上方移动的空气。7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，风扇是电动的。8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一前端板、一后端板、一外壳，它们合 作而保持轴、转子和定子的对齐，其中，空气通道包括至少一个通过后端板的空气通道、至 少一个通过定子内芯的空气通道、至少一个通过转子端帽的空气通道以及至少一个通过前 端板的空气通道。9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，转子端帽包括一连接到外壳的周缘部分，一 具有锥形孔的中心轮毂，以及一将周缘部分连接到中心轮毂...

【专利技术属性】
技术研发人员：CY拉封泰尼，HC斯科特，
申请(专利权)人：磁应用股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]