本發(fā)明涉及發(fā)電機技術領域,尤其涉及一種車用交流發(fā)電機。
背景技術:
在汽車中,交流發(fā)電機的作用是將發(fā)動機的部分機械能轉變成電能,從而為汽車的用電設備或蓄電池進行供電?,F(xiàn)有車用交流發(fā)電機一般包括端蓋、轉子、定子、皮帶輪、整流橋等部件,在運行過程中,由于發(fā)電機自身設計不合理(如定子結構、轉子結構、轉子與定子配合間隙等),容易導致發(fā)電機銅損大、噪音大、漏磁嚴重,進而大大降低了發(fā)電機的能量轉化率和發(fā)電功率,影響了發(fā)電機的輸出性能?;谏鲜鲈?,現(xiàn)有車用交流發(fā)電機一般采用大尺寸的結構設計,以保證汽車的用電需求,然而隨著目前汽車小型化、輕型化的發(fā)展趨勢,這種輸出功率低,體積大的交流發(fā)電機越來越無法滿足用戶的需求。
技術實現(xiàn)要素:
基于以上所述,本發(fā)明提供一種車用交流發(fā)電機,以解決現(xiàn)有交流發(fā)電機發(fā)電效率低、輸出功率小、體積大、風噪大的問題。
為達此目的,本發(fā)明采用以下技術方案:
一種車用交流發(fā)電機,包括前端蓋、后端蓋及固定在前端蓋與后端蓋之間的轉子和定子,所述轉子包括交叉安裝的前極爪和后極爪,所述定子包括定子鐵芯及纏繞在定子鐵芯上的定子線圈;所述定子鐵芯的前端面到前極爪底板內側的距離L2與前極爪底板的厚度L1之比為:L2/L1≤0.19;所述前極爪的爪尖到定子鐵芯前端面的距離Lp與所述定子鐵芯的高度L3之比為:Lp/L3≥0.91。
作為優(yōu)選,所述定子鐵芯的后端面到后極爪底板內側的距離L2’與后極爪底板的厚度L1’之比為:L2’/L1’≤0.19,所述后極爪的爪尖到定子鐵芯后端面的距離Lp’與所述定子鐵芯的高度L3之比為:Lp’/L3≥0.91。
作為優(yōu)選,所述前極爪爪跟的厚度X1與所述前極爪底板的厚度L1之比為:0.91≤X1/L1≤1.2;和/或所述后極爪爪跟的厚度X1’與所述后極爪底板的厚度L1’之比為:0.91≤X1’/L1’≤1.2。
作為優(yōu)選,所述前極爪爪尖的厚度X2與所述前極爪爪跟的厚度X1之比為:0.26≤X2/X1≤0.5;和/或所述后極爪爪尖的厚度X2’與所述后極爪爪跟的厚度X1’之比為:0.26≤X2’/X1’≤0.5。
作為優(yōu)選,所述前極爪及后極爪的爪尖均設有爪尖倒角圓,所述爪尖倒角圓由開設在模具上的冷擠槽擠壓成型,且所述爪尖倒角圓的半徑R的取值為:R≥2mm。
作為優(yōu)選,所述前極爪到后極爪的周向距離Y與所述定子鐵芯的齒腳寬度X之比為:1.5≤Y/X≤1.99。
作為優(yōu)選,所述定子鐵芯的齒中寬度bt與鐵芯槽高度ht之比為:0.3≤bt/ht≤0.39。
作為優(yōu)選,所述轉子前端安裝有前風扇,所述前風扇的風葉頂部到定子線圈前端的距離t與前風扇風葉的高度h之比為:t/h≤0.19;和/或所述轉子后端安裝有后風扇,所述后風扇的風葉頂部到定子線圈后端的距離t’與后風扇風葉的高度h’之比為:t’/h’≤0.19。
作為優(yōu)選,所述前極爪及后極爪的根部均開設有風切倒角,所述風切倒角為一平面。
本發(fā)明的有益效果為:
本發(fā)明通過調整定子鐵芯與極爪的尺寸及比例關系,有效增大了交流發(fā)電機的感應電動勢,改善了發(fā)電機輸出功率,提高了電能轉化效率;同時,該設置使得交流發(fā)電機在同等直徑下具有最優(yōu)的功率密度,在保證極爪的機械強度下感應電動勢最大化,輸出和效率達到最佳,有利于減小發(fā)電機的體積。上述比例的配合設置,保證了轉子與定子鐵芯的磁場飽和程度最佳,同時兼顧了轉子的機械強度、風噪等因素,使發(fā)電機在擁有高輸出同時,噪音更低,機械強度更好,發(fā)電效率更高,而且振動小,工作平穩(wěn);進而,在具有同等輸出的基礎上,本發(fā)明有效減小了發(fā)電機的體積,節(jié)約了生產成本和車內空間。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案,下面將對本發(fā)明實施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例,對于本領域普通技術人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以根據(jù)本發(fā)明實施例的內容和這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發(fā)明提供的車用交流發(fā)電機的爆炸結構圖;
圖2是本發(fā)明提供的車用交流發(fā)電機的內部結構剖視圖;
圖3是本發(fā)明所涉及的轉子的安裝結構圖;
圖4是本發(fā)明所涉及的前極爪的結構圖;
圖5是本發(fā)明所涉及的前極爪的另一角度結構圖;
圖6是本發(fā)明所涉及的前極爪的剖視圖;
圖7是本發(fā)明所涉及的后極爪的剖視圖;
圖8是本發(fā)明所涉及的定子鐵芯槽的局部結構圖;
圖9是本發(fā)明所涉及的定子鐵芯的齒的結構圖;
圖10是車用交流發(fā)電機的電磁噪音曲線圖。
圖中:
11-前端蓋;12-后端蓋;21-前極爪;211-底板;212-爪部;213-前磁軛;214-風切倒角;22-后極爪;23-轉子線圈;24-轉子軸;31-定子鐵芯;32-定子線圈;4-皮帶輪;5-整流橋;6-罩蓋;71-前風扇;72-后風扇;
S1、S3為現(xiàn)有技術中車用交流發(fā)電機的電磁噪音曲線;
S2為本發(fā)明的車用交流發(fā)電機的電磁噪音曲線。
具體實施方式
為使本發(fā)明解決的技術問題、采用的技術方案和達到的技術效果更加清楚,下面將結合附圖對本發(fā)明實施例的技術方案作進一步的詳細描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例,而不是全部的實施例?;诒景l(fā)明中的實施例,本領域技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發(fā)明保護的范圍。
如圖1-圖10所示,本實施例提供一種優(yōu)選的車用交流發(fā)電機,該交流發(fā)電機包括前端蓋11、后端蓋12、及固定在前端蓋11與后端蓋12之間的轉子和定子,其中轉子固定在轉子軸24上,定子安裝在轉子的外部。具體的,上述轉子包括相互交叉安裝的前極爪21和后極爪22,用于進行導磁及散熱;前極爪21與后極爪22之間設置有線圈架,線圈架上繞設有轉子線圈23,用于在通直流電以后產生勵磁。上述的定子包括定子鐵芯31及纏繞在定子鐵芯31上的定子線圈32;定子鐵芯31用于導磁及散熱,定子線圈32用于在變化的磁場里產生交流電。該交流發(fā)電機的前端通過皮帶輪4與汽車的發(fā)動機連接,能夠將發(fā)動機的動能轉化為電能;發(fā)電機的后端與整流橋5和調節(jié)器連接,用于將穩(wěn)定的電能輸送給車內用電設備;發(fā)電機的后端還罩設有罩蓋6,以起到保護作用。
本發(fā)明中,如圖4和圖5所示,前極爪21包括底板211及均勻設置在底板211上的若干爪部212;后極爪22的結構與前極爪21相同,此處不再贅述;前極爪21與后極爪22之間還設置有磁軛,磁軛可以是獨立設置、并安裝在前后兩底板之間的結構,也可以是與前極爪21和/或后極爪22的底板一體成型的結構,本實施例中優(yōu)選采用磁軛與極爪一體制作的結構,即前極爪21上設有一半的前磁軛213,后極爪22上設有一半的后磁軛,轉子安裝時前、后兩半磁軛對接形成整個磁軛。進一步地,如圖2、圖6所示,上述定子鐵芯31的前端面到前極爪21底板內側的距離L2與前極爪21底板的厚度L1之比為:L2/L1≤0.19;同時,為滿足發(fā)電機結構的對稱性并進一步優(yōu)化發(fā)電機性能,本實施例定子鐵芯31的后端面到后極爪22底板內側的距離L2’與后極爪22底板的厚度L1’之比也設置為:L2’/L1’≤0.19。具體地,上述L2和L2’均為2.19㎜,L1和L1’為12㎜,該設置有效增大了交流發(fā)電機的感應電動勢,從而改善了發(fā)電機輸出功率,提高了電能轉化效率。
如圖2所示,本發(fā)明前極爪21的爪尖到定子鐵芯31前端面的距離Lp與定子鐵芯31的高度L3之比為:Lp/L3≥0.91;同時,后極爪22的爪尖到定子鐵芯31后端面的距離Lp’與定子鐵芯31的高度L3之比也為:Lp’/L3≥0.91。具體地,上述Lp和Lp’均為29.92㎜,L3為32.4㎜。該方案使得交流發(fā)電機在同等直徑下能具有最佳的功率密度,在保證極爪的機械強度下感應電動勢最大化,使輸出和效率最大化,有利于減小發(fā)電機的體積。通過上述具體尺寸的調整、配合,本發(fā)明保證了轉子與定子的磁場飽和程度最佳,同時兼顧了轉子的機械強度、風噪等因素,使發(fā)電機在擁有高輸出同時,噪音更低,機械強度更好,發(fā)電效率更高;進而,在具有同等輸出的基礎上,本發(fā)明使發(fā)電機的定子直徑尺寸達到124.5㎜,有效減小了發(fā)電機的體積,從而節(jié)約了發(fā)電機的生產成本和所占用的車內空間。此外,本發(fā)明的發(fā)電機是在綜合考慮各種因素下的優(yōu)化設計,其中每個部件的尺寸及相應比例均具有確定的配合關系;因此,本發(fā)明并不是現(xiàn)有技術中的體積較大的發(fā)電機的同比例縮小,那樣將會嚴重影響發(fā)電機的工作效率。
在本發(fā)明中,定子線圈32每槽的相匝數(shù)Ns與轉子線圈23的匝數(shù)Nr之比為:0.017≤Ns/Nr≤0.029,這里,每槽的相匝數(shù)Ns是指定子鐵芯31中每槽單相嵌入的線圈匝數(shù)。具體地,上述定子線圈32每槽的相匝數(shù)Ns為7匝,轉子線圈23的匝數(shù)Nr為315匝,兩者之比Ns/Nr為0.022。上述比值的設置,能在滿足繞線工藝的前提下,使發(fā)電機達到漏磁系數(shù)與磁阻的優(yōu)化設計,大大提高了發(fā)電機的輸出功率。
進一步地,本發(fā)明定子鐵芯31的高度L3與磁軛高度L4總之比為:1≤L3/L4總≤1.24,其中L4總為26.54㎜。如圖6、圖7所示,由于本實施例中磁軛與極爪為一體式結構,整個磁軛由前極爪21上的前磁軛213與后極爪22上的后磁軛組成,其中前磁軛213的高度為L4,后磁軛的高度為L4’,L4與L4’之和為L4總,考慮到對稱結構,這里,L4及L4’分別為L4總/2。進一步地,本發(fā)明前后極爪的總高為Lr,且Lr=L1+L4總+L1’,這里定子鐵芯31的高度L3與前后極爪的總高Lr之比為:0.56≤L3/Lr≤0.69,其中Lr為50.54㎜。
進一步地,定子線圈32的銅線直徑D與定子鐵芯31每槽開口寬度W之比為:0.4<D/W<0.7,具體地,定子線圈32的銅線直徑D為0.88㎜,定子鐵芯31每槽開口寬度W為1.77㎜,兩者之比D/W為0.497。本發(fā)明通過調整上述比值,使發(fā)電機在高速與低速下輸出較佳,不會出現(xiàn)極端化現(xiàn)象,有效減小了該交流發(fā)電機的銅損。
優(yōu)選地,本實施例中,磁軛直徑D2與轉子直徑D1的比值為:0.55≤D2/D1≤0.62,其中,磁軛直徑D2為53.75㎜(即磁軛半徑R2為26.875㎜),轉子直徑D1為96㎜(即轉子半徑R1為48㎜);這里,轉子直徑確定后,與之相配的定子直徑也基本確定,從而得到電機的整體尺寸。上述比例的設置使爪尖漏磁最小,感應電動勢最大,在同直徑下保證功率密度最優(yōu)。
進一步地,上述前極爪21爪跟的厚度X1與前極爪21底板211的厚度L1之比為:0.91≤X1/L1≤1.2;同時,后極爪22爪跟的厚度X1’與后極爪22底板的厚度L1’之比也為:0.91≤X1’/L1’≤1.2。具體地,上述X1和X1’均為11.17㎜,L1和L1’均為12㎜,該方案在保證前、后極爪機械強度的前提下,增大了發(fā)電機感應電動勢,從而使發(fā)電機具有較好的輸出能力和發(fā)電效率。
更進一步地,上述前極爪21爪尖的厚度X2與前極爪21爪跟的厚度X1之比為:0.26≤X2/X1≤0.5;同時,后極爪22爪尖的厚度X2’與后極爪22爪跟的厚度X1’之比為:0.26≤X2’/X1’≤0.5。具體地,上述X2和X2’均為3.09㎜,X1和X1’均為11.17㎜,該方案進一步增大了交流發(fā)電機的感應電動勢,使發(fā)電機具有更好的輸出能力和發(fā)電效率。
作為優(yōu)選,本發(fā)明前極爪21及后極爪22的爪尖均設有爪尖倒角圓,爪尖倒角圓由開設在模具上的冷擠槽擠壓成型,且爪尖倒角圓的半徑R的取值為:R≥2mm,優(yōu)選地可以取R=3mm。由于現(xiàn)有極爪的爪尖頂部面積太小,加工時無法通過擠壓工藝達到要求的尺寸;而本方案通過增大極爪爪尖倒角圓,擴大了爪尖的面積,方便使用擠壓工藝進行加工,提高了生產效率,節(jié)約了成本。
優(yōu)選地,前極爪21到后極爪22的周向距離Y與定子鐵芯31的齒腳寬度X之比為:1.5≤Y/X≤1.99。上述前極爪21到后極爪22的周向距離Y是指,交叉安裝后相鄰的前極爪21爪部與后極爪22爪部形成的槽沿發(fā)電機周向的寬度,具體地,上述的Y為7.48㎜,X為4.51㎜,本方案減小了極爪爪尖的漏磁量,增大了發(fā)電機感應電動勢。
此外,如圖8所示,定子鐵芯31的齒可以為上下齒寬度一致的結構,上述定子鐵芯31的齒中寬度bt與鐵芯槽高度ht之比為:0.3≤bt/ht≤0.39。具體地,此處的bt為3.28㎜,ht為9.17㎜。本方案在考慮到定子鐵芯31加工工藝的前提下,調整了定子鐵芯槽的繞線空間,優(yōu)化了鐵芯磁路飽和度,提高了發(fā)電機輸出功率。這里,如圖9所示,定子鐵芯31的齒還可設為上下齒寬度不一致的結構,如:齒的下端較窄的齒寬為btmin,齒的上端較寬的齒寬為btmax,此時bt=(btmin+btmax)/2,上述結構與圖8中上下等寬的齒結構相比,在能調整定子鐵芯槽的繞線空間,優(yōu)化鐵芯磁路飽和度,提高發(fā)電機輸出功率的同時,更重要的是方便扁銅線的嵌入從而提高鐵芯槽空間利用率。
更為優(yōu)選地,上述轉子前端安裝有前風扇71,前風扇71的風葉頂部到定子線圈32前端的距離t與前風扇71風葉的高度h之比為:t/h≤0.19,其中t為1.75㎜,h為11.70㎜;轉子后端安裝有后風扇72,后風扇72的風葉頂部到定子線圈32后端的距離t’與后風扇72風葉的高度h’之比也為:t’/h’≤0.19,其中t’為2.59㎜,h’為14㎜,該比例的設置,能使發(fā)電機在0-22000轉/分鐘之內相應轉速下的噪音降低1-4dB,同時增加了發(fā)電機的散熱能力,使進風量與被冷卻面積及風噪達到最優(yōu)化,從而提高了風扇冷卻效率,減小了噪音污染,改善了發(fā)電機性能。
進一步地,上述前極爪21及后極爪22的根部均開設有風切倒角214,風切倒角214為一平面,可由三點成面制得,優(yōu)選設置在極爪轉動的迎風側,該結構有效緩和了進風沖擊,從而減小了發(fā)電機的工作噪音,而且只設置在迎風側還能節(jié)約加工制作成本。如圖10所示,S1、S3為現(xiàn)有技術中車用交流發(fā)電機的電磁噪音曲線,S2為本發(fā)明的車用交流發(fā)電機的電磁噪音曲線,從圖10中可以看出,本發(fā)明的交流發(fā)電機噪音較小,且較為平緩,因而提升了發(fā)電機的整體性能。
如下表1為改進前的交流發(fā)電機的性能試驗結果,下表2為本發(fā)明改進后的交流發(fā)電機的性能試驗結果,其中,在車輛用交流發(fā)電機的效率評價中,使用VDA(Verband der Automobil industrie:德國汽車工業(yè)會)作為評價指標。
表1交流發(fā)電機改進前試驗結果
表2本發(fā)明交流發(fā)電機改進后試驗結果
在本實施例的設置下,該發(fā)電機效率可到達69%,而在同等定子直徑條件下的傳統(tǒng)發(fā)電機的效率約是66%,因而本發(fā)明發(fā)電機的效率可提高4.5%。綜上,本發(fā)明提供的車用交流發(fā)電機在經(jīng)過上述各個改進后,有效提高了發(fā)電機的發(fā)電效率,減少了能源浪費,減小了噪音污染;相對于現(xiàn)有同等輸出的發(fā)電機而言,本發(fā)明減小了發(fā)電機的體積,從而節(jié)約了發(fā)電機的生產成本和所占車內空間。
注意,上述僅為本發(fā)明的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解,本發(fā)明不限于這里所述的特定實施例,對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發(fā)明的保護范圍。因此,雖然通過以上實施例對本發(fā)明進行了較為詳細的說明,但是本發(fā)明不僅僅限于以上實施例,在不脫離本發(fā)明構思的情況下,還可以包括更多其他等效實施例,而本發(fā)明的范圍由所附的權利要求范圍決定。