永磁转子交流发电机 发明的背景
发明的技术领域
本发明一般涉及用于内燃机的永磁转子交流发电机，尤其涉及一种转子毂为内燃机飞轮/起动齿轮的一构成部分的永磁转子交流发电机。
现有技术的说明
许多机动车上的交流发电机用的是绕线定子和转子组件，通过转子绕组引入电流可在转子绕组内及其周围产生电磁力。由于自旋转子产生的磁场与定子上的绕组相互耦合，将在定子绕组中感生电流，这样的交流发电机需要电刷或集流环来维持一闭合回路，用于引入转子自旋时所需的电流，但这些机械连接很容易磨损和腐蚀。同时，还普遍存在电噪声，它会影响对现代机动车来说是很常见的其它灵敏电子设备。
永磁转子交流发电机并不需要给转子提供电流，当磁极相对于定子绕组运动时，由磁性材料产生的固有地场将在定子中感应电流，由于不必给转子提供电流，因此不需要集流环和电刷，从而可消除与使用这些部件的交流发电机有关的噪声和磨损。
本领域熟练的技术人员应该理解，虽然传统的用于绕线转子系统的调节装置不适用于永磁转子交流发电机，如：控制转子绕组中的场电流，但是人们已经有效而且可靠地使用了其他装置，例如执行双极可控硅整流器装置、桥式整流器、及其相关电路。通过短路输出电流使其不超过系统的要求而实现调节，同时保证电池不短路。
在小型工业发动机和海运应用中，已经多年成功地使用了永磁转子交流发电机和磁电机。当转子通常是飞轮/起动齿轮的一构成部分时，现有技术系统有几种缺陷。典型的是使用一种杯状的转子组件，把一个个磁铁装在“杯”的内缘，用环状齿轮焊接或紧压在杯的外缘，便于用起动电机驱动齿轮。在这样的系统中，由于定子在转子组件的内侧，从而露出了外部的自旋转子组件。这种布局结构松散，潜在的危害是当磁铁高转速(rpm-转/分)旋转时会变松。磁铁的损耗会导致系统动态不稳定。虽然可用一附加的屏罩来保护凸出的磁铁，但是屏罩会增加系统的体积、成本以及复杂性。现有专利技术装置的实例可参阅美国专利号4,345,553(Magrane et a1.)；美国专利号3,955,550(Carlsson)；美国专利号3,140,413(Terry et a1.)；美国专利号2,976,439(Kiekhaefer)；美国专利号2,856,550(Phelon)。
发明的概要
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的永磁转子交流发电机。
本发明的进一步目的是提供一种改进的永磁转子交流发电机，其中，转子毂是内燃机飞轮/起动齿轮的一构成部分。
本发明的另一目的是提供一种更简单的改进的永磁转子交流发电机。
本发明的又一目的是提供一种具有较大固有安全性的改进的永磁转子交流发电机。
本发明的再一目的是提供一种更有效的改进的永磁转子交流发电机。
概括地说，利用一种交流发电机系统可实现这些及其它目的，该系统包括一永磁转子和绕组定子，以及一组飞轮/起动齿轮转子组件，利用三个高剩磁的陶瓷永久磁铁，每一磁铁由四个交变磁极磁化，并且一个挨一个地用粘合剂粘到一转子毂上，以形成一个具有十二个交变磁极的连续环。将含有一个叠片磁芯的外部绕线定子直接固定在内燃机的发动机壳上，该叠片磁芯就是部分框架组件。
从下列优选实施例的详细说明中可进一步显示本发明的其它目的和特征。
附图的简要说明
本发明将结合附图作进一步的说明，其中：
图1是根据本发明的一个优选实施例构成的具有永磁转子交流发电机的一小型内燃机的后视图。
图2是根据本发明的一个优选实施例的整个转子毂的后视图。
图3是根据本发明的一个优选实施例的整个转子毂的侧视图。
图4是根据本发明的一个优选实施例的粘有永久磁铁的整个转子毂的后视图。
图5是根据本发明的一个优选实施例的粘有永久磁铁的整个转子毂的侧视图。
图6是根据本发明的一个优选实施例的定子组件视图。
图7是根据本发明的一个优选实施例的同轴转子定子组件视图。
图8是根据本发明的一个优选实施例的转子及其叠片组的视图，图中给出了磁通方向。
图9是根据本发明的一个优选实施例的同轴转子定子组件的剖视图。
图10是根据本发明的一个优选实施例的永磁转子交流发电机的后视图。
图11是根据本发明的一个优选实施例的永磁转子交流发电机的全侧视图。
优选实施例的详细说明
参照所有附图，在其中几个视图中采用相同的符号表示相同的部件，特别是参照图1，根据本发明，描绘了具有一永磁转子交流发电机10的小型工业内燃机的后视图。进一步描绘的有端架12，接头14，驱动毂16和起动电机18。交流发电机10固定于发动机壳上(图中未画出)。交流发电机10的转子组件由发动机的曲轴驱动(图中未画出)。沿轴向由发动机伸出的曲轴与转子毂20啮合，该转子毂是发动机的飞轮/起动齿轮的一构成部分。参照可更多地揭示这些特征的附图进一步说明这些特征。
下面参照图2和图3，分别说明一个转子毂/飞轮/起动齿轮的后视图和侧视图。交流发电机10的这套集成部件从此以后简称为毂20。毂20有两个圆柱形特征以区别于普通的飞轮/起动齿轮。首先是毂20的伸延22，它从飞轮24沿轴向延伸。飞轮24有齿26，这可使飞轮24作为起动齿轮。其次是上述的驱动毂16，它从伸延22沿轴向延伸。使用术语“伸延(extrusion)”并不是为了说明制造过程，而仅是为了暗示一种几何关系。重要的是要认识到虽然飞轮24、齿26、伸延22和驱动毂16是分别说明的，但它们都是一个毂20的所有特征。此外，它们同轴且轴向对称，其轴就是曲轴延伸的轴。图示的还有螺钉孔28，用来连接随后将要说明的冷却风扇。给驱动毂16打孔并攻丝，以制成扣丝孔30，允许给毂20安装负荷件以实现各种工业应用。在驱动毂16的位置32中心反向打孔，如图9所示。在整个伸延22上，将毂20加工成可使锥形和带销的曲轴延伸部与毂20紧密啮合配合。在伸出的曲轴端头攻丝，以便用螺母把毂20紧固在曲轴的攻丝段，该段伸到驱动毂16的反向开孔区内。
接着参照图4和图5，分别绘出了附在毂20周围带有三个永久磁铁42的一完整转子组件40的后视图和侧视图。特别是，这些磁铁置于围绕伸延22并远离飞轮24的同一平面，。毂20由低碳钢制成，相对于磁通量来说具有足够的致密性而不会饱和，因此对产生的磁场来说磁阻低。在本实施例中，磁铁42可以采用从肯塔基州伊里莎白城的坩埚磁性材料厂(CrucibleMagnetics ofElizabethtown，Kentucky)得到的铁磁合金8A陶瓷永久磁铁，或者是任何商业上可得到的高剩磁磁铁。高剩磁磁铁，由于磁通密度不会减少，因而适用于要求磁铁能承受较大的振动和冲击的地方。磁铁42采用结构粘合剂粘接在毂20上，一些合适的粘合剂有ELMS702-98，这种粘合剂可从俄亥俄州沃辛顿的工程系统公司(Engineering System Inc.of Worthington，Ohio)得到；和Loctite334，这种粘合剂可从康涅狄格州落基山Loctite公司(LoctiteCorporation of Rocky Hill，Connecticut)得到。粘合剂的使用不仅可提供附加的强度，而且对湿度、盐雾以及化学品能提供极佳抵抗作用。此外，这些粘合剂还不怕高温下的热应力，因此，它们提供了一种可靠的附着手段。粘合剂的使用不仅仅是一种较精巧的机械结合方式，重要的是简化了制造过程，减少了系统中的部件数，从而降低了成本。
下面参照图6，描绘了当将其放置在磁铁42上之前所呈现的定子组件50的视图。定子组件50有一形成11个定子磁极52的连续绕线单一定子回路，以及一叠片圆柱磁芯54。本实施例中，在这11个定子磁极的每一个上都用14号磁铁线绕了25圈。相邻磁极间的绕制方向相反。磁极绕制反向是必须的，因为此时磁铁的极性相对于给定的定子磁极变化，相邻定子磁极的磁极性交替变化，因此，在一个定子磁极中的感生电流与相邻定子磁极中的感生电流反向。如果绕线方向相同的话，由于反向电流将产生零磁场。对熟练的技术人员来说显然能使用两个或多个定子回路，这样，只要电流加的合适，绕线方向可以是任意的。最后的绕线用环氧树脂涂覆固化，以提供结构的完整和电绝缘，从而增加了整个系统的安全性。叠片圆柱磁芯54由35片M19C5电工钢片组成，每一叠片厚2.22厘米。磁芯54的进一步特征是有一拱型内凸体56，这取代了第十二定子磁极。当拱型内凸体56中没有发动机齿轮齿26时，允许留下空间容纳起动器18的小齿轮(图中未画出)。换句话说，在此处存放有小齿轮。
图7描绘了同轴定子组件50和转子组件40的视图。图示的磁铁42标出了它们的极化情况，就是说，这三个磁铁42中的每一个都由四个交变磁极磁化为NS-SN-NS-SN。这三个磁铁整体建立了具有交变磁性的十二个磁极。在此情况下，为了减小磁通损耗，在磁铁42和定子磁极52间要维持一不大于0.0762厘米的间隙。同样由于磁铁42，在伸延22的周围径向也是如此布置，以形成一个连续的交变极性环，在每一磁铁42间都不减少磁通，从而可得到高的发电机效率。现有技术用的是分离的单一磁铁，通常在每一磁铁间都有铁性材料。由于铁性材料具有一定的磁阻，在改变极性前由一个磁铁到另一个磁铁的磁通密度将大大减少。图8用箭头和虚线55指示了转子组件和定子组件中的磁通方向，为清楚起见没有画出定子绕线。
下面参照图9，描绘了定子组件50和转子组件40的截面图，这两组件与毂20的轴同心。可以看出毂20将加工成与上述锥形、带销和带螺纹的曲轴配合。这些特征可在位置58整体所示的截面图中清楚地看到，图中描绘了磁铁42，螺丝孔28和扣丝孔30。
图10描绘了交流发电机10的后视图，所示为端架12部分剖面的图。可以看到毂20上连接着带有八个扇叶62的冷却扇60，间隔圈64同样露在外面，除凸出部分66外是圆形的，间隔圈64上开有孔(图中未画出)，以允许由风扇60吸进通过交流发电机10的空气抽出，图中还画出了起动电机18、小齿轮68、小齿轮扣环70、以及小齿轮轴72。小齿轮置于凹体56和凸体66中，当开动起动电机18时，将向前驱动小齿轮68，使其与齿轮26啮合。图中螺母74被拧在曲轴76的扣丝端78，以将转子组件40固定在曲轴上。
下面参照图11，全面地描绘了交流发电机10、冷却风扇60、定子磁极52、端架12、间隔圈64、以及前端框架80的侧视图，该图为表示一偏心剖面图，以便揭示比外形所能显示的更多的内部部件。端架12与叠片磁芯54啮合，依次，叠片磁芯54又与间隔圈64啮合，接着，间隔圈64再与前端框架80啮合，整个组件由穿过接头14中的孔的螺栓来固定，且拧于前端框架接头82中的扣丝的孔中，这样的布局是考虑到必要时能快速且容易地对交流发电机10进行完整的装卸。
虽然参照附图并结合优选实施例已对本发明进行了全面的说明，但应声明的是对于熟练的技术人员来说显然可以进行各种各样的变化和修改，应认识到，只要没有脱离本发明，这些变化和修改包括在权利要求所定义的本发明的范围内。