專利名稱：一種永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，特別是涉及一種由永磁材料構(gòu)造的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
世界汽車發(fā)展史資料表明第一代汽車發(fā)電機(jī)是直流發(fā)電機(jī)，因體積大、效率低、故障率高而很快被第二代硅整流發(fā)電機(jī)取代，第二代硅整流發(fā)電機(jī)相對(duì)第一代而言，雖然前進(jìn)了一大步，但仍不可避免體積較大、效率較低、故障較多的弊端，而且對(duì)生產(chǎn)材料、生產(chǎn)工藝、加工精度達(dá)到十分苛刻的地步。因此，從60年代使用硅整流發(fā)電機(jī)開始，世界汽車電機(jī)專家就一直在研究更加優(yōu)越的永磁發(fā)電機(jī)，但因?yàn)闊o法解決穩(wěn)壓退磁等諸多技術(shù)難題而最終擱淺。至今全球約有7億輛汽車仍然在使用硅整流發(fā)電機(jī)。
以下就以常規(guī)勵(lì)磁式電機(jī)為例說明其工作原理如附圖1a和圖1b所示電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子9、轉(zhuǎn)子8之間有氣隙7。定子上有AX、BY、CZ三相繞組，相繞組有多匝串聯(lián)的繞組元件連接而成(見圖1b)，每匝繞組的匝數(shù)相等，在空間上彼此相差120°電角度。轉(zhuǎn)子磁極上裝有勵(lì)磁繞組，由外部電源(汽車上的蓄電池)通過碳刷→滑環(huán)→勵(lì)磁繞組提供直流電流并產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁通由轉(zhuǎn)子N極出來，經(jīng)過氣隙、定子鐵心、氣隙，進(jìn)入轉(zhuǎn)子S極而構(gòu)成回路，如附圖1a中所示。
如果用外部拖動(dòng)設(shè)備拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，則磁極的磁力線將切割定子繞組的導(dǎo)體(附圖1-b)，在定子導(dǎo)體中感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)。磁極磁場(chǎng)的氣隙磁通密度沿極面按正弦規(guī)律分布，則導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)也隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。如果把三相繞組出線端接向三相負(fù)載，便有電能輸出，于是電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)子上必須裝上滑環(huán)，通過碳刷的滑動(dòng)接觸作為過度，才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電路與外電源接通。這樣一來由于碳刷在運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)逐漸磨損，彈簧壓力的變化或裝置不良會(huì)影響接觸的可靠性，增加了維護(hù)和維修的工作量。勵(lì)磁電機(jī)都必須安裝勵(lì)磁繞組，利用外電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，并利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)來切割磁力線。由于要依賴滑環(huán)的導(dǎo)通，在碳刷磨損時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)將不穩(wěn)定甚至不形成磁場(chǎng)，使電機(jī)失去發(fā)電功能。同時(shí)勵(lì)磁繞組本身不可避免的要損耗能量，從而降低了電機(jī)的效率，如在汽車上使用時(shí)，需要蓄電池提供的電流來驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，如此就占用了蓄電池的部分能量，并且將減短了蓄電池的壽命。在高溫和強(qiáng)震動(dòng)的環(huán)境下，勵(lì)磁繞組容易出現(xiàn)退磁想象。由于繞組絕緣受潮、受熱、老化以及機(jī)械應(yīng)力和電磁力的反復(fù)沖擊，常常引起繞組的損壞。在電機(jī)故障中，勵(lì)磁繞組故障占60％以上。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明的目的之一是提供一種利用釹鐵硼永磁材料構(gòu)造的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，以提高電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電磁能的效率；發(fā)明的目的之二是提供一種利用釹鐵硼永磁材料構(gòu)造的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，使同體積、同重量、同轉(zhuǎn)速的電機(jī)獲得更大的能量；發(fā)明的目的之三是提供一種簡(jiǎn)化的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，使電機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、使用壽命更長(zhǎng)，并減少了維護(hù)。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型提供的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)軸4、爪極和風(fēng)扇，其特征在于還包括一塊中心帶有通孔的永磁體3；所述的第一爪極2固定在所述的轉(zhuǎn)軸4一端，帶有通孔的永磁體3套入轉(zhuǎn)軸4，第二爪極5固定在所述的轉(zhuǎn)軸4的另一端，其中第一爪極2與第二爪極5的齒相對(duì)，并且齒與齒沿軸向錯(cuò)位30°角度安裝(即齒與齒錯(cuò)開)；永磁體3夾緊在第一爪極2與第二爪極5之間(如附圖3所示)，第一風(fēng)扇1套裝在轉(zhuǎn)軸4一端上，再鑲嵌在第一爪極2背面上，第二風(fēng)扇6套裝在轉(zhuǎn)軸4的另一端上，再鑲嵌在第二爪極5背面上。
在上述的技術(shù)方案中，所述的轉(zhuǎn)軸使用45#調(diào)質(zhì)處理，軸伸和軸頸處使用高精度磨床磨削加工，確保軸伸和軸頸的同心度、圓柱度，并通過統(tǒng)計(jì)過程控制即SPC控制使軸伸和軸頸與軸承內(nèi)的配合為過渡配合，從而確保軸承的游隙(如附圖4所示)。
在上述的技術(shù)方案中，所述的永磁體包括圓盤形和條形的，其中永磁體的大小按體積計(jì)算，其計(jì)算方法為Vm＝(φD.FD/BH)×106；式中φD--永磁體本身提供的磁通；FD--磁動(dòng)勢(shì)；B-磁感應(yīng)強(qiáng)度； H-磁場(chǎng)強(qiáng)度。
在上述的技術(shù)方案中，所述的永磁體采用具有“高剩磁”、“高矯頑力”、“高磁能積”三高特性的第三代稀土釹鐵硼材料制作，既剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br＝11660，磁感應(yīng)矯頑力Hc＝11300，體積VM＝45.8cm3，總磁通φM＝22668；(小體積高磁能)。如附圖5所示。
在上述的技術(shù)方案中，所述的爪極呈碗狀，且在碗的周邊開有齒形成梯形爪極；其中爪極為1、極距τ＝π.DR/2P，式中DR--電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑，P-電機(jī)極對(duì)數(shù)；2、爪寬bc＝(bc1+bc2)/2，式中bc1--爪根寬，bc2--爪尖寬；3、爪極高度(齒的高度)Hc＝(DR-Df)/2，式中Df--法蘭直徑；4、爪極內(nèi)側(cè)斜角βc＝tg-1〔(hc-hc2)/Lc〕，式中hc2--爪尖徑向高度，Lc--爪長(zhǎng)(整體的高度)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型提供一種簡(jiǎn)化的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，使電機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、使用壽命更長(zhǎng)，并減少了維護(hù)。采用釹鐵硼永磁材料制作永磁轉(zhuǎn)子，免去了產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)所需的勵(lì)磁功率和炭刷，滑環(huán)之間摩擦的機(jī)械損耗，從而提高了發(fā)電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電磁能的效率。普通勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)在1500~1600r/min之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均功率只有45％~55％，而利用本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)子制作的永磁發(fā)電機(jī)，在1500-1600r/min之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均功率則可以達(dá)到65％-70％。


圖1a為常規(guī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)及磁通回路工作原理圖；圖1b為常規(guī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)繞組元件示意圖圖2為本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3a為本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)子中的爪極俯視圖；圖3b為圖3a爪極A-A剖面圖；圖3c為圖3a爪極的側(cè)視圖；圖4為本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)子中的永磁體結(jié)構(gòu)剖面圖；圖面說明如下1-第一風(fēng)扇2-第一爪極3-永磁體4-轉(zhuǎn)軸5-第二爪極6-第二風(fēng)扇7-氣隙8-轉(zhuǎn)子9-定子
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)地說明參考圖2，制作一臺(tái)1000W的發(fā)電機(jī)用的具有永磁體的轉(zhuǎn)子。
本實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸4使用45#調(diào)質(zhì)處理，軸伸和軸頸處使用高精度磨床磨削加工，確保軸伸和軸頸的同心度、圓柱度，并通過統(tǒng)計(jì)過程控制即SPC控制使軸伸和軸頸與軸承內(nèi)的配合為過渡配合，從而確保軸承的游隙。
參考圖5，本實(shí)施例的第一風(fēng)扇1和第二風(fēng)扇6采用厚為1.2mm的Q235-A鋼板制作，該風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)使空氣流動(dòng)更合理，達(dá)到更好的散熱效果。
參考圖4，本實(shí)施例的永磁體3采用第三代稀土釹鐵硼材料制作成圓盤形的，中心開有通孔，其中永磁體的體積大小為45.8cm3，其內(nèi)徑為1.8cm，外直徑為7.2cm，厚度為1.2cm；該永磁體3具有剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度為11660Gs，磁感應(yīng)矯頑力為11300A/m，總磁通為22668Gs；(小體積高磁能)。
參考圖3a、3b、3c，本實(shí)施例的第一爪極2和第二爪極5呈碗狀，且在碗的周邊開有6個(gè)齒，而形成梯形爪極；其中爪極的極距τ為2.393cm；爪寬bc為1.675cm；爪根寬bc1為2.63cm；爪尖寬bc2為0.72cm；爪極高度Hc為1.02cm；爪極內(nèi)側(cè)斜角βc為13.65°；(較常規(guī)的爪極漏磁通明顯減少，為6525Gs)；爪尖徑向高度hc2為0.243cm；爪長(zhǎng)Lc為3.2cm。
參考圖2，本實(shí)施例的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，使用上述的轉(zhuǎn)軸4、第一爪極2、第二爪極5、第一風(fēng)扇1和第二風(fēng)扇6，以及一中心帶有通孔的圓盤形的永磁體3；第一爪極2先固定在轉(zhuǎn)軸4一端，再將圓盤形的永磁體3的通孔套入轉(zhuǎn)軸4，然后在永磁體3的另一面的轉(zhuǎn)軸4上，再安裝第二爪極5，這樣第一爪極2與第二爪極5的齒相對(duì)，并且齒與齒沿軸向錯(cuò)位30°角度安裝(即齒與齒錯(cuò)開)；永磁體3被第一爪極2和第二爪極5的梯形爪夾緊在它們之間(如附圖3a、3b、3c所示)，第一風(fēng)扇1通過軸承安裝在轉(zhuǎn)軸4的一端上，再鑲嵌在第一爪極2背面上，第二風(fēng)扇6通過軸承安裝在轉(zhuǎn)軸4的另一端上，再鑲嵌在第二爪極5背面上。
由于本實(shí)施例的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子省去了滑環(huán)、碳刷與勵(lì)磁繞組，因此爪極、定子、外殼都相應(yīng)的減小了外形尺寸，總體外形體積比常規(guī)勵(lì)磁電機(jī)減少了15-20％；采用釹鐵硼稀土材料替代原有的勵(lì)磁繞組后，內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到10000高斯，設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)功率為1000W。經(jīng)整流、穩(wěn)壓后輸出的直流額定電壓為14V，額定電流為72A，最高工作轉(zhuǎn)速為10000r/min發(fā)電機(jī)的總重為6kg。由于前后裝配了風(fēng)扇，有效的自行通風(fēng)，使發(fā)電機(jī)整體溫升減低了20-25％。機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電磁能的效率達(dá)到85％以上，比功率(即體積與功率的比值)是常規(guī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的20-30％。適用于14V電氣系統(tǒng)的汽車中使用。
最后所應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解對(duì)本發(fā)明的部件進(jìn)行等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)軸(4)、爪極和風(fēng)扇，其特征在于還包括一中間帶有通孔的永磁體(3)；所述的第一爪極(2)固定在所述的轉(zhuǎn)軸(4)一端，帶有通孔的永磁體(3)套入轉(zhuǎn)軸(4)，第二爪極(5)固定在所述的轉(zhuǎn)軸(4)的另一端，其中第一爪極(2)與第二爪極(5)的齒相對(duì)，并且齒與齒沿軸向錯(cuò)位30°角度安裝；永磁體(3)夾緊在第一爪極(2)與第二爪極(5)中間，第一風(fēng)扇(1)套裝在轉(zhuǎn)軸(4)一端上，再鑲嵌在第一爪極(2)背面上，第二風(fēng)扇(6)套裝在轉(zhuǎn)軸(4)的另一端上，再鑲嵌在第二爪極(5)背面上。
2.按權(quán)利要求1所述的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于所述的轉(zhuǎn)軸(4)使用45#調(diào)質(zhì)處理。
3.按權(quán)利要求1所述的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于所述的永磁體(3)包括圓盤形或條形的，其中永磁體的大小按體積計(jì)算，其計(jì)算方法為Vm＝(ΦD.FD/BH)×106；式中ΦD--永磁體本身提供的磁通；FD--磁動(dòng)勢(shì)；B-磁感應(yīng)強(qiáng)度； H-磁場(chǎng)強(qiáng)度。
4.按權(quán)利要求1或3所述的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于所述的永磁體(4)采用稀土釹鐵硼材料制作，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br＝11660Gs，磁感應(yīng)矯頑力Hc＝11300A/m，總磁通ΦM＝22668Gs。
5.按權(quán)利要求1所述的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于所述的第一爪極(2)和第二爪極(5)呈碗狀，且在碗的周邊開有齒形成梯形爪極；其中爪極的極距τ＝π.DR/2P，式中DR--電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑，P-電機(jī)極對(duì)數(shù)；爪寬bc＝(bc1+bc2)/2，式中bc1--爪根寬，bc2--爪尖寬；爪極高度Hc＝(DR-Df)/2，式中Df--法蘭直徑；爪極內(nèi)側(cè)斜角βc＝tg-1〔(hc-hc2)/Lc〕，式中hc2--爪尖徑向高度，Lc--爪長(zhǎng)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種由永磁材料構(gòu)造的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，第一爪極和第二爪極固定在轉(zhuǎn)軸兩端，其中第一爪極與第二爪極的齒相對(duì)，并且齒與齒沿軸向錯(cuò)位30°角度安裝；永磁體夾緊在第一爪極與第二爪極中間，第一風(fēng)扇套裝在轉(zhuǎn)軸一端上，再鑲嵌在第一爪極背面上，第二風(fēng)扇套裝在轉(zhuǎn)軸的另一端上，再鑲嵌在第二爪極背面上。采用本實(shí)用新型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且用該轉(zhuǎn)子制作的發(fā)電機(jī)省卻了碳刷、滑環(huán)、勵(lì)磁繞組，無須外加能量來驅(qū)動(dòng)，其機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電磁能可以獲得85％以上的效率，比功率比常規(guī)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)高20－30％。
文檔編號(hào)H02K1/27GK2870277SQ200620022759
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月27日
發(fā)明者李雅麗, 吳曉峰 申請(qǐng)人:深圳市金奇稀土電機(jī)有限公司