菱形转子组件及菱形转子无刷发电机

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种菱形转子组件及菱形转子无刷发电机。

背景技术

目前，汽车发电机一般分两种，一种是有刷发电机，另一种是无刷发电机。有刷发电机由于其碳刷容易磨损，需要定期维护或更换，使用寿命较短，维护成本高，由于无刷发电机没有电刷和滑环，所以不会因电刷及滑环的接触不良和磨损造成励磁不稳定或发电机不发电等故障，同时工作时无电火花，减少了无线电的干扰。对一些对电磁干扰有严格要求的特种车辆来说无刷电机是无疑最佳的选择。

常用的无刷发电机为爪极式转子的无刷发电机，因其结构简单，使用广泛，现有爪极式无刷发电机结构，包括定子、爪极式无刷转子和发电机外壳等构成；其中爪极式无刷转子，包括相互交错的第一爪极和第二爪极。发电时，励磁绕组通电产生的磁场经转子的第一爪极、间隙、定子、间隙、转子的第二爪极、转子主轴、转子的第一爪极形成磁回路。

但是在磁力线经过第一爪极和第二爪极时，在第一爪极和第二爪极上的磁场极性是相反，因此，在第一爪极和第二爪极间会产生较大的漏磁通。当发电机输出越大，需要的励磁越大，漏磁通也越大，所以漏磁通极大的影响了以电机的输出效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中爪极式发电机的输出效率较低的技术问题，本发明提供一种菱形转子组件及菱形转子无刷发电机，可以通过减小转子磁极的漏磁通，从而提高发电机的发电效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种菱形转子组件，包括转轴，还包括：

菱形磁极，所述菱形磁极包括磁极环、连接环板和多个极掌块，所述磁极环呈圆管状，所述磁极环套装在转轴上并与转轴固定连接，所述连接环板套装在磁极环上并与磁极环固定连接，多个所述极掌块沿连接环板周向排布，所述极掌块与连接环板固定连接；

环形磁极，所述环形磁极为管状结构，所述环形磁极的中心轴线与磁极环的中心轴线平行或重合，所述磁极环、连接环板和极掌块均位于环形磁极内部，所述环形磁极的侧壁上开设有多个极掌孔，多个所述极掌孔沿环形磁极周向排布并与极掌块一一对应，所述极掌块插接进所述极掌孔中，所述极掌块与环形磁极固定连接。

本发明的菱形转子组件，菱形磁极作为转子的一个磁极，环形磁极作为转子的另一个磁极，环形磁极两端的磁极极性相同，由于环形磁极将菱形磁极包围，极掌块插接进极掌孔中，越靠近极掌块附近的磁场强度较强，并且环形磁极与菱形磁极之间的磁感线会汇集到菱形磁极上，从而减少转子漏掉的磁通量。

进一步，所述环形磁极最中间的直径最大，所述环形磁极的直径从中间向轴向的两端逐渐减小。

进一步，所述环形磁极包括第一环形爪极和第二环形爪极，所述第一环形爪极和第二环形爪极均为锥形的管状结构，所述第一环形爪极和第二环形爪极沿磁极环的轴线方向排列设置，所述第一环形爪极和第二环形爪极同轴设置，所述第一环形爪极靠近第二环形爪极的一端设有多个第一极掌缺口，多个所述第一极掌缺口沿第一环形爪极的周向排列，所述第二环形爪极靠近第一环形爪极的一端设有多个第二极掌缺口，多个所述第二极掌缺口沿第二环形爪极的周向排列，所述第一极掌缺口与第二极掌缺口一一对应，所述第一环形爪极与第二环形爪极固定连接形成环形磁极，所述第一极掌缺口和第二极掌缺口形成所述极掌孔。通过将环形磁极设置成第一环形爪极和第二环形爪极，便于将极掌块安装进极掌孔内，励磁线圈在第一环形爪极和第二环形爪极上产生的磁极极性相同，菱形磁极为第一环形爪极和第二环形爪极的公共磁极，相较于交错设置的两个极性不同的爪极而言，第一环形爪极和第二环形爪极与菱形磁极产生的磁势及磁通量相应会明显的增加，从而极大的提高了电机的输出功率。

进一步，所述第一环形爪极与第二环形爪极通过焊接材料焊接固定连接，所述焊接材料、第一环形爪极和第二环形爪极的材料相同。

进一步，所述极掌块长度方向的两端与环形磁极通过连接条固定连接，所述连接条的一端与极掌块固定连接，所述连接条的另一端与环形磁极固定连接，所述连接条为非导磁材料。

进一步，所述极掌块与环形磁极通过环形连接件固定连接，所述环形连接件设置在环形磁极内部，多个所述极掌块均与环形连接件固定连接，所述环形连接件的外侧面与环形磁极的内侧面相接触，所述环形连接件与环形磁极固定连接。

进一步，所述极掌块的长度方向与环形磁极的轴线平行，所述极掌块长度方向的两个端面设置有第一倾斜面，所述第一倾斜面从极掌块远离磁极环的一端到极掌块靠近磁极环的一端逐渐靠近极掌块的中心设置，所述极掌孔长度方向的两个端面设置有第二倾斜面，所述第二倾斜面与第一倾斜面平行设置。

本发明还提供了一种包括菱形转子组件的菱形转子无刷发电机，还包括

发电机外壳，所述菱形转子组件安装在所述发电机外壳内，所述转轴贯穿发电机外壳的两个侧面并与发电机外壳转动连接；

两个励磁线圈，两个所述励磁线圈沿转轴的长度方向排列设置，两个所述励磁线圈设置在连接环板的两侧，两个励磁线圈均与发电机外壳固定连接，两个励磁线圈上均设置有安装孔，所述安装孔沿磁极环轴向设置，所述磁极环的两端插接进所述安装孔内，所述励磁线圈与磁极环之间设置有第一气隙，所述励磁线圈靠近连接环板的侧面与连接环板的端面之间设置有第二气隙，所述励磁线圈远离磁极环的端面与环形磁极的内侧面之间设置有第三气隙，所述励磁线圈上绕设有励磁绕组，所述励磁线圈和励磁绕组均位于环形磁极内部；

定子，所述定子设置在发电机外壳的内部，所述定子远离发电机外壳的侧面覆盖极掌块远离磁极环的侧面，所述定子与发电机外壳固定连接，所述定子与极掌块之间具有间隙。

本发明的菱形转子无刷发电机，通过环形磁极将菱形磁极包围，定子远离发电机外壳的侧面覆盖极掌块远离磁极环的侧面，从而使得穿过定子的磁感线的数量较大，从而提高发电机的发电效率，并且菱形转子组件采用了两个励磁线圈，它减少了单个线圈励磁负荷，降低单个励磁线圈内阻，减少了励磁线圈的发热量，从而减慢励磁线圈绝缘老化的速度，避免励磁线圈因温度过高被烧坏，从而增加励磁线圈的使用寿命，进而提高发电机的使用寿命。

进一步，所述间隙的宽度为0.35～0.5mm。间隙是为了保证转子在定子腔内能自由转动，间隙的大小对发电机的性能、运行可靠性影响较大。若定子与极掌块之间的间隙过大，则定子与极掌块之间的磁阻会增大，励磁损耗会增大，发电机的发电效率会降低，但间隙过小又会使间隙谐波磁场增大，发电机的噪声会增加，同时间隙太小还容易使定子与极掌块之间发生碰撞。另外，间隙太小也给装配带来了困难。

进一步，所述定子沿转轴长度方向的端面与极掌块长度方向的端面相齐平。

本发明的有益效果是，通过环形磁极将菱形磁极包围，励磁线圈其中一个磁极的磁性传导到菱形磁极上，从而使得菱形磁极成为转子的一个磁极，励磁线圈另一个磁极的磁性传导到环形磁极上，使得环形磁极成为转子的另一个磁极，由于环形磁极将菱形磁极包围，环形磁极两端的磁极极性相同，定子远离发电机外壳的侧面覆盖极掌块远离磁极环的侧面，从而使得穿过定子的磁感线的数量较大，从而减少漏掉的磁通量，从而提高发电机的发电效率；

通过将环形磁极设置成第一环形爪极和第二环形爪极，便于将极掌块安装进极掌孔内，励磁线圈在第一环形爪极和第二环形爪极上产生的磁极极性相同，菱形磁极为第一环形爪极和第二环形爪极的公共磁极，相较于交错设置的两个极性不同的爪极而言，第一环形爪极和第二环形爪极与菱形磁极产生的磁势及磁通量相应会明显的增加，从而极大的提高了电机的输出功率；

菱形转子组件采用了两个励磁线圈，它减少了单个线圈励磁负荷，降低单个励磁线圈内阻，减少了励磁线圈的发热量，从而减慢励磁线圈绝缘老化的速度，避免励磁线圈因温度过高被烧坏，从而增加励磁线圈的使用寿命，进而提高发电机的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的菱形转子组件的结构示意图。

图2是本发明的菱形转子组件的俯视示意图。

图3是图2中A-A的剖面图。

图4是图3中A处的放大图。

图5是图2中B-B的剖面图。

图6是本发明的菱形转子无刷发电机的磁路原理图。

图7是本发明的实施例中对比例的爪极式发电机的磁路原理图。

图中：1、转轴；2、菱形磁极；3、磁极环；4、连接环板；5、极掌块；6、励磁线圈；7、励磁绕组；8、环形磁极；9、极掌孔；10、第一环形爪极；11、第二环形爪极；12、第一极掌缺口；13、第二极掌缺口；14、焊接材料；15、连接条；16、第一倾斜面；17、第二倾斜面；18、发电机外壳；19、定子；20、间隙；21、环形连接件；22、第一气隙；23、第二气隙；24、第三气隙。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：如图1至图5所示，一种菱形转子无刷发电机，包括菱形转子组件、发电机外壳18、定子19和两个励磁线圈6，菱形转子组件安装在发电机外壳18内，菱形转子组件包括转轴1、菱形磁极2和环形磁极8，转轴1贯穿发电机外壳18的两个侧面并与发电机外壳18转动连接，定子19设置在发电机外壳18的内部，定子19与发电机外壳18固定连接。

菱形磁极2包括磁极环3、连接环板4和多个极掌块5，磁极环3、连接环板4和极掌块5的材料可选用08钢，磁极环3呈圆管状，磁极环3套装在转轴1上并与转轴1固定连接，连接环板4套装在磁极环3上并与磁极环3固定连接，多个极掌块5沿连接环板4周向排布，极掌块5与连接环板4固定连接，定子19远离发电机外壳18的侧面覆盖极掌块5远离磁极环3的侧面，定子19沿转轴1长度方向的端面与极掌块5长度方向的端面相齐平，定子19与极掌块5之间具有间隙20，间隙20的宽度为0.35～0.5mm。间隙20是为了保证转子在定子19腔内能自由转动，间隙20的大小对发电机的性能、运行可靠性影响较大。若定子19与极掌块5之间的间隙20过大，则定子19与极掌块5之间的磁阻会增大，励磁损耗会增大，发电机的发电效率会降低，但间隙20过小又会使间隙20谐波磁场增大，发电机的噪声会增加，同时间隙20太小还容易使定子19与极掌块5之间发生碰撞。另外，间隙20太小也给装配带来了困难。

环形磁极8为管状结构，环形磁极8的中心轴线与磁极环3的中心轴线平行或重合，环形磁极8最中间的直径最大，环形磁极8的直径从中间向轴向的两端逐渐减小。磁极环3、励磁线圈6和励磁绕组7均位于环形磁极8内部，环形磁极8的侧壁上开设有多个极掌孔9，多个极掌孔9沿环形磁极8周向排布并与极掌块5一一对应，极掌块5插接进极掌孔9中，极掌块5与极掌孔9的内侧壁之间具有间距，极掌块5与环形磁极8通过非导磁件固定连接，非导磁件可以为连接条15，极掌块5长度方向的两端与环形磁极8均通过连接条15固定连接，连接条15的一端与极掌块5固定连接，连接条15的另一端与环形磁极8固定连接，连接条15为非导磁材料，非导磁件还可以为环形连接件(21)，极掌块5与环形磁极8之间通过环形连接件(21)固定连接，环形连接件(21)设置在环形磁极8内部，多个极掌块5均与环形连接件(21)固定连接，环形连接件(21)的外侧面与环形磁极8的内侧面相接触，环形连接件(21)与环形磁极8固定连接，环形连接件(21)由非导磁材料制成。

两个励磁线圈6沿转轴1的长度方向排列设置，两个励磁线圈6设置在连接环板4的两侧，两个励磁线圈6均与发电机外壳18固定连接，两个励磁线圈6上均设置有安装孔，安装孔沿磁极环3轴向设置，磁极环3的两端插接进安装孔内，励磁线圈6与磁极环3之间设置有第一气隙22，励磁线圈6靠近连接环板4的侧面与连接环板4的端面之间设置有第二气隙23，励磁线圈6远离磁极环3的端面与环形磁极8的内侧面之间设置有第三气隙24，励磁线圈6上绕设有励磁绕组7，励磁线圈6和励磁绕组7均位于环形磁极8内部。

极掌块5的长度方向与环形磁极8的轴线平行，极掌块5长度方向的两个端面设置有第一倾斜面16，第一倾斜面16从极掌块5远离磁极环3的一端到极掌块5靠近磁极环3的一端逐渐靠近极掌块5的中心设置，极掌孔9长度方向的两个端面设置有第二倾斜面17，第二倾斜面17与第一倾斜面16平行设置，

环形磁极8包括第一环形爪极10和第二环形爪极11，第一环形爪极10和第二环形爪极11均为锥形的管状结构，第一环形爪极10和第二环形爪极11沿磁极环3的轴线方向排列设置，第一环形爪极10和第二环形爪极11同轴设置，第一环形爪极10靠近第二环形爪极11的一端设有多个第一极掌缺口12，多个第一极掌缺口12沿第一环形爪极10的周向排列，第二环形爪极11靠近第一环形爪极10的一端设有多个第二极掌缺口13，多个第二极掌缺口13沿第二环形爪极11的周向排列，第一极掌缺口12与第二极掌缺口13一一对应，第一环形爪极10与第二环形爪极11固定连接形成环形磁极8，第一环形爪极10与第二环形爪极11通过焊接材料14焊接固定连接，焊接材料14、第一环形爪极10和第二环形爪极11的材料相同，第一极掌缺口12和第二极掌缺口13形成极掌孔9。通过将环形磁极8设置成第一环形爪极10和第二环形爪极11，便于将极掌块5安装进极掌孔9内，励磁线圈6在第一环形爪极10和第二环形爪极11上产生的磁极极性相同，菱形磁极2为第一环形爪极10和第二环形爪极11的公共磁极，相较于交错设置的两个极性不同的爪极而言，第一环形爪极10和第二环形爪极11与菱形磁极2产生的磁势及磁通量相应会明显的增加，从而极大的提高了电机的输出功率。

参照图3和图6所示，对励磁线圈6通入电流，使得励磁线圈6产生磁性，左侧的励磁线圈6通电后产生的磁极为左端磁性磁极为S极，右端的磁性磁极为N极，右侧的励磁线圈6通电后产生的磁极为左端磁性磁极为N极，右端的磁性磁极为S极，因此两个左右励磁线圈6将磁性磁极传导到菱形磁极2上，使得菱形磁极2的磁性磁极为N极，并且励磁线圈6将磁性磁极传导到环形磁极8上，使得环形磁极8两端的磁性磁极均为S极，励磁线圈6的磁极可以通过改变励磁线圈6通入的电流的方向改变，从而改变菱形磁极2和环形磁极8的极性，需保证环形磁极8两端的极性相同。

参照图6所示，本发明的菱形转子组件上的磁路为：极掌块5→间隙20→定子19→间隙20→环形磁极8→励磁线圈6→磁极环3→连接环板4→极掌块5，由于环形磁极8将菱形磁极2包围，并且环形磁极8两端的磁极极性相同，定子19远离发电机外壳18的侧面覆盖极掌块5远离磁极环3的侧面，因此菱形磁极2与之间环形磁极8磁感线均会穿过定子19，从而极大的减少漏掉的磁通量，从而提高发电机的发电效率。

如图7所示，对比例为常用的爪极式发电机，磁路为N极→转子与定子19间的气隙→定子19→定子19与转子间的气隙→S极→磁轭→N极，常用的爪极式发电机磁力线从N极到S极的过程中会有部分磁感线不会穿过定子19，在转子N极和S极之间漏掉的磁通量会较大。会减小发电机的输出效率。

对本实施例的菱形转子无刷发电机和常用的爪极式转子的无刷发电机进行发电效率测试，如表一所示，对本实例的菱形转子无刷发电机进行发电效率测试，分别记录时间、测试时发电机转轴1的转速(转速单位为r/min)和励磁线圈6通入的电流大小(单位为A)，然后记录发电机的输出电压值(单位为V)、输出电流值(单位为A)、发电机的效率η以及发电机的温度。

表一

如表二所示，对常用的爪极式转子的无刷发电机进行发电效率测试，记录时间、发电机转轴的转速(转速单位为r/min)，然后记录发电机的输出电压值(单位为V)、输出电流值(单位为A)、发电机的效率η以及发电机的温度。

表二

经过表一和表二对比可知，相对于常用的爪极式转子的无刷发电机而言，本实施例的菱形转子无刷发电机在相同的转速下，输出电流值明显高于爪极式转子的无刷发电机，发电效率也明显高于爪极式转子的无刷发电机，并且本实施例的菱形转子无刷发电机的温度低于爪极式转子的无刷发电机。

因此本发明通过环形磁极8将菱形磁极2包围，环形磁极8两端的磁极极性相同，定子19远离发电机外壳18的侧面覆盖极掌块5远离磁极环3的侧面，从而使得穿过定子19的磁感线的数量较大，从而减少漏掉的磁通量，提高了发电机的发电效率，并且本发明的菱形转子组件采用了两个励磁线圈6，它减少了单个线圈励磁负荷，降低单个励磁线圈6内阻，减少了励磁线圈6的发热量，从而减慢励磁线圈6绝缘老化的速度，避免励磁线圈6因温度过高被烧坏，从而增加励磁线圈6的使用寿命，进而提高发电机的使用寿命。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。