專利名稱：旋轉電機及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種旋轉電機及其制造方法。
背景技術：
在WO98/54823所公開的交流發電機中，定子具有一個由多個U形導體元件構成的定子線圈。所述導體元件從定子鐵芯的一個軸向端部插入到定子鐵芯的槽中，所述導體元件的端部連接在定子鐵芯的相反軸向端部上。通過這種定子結構，形成了一種緊湊、有效和低廉的交流發電機。
另外，在JP2000-37132A所公開的一種交流發電機中，為了提高轉折部分的絕緣性，在轉折部分U形導體元件支腿之間的絕緣間隙大于U形元件位于槽中的插入部分的絕緣間隙。
作為定子線圈的U形元件，采用具有圖10所示初始形狀的元件500。轉折部分502具有靠近槽中定子鐵芯外徑布置的小彎曲部分504和靠近槽中定子鐵芯內徑布置的大彎曲部分506。在元件500安裝在槽中時，線圈端內徑小于轉子的外徑，因此而提高了轉折部分的絕緣性。
但是，在該定子中，線圈端內周邊的不均勻度增大。而且，線圈端設置在冷卻空氣發生元件的附近。因此，由于轉子磁極之間具有間隙，因此，氣壓的波動增大，風扇的噪聲增大。另外，由于線圈端內徑小于轉子的外徑，因此限制了生產計劃的靈活度。從而難于降低生產成本。
另外，由于線圈端靠近轉子磁極，磁極中所產生的磁場很可能會影響定子線圈，并降低其性能。上述問題甚至在采用圖11所示元件600的情況下也同樣會發生。元件600在轉折部分602處彎曲，設置在定子鐵芯內徑附近的彎曲部分606是彎曲的，而設置在定子鐵芯外徑附近的部分604基本上是平的。
圖9示出了定子900的一部分，其中，較大的部分1331和較小的部分1332插入到定子鐵芯902的槽905中。與定子鐵芯902的徑向射線相重合的槽905的縱向中心線與較大部分1331的中心線之間所形成的夾角θ11大約為110°。與定子鐵芯902的徑向射線相重合的槽905的縱向中心線與較大部分1331的中心線之間所形成的夾角θ12大約為90°。
夾角θ11大于夾角θ12。換句話說，轉折部分1331c在定子鐵芯的內側比在定子鐵芯的外側更為彎曲。因此，線圈端的最小內徑R1小于定子鐵芯902的內徑Rso。
在JP9-19108A所公開的定子中，多相線圈繞組插入到定子鐵芯中，且只有處于一個相位上的線圈繞組在轉折部分向定子鐵芯的周邊彎曲。由于只有處于一個相位上的線圈繞組是彎曲的，因此，該線圈繞組的長度與處于其它相位上的線圈繞組的長度是不同的。換句話說，線圈繞組的電阻是不同的。因此，降低了發電能力。

發明內容本發明的一個目的是提供一種在尺寸、動力輸出和成本方面都得到改進同時又保持其發電功效、低風扇噪聲和便于制造等特點的旋轉電機。
本發明的另一個目的是提供一種制造旋轉電機的制造方法。
本發明的旋轉電機包括轉子、位于轉子徑向外側的定子和封閉轉子和定子的外殼。所述定子包括定子鐵芯和定子線圈，所述定子鐵芯在其內周邊具有多個槽，所述定子線圈穿過所述槽。定子線圈具有位于槽中的插入部分和連接定子鐵芯軸向外側插入部分的連接部分。每個連接部分具有第一曲線部分和第二曲線部分。第一曲線部分靠近定子鐵芯的外徑，第二曲線部分靠近定子鐵芯的內徑。第一曲線部分的曲率半徑大于第二曲線部分的曲率半徑。
通過這種結構，提高了由連接部分所形成的線圈端內周邊的均勻度。而且，線圈端與冷卻空氣發生裝置例如風扇之間的間隔增大。因此，降低了冷卻空氣風扇裝置所產生的噪聲。另外，由于在所有的連接部分上都形成有第一和第二曲線部分，因此，形成定子線圈的導體的電阻基本上是相等的。從而可保持其發電功效。
定子線圈由U性導線構成。將長的導線切割成預定的長度，將導線彎曲成大致為U形的形狀，并在U形的彎曲部分上形成第一曲線部分，由此而制成U形導線。在靠近定子鐵芯外徑的一側形成第一曲線部分。然后，在將U形導線安裝到槽中之前，將U形導線扭曲成預定的形狀。
由于在扭曲和安裝到槽中之前就形成第一曲線部分，因此，簡化了旋轉電機的制造過程。另外，也降低了旋轉電機的制造成本。

本發明上述的和其它的目的、特點和優點可通過下面結合附圖所進行的描述中清楚地得出。其中圖1是局部剖開的本發明實施例的車輛交流發電機的示意圖；圖2是本發明實施例的定子中的一部分的橫截面圖；圖3是安裝在本發明實施例的定子鐵芯中的導體元件的透視圖；圖4是本發明實施例的導體元件的端部的透視圖；圖5是本發明實施例的定子鐵芯的局部端面視圖，其示出了導體元件是如何安裝在槽中；圖6是表示如何制造本發明實施例的導體元件的示意圖；圖7是由圖6所示方法制造的導體元件的示意圖；圖8是根據本發明實施例改進的導體元件的示意圖；圖9是現有技術車輛交流發電機的定子鐵芯的局部端面視圖，其示出了導體元件是如何安裝到槽中；圖10是現有技術的導體元件的示意圖；圖11是現有技術的導體元件的示意圖。
具體實施方式下面將結合附圖對本發明的優選實施例進行描述。
圖1所示的車輛交流發電機1是一個三相發電機，其由發動機(未示出)驅動。圖1中交流發電機1的左側和右側分別表示前端和后端。交流發電機1包括定子2、轉子3、外殼4和整流裝置5。轉子3與軸6一起旋轉，并起勵磁磁鐵的作用。轉子3包括Lundell型磁極鐵芯7、勵磁線圈8、滑環9、10、混流式風扇11和離心式風扇12。軸6與皮帶輪20相連，并由發動機(未示出)驅動旋轉。
Lundell型磁極鐵芯7由一對磁極鐵芯構成。每個磁極鐵芯包括一個固定在軸6周圍的輪轂部分71和一個從輪轂部分71的軸向端部沿徑向延伸的輪盤部分72。而且，磁極鐵芯7包括16個爪形磁極73。勵磁線圈8纏繞在輪轂部分71周圍。
混流式風扇11包括基盤111、相對于基盤111呈銳角布置的傾斜葉片和垂直于基盤111布置的垂直葉片。基盤111通過焊接或其它的方式固定在磁極鐵芯7的前端表面上，從而混流式風扇11可與轉子3一起旋轉。離心式風扇12包括基盤121和垂直于基盤121布置的葉片。基盤121通過焊接或其它的方式固定在磁極鐵芯7的后端表面上，從而離心式風扇12可與轉子3一起旋轉。
定子2可用作電樞。定子2圍繞轉子3的外周邊布置。定子2包括定子鐵芯32和多相定子線圈31。定子線圈31由多個電導體構成。電導體布置在位于定子鐵芯32內周邊的槽35中。定子線圈31從定子鐵芯32的后端和前端沿軸向伸出，并形成第一線圈端31a和第二線圈端31b。
外殼4由前端外殼4a和后端外殼4b構成。外殼4在其前端表面和后端表面上設有進氣孔41。外殼4還在與第一線圈端31a和第二線圈端31b相對的部分上設有排氣孔42。前端外殼4a在其內周邊設有臺階4f。
前端外殼4a和后端外殼4b通過雙頭螺柱(固定件)4c固定，從而前端外殼4a和后端外殼4b可將定子2和轉子3保持在一起。具體地說，定子鐵芯32的軸向前端通過雙頭螺柱4c的凸緣4g沿軸向施壓而與臺階4f壓接在一起，定子鐵芯32夾在臺階4f和凸緣4g之間。
整流裝置5固定在后端外殼4b的端部，并與第一線圈端31a相對。整流裝置5將定子2輸出的交流電壓整流為直流電壓。
當旋轉驅動力從發動機通過皮帶和類似的裝置傳遞給皮帶輪20時，轉子3就沿預定的方向旋轉。在此情況下，通過將結束電壓作用于勵磁線圈8而使磁極鐵芯7的爪形磁極73產生激勵。因此，在定子線圈31中產生三相電壓，并在整流裝置5的輸出端5a產生直流電流。
下面將詳細地對定子2進行描述。
如圖2所示，定子鐵芯32具有沿定子鐵芯32徑向向內敞開的均布分開的槽35。定子線圈31的電導體通過絕緣子34布置在槽35中。絕緣子34在定子鐵芯32和定子線圈31之間形成電絕緣。槽35的數目根據轉子3的磁極數目和定子線圈31的相數而定。如在該實施例中，設有72個槽。
圖3示出了安裝在定子鐵芯32的槽35中的電導體的形狀。電導體331和332通過將大致為U形的導線成型或扭曲成預定形狀而成。每個導體具有厚度均勻的大致為矩形的橫截面。導體331和332以預定的方式布置而構成定子線圈31。
在每個槽35中，安裝有偶數個電導體(例如，在該實施例中為4個導體)，并沿定子鐵芯32的軸向延伸穿過。如圖2所示，導體331和332的直的部分(插入部分)331a、332a、332b和331b沿直線布置，并在定子鐵芯32的徑向向外的方向上形成內層(第一層)、內中層(第二層)、外中層(第三層)和外層(第四層)。
第一線圈端31a由定子鐵芯32軸向外側的導體331、332的連接部分(轉折部分)331c、332c構成。第二線圈端31b由定子鐵芯32軸向外側的導體331、332的連接端331d、331e、332d和332e構成。
位于槽35的一個層上的一個導體與位于與槽35相鄰一個極距的槽35的另一個層上的一個導體成對配置，從而使導體之間保持間隔并有序地布置導體。
例如，第一層的插入部分331a與位于與插入部分331a所穿過的槽相鄰一個極距的槽35的第四層的插入部分331b成對配置。第二層的插入部分332a與位于與插入部分332a所穿過的槽相鄰一個極距的槽35的第三層的插入部分332b成對配置。
插入部分331a、332a分別通過連接部分331c、332c在定子鐵芯32軸向后端的軸向外側與插入部分331b、332b相連。在定子鐵芯32的軸向端部，轉折部分331c位于轉折部分332c的外側。連接部分331c形成外層線圈端，轉折部分332c形成中層線圈端。外層線圈端和中層線圈端形成第一線圈端31a。
第二層的插入部分332a還與位于與插入部分332a所穿過的槽相鄰一個極距的槽35的第一層的插入部分331a’成對配置。第四層的插入部分331b’與位于與插入部分331b’所穿過的槽相鄰一個極距的槽35的第三層的插入部分332b成對配置。插入部分332a的端部332d在定子鐵芯32軸向前端的軸向外側與插入部分331a’的端部331d’相連。插入部分331b’的端部331e’在定子鐵芯32軸向前端的軸向外側與插入部分332b的端部332e相連。
端部331d’和332d的連接部分和端部332e和331e’的連接部分布置在定子鐵芯32的徑向，從而形成相鄰層線圈端。在此情況下，導體端部的連接部分不會在定子鐵芯32軸向前端的軸向外側重疊，從而形成第二線圈端31b。
這里，包括插入部分331a、331b、連接部分331c和端部331d、331e的導體331被稱為大部段。包括插入部分332a、332b、連接部分332c和端部332d、332e的導體332被稱為小部段。
大部段331和小部段332包含在基本部段33中。基本部段33以特定的方式布置在槽35中，從而形成圍繞定子鐵芯32轉折兩次的定子線圈31。但是，形成定子線圈31的引出導線的部段和連接定子線圈31的第一和第二重疊部分的轉折部分包含在具有特定形狀的部段中。定子線圈31包括9個特定形狀的部段。通過連接第一重疊部分和第二重疊部分，也就是通過連接內層線圈端和外層線圈端就可形成特定形狀的線圈端。
下面將對定子線圈31的制造過程進行描述。
首先，布置基本部段33使大部段331的轉折部分331c穿過到小部段332的轉折部分332c的外側。在將部段33安裝到槽35中之前，扭曲部段33使插入部分331a和插入部分332a分別對應在槽(第一槽)35的第一層和第二層中，導體332b和導體331b分別對應在沿定子鐵芯32的順時針方向與第一槽間隔一個極距的另一個槽(第二槽)35的第三和第四層中。然后，將扭曲的部件33從定子鐵芯32的軸向后端插入到槽35中。這樣，插入部分331a、331b、332a和332b就以上述方式布置在槽35中。
在插入部段33之后，將從定子鐵芯32的軸向前端伸出的部段33的端部彎曲。具體地說，彎曲大部段331的端部331d和331e，使端部331d沿定子鐵芯32的周向離開端部331e。大部段331的每個端部331d和331e延伸到距離部段331所穿過的槽35大約一個半槽的點處。彎曲小部段332的端部332d和332e，使端部332d靠近端部332e。每個端部332d和332e延伸到大約一個半槽的點處。
在進行了上述步驟之后，通過焊接，例如超聲波焊接、電弧焊接和釬焊使槽35中的所有部段33、第四層的端部331e’和第三層的端部332e電連接。類似地，使第二層的端部332d和第一層的端部331d’電連接。在完成上述步驟形成圖4所示的所有端部時，就形成了定子2的第二線圈端31b。
當從定子鐵芯32的軸向后端看定子鐵芯32時，大部段331和小部段332就布置成圖5所示的形式。與定子鐵芯32的徑向射線重合的槽35的縱向中心線L1與從第一層伸出的部段331的中心線L2之間的夾角θ1大約為90°。與定子鐵芯32的徑向射線重合的槽35的縱向中心線L3與從第四層伸出的部段331的中心線L4之間的夾角θ2大約為100°。也就是，夾角θ2大于夾角θ1。
因此，在轉折部分331c，定子鐵芯32內徑附近的曲線小于定子鐵芯32外徑附近的曲線。第一線圈端31a的最小內徑D1大于定子鐵芯32的內徑Dso。在定子鐵芯32內徑附近的部位相對于槽35的內徑接觸線向定子鐵芯32的外徑側折疊轉折部分331c。以同樣的方式布置小部段332。
另外，最小內徑D1大于轉子3的外徑Dr。基本部段33的最大外徑D2也就是第一線圈端31a的外徑大于定子鐵芯32的外徑Ds。這就減小了線圈端31a與其它部件的干擾。因此，減小了線圈端的高度。由于風扇和線圈端31a之間的間隔增大，因而也降低了風扇的噪聲。
用于形成部段331和332的U形導線可如圖6所示的那樣進行制造。首先，將長的導線切割成一定的長度而形成直導線100(步驟1)。然后，將直導線100設置在特定的位置上，并通過向下(箭頭A1所示的方向)移動活動銷210來將其基本上彎曲成U形(步驟2)。因此，就制成具有轉折部分202、第一直線部分205和第二直線部分207的U形導線200。
其次，沿水平方向(箭頭A2所示的方向)移動成型輥212，從而轉折部分202的一側就凹陷而形成彎曲部分(大的彎曲部分)204(步驟3)，如圖7所示。轉折部分202在與大的彎曲部分204相對的一側具有平坦部分206。這里，大的彎曲部分204被稱為第一曲線部分，而平坦部分206被稱為第二曲線部分。轉折部分202與轉折部分(連接部分)331c、332c相對應。
導線200在安裝到槽35中之前，作為部段33，使第一曲線部分204靠近定子鐵芯32的外徑，而第二曲線部分206靠近定子鐵芯32的內徑(靠近轉子3)。然后，將導線200扭曲成上述預定形狀，并將其插入到槽35中，從而如圖5所示的那樣布置部段33。
第一直線部分205的一部分與設置在靠近定子鐵芯32外徑的槽35中的插入部分331b、332b相對應。第二直線部分207的一部分與設置在靠近定子鐵芯32內徑的槽35中的插入部分331a、332a相對應。
由于部段331、332的轉折部分331c和332c具有位于定子鐵芯32外徑側的大的彎曲部分204和位于內徑側的平坦部分206，因此，提高了第一線圈端31a內周邊的平整度。通過這種結構，線圈端31a、31b與冷卻空氣發生裝置例如混流式風扇11和離心式風扇12之間的間隔增大。因此，減小了風扇的噪聲。
另外，對于所有的部段33而不是特定形狀的部段都均勻地形成彎曲。換句話說，部段33制成相同的長度(相同的電阻)。因此，可保持其發電功效。
另外，由于第一曲線部分204設置得靠近定子鐵芯32的外徑側，第一線圈端31a的最大外徑D2大于定子鐵芯32的外徑Ds。通過這種結構，面向第一線圈端31a的后端外殼4b的內徑大于前端外殼4a的內徑。而且，后端外殼4b在面向第一線圈端31a的位置上設有氣孔42。因此，提高了冷卻性能。
部段33至少在插入部分具有大致為矩形的橫截面，因此，部段33所占據的槽35的區域增大。因此，可獲得較高的能量輸出，同時減小了其尺寸。由于在離心方向上的空氣通道增大，因此，在相同橫截面面積的情況下，與具有圓形橫截面的部段相比，提高了線圈端31a的冷卻效率。
通過采用U形導線200來形成定子線圈31，可很容易地制造出定子2，并可降低生產成本。但是，本發明并不局限于前述的和附圖所示的實施例，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以其它各種方式來實現本發明。
例如，如圖8所示，第二曲線部分206可以是略微彎曲的。U形導線200A在靠近定子鐵芯32內徑的一側具有小的彎曲部分208，在靠近定子鐵芯32外徑的一側具有大的彎曲部分204。第一曲線部分204的曲率半徑大于第二曲線部分208的曲率半徑。為了制造U形導線200A，在步驟3中采用兩個成型輥212。通過兩個成型輥212從導線200A的兩側施加力來形成第一曲線部分204和第二曲線部分208。
本發明可應用于任何種類的旋轉電機，而不只是車輛發電機中的一種。
權利要求
1.一種旋轉電機，其包括用于產生磁場的轉子；位于轉子徑向外側的定子，所述定子包括定子鐵芯和定子線圈，所述定子鐵芯在其內周邊具有多個槽，所述定子線圈穿過所述槽；和封閉轉子和定子的外殼，其中，定子線圈具有位于槽中的插入部分和連接定子鐵芯軸向外側插入部分的連接部分，其中，每個連接部分具有第一曲線部分和第二曲線部分，第一曲線部分靠近定子鐵芯的外徑設置，第二曲線部分靠近定子鐵芯的內徑設置，以及第一曲線部分的曲率半徑大于第二曲線部分的曲率半徑。
2.根據權利要求1所述的旋轉電機，其中，第二曲線部分與其連接部分相切。
3.根據權利要求1所述的旋轉電機，其中，定子線圈由多個大致為U形的導電體構成，每個導體具有第一插入部分、第二插入部分、轉折部分、第一端部和第二端部，其中，第一插入部分設置在靠近定子鐵芯外徑的第一槽中，第二插入部分設置在靠近定子鐵芯內徑的第二槽中，第二槽與第一槽相距一個極距；轉折部分連接第一插入部分和第二插入部分，并形成連接部分；第一和第二端部形成于第一和第二插入部分的各個端部，每個端部在連接部分相對的一側與定子鐵芯軸向外側的另一個導體的端部相連。
4.根據權利要求3所述的旋轉電機，其中，在安裝到定子鐵芯中之前，通過扭曲成大致為U形的導線來形成每個導電體。
5.根據權利要求3所述的旋轉電機，其中，與定子鐵芯徑向射線重合的第二槽的縱向中心線和連接部分的第二曲線部分的中心線之間形成第一夾角θ1，與定子鐵芯徑向射線重合的第一槽的縱向中心線和連接部分的第一曲線部分的中心線之間形成第二夾角θ2，其中，每個導體布置成使第一夾角θ1小于第二夾角θ2。
6.根據權利要求1或2所述的旋轉電機，其中，連接部分形成線圈端，線圈端的最小內徑大于轉子的外徑。
7.根據權利要求1或2所述的旋轉電機，其中，連接部分形成線圈端，線圈端的最大外徑大于定子鐵芯的外徑。
8.根據權利要求1或2所述的旋轉電機，其中，每個插入部分具有大致為矩形的橫截面。
9.根據權利要求4所述的旋轉電機，其中，U形導線具有第一直線部分、第二直線部分和連接第一直線部分和第二直線部分的彎曲部分，該彎曲部分包括靠近第一直線部分的第一曲線部分和靠近第二直線部分的第二曲線部分，第一曲線部分的曲率半徑大于第二曲線部分的曲率半徑，其中，當扭曲U形導線并將其安裝到定子鐵芯中時，第一直線部分形成第一插入部分，第二直線部分形成第二插入部分。
10.根據權利要求9所述的旋轉電機，其中，第二曲線部分與其彎曲部分相切。
11.根據權利要求3所述的旋轉電機，其中，外殼包括圍繞定子鐵芯端部的第一外殼和圍繞定子鐵芯連接部分的第二外殼，第二外殼的內徑大于第一外殼的內徑。
12.根據權利要求11所述的旋轉電機，其還包括帶有凸緣的固定件，其中，第一外殼在其內周邊具有臺階，通過固定件沿軸向推壓定子鐵芯，從而將定子鐵芯固定在臺階與凸緣之間。
13.根據權利要求12所述的旋轉電機，其中，固定件是用于緊固第一外殼和第二外殼的螺栓。
14.根據權利要求1或2所述的旋轉電機，其中，外殼在與定子線圈的連接部分的第一曲線部分相對的部位設有氣孔。
15.一種制造如權利要求9所述的旋轉電機的方法，其包括以下步驟將長的導線切割成預定的長度；將導線彎曲成大致為U形的形狀，從而形成第一直線部分、第二直線部分和彎曲部分；由彎曲部分形成第一曲線部分，由此而制成U形導線。
16.根據權利要求15所述的制造旋轉電機的方法，其還包括在將U形導線安裝到定子鐵芯上之前，扭曲U形導線的步驟。
17.根據權利要求15所述的制造旋轉電機的方法，其還包括在彎曲部分的第二曲線部分上形成曲線，從而使第二曲線部分的曲率半徑小于第一曲線部分的曲率半徑的步驟。
全文摘要
一種車輛交流發電機包括定子、轉子和外殼。定子具有定子鐵芯和定子線圈，定子鐵芯具有多個槽，定子線圈穿過所述槽。定子線圈由多個導電體構成。每個導電體具有位于槽中的插入部分和連接定子鐵芯軸向外側插入部分的連接部分。連接部分具有第一曲線部分和第二曲線部分。第一曲線部分靠近定子鐵芯的外徑設置，第二曲線部分靠近定子鐵芯的內徑設置。第一曲線部分的曲率半徑大于第二曲線部分的曲率半徑。
文檔編號H02K3/04GK1520008SQ0310178
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月22日 優先權日2003年1月22日
發明者和田等, 石田博士, 士 申請人:株式會社電裝