CN100490275C - 车用起动、发电复用电动机及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种车用起动发电复用电动机及制造方法，它由电机定子、转子、绕组和驱动控制电路组成；其特征在于：转子铁芯是由2至3对外端具有槽楔孔和对称永磁铁槽孔、相间于上述永磁铁槽孔间的笼形绕组导条孔、非磁性内环和轴孔结构组成；其中导条是本装置作为起动机时的起动绕组，永磁体作用是电动机运行时提供直流磁场与定子绕组的交变磁场相互作用，产生转矩。发电时，永磁转子提供发电励磁磁场。所述驱动控制电路包括大功率开关晶体管、逆变电路、三相半控桥整流器和汽车点火开关。本装置具有结构简单、经济实用、通用性好、输出功率大和有效延长蓄电池寿命的效果。

Description

车用起动、发电复用电动机及制造方法

技术领域

本发明涉及一种车用起动、发电复用电动机。

背景技术

目前，汽车的起动系统和发电系统由各自的电机分别完成起动和发电工作。上述装置存在着如下缺点：1.现有的供电系统只能提供1-2KW和单一14V的输出电压，影响车辆的动力性；2.两种电机各成体系，使机械结构复杂，故障率高，维修困难；3.通用性差，不能适应各型号汽车；4.距离发动机较近，环境温度较高。

发明内容

本发明提供一种车用起动、发电复用电动机，它能解决大功率和多等级电压供电，起动和发电一体及通用性的问题。

本发明由电机定子铁心及绕组、转子铁心及绕组和驱动控制电路组成；电机定子、转子绕组为六极设计，定子绕组极相组连接方式为六极36槽显极接法，尾接尾，头接头；其特征在于：所述定子绕组型式为单层链式、连绕连嵌；所述转子铁芯是由2至3对外端具有槽楔孔的对称永磁铁槽孔、相间于上述永磁铁槽孔间的笼形绕组导条孔、非磁性内环和轴孔结构组成，并且压叠而成；在所述转子铁芯上，径向方式安装上4至6对条形钕铁硼永磁体，形成8、10和12极永磁转子；所述转子铁芯由熔化的铝液以压铸铝工艺，形成笼形绕组、转子轴两端的笼形绕组短路环和轴向两端内风扇风叶一体的结构，并且形成双级隔磁，转子铁芯与轴之间设有非磁性材料隔磁环作为第一级隔磁，由非磁性槽楔兼作第二级隔磁挡片置于槽楔孔中固定磁体，分断开磁力线回路，转子每一极的N极磁力线，穿过定子铁芯及绕组回到S极形成闭合回路；该笼形绕组在转子铁芯内作为起动机起动时的起动绕组；所述转子铁芯的轴孔内安装的电机驱动轴伸出30mm的部分是一个花键轴，可以啮合在汽车后桥或者啮合在汽车发动机曲轴与离合器之间，以驱动汽车发动机；专用于电动车时，以驱动后桥，拖动车辆行走；所述驱动控制电路包括一个大功率开关晶体管、一个PWM逆变电路和一个三相半控桥整流器；所述大功率开关晶体管的基极通过驾驶室控制开关接蓄电池正端，发射极直接接蓄电池正端，集电极接所述PWM逆变电路的直流输入端，所述PWM逆变电路的三相交流输出接所述复用电动机的定子三相绕组；所述复用电动机的定子三相绕组与一个三相半控桥整流器的输入端相连接，该三相半控桥整流器的直流输出接蓄电池；所述定子三相绕组分别通过三个正向二极管与A端相连接，所述三相半控桥整流器的三个可控硅触发端连接后构成K端，A、K端为驱动控制电路的电压对比、取样端，可以与一个触发电路连接，在汽车转速变化时，发电机仍能输出额定恒压。

如上所述的车用起动、发电复用电动机，其特征在于：定子铁芯由冷轧无取向，厚为0.35mm的硅钢片冲片叠压而成。

如上所述车用起动、发电复用电动机，其特征在于：定子绕组电磁线选用QY-1/220绝缘等级H级的漆包线。

本发明所述一种专用起动、发电复用电动机的制造方法，转子铁芯冲片外径预留1.5mm尺寸精磨边；此冲片圆周均匀分布若干个安放永磁体的槽孔；将冲片依据设计发电机的功率的铁芯长度进行叠装，压铆，成为一个完整的转子导磁体；将所述槽孔装上砂条或槽样块封住槽口，将转子导磁体的总成安装在铸铝压铸模具内，由铝合金将由转子铁芯冲片构成的转子导磁体熔粘为一个整体，转子导磁体两端形成用于冷却的风扇；打开铸模后，将转子导磁体总成在车床上给两端头打中心穿孔，压入轴；在外圆磨床上进行精磨，磨露出安放永磁块的槽孔为止，拆出预先防止液铝流入的槽样块或砂条装上永磁块后；在槽口上打上料材为铝板或压层玻璃板的槽楔；其特征在于：所述转子铁芯的永磁体的槽孔之间冲有导条孔，并且在上述铸铝压铸时，不做上述封口处理，完成铸铝后，所述导条孔内形成的铝导条，是该复用电动机在起动时的起动绕组；定子铁芯冲片组装的总成做如下绝缘处理：将定子铁芯冲片总成放入烘烤炉内，使炉温升至550℃-570℃时，通以由压缩空气和水蒸气组成的氧化剂，其中压缩空气0.02Mpa，水蒸气以0.05Mpa压入保温2-4小时后取出，再将定子铁芯总成采用静电喷涂工艺，用174号环氧树脂粉沫静电喷涂定子铁芯槽。

本发明与传统的汽车发动机和发电机相比具有如下优点：

一.加大动力性，由原来的1KW-2KW输出，至现在的2KW-5KW输出；

二.经济性：将原发电机、起动机两机一体化，结构简单、故障率低，成本低和宜于维修。与原装置比较减掉了起动机的磁力开关、起动继电器、起动单向器和轴上螺旋槽等。还省掉了原用带轮、皮带拖动发电机的带轮和三角带。

三.能适应各型汽车、电动车通用性好；

四.作为发电机工作时，省掉了原发电机的爪极绕组、激磁绕组、滑环、碳刷、发电机调节器，对蓄电池充电性能很好，有效延长蓄电池使用寿命三倍。

附图说明

图1是本发明的复用电机整体结构示意图。

图2是本发明的复用电机的定子铁芯冲片结构图。

图3是本发明的复用电机的六极36槽显极式布线接线图。

图4是本发明的复用电机的具有两对永磁铁槽孔的预留精磨边的转子铁芯结构示意图。

图5是本发明复用电机的具有两对永磁铁槽孔的精磨后的转子硅钢片铁芯结构示意图。

图6是本发明复用电机永磁无刷发电机转子总成结构示意图。

图7是本发明的复用电机的驱动控制电路原理图。

图8是本发明复用电机的三相半控桥整流器触发电路的原理图。

具体实施方式

本装置整体结构请参见图1所示，其中1是轴承室，2是风叶，3是定子绕组，4是定子机壳，5是定子铁芯，6是转子铁芯，7是后端盖轴承室，8是后端盖，9是电机引出线接线柱，10是定子绕组，11是滚珠轴承，12是驱动端花键轴部分。

本装置多功能转子铁芯冲片结构参见图4、5、6，其中13是预留精磨边，14是笼形绕组导条，15是永磁铁槽孔，16是非磁性材料隔磁环，17是轴孔，18是槽楔孔，19是永磁体，20是非磁性槽楔，21是铝合金风扇叶，22是转子的转动轴孔。

起动/发电复用电机工作原理：

起动/发电复用电动机在直流电流(14V：28V：14/42V)通过专用装置—转换控制器，将直流电输给PWM电路，PWM电路的功能将直流电变成接近正弦波的电流，电压升为50V，输送给起动/发电复用机，本机此时作为电动机工作，拖动汽车发动机起动。完成传统单一起动机的工作任务。

起动/发电复用电动机完成汽车发动机起动机，电动机轴前端驱动小齿轮与汽车发动机飞轮齿环啮合并不分离，操纵转换控制器，切断PWM电路电源，接通整流器电路，此时发动机拖动复用电机旋转作为发电机工作，发出交流电来，经三相半控桥整流稳压器，向系统负载供电，并向蓄电池充电。

至此完成起动/发电复用电动机全部复用功能。

起动/发电复用电动机结构。

为确保汽车在怠速时1000-1100r/min时，发电机能发出(14V：28V：14/42V)的电压，电机定、转子、绕组设制为6极，铁心长度依据输出、输入功率而定的系列产品。功率大小在铁心长度上区分。

定子铁心的材料：选用冷轧无取向硅钢片，牌号DW310-35，厚0.35mm的冲片叠压而成。定子冲片参见图2，硅钢片的片绝缘采用生成氧化膜的方法。氧化剂为压缩空气和水蒸气。氧化剂：水蒸气0.05MPa；空气0.02MPa。氧化温度550-570℃。

定子绕组与传统的电机大致一样，只作形式改进参见图3。

定子绕组电磁线选用QY-1/220耐高温、耐腐化包线。绝缘等级H级。

定子绕组三相六极，相带1-5，线圈节距1-4，绕组换相组连接方法：显极接法、尾接尾、头接头。小功率Y形接法；大功率△形接法。

绕组形式：单层链式，连绕连嵌。

定子总成的质检：绕组直流电阻值三相平衡，绕组对地绝缘电阻无穷大，绕组相间绝缘无穷大。对绕组进行整形，外不碰机壳；内不碰转子，都有5-10mm以上的间隙，确保良好的绝缘程度及机械强度。

在烘箱内放入定子总成，预烘除潮，烘干温度于80-110℃，时间3-4小时。

浸漆工艺：定子总成保温在+60-80℃，放入漆中浸渍，直至漆中不冒汽泡为止，取出滴干余漆。一般头一天下午；浸渍过一夜，第二天放到烘箱内进行烘干。

定子浸渍油后铁心内膛一一用较干的汽油布擦净内表面漆层、光滑、漆膜薄不影响总装时，定、转子间气隙长度。烘干温度、时间分为三个阶段。第一阶段低温+60-80℃，3小时。第二阶段+100-120℃，2小时，第三阶段高度150℃，3小时。

转子总成(复合功能)

制用转子的铁心材料，选用国产热轨无取向硅钢片，牌号DR265-50，厚度0.5mm，通过冲压模具冲压而成的转子铁心冲片，按设计的长度压叠而成，见冲片图4。

将叠装好转子铁心安装在压铸模内，经予热后进行压铸铝或铝合金。

通过压铸铝的工序后一次性完成转子的复用功能。

将叠装的分散硅钢片，熔化的铝液把它熔粘为一整体，具有一定的机械强度。

通过压铸铝一次性完成笼形绕组的导条形成。

通过压铸铝一次性完成转子轴向两端的笼形绕组短路环，轴向两端内风扇风叶的形成。此笼形绕级在本电机上作为起动机起动时，担任起动绕组的功能。

总之本起动/发电复用电动机的转子总成，通过压铸设备对铁心电压铸铝，一次性完成大功能外，更重要一功能转子铁芯上安装的永磁体双极隔磁，免除磁极短路，磁场强，确保起动性能及发电性能。

起动/发电复用电机控制机构。

转换控制器，采用大功率开关晶体管的芯片，GTR电力开关晶闸管IC工艺制成一个转换控制模块(无触点开关)，通过触发电路指令转换控制器开始接通起动电路；后断开起动电路转换到发电整流电路。

大功率PWM装置集成模块。车上直流电源(蓄电池)有12V的汽油车；24V的柴油车；用于下一代的汽车14/42V的通过转换控制器输送给PWM电路。

PWM电路工作性能：将输入的直流电逆变成接近正弦波的三相交流电，频率为300HZ，电压升为50V交流电，经负载降压后为42V。见PWM电路原理图7。

发电机输出整流稳压器集成模块。

采用IC工艺将元件的芯片，制成汽车电气专用集成模块—三相关控桥整流器及配套的触发器模块。

三相半控桥整流器的结构及工作原理。

本电路由三只功率二极管，三只晶阐管组成。三只晶闸管阴极相连，三只二极管阳极相连，触发电压有三组，分别加在相应晶闸管上，但三组触发电压必须与主电路三相电源同步。相互之间分别相差120度，每组触发电压移向范围0-180度，当α<60°度时输出电压波形是连续的；当α>60°以后输出电压不是连续的。据此工作原理，通过触发电路的电压对比，取样，达到汽车转速变化时，发电机输出的高低不等的电压得以稳定恒压在：14V制的恒压在14.07-14.3V之间。24V制的恒压在28V-28.3V。双电压(14/42V)恒压在42.5V。任何一种电压制的汽车电气系统，本起动/发电复用机输出一恒压直流电向系统的负载供电，并向蓄电池充电。见三相半控桥整流电路原理图7。

三相半控桥触发电路(稳压器)采用IC的工艺，特制一专用模块，和半控桥整流器配套使用参见图8。

机械部分：

实施方案之一：

机械传动过程：本机作为起动/发电均由电机轴端头小齿轮啮合在汽车发动机飞轮齿环上，来驱动发电机起动；或驱动电机旋转发电。因而二机合一取消了传统发电机的带轮及皮带。

实施方案之二：电机驱动端轴伸出30mm，在伸出轴端部分是一个花键轴，该花键轴啮合在汽车后桥或者啮合在汽车发动机曲轴与离合器之间，来驱动汽车发动机。当专用于电动车时，驱动其后桥拖动车辆行走，车在滑行时是发电机，加速和上坡时是电动机。

Claims (4)

1.一种车用起动、发电复用电动机，它由电机定子铁心及绕组、转子铁心及绕组和驱动控制电路组成；电机定子、转子绕组为六极设计，定子绕组极相组连接方式为六极36槽显极接法，尾接尾，头接头；其特征在于：所述定子绕组型式为单层链式、连绕连嵌；所述转子铁芯是由2至3对外端具有槽楔孔的对称永磁铁槽孔、相间于上述永磁铁槽孔间的笼形绕组导条孔、非磁性内环和轴孔结构组成，并且压叠而成；在所述转子铁芯上，径向方式安装上4至6对条形钕铁硼永磁体，形成8、10和12极永磁转子；所述转子铁芯由熔化的铝液以压铸铝工艺，形成笼形绕组、转子轴两端的笼形绕组短路环和轴向两端内风扇风叶一体的结构，并且形成双级隔磁，转子铁芯与轴之间设有非磁性材料隔磁环作为第一级隔磁，由非磁性槽楔兼作第二级隔磁挡片置于槽楔孔中固定磁体，分断开磁力线回路，转子每一极的N极磁力线，穿过定子铁芯及绕组回到S极形成闭合回路；该笼形绕组在转子铁芯内作为起动机起动时的起动绕组；所述转子铁芯的轴孔内安装的电机驱动轴伸出30mm的部分是一个花键轴，可以啮合在汽车后桥或者啮合在汽车发动机曲轴与离合器之间，以驱动汽车发动机；专用于电动车时，以驱动后桥，拖动车辆行走；所述驱动控制电路包括一个大功率开关晶体管、一个PWM逆变电路和一个三相半控桥整流器；所述大功率开关晶体管的基极通过驾驶室控制开关接蓄电池正端，发射极直接接蓄电池正端，集电极接所述PWM逆变电路的直流输入端，所述PWM逆变电路的三相交流输出接所述复用电动机的定子三相绕组；所述复用电动机的定子三相绕组与一个三相半控桥整流器的输入端相连接，该三相半控桥整流器的直流输出接蓄电池；所述定子三相绕组分别通过三个正向二极管与A端相连接，所述三相半控桥整流器的三个可控硅触发端连接后构成K端，A、K端为驱动控制电路的电压对比、取样端，可以与一个触发电路连接，在汽车转速变化时，发电机仍能输出额定恒压。

2.如权利要求1所述的车用起动、发电复用电动机，其特征在于：定子铁芯由冷轧无取向，厚为0.35mm的硅钢片冲片叠压而成。

3.如权利要求1所述车用起动、发电复用电动机，其特征在于：定子绕组电磁线选用QY-1/220绝缘等级H级的漆包线。

4.如权利要求1所述的一种车用起动、发电复用电动机的制造方法，转子铁芯冲片外径预留1.5mm尺寸精磨边；此冲片圆周均匀分布若干个安放永磁体的槽孔；将冲片依据设计发电机的功率的铁芯长度进行叠装，压铆，成为一个完整的转子导磁体；将所述槽孔装上砂条或槽样块封住槽口，将转子导磁体的总成安装在铸铝压铸模具内，由铝合金将由转子铁芯冲片构成的转子导磁体熔粘为一个整体，转子导磁体两端形成用于冷却的风扇；打开铸模后，将转子导磁体总成在车床上给两端头打中心穿孔，压入轴；在外圆磨床上进行精磨，磨露出安放永磁块的槽孔为止，拆出预先防止液铝流入的槽样块或砂条装上永磁块后；在槽口上打上料材为铝板或压层玻璃板的槽楔；其特征在于：所述转子铁芯的永磁体的槽孔之间冲有导条孔，并且在上述铸铝压铸时，不做上述封口处理，完成铸铝后，所述导条孔内形成的铝导条，是该复用电动机在起动时的起动绕组；定子铁芯冲片组装的总成做如下绝缘处理：将定子铁芯冲片总成放入烘烤炉内，使炉温升至550℃-570℃时，通以由压缩空气和水蒸气组成的氧化剂，其中压缩空气0.02Mpa，水蒸气以0.05Mpa压入保温2-4小时后取出，再将定子铁芯总成采用静电喷涂工艺，用174号环氧树脂粉沫静电喷涂定子铁芯槽。

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