CN100511927C - 车辆旋转电机设备 - Google Patents

Abstract

在执行起动和发电的一传统旋转电机中，逆变器和旋转电机本体被构造成为分开的本体，并在旋转电机和逆变器之间设置三相导线，由于在这部分中的电压降或损失，限制了起动和发电输出以及相同工作电流时期的效率的改进(由逆变器的热限制所确定的)。由于逆变器(22)是一体地连接于后托架(44)和一体地在轴向安装在旋转电机(20)的端表面上，因此能使连接的导线做得较短，以及能够减轻该导线的重量和改进对外干扰噪声的阻尼。此外，对于转子(40)，构成了其中添加永久磁铁(40c和40d)的爪形一磁极型转子，减小了逆变器基本电流，从而能使逆变器单元(22)的尺寸小型化，并能够将它一体地安装至起动和发电电机。

Description

车辆旋转电机设备

技术领域

本发明涉及安装在电动车辆、混合式电动车辆等内的车辆旋转电机设备，尤其涉及其中旋转电机和控制该旋转电机的逆变器单元结合为一体的和具有起动电动机和发电机两者的功能的车辆电机设备。

发明背景

近年来，按照防止全球变暖的基本情况，要求减少CO₂的排放量。汽车中CO₂的减少意味着在燃料消耗性能方面的改进，作为一种解决方案，进行电动车辆(EV)或混合式电动车辆(HEV)的研发和商业应用。

尤其，对于安装在混合式电动车辆内的旋转电协机所要求的功能包括在车辆停止时期的空载停止、在减速运行期间的能量回收、在加速运行期间的转矩协助等，通过实现这些功能改进燃料消耗功能。

作为用于这目的的旋转电机，在发动机的出口处横向安装电动机发电机组，一皮带延伸在电动机发电机组和曲轴皮带轮之间，在电动机发电机组和发动机之间进行双向驱动力传送。

在电操作时间，通过逆变器将电池的直流电源转化为交流电源。将这交流电源供应给电动机发电机组，并使电动机发电机组旋转驱动。通常皮带将这旋转力传动给发动机，使发动机起动。另一方面，在发电时期，发动机的驱动力的一部分通过皮带被传送到电动机电机组，并产生交流电源。通过逆变器将这交流电源转变为直流电源，并被储存在电源内。

作为这类传统技术，例如，专利文献1或2揭示了在旋转电机的外周边处、在径向方向或在轴向、它的端表面外还设置逆变器、以及由旋转电机的冷却风扇产生的旋转电机和逆变器的冷却结构。但是，没有揭示关于为显示旋转电机的特性的逆变器装置的足够的尺寸、为了一体化安装使逆变器小型化的措施等。

专利文献1：JP-A-11-122875(段0025至0034和图1)。

专利文献2：JP-A-11-27903(段0013至0018和图1)。

发明内容

在传统旋转电机中为了进行起动和发电，逆变器和旋转电机本体被构造成为分开的诸本体，并在旋转电机和逆变器之间提供三相导线，由于在这部分内的电压降和损失，在起动和发电输出以及在相同工作电流时期的效率方面都受到限制(由逆变器的热限制条件确定)。

此外，逆变器需要专用的冷却结构，并且尺寸大和成本高，以及当它安装在车辆或类似物内的情况下，工作复杂，对确定旋转电机的输出的工作电流的增加有所限制。

而且，由于通过三相导线连接逆变器和旋转电机本体，复杂了安装时期的操作，并增加了成本。此外，通过这三相导线转送了逆变器产生的转换噪声，这噪声还是考虑安装问题方面的一较大障碍。

按照本发明，在包括旋转电机和逆变器的车辆旋转电机设备中，该旋转电机包括具有场绕组的转子和设置在转子的外周边处的和具有定子绕组的、并进行发电和起协的定子，该逆变器单元在旋转电机的电动机的起动工作时期将电池的直流电源转换成交流电源并将它供应给定子绕组，在旋转电机的发电工作时期将定子绕组产生的交流电源转换成直流电源和对电池充电，逆变器单元一体地安装于旋转电机、并电连接于定子绕组，转子包括转子铁芯，转子铁芯包括其中相邻的磁极形成有不同的极性的磁部分和具有场绕组的圆柱形部分、以及设置在诸磁极之间的并与该场绕组一起将磁通量供给定子铁芯的永久磁铁，调节由永久磁铁产生的磁通量，以致在旋转电机的实际使用的转速范围中去激励空载感应电压或在最小电负荷发电状态中的去激励感应电压不超过电池电压。

按照本发明，在其中将旋转电机和控制该旋转电机的逆变器单元相结合以致具有起动电动机和发电机两功能的车辆旋转电机设备中，由设置在转子的诸磁极之间的永久磁铁增加总磁通量，能够抑制逆变器电流，实现逆变器的小型化，并能够将它一体地安装在旋转电机的有限的表面上，并且，通过减小逆变器电流能够减少在逆变器部分、旋转电机部分和三相导线部分的损失，并能改进发电和起动输出和效率。

附图简述

图1是示出本发明的实施例1的车辆旋转电机设备的纵向剖视图。

图2A和2B是图1中的逆变器的局部纵向剖视图和平面图。

图3是图1中包括永久磁铁的爪形—磁极型转子的外观图。

图4是示出实施例1中的系统电路的原理图。

图5是用于解释实施例1中的工作和效果的一第一电特征曲线图。

图6是用于解释实施例1中的工作和效果的一第二电特征曲线图。

图7是用于解释实施例1中的工作和效果的一第三电特征曲线图。

图8是用于解释实施例1中的工作和效果的一第四电特征曲线图。

图9是用于解释实施例1中的工作和效果的一第五电特征曲线图。

图10是示出本发明的实施例2的车辆旋转电机设备的纵向剖视图。

图11A和11B是示出本发明的实施例3的定子狭槽部分的主要部分剖视图。

图12是实施例3中定子线圈弯曲部分的主要部分结构图。

具体实施方式

实施例1

图1是示出本发明实施例1的车辆旋转电机设备的纵向剖视图，图2是用于解释实施例1中逆变器单元的结构的视图，其中(A)是局部剖开的侧视图，(B)是它的平面图。

在图1和图2中，旋转电机20包括固定于轴41的和可转动地安装于前托架43和后托架44的爪形—磁极型转子40、由前托架43和后托架44的侧向端保持的和被设置成围绕转子40的定子42、在轴向固定于转子40的两端面的诸风扇45、在前侧固定于轴41的一端的皮带轮46、设置在后托架44的内壁表面上的、从而被定位在轴41的后侧外圆周处的电刷保持件47，以及设置在电刷保持件47内、以便与装配于轴41的后侧的一对滑环49滑动接触的一对电刷48。通过皮带轮46和皮带(未示出)该旋转电机20连接于发动机(未示出)。

此外，在前托架43和后托架44的端面内设置吸入孔43a和44a，并在前托架43和后托架44的侧表面中设置排气孔43b和44b。

逆变器单元22包括放射状设计的散热片30，以致该散热片具有能够充分地接受来自开关件8、由散热片30的外周边部分处的绝缘树脂一体模制的树脂模制部分31产生的热损失量的热容量，该逆变器单元还包括其上安装开/关控制开关件8的电部分的控制电路板32、以及电源接线端33和34。

散热片30由例如铜或铝的高热传导体形成为C形，在周向、在内周表面上形成有许多翅片30a，并在外周表面上形成三个平表面30b。开关件8和二极管9相互关联、形成一对，该两件对固定于诸平表面30b的每一平表面。

容装诸开关件8和二极管9和控制电路板32的容装空间31a形成在树脂模制件31内。散热片30的诸相应的平表面30b暴露在容装空间31a内。而且，虽然没有示出，在树脂模制件31内插入—模制有插入导体，一对插入导体在特定位置被暴露为一连接接线端。附带说一下，电源接线端33和34连接于树脂模制件31，并分别电连接于构成逆变器单元22的正电极和负电极的连接端。

诸开关件8和二极管9固定于各自的平表面30b，控制电路板32的诸相应的接线端电连接于诸开关件8和二极管9的相应的接线端，并被连接在容装空间31a内。此外，在连接控制电路板32和插入导体的连接端之后，用盖子35密封容装空间31a，并组装逆变器单元22。

如上述所构成的逆变器单元22被设置成使翅片30a的长度方向(垂直于图2(b)的纸平面的方向)与轴41的中心轴向一致，以致围绕轴41，并通过一连接(未示出)连接于后托架44的端表面(外壁表面)。定子绕组的三角形连接的一端21连接于插入导体的连接端，该插入导体连接于相互串联连接的诸开关件8的中点。并且，将电源接线端33和34连接于一第一电池11。

图3是按照实施例1示出包括永久磁铁的爪形—磁极型转子的结构的外观立体图。

在图3中，转子40是爪形—磁极型转子，并包括通过特定的间隙与定子42的内径相对的诸凸瓣状磁极部分40a和40b，磁极部分40a和40b分别形成有特定数量的磁极、并交替地交错以致复盖具有场绕组4的圆柱部分的外径侧。诸相邻的磁极部分40a和40b在周向带有特定间距地以等节距设置、并被场绕组4磁化，以便交替地具有不同极性。然后，一对永久磁铁40c和40b插置在相邻的磁极40a和40b之间，永久磁铁40c和40d被磁化成使相应的诸磁极40a和40b被场绕组4磁化时成为相同的诸磁极。

图4是示出实施例1的车辆旋转电机设备中的系统电路的原理图。

在图4中，旋转电机20是皮带传动的旋转电机，并包括定子(未示出)的定子绕组21和转子(未示出)的场绕组4，转子通过皮带(未示出)连接于发动机1的转轴。其中，定子绕组21由三角形连接的诸四圈三极线圈构成。

逆变器单元22包括逆变器组件23，该组件包括多个开关件8和并联连接于相应的诸开关件8的多个二极管9、以及并联连接于逆变器组件23的电容7。该电容7具有使流过逆变器组件23的电流平稳的功能。

逆变器组件23被构造成使开关件8和二极管9相互关联连接成为一对，该两对串联连接成一组，三个这样的组相互并联设置，以及诸件8和9被一体地密封在一外壳内。定子绕组21的三角形连接的各端部连接于相互串联连接的诸开关件8的中点。

在逆变器组件23中，由控制装置24控制开关件8的开关操作。当接通电源时，旋转电机20以起动电动机工作和起动发动机1。起动发动机1之后，旋转电机20由发动机1旋转驱动，并以交流发电机工作，产生三相交流电压。

其次，将叙述如以上所构造的传统的车辆电源装置的工作。

首先，控制装置24开/关控制相应的诸开关件8，以从第一电池11的直流电源产生三相交流电。将这三相交流电施加于旋转电机20的定子绕组21，旋转磁场施加于转子40的场绕组4，以及转子40被旋转驱动。转子40的旋转力通过皮带轮46和皮带(未示出)传送到发动机1，发动机1被旋转驱动，即被起动。

当发动机1被起动时，发动机1的旋转力通过皮带和皮带轮46传送到旋转电机20。依靠该作用，转子40被旋转驱动，在定子绕组21中感应三相交流电压。控制装置24开/关控制诸相应的开关件8，将定子绕组21中感应的三相交流电压整流成为直流电流。由逆变器22整流的直流电源对电池11充电。

如以上所述，在以上实施例1中，由于逆变器单元22一体地连接于后托架44和在轴向一体地安装在旋转电机20的后表面上，可以将连接的导线制得较短，减轻了导线的重量，并改进了对干扰噪声的阻尼。

此外，散热片30是辐射状设计的，以致具有能够有效地接受由于开关件8发热所产生的热损失的热容量，使散热片小型化，即实现逆变器单元22的小型化，以及改进了将逆变器单元22安装于后托架的安装性能。

此外，该结构被制成为由旋转电机的冷却风扇45以逆变器单元22、转子40和定子42的次序进行冷却，还将逆变器22的冷却介质用作为旋转电机的冷却介质(冷却空气)，因此，简化了冷却结构。

此外，诸翅片30a设置在逆变器单元22的散热片30上，由风扇45驱动所形成的冷却空气沿着诸散热片30流动，从而在诸开关件8和二极管9所产生的热量传导到散热片30之后，热量通过诸翅片30a辐射到冷却空气。因此，与自然冷却结构相比较，冷却效率高，进一步便于散热片30的小型化。

并且，在该实施例中，将其中添加永久磁铁40c和40d的爪形—磁极型转子构造为转子40，减少了逆变器基本电流，因此可以使逆变器单元22的尺寸做得较小，以及能够将它一体地安装于起动发电机上。

即，图5是示出在转子40的相邻的诸磁极40a和40b之间设置永久磁铁40c和40d的效果的空载特征曲线图。从图5可以理解永久磁铁40c和40d增加了总磁通量。

图6示出了永久磁铁40c和40d在起动特性方面的效果。在该图中的特性曲线A表示其中不设置永久磁铁40a和40d的驱动特性，特性曲线B表示其中设置永久磁铁40c和40d的情况。在恒定输出的平稳下降区中，由于电源电压的调节没有出现永久磁铁40c和40d的效果，但是，永久磁铁40c和40d的效果显著地出现在由逆变器单元22的载流量所确定的等转距区。在特性曲线A和B中和在等转矩区中的逆变器电流是相同的。这意味着能够减小基本逆变器电流。

在开关件8处逆变器单元22的载流量由基本逆变器电流、这基本逆变器电流流动的时间、以及在起动时期该元件的温度确定。由于基本逆变器电流流动的时间通常很短，因此逆变器单元22的尺寸(即开关件8的载流量)由逆变器电流和该元件温度确定。

如以上所述，设置在转子40的相邻磁极40a和40b之间的永久磁铁增加了总磁通量，以及能够抑制逆变器电流，因此，实现了逆变器单元22的小型化，并且它能够一体地安装在旋转发动机的有限的表面上。由于减小了逆变器电流因此能够减少在逆变器单元部分、旋转电机部分、以及三相导线部分内的损失，并能改进发电和起动输出的效率。此外，由于能缩短三相导线，因此能够降低在这部分内的电压降，改进在起动电动机工作时期的电压使用率，而且，增加了主磁通，能够加大基本转矩，因此能够改进起动特性。

此外，图7示出了设置永久磁铁40c和40d在发电特性方面的效果。在该图中，特性曲线C表示其中没有永久磁铁40c和40d的情况下的发电特性曲线，而特性曲线D表示其中在转子40的磁极40a和40b之间设置永久磁铁40c和40d的情况下的发电特性。如以上所述，通过磁极40c和40d增加了总磁通量，改进了在发电起动转速方面和所有区域中的发电特性。

为了得到与作为基础的特性曲线C相同的发电特性，当减少定子绕组21的线圈圈数时，减小了感应的电功率，以及进行匹配以使发电特性几乎等于特性曲线C。当减少定子绕组21的线圈圈数时，减小了定子线圈电阻，改进了在相同发电输出时期的发电效率。即，能够实现在连续发电时期的旋转电机20的温度下降，以及能够一体地安装小型逆变器。

而且，图8示出了用于解释实施例1中的工作和效果的空载特征曲线图。

在不施加场电流时的发电工作时期，在转子40的磁极40a和40b之间设置的永久磁铁40c和40d的磁通产生感应电压，以及在其中电负荷变得不需要的驱动状态下，它超过了仅由这磁通产生的电源供应系统电压(在12伏电池电源的情况下，图8中的点E)。

对于由永久磁铁40c和40d产生的去激励空载感应电压，虽然在它超过电源系统电压的一部分内需要控制三相短路或类似情况，但是在一体安装的逆变器单元22中，为了连续地接受短路电流，需要增加开关件的数量，这不适合于一体安装。

从而，调节永久磁铁40c和40d产生的磁通，使去激励空载感应电压不超过电源系统电压，因此，能够对逆变器一体安装结构进行匹配。

并且，图9是用于解释实施例1中的工作和效果的电负荷和去激励感应电压的关系图。

例如，在车辆中，在运行中总是存在必需的最小电负荷，以及一电负荷要求不会变得比该电负荷的数值较小。通常，必需的最小电负荷约为7至12安培。在这情况下，在图9的特性曲线中，应当理解不需要例如上述三相短路的特定控制(在图9中，在12伏的电源系统电压的情况下，必需的最小电负荷比点F的值较大)。

因此，在该情况下，与图8中所解释的情况比较，由于通过磁通的调节(朝低级方向调节)能够使永久磁铁40c和40d做得较小，因此能够进一步改进起动和发电特性。

实施例2

图10示出了实施例2的车辆旋转电机，其中逆变器单元22在径向一体地安装在旋转电机20的一表面上，并通过导线50电连接于定子绕组21。顺便说一下，用于检测转动位置的分析器60附加地设置在旋转电机20的轴端上。

即，如实施例1中所述，永久磁铁40c和40d设置在转子40的相邻的磁极40a和40b之间，从而能够将定子绕组21的线圈圈线设计得较少，因此，改进了驱动时期的输出，而且，改进了发电时期的效率，以及减小了由于起动发电时间的损耗所产生的发热。因此，如在实施例2中，能够将逆变器单元22安装在定子42的发热最多的部分的、在例如下游侧的径向的表面上，在旋转电机20的轴向安装受限制的情况下这是很有效的。

实施例3

图11是旋转电动机20的定子狭槽的局部剖视图。

在该图中，通过绝缘体42b将构成定子绕组的六个定子线圈21a容纳在旋转电机20的定子狭槽42a内。图11(a)示出了其中定子线圈剖面形状为圆形的例子，图11(b)示出了其中施加矩形金属丝的例子。

如图11(b)所示，通过施加被布置或成形为矩形的矩形金属丝或定子线圈，与圆形金属丝比较，在相同的定子线圈圈数之下提高了定子狭槽内的占据比例，减小了定子线圈电阻，在相同的驱动特性下能够减小逆变器电流。由于使逆变器单元22小型化和能够减小逆变器单元22中的发热，因此改进了逆变器单元的可靠性。此外，在发电特性曲线中，可以从起动转速较低的区域发电。

图12示出了对其施加矩形金属丝的定子线圈弯曲部分21b的状态。

在定子线圈弯曲部分21b处，虽然在从一容纳狭槽至下一个容纳狭槽的1/2磁极节距处进行弄圆，但在图12所示的矩形金属丝中总是需要在边缘部分处的弯曲。在矩形金属丝的边缘部分处，弯曲是难以进行的，并且，绝缘包复层的剥离是一问题。此外，虽然为了避免这些问题进行了弄圆以便使定子线圈弯曲部分的弯曲比变得平滑，但是定子线圈端部长度变得较长，增加了定子线圈电阻。

当定子线圈弯曲部分内定子线圈剖面形状为圆形时，不存在如以上所述的问题，能够缩短定子线圈端部长度，并能够减小定子线圈电阻。

Claims (7)

1.一车辆旋转电机设备，该设备包括；

一旋转电机，该电机包括具有一场绕组的一转子、以及设置在转子外圆周处的和具有一定子绕组的一定子，并进行发电和起动；以及

一逆变器单元，该逆变器单元在旋转电机的一起动电动机工作的时期将一电池的直流电源转换成交流电源和将交流电源供给定子绕组，并在旋转电机的发电工作时期将定子绕组中产生的交流电源转换成直流电源和对电池充电，其中

逆变器单元一体地安装于旋转电机，并电连接于定子绕组，

转子包括一爪形—磁极型转子铁芯以及一永久磁铁，该转子铁芯包括其中相邻凸瓣形磁极形成为具有不同极性的一磁部分、和一场绕组，该永久磁铁设置在相邻凸瓣形磁极之间、并与场绕组一起对定子铁芯供应磁通，以及

通过永久磁铁调节磁通，以便在旋转电机的实际使用的转速范围中，一去激励空载感应电压或在一最小电负荷发电状态下的一去激励感应电压不超过电池的电压。

2.如权利要求1所述的车辆旋转电机设备，其特征在于，所述永久磁铁包括设置在转子的诸凸瓣形磁极部分之间的一对永久磁铁。

3.如权利要求1所述的车辆旋转电机设备，其特征在于，所述逆变器单元在轴向一体地安装在旋转电机的一端表面上。

4.如权利要求1所述的车辆旋转电机设备，其特征在于，所述逆变器单元在径向一体地安装在旋转电机的一表面上。

5.如权利要求1至4的任一项所述的车辆旋转电机设备，其特征在于，所述旋转电机包括一冷却风扇，通过冷却空气以逆变器单元、转子和定子的次序进行冷却。

6.如权利要求1至4的任一项所述的车辆旋转电机设备，其特征在于，所述定子绕组包括一矩形金属丝或被布置或成形为一矩形的一定子线圈。

7.如权利要求6所述的车辆旋转电机设备，其特征在于，所述定子绕组的一线圈弯曲部分的一剖面形状为圆形。

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