CN102159828B - 电机 - Google Patents

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Abstract

一种一体化起动发电机设备，包括：外壳、容纳在所述外壳内的定子和转子，该设备进一步包括控制电子仪器，该控制电子仪器以可操作的方式将所述设备配置为起动机或发电机，并且完全容纳在所述外壳内。该设备可以包括高电流端子，该高电流端子具有粘合到一起的黄铜和橡胶。所述橡胶形成密封和绝缘功能。

Description

电机
技术领域
本发明涉及一种一体化起动发电机(ISG)设备，其包括外壳、容纳在外壳内的定子和转子。该设备优选用在机动车辆中，但是也可以用在其它应用中。它优选经由皮带轮机械连接到这种车辆的辅助皮带。
背景技术
随着车辆中对电力的需求增大，交流发电机(发电机)设计朝着更大功率容量的趋势发展。同时，还存在着使交流发电机外壳更紧凑以便在车辆的引擎室中占据更小空间的要求。
此外，不断提高的对降低内燃机燃料消耗的需要使一体化起动发电机(ISG)(其代表着对传统交流发电机的替代)得到发展。类似于交流发电机，ISG在引擎运转时产生电力，以供给车辆的电力系统并为其电池充电。然而，ISG在单个ISG中结合了传统交流发电机/发电机的功能和起动电动机的功能。因此，它能够从交流发电机模式切换到起动机模式，也能够从起动机模式切换到交流发电机模式。ISG的重量通常小于独立的交流发电机和起动电动机部件的组合重量，并且ISG可以自动停止然后快速重启引擎以避免不必要的引擎空闲时段，例如当车辆在等待交通灯时。这降低了燃料消耗和废气排放。此外，与传统的起动电动机相比，ISG在起动机模式下能够使引擎以更高的速度旋转，这进一步帮助引擎进行燃料有效且更可靠的起动。
类似于交流发电机，ISG包括定子和转子。然而，上述的ISG的双重功能意味着它除了通常在交流电动机中找到的部件之外还需要其它部件。具体来说，ISG包括各种用于产生起动引擎所需的高电流的电力部件。此外，需要复杂的电子仪器来有效地控制ISG的起动-停止功能或者与车辆的引擎管理系统进行通信。并且，ISG面临着与传统交流电动机相同的紧凑要求。
传统的皮带驱动ISG(BISG)具有容纳转子和定子的外壳。转子和定子的电连接从外壳引出并通向优选位于附近的独立控制单元。转子和定子的电连接在操作期间通常承载几百安培数量级的高电流，并且在开关磁阻设置中每秒切换数以千计的次数。因此，ISG外壳与控制单元之间的电缆由于高电流要求而庞大、僵硬且笨重，并且由于电缆中流动着快速切换的高电流而具有巨大的EMC挑战。此外，相对长的电缆敷设会带来电力损耗。另外，通过在引擎室的通常是拥挤的区域中最小化电缆敷设的长度并将控制单元安装在BISG附近来减轻这些问题的需要存在进一步的挑战。传统ISG尽管具有显著的优点，但是其这些方面已妨碍了这些设备的升级。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种一体化起动发电机设备，包括：外壳、容纳在所述外壳内的定子和转子，该设备进一步包括：控制电子仪器，以可操作的方式将该设备配置为起动机或发电机，并且完全容纳在所述外壳内；，其中所述控制电子仪器以可操作的方式切换所述开关磁阻电机的定子绕组。
通过将所述控制电子仪器一体化在所述外壳内，消除了将庞大的电缆敷设到独立的控制单元的需要。此外，由于外壳通常由诸如铝之类的导电材料制造而成，因此，通过众所周知的法拉第笼效应进一步屏蔽和容纳切换电流所产生的EMC。
在第二方面中，本发明提供一种一体化起动发电机设备，包括：高电流端子，用于在起动机模式期间接收电流，并在发电机模式期间输送电流，所述端子包括穿过设备外壳壁中的开口的黄铜棒和粘合到所述黄铜棒的橡胶涂层，所述橡胶涂层位于所述黄铜棒与所述开口的边缘之间，并且被设置为用作电绝缘体以使所述棒与所述设备外壳绝缘，所述橡胶涂层还包括一个以上阶梯状结构，以用作所述开口的边缘的密封剂并在所述开口中定位所述端子。
该设置避免了独立密封部件的需要，而这些独立密封部件会增加成本和制造复杂度并会引入额外的故障模式。
附图说明
现在将参照附图通过举例来更具体地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出用于车辆引擎的一体化起动发电机(ISG)；
图2示出图1的ISG的前视图；
图3示出图1的ISG的后视图；
图4示出移除后盖之后图3的内部正视图；
图5示出去除前盖之后图1的ISG的外壳的内部；
图6示出功率PCB的顶部防焊层(mask layer)；
图7示出图6的功率PCB的内层；
图8示出沿线条A-A截取的图2的ISG的截面图；
图9示出沿线条B-B截取的图2的ISG的截面图；
图10示出沿线条C-C截取的图2的ISG的截面图；
图11示出在定子绕组就位的情况下图1的ISG的外壳的内部；
图12A示出高电流端子的正视图；
图12B示出图12A的端子的透视图；
图12C示出穿过图12A的端子的截面；
图13示出用于车辆引擎的交流ISG的前视图，该交流ISG包括交流B端子；
图14示出图13的ISG的透视图；以及
图15a示出图13的交流B端子的正视图；
图15b示出图13的交流B端子的透视图；以及
图15c示出图13的交流B端子的纵向横截面视图。
具体实施方式
参照图1、2和3，用于车辆引擎的一体化起动发电机(ISG)1具有开关磁阻电动机，该开关磁阻电动机包括具有专用和一体化电子控制器的无刷式电动机。它由连接在皮带轮3与引擎的曲轴之间的皮带(未示出)驱动。钢质转子(未示出)与定子电磁体的磁吸引产生用于起动引擎的扭矩。不需要永磁体，并且转子也不携带“鼠笼”或绕组。12V ISG1将输送65Nm的起动扭矩、2.4kW的起动功率和3kW的发电功率。
ISG1包括具有正面7和后面9的大体为圆柱形的印模压铸(die-cast)铝外壳5。外壳5主要容纳定子组件以及相关驱动轴和轴承。铝前盖11可拆卸地附接于外壳5的正面7。后盖13可拆卸地附接于ISG1的后面。外壳5的后部沿轴向内凸出以形成腔14(图4)，该腔14接纳电气和电子部件并且在正常操作时被后盖13封闭。
ISG1包括具有入口管15和出口管17的冷却装置。该冷却装置利用来自引擎的液态冷却剂来冷却电气部件和电子部件以及定子组件。图5示出省略了前盖11和后盖13的外壳5。外壳5的内部铸造有总共15个肋19，这些肋19从其靠近外壳5后部的根部朝前部轴向延伸，在正面7前不远处终止。在其他实施例中，可以使用肋的其它数目和设置。
肋19的长度不等，并且被设置为使得从出口管17绕外壳5圆周180度来看，它们的最前面部分延伸得越来越接近于正面7。这些肋19沿圆周分隔开，例如，以在它们之间形成多个轴向沟道21。
朝向外壳5后部的是绕外壳5内部沿圆周延伸并将肋19的根部接合在一起的压铸脊23。脊23向内凸出以在每个肋的根部形成窄的阶梯25，该阶梯25垂直于肋19的面。脊23进一步在相邻肋19之间的每个轴向沟道21中形成凹进的凸缘27。凹进的凸缘27位于阶梯25的后部，因而交替分隔开的凹进凸缘27和阶梯25形成城堡形图案(castellated pattern)。
朝向外壳5后部且与脊23相邻的是隔壁(partition wall)29。隔壁29垂直于外壳5的纵轴，并且位于脊23的凹进的凸缘27的后部。容纳电气部件和电子部件的腔14位于隔壁29的另一侧(即，后部)上。
参照图6和7，ISG1具有大体为圆形的功率印刷电路板(PCB)2。图6和7是该板的某些层的图，并且提供对该板的部件布局的理解。功率电路是使用24个功率FET来切换定子的三相的H桥型全象限开关电路。FET202热粘结到焊盘201，焊盘201有助于通过板向下将热量传导走，如下所述。稍大的焊盘203用于从相绕组(phase winding)进行连接。
如上所述，FET202被设置在功率PCB2的外周周围。由于FET可以开关几百安培，因此FET在开关操作期间生成巨大的热量。由外壳5后部的腔14中的电气部件和电子部件散发的热量约达400W。由外壳5中的定子组件散发的热量约达1200W。为了冷却FET，功率PCB2的该部分经由热垫30热耦合到如下简要描述的被液体冷却的隔壁29。
还参照图4，相绕组以三对穿过隔壁29(每相一对)。对105A涉及相A，对105B涉及相B，对105C涉及相C。使绕组通过隔壁29，并且可以使用附接于焊盘203的夹具夹持绕组。
更优选地，定子绕组的末端被卷曲，并且在卷曲中提供轴向螺纹，以便卷曲的绕组终端可以穿过板2中的孔并使用穿过板进入带螺纹的卷曲中的紧固螺钉固定到板上的焊盘。这为功率PCB2上的定子绕组提供了紧凑且安全的终端。
考虑到板的热量和电流承载要求，该板为具有大量铜的重型板。在第一实施例中，该板具有四层12盎司铜(即每平方英寸12盎司)。在另一实施例中，该板具有八层6盎司铜。参照图7，该板在每层中具有轴向对准(inregistry with)焊盘201的热沉区域206，其通过热垫30将热量从FET向下传导走到被冷却的壁29。
该板是双面的，并且在与FET相对的一侧装有大的平滑电容器204。考虑到操作中产生的纹波电流，电容器204需要冷却。这是通过将电容器204插入形成在被冷却的隔壁29中的井205中来实现的。电容器204使用热膏热耦合到井204。
板还包括六个接地点207形成的环，这六个接地点207还通过将螺钉穿过形成接地点的孔并直接固定到外壳的铝质印模压铸件而用作功率板的固定点(图8、9和10)。同时，这些固定优选地还用于使用绝缘的垫片212安装第二(控制)PCB209。该控制PCB209经由安装在功率PCB上的多路连接器211电连接到功率PCB。在组装期间，该连接器还在螺钉213被装配以穿进印模压铸外壳5之前帮助定位控制PCB209。参照图8、9、10和11，定子组件301被安装到外壳5中。定子组件301被容纳在圆柱形钢质套筒303内，该圆柱形钢质套筒303具有外壁，该外壁具有上端305和下端307。定子绕组302被容纳在该套筒303之中。该套筒303插入外壳5中，以便其下端307依靠处于肋19的根部的阶梯25并由处于肋19的根部的阶梯25进行支撑。
套筒303的外壁接触围绕外壳5内部的圆周的肋19的面。套筒303的上端305朝外壳5的正面7延伸到肋19的最前面部分之外，从而将轴向沟道21接合在一起以在肋19前部形成位于外壳5与套筒303的外壁之间的圆周管道311。
因此，肋19之间的轴向沟道21通过套筒303的外壁沿肋19的面被封闭，但是在外壳5的正面7处以及在轴向沟道21的根部处保持开口。
在使用中，引擎的水泵在压力之下迫使液态冷却剂通过在腔14的对立侧上的隔壁29的周围的入口管15，并经由轴向沟道21到出口17，从而将热量带出腔14和定子外壳。
在体积流速为约2升/分的情况下，冷却剂通过下腔的速度为约0.2至0.55米/秒。这对于从电气部件和电子部件中抽热来说是最佳的。这还降低了冷却剂污染物进入该关键冷却区域的可能性。
控制PCB209具有控制端子215，该控制端子从印模压铸件外壳引出，并用作与车辆通信总线连接。这可以用于例如向引擎管理系统提供关于ISG1的状态信息，并且还可以用于允许引擎管理系统在发电机操作期间控制诸如输出电压和电流之类的控制参数并且还在起动机操作期间控制起动扭矩和速度。
控制板209还包括单端初级电感转换器(SEPIC)以向控制电路系统提供独立操作电压。然后这允许发电机产生可被控制板选择的电压，同时仍允许控制板以其自身的独立电源电压运行。
功率板2还包括具有预定电阻率的区域208(图7)。
通孔210提供到该区域的连接，以便控制板209能够确定流过该机器的电流。
ISG还包括安装在转子轴219的末端相邻位置的小的第三PCB217。转子轴219携带与板217上的霍尔效应传感器交互的小磁体221，以提供关于转子的角度位置的信息。这用于使定子绕组的切换同步，以保证在使用中电动机和发电机的正确操作。可替代地，控制板209可以感应绕组中的电流和电压波动，以确定用于切换定子绕组的合适位置和合适同步。
还参照图1和2，除了控制端子215之外，ISG1还具有正输出端子223。ISG1的主体用作负端子，并且由于仅仅需要与电机进行的连接经由正端子且经由控制连接器，因而这简化了封装。
参照图12A、12B和12C，端子223包括被设计为穿过ISG1的外壳中的开口的黄铜棒225。该棒225的两端都具有螺纹，以便它可以同时连接到功率电路209和车辆的电力系统和电池。
电源端子223由粘合的橡胶部分227包围。该橡胶部分227用于屏蔽棒229的外部，以便当ISG1在车辆上的适当位置时，很好地避免高电流正端子意外短路，并且该橡胶形成密封部分231，密封部分231被设置为对外壳5中的开口进行密封。
图13至图15的交流ISG1’包括可替代的正输出端子223’。该可替代的正输出端子223’更加容易制造，并提供了提高的鲁棒性。

Claims (7)

1.一种一体化起动发电机设备，包括：外壳、开关磁阻电机和以可操作的方式将所述设备配置为起动机或发电机的控制电子仪器，
所述开关磁阻电机包括容纳在所述外壳内的定子绕组和转子，
所述控制电子仪器被完全容纳在所述外壳内，其中所述控制电子仪器包括功率PCB并且以可操作的方式切换所述开关磁阻电机的定子绕组；
所述定子绕组在所述外壳内所述功率PCB处终止；并且
其中所述定子绕组的切换使用功率场效应晶体管来实施，并且其中所述功率场效应晶体管位于所述功率PCB的外周周围。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述功率场效应晶体管通过所述功率PCB热耦合到所述外壳，并且其中所述设备进一步被设置为冷却与所述功率场效应晶体管相邻的外壳，以从所述功率场效应晶体管散热。
3.根据前述任一项权利要求所述的设备，其中所述功率PCB携带具有预定电阻率和横截面的预定区域的导电材料，并且其中发电机或电动机操作中的输出电流或输入电流分别被促使流过所述区域，从而使得在相应操作模式下流出或流入该设备的电流可通过测量在所述区域上的预定位置之间的电势差来确定。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中多个高功率电容器被放置在所述功率PCB上，并且被插入并热耦合到形成在所述外壳材料中的井中，从而使得该设备进一步被设置为冷却所述井以从所述电容器散热。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述功率PCB进一步包括：多路连接器，大体垂直于所述功率PCB的平面延伸并被设置为机械地定位控制PCB且电连接于所述控制PCB。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述控制PCB被设置为与所述功率PCB通信以在起动机操作或发电机操作之间进行选择。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述控制PCB被设置为与电动机车辆的引擎管理系统通信，并且其中所述控制PCB包括可连接到车辆通信总线的多路连接器。
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