CN103715794A - 一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机 - Google Patents
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Abstract
一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机，包括定子总成，定子总成通过厌氧胶固定在外壳上，转子通过前、后套筒和平键固定在电机齿轮轴上，定子总成和转子之间留有气隙；电机齿轮轴两端通过轴承支承在端盖上，前端盖靠近定转子一侧装有油封，防止齿轮和轴承的润滑油污染定转子，前、后端盖和行星减速器总成通过拉紧螺栓固定在外壳上，旋转变压器总成固定在电机齿轮轴后端。输出齿轮轴与发动机飞轮齿圈啮合，当发动机需要起动时输出动力到发动机曲轴，当发动机正常运转时输入动力转化为电能对蓄电池充电，结构简单紧凑，生产成本低，满足汽车起动和发电的功能要求。
Description
技术领域
本发明属于汽车技术领域，涉及一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机。
背景技术
根据中国社科院发布的《中国汽车社会发展报告2012-2013》披露，我国2012年末全国民用汽车保有量达到12089万辆，未来10年左右每百户汽车拥有量将达到或接近60辆，汽车总保有量将超过2亿辆。巨大的汽车保有量将使得城市交通拥堵从大城市向中小城市蔓延，在城市工况下，汽车需要频繁的起停，发动机经常处于怠速运行状态。研究表明，发动机怠速运行时的能量利用率仅为正常运行时的10%左右，造成能源的大量浪费；同时CO、微粒等污染物排放急剧升高，这将使得城市环境污染加剧。由于这些问题，人们对于汽车的节能和环保要求不断提高。
ISG技术（Integrated Starter Generator）是针对原有汽车起动机进行改进的技术，它采用专用的电机来实现起动功能，同时在发动机正常工作后，作为车载发电机进行发电，实现了起动机和发电机一体化。发动机采用了ISG技术，ISG电机强劲的动力性能可以提高发动机的起动性能，在某些场合，ISG电机可以直接代替发动机驱动汽车进行短暂运行；同时ISG电机的大功率发电可以使汽车上原来需要从发动机处取力的部件直接通过专用的电动机带动，使整车零部件布置更加灵活。
现有的ISG电机为稀土永磁电机，永磁体布置在转子上。在汽车上使用时，发动机的振动传递到电机的转子上，很容易使转子上的永磁体失磁，当转子旋转时，永磁体在离心力的作用下发生脱落。
一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机，克服了现在ISG电机永磁体在转子上转动惯量大的缺点，将永磁体直接布置在定子上，转子结构简单、转动惯量小。开关磁通电机比起稀土永磁电机，有功率密度高、转矩密度高、适合低速大转矩工作、效率高等优点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机，提高汽车的起动能力和发电能力，同时能够实现多种混合动力策略，提高汽车的节能和环保性能。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机，包括定子总成7，定子总成7通过厌氧胶固定在外壳6上，转子8通过后套筒5、前套筒10和平键固定在电机齿轮轴9上，定子总成7和转子8之间留有0.5～1mm的气隙；电机齿轮轴9一端通过后端轴承3支承在后端盖1上，另一端通过前端轴承13支承在前端盖11上；油封14安装在前端盖11靠近定转子一侧，防止齿轮一侧的润滑脂污染定转子；行星减速器总成12、后端盖1和前端盖11通过拉紧螺栓4固定在外壳6上，旋转变压器总成2固定在电机齿轮轴9后端；行星减速器壳体12-1半腔内充满润滑脂用于齿轮润滑，输出齿轮轴12-5与发动机飞轮齿圈啮合。
所述的旋转变压器总成2包括旋变定子2-2，旋变定子2-2安装在旋变外壳2-1的内孔中，同轴布置在旋变转子2-3外侧，留有间隙；旋变外壳2-1与后端盖1过盈配合，旋变转子2-3固定在旋变衬套2-7上，旋变衬套2-7通过键2-4、螺钉2-5和盖板2-6固定在电机齿轮轴9后端。
所述的定子总成7包括定子铁芯7-1、定子绕组7-2和钕铁硼永磁体7-3；定子铁芯7-1采用硅钢片叠压而成，每片硅钢片的外侧为圆形，内侧相间分布着12个长扇形槽和12个短扇形槽，内侧整体呈锯齿状，定子铁芯7-1的12个长扇形槽内布置着12个周向充磁的钕铁硼永磁体7-3，其中相邻的两块永磁体7-3的N极和S极方向相反；12个短扇形槽内布置绕组7-2，具体布置方式为：每个永磁体7-3两侧的线圈为同一绕组，同时绕组按照A、B、C三相依次排列，最终整个定子铁芯上有A、B、C相绕组各三个。
所述的转子8采用硅钢片叠压或电工纯铁加工而成，整体呈中空柱形结构；内侧通过平键与电机齿轮轴9连接，外侧有10个凸出来的扇型齿，沿圆周方向均布。
所述的行星减速器总成12包括行星减速器壳体12-1、行星齿轮12-2、销轴12-3、减速器轴承12-4、输出齿轮轴12-5，销轴12-3通过过盈配合直接安装在输出齿轮轴12-5后端的圆盘上，行星齿轮12-2安装在销轴12-3上，与行星减速器壳体12-1上的内齿圈啮合，行星减速器壳体12-1采用法兰+半腔的结构形式铸造而成，端部带有内齿圈，输出齿轮轴12-5通过减速器轴承12-4支承在行星减速器壳体12-1上，太阳轮为电机齿轮轴9，行星轮为四个行星齿轮12-2，行星架为和输出齿轮一体的输出齿轮轴12-5。
本发明采用的一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机转子上无线圈、无永磁体，转子转动惯量小，起停速度快，易于伺服控制，能够实现很高的转速；永磁体和线圈布置在定子上，结构稳定，易于散热；以旋转变压器作为起动发电一体机的输出转速和转子相位的实时反馈装置，易于实现交流伺服控制。开关磁通电机输出轴直接与发动机飞轮齿圈啮合，中间无其他减速机构，实现对发动机曲轴的直接驱动。该发明的整体结构紧凑，转子结构简单，使用维护方便，线圈散热性能好，生产成本低，与原有起动机互换性强，输出转矩和输出转速高、功率密度高、传动效率高，反向拖动时线圈中感应出来的电流易于控制，发电功率大，效率高等优点，适合汽车发动机的起动、助力和发电功能要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的A-A截面剖视图。
图3是本发明外壳6半剖视图和端面示意图，其中（a）图为半剖视图，（b）图为端面示意图。
图4是本发明定子铁芯7-1冲片形状。
图5是本发明转子8冲片形状。
图6是本发明行星减速器总成12示意图，其中（a）图为行星齿轮端示意图，（b）图为行星减速器壳体12-1半剖视图。
图7是本发明的绕组分相和永磁体安装示意图。
图8是本发明的布置方案示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明作详细阐释。
参照图1和图2，一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机，包括定子总成7，定子总成7通过厌氧胶固定在外壳6上，转子8通过后套筒5、前套筒10和平键固定在电机齿轮轴9上，定子总成7和转子8之间留有0.5～1mm的气隙；电机齿轮轴9一端通过后端轴承3支承在后端盖1上，另一端通过前端轴承12支承在前端盖11上；油封14安装在前端盖11靠近定转子一侧，防止齿轮一侧的润滑脂污染定转子；行星减速器总成12、后端盖1和前端盖11通过拉紧螺栓4固定在外壳6上，旋转变压器总成2固定在电机齿轮轴9后端；行星减速器壳体12-1半腔内充满润滑脂用于齿轮润滑，输出齿轮轴12-5与发动机飞轮齿圈啮合。当发动机需要起动时输出动力到发动机曲轴，当发动机正常运转时输入动力转化为电能对蓄电池充电。
所述的旋转变压器总成2包括旋变定子2-2，旋变定子2-2安装在旋变外壳2-1的内孔中，同轴布置在旋变转子2-3外侧，留有适当的间隙；旋变外壳2-1与后端盖1过盈配合，旋变转子2-3固定在旋变衬套2-7上；旋变衬套2-7通过键2-4、螺钉2-5和盖板2-6固定在电机齿轮轴9后端。这样当电机齿轮轴9转动时，就会有反馈信号输出，实现对起动发电一体机转子转速和位置的检测，给ISG控制器提供依据。
参照图3，外壳6外侧布置一圈散热翅片，内侧加工有定子铁芯7-1安装凸台，定子铁芯7-1直接与外壳6接触，利于将起动发电一体机工作时产生的热量传递到空气中；外壳6的一端加工有进线孔，用于将三相电缆连接到定子铁芯上。
参照图4，所述的定子总成7包括定子铁芯7-1、定子绕组7-2和钕铁硼永磁体7-3；定子铁芯7-1是由600片厚度为0.35mm的硅钢片通过专用设备叠压而成，每片硅钢片的外侧为圆形，内侧相间分布着12个长扇形槽和12个短扇形槽，内侧整体呈锯齿状，小批量时可采用线切割的方式加工，大批量时采用专用模具冲裁成形。定子铁芯7-1的12个长扇形槽内布置着12个周向充磁的钕铁硼永磁体7-3，其中相邻的两块永磁体7-3的N极和S极方向相反；12个短扇形槽内布置绕组7-2，具体布置方式为：每个永磁体7-3两侧的线圈为同一绕组，同时绕组按照A、B、C三相依次排列，最终整个定子铁芯上有A、B、C相绕组各三个。转子8的凸齿与定子铁芯7-1的内侧保持0.5mm的间隙，形成磁通转换所需的磁场气隙。
参照图5，转子8为中间留有电机齿轮轴9安装孔和键槽的中空结构，由600片厚度为0.35mm的硅钢片叠压而成；外侧为均布的十个突出齿，小批量时可采用线切割的方式加工，大批量时采用专用模具冲裁成形。转子8上无线圈和永磁体，使得转子结构大为简化，大大降低了转动惯量，提高了电机的极限转速，也不会出现线圈和永磁体由于转速太快脱落的现象。
参照图6，所述的行星减速器总成12包括行星减速器壳体12-1、行星齿轮12-2、销轴12-3、减速器轴承12-4、输出齿轮轴12-5，销轴12-3通过过盈配合直接安装在输出齿轮轴12-5后端的圆盘上，行星齿轮12-2安装在销轴12-3上，与行星减速器壳体12-1上的内齿圈啮合，行星减速器壳体12-1采用法兰+半腔的结构形式铸造而成，端部带有内齿圈，半腔中充满润滑脂，用于输出齿轮轴12-5的齿轮和飞轮齿圈啮合处的润滑，输出齿轮轴12-5通过减速器轴承12-4支承在行星减速器壳体12-1上，太阳轮为电机齿轮轴9，行星轮为四个行星齿轮12-2，行星架为和输出齿轮一体的输出齿轮轴12-5。在传动时，电机齿轮轴9主动转动，带动行星齿轮12-2和输出齿轮轴12-5一同转动，输出齿轮轴12-5作为输出带动飞轮转动。
参照图7，定子铁芯7-1上布置有A、B、C三相绕组，三相绕组依次布置在短扇形槽中，每个线圈中间的长扇形槽中布置钕铁硼永磁体7-3，永磁体为周向充磁，相邻两块永磁体的N极和S极沿周向方向相反。
本发明的工作原理为：
参照图8，一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机直接布置在汽车发动机的飞轮一侧，与发动机飞轮的外齿圈始终保持啮合，通过电缆与功率模块连接，功率模块又分别与ISG控制器和汽车蓄电池连接。当发动机需要起动时，ISG控制器接收到起动指令，控制汽车蓄电池提供电功率，经功率模块转换成起动发电一体机的三相励磁电流，驱动转子8和电机齿轮轴9运动，电机齿轮轴9作为行星减速机构的太阳轮，带动输出齿轮轴12-5转动。输出齿轮轴12-5的齿轮与发动机飞轮齿圈直接啮合，带动飞轮转动，使得发动机开始进入正常的四冲程运转；当蓄电池电压低或车内用电器功率需求高时，ISG控制器收到发电指令，控制功率模块将开关磁通电机的感应电流转换成蓄电池的充电电流，对蓄电池进行充电或对整车电路提供电功率；当汽车需要较强的动力性时，ISG控制器收到助力指令，使开关磁通电机输出一定的补偿转矩，提高汽车的动力性能；当汽车进行需要利用发动机倒拖力矩控制在下坡时的行车速度时，ISG控制器收到制动能量再生指令，使开关磁通电机工作在发电状态，回收一部分动能。本发明能够使传统汽车实现混合动力，尤其是在一些重型汽车上，以往的混合动力思路难以实现；本发明通过ISG控制器实现多种混合动力控制策略，可明显改善汽车的起动性能、发电性能、动力性能和环保性能。
Claims (5)
1.一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机，包括定子总成（7），其特征在于：定子总成（7）通过厌氧胶固定在外壳（6）上，转子（8）通过后套筒（5）、前套筒（10）和平键固定在电机齿轮轴（9）上，定子总成（7）和转子（8）之间留有0.5～1mm的气隙；电机齿轮轴（9）一端通过后端轴承（3）支承在后端盖（1）上，另一端通过前端轴承（13）支承在前端盖（11）上；油封（14）安装在前端盖（11）靠近定转子一侧，防止齿轮一侧的润滑脂污染定转子；行星减速器总成（12）、后端盖（1）和前端盖（11）通过拉紧螺栓（4）固定在外壳（6）上，旋转变压器总成（2）固定在电机齿轮轴（9）后端；行星减速器壳体（12-1）半腔内充满润滑脂用于齿轮润滑，输出齿轮轴（12-5）与发动机飞轮齿圈啮合。
2.根据权利要求1所述的一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机，其特征在于：所述的旋转变压器总成（2）包括旋变定子（2-2），旋变定子（2-2）安装在旋变外壳（2-1）的内孔中，同轴布置在旋变转子（2-3）外侧，留有间隙；旋变外壳（2-1）与后端盖（1）过盈配合，旋变转子（2-3）固定在旋变衬套（2-7）上，旋变衬套（2-7）通过键（2-4）、螺钉（2-5）和盖板（2-6）固定在齿轮轴（9）后端。
3.根据权利要求1所述的一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机，其特征在于：所述的定子总成（7）包括定子铁芯（7-1）、定子绕组（7-2）和钕铁硼永磁体（7-3）；定子铁芯（7-1）采用硅钢片叠压而成，每片硅钢片的外侧为圆形，内侧相间分布着12个长扇形槽和12个短扇形槽，内侧整体呈锯齿状，定子铁芯（7-1）的12个长扇形槽内布置着12个周向充磁的钕铁硼永磁体（7-3），其中相邻的两块永磁体（7-3）的N极和S极方向相反；12个短扇形槽内布置绕组（7-2），具体布置方式为：每个永磁体（7-3）两侧的线圈为同一绕组，同时绕组按照A、B、C三相依次排列，最终整个定子铁芯上有A、B、C相绕组各三个。
4.根据权利要求1所述的一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机，其特征在于：所述的转子（8）采用硅钢片叠压或电工纯铁加工而成，整体呈中空柱形结构；内侧通过平键与齿轮轴（9）连接，外侧有10个凸出来的扇型齿，沿圆周方向均布。
5.根据权利要求1所述的一种汽车用起动发电一体化的开关磁通电机，其特征在于：所述的行星减速器总成（12）包括行星减速器壳体（12-1）、行星齿轮（12-2）、销轴（12-3）、减速器轴承（12-4）、输出齿轮轴（12-5），销轴（12-3）通过过盈配合直接安装在输出齿轮轴（12-5）后端的圆盘上，行星齿轮（12-2）安装在销轴（12-3）上，与行星减速器壳体（12-1）上的内齿圈啮合，行星减速器壳体（12-1）采用法兰+半腔的结构形式铸造而成，端部带有内齿圈，输出齿轮轴（12-5）通过减速器轴承（12-4）支承在行星减速器壳体（12-1）上，太阳轮为电机齿轮轴（9），行星轮为四个行星齿轮（12-2），行星架为和输出齿轮一体的输出齿轮轴（12-5）。
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