CN105706338A - 用于机动车辆的具有优化尺寸的低功率起动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于机动车辆的起动机，其包括设置有转子(9)的电动机，该转子包括：安装在轴(14)上的圆柱形主体(91)，包括一组导电叶片(18)的集电器(20)，设置在所述转子(9)的主体(91)的外圆周内的狭槽(92)，以及由一组导体(93)形成的绕组，该导体(93)至少部分插入所述狭槽(92)中并电连接到所述集电器(20)，其特征在于，插入所述狭槽(92)的所述导体(93)由铝制成，用于具有小于1.3kW功率的起动机。

Description

用于机动车辆的具有优化尺寸的低功率起动机

技术领域

本发明涉及用于机动车辆的具有优化尺寸的低功率起动机。本发明具有与所谓的停止和起动系统的起动机一起的特别有利但非排他的应用，这允许车辆的热机尤其根据交通条件而停止和再起动。

背景技术

为了起动热发动机，尤其是机动车辆的热发动机，已知使用具有启动器的起动机，该启动器能够将起动机的旋转能量借助于起动机齿圈传递到热发动机的曲轴。这个启动器配装在驱动轴上。根据一个实施方式，减速器介于这个驱动轴和电机的轴之间。

这个电机首先包括转子，也已知为电枢，并其次包括定子，也已知为电感器，该电感器围绕转子同轴配装。定子包括多个永久磁铁或者线绕的磁极(电磁铁)。

转子包括一组板件形式的主体，和形成绕组的插入到在所述组板件的外周边中设置的纵向凹槽中的导体。导体具有端部，该端部焊接到集电器的板件上，电刷在所述集电器上摩擦，用于向绕组供电。

由于它们性能的提高或者在混合动力车辆的情况下与电牵引马达结合使用，热发动机能够具有减小的尺寸。机动车辆制造商由此需要相应的起动机的尺寸的减小，该起动机对功率具有减小的需求，以便减小车辆引擎盖下的尺寸。

传统上，转子设置有铜制成的绕组，它与其他材料相比具有良好导电性的优点，由此使之有可能减小转子的尺寸。只要涉及使用比铜更大电阻的材料的可能的选项，例如，如铝，众所周知的是，对于所产生的相同水平的扭矩，这导致电机更长，并因此体积更大。

图1A、1A’、1B和1B’中的曲线是表示电枢长度随扭矩变化的曲线，并且是帕累托前沿，即，它们将具有不同设计特性的优化限定的点相连接。这些特性是凹槽的数量；导线的直径；导线的材料；铁氧体磁铁的厚度；端头(head)的厚度。实际上，通过使5个设计特性不受约束并且在电枢电阻的约束下，获得优化前沿(借助于使用算法)。这在起动机中是关键的，因为它需要具有非常低的电阻，以便保证功率，但是电阻也足够大以确保在初始电流需要期间在电池处的低电压降。电流/电枢长度曲线是根据由表征为0A和11.5V电压的并且在起动机的端子处10毫欧姆的源电阻的电压/电流线的供电规律产生的。这个测量根据标准ISO8856来进行。在4.62减速器的输出处，扭矩对应于最大扭矩(转子闭锁)。换言之，50N.m的扭矩对应于大约10.82N.m的最大转子扭矩。

图1A表示起动机转子的曲线，其导体由铜制成。这个曲线示出优化点，考虑了5个上述特性。以已知的方式，电枢的长度越短，扭矩减小越大。

图1A’表示起动机转子的曲线，其导体由铝制成。这个曲线示出优化点，考虑了5个上述特性。

可以看出，为了使转子具有较短长度，优选地是导体由铜制成。

在作为将1A的曲线朝向低功率延伸的曲线的曲线1B中未预料地看到，当扭矩低于55N.m，即，11.9N.m的最大转子扭矩时，曲线是平的，即，用于转子优化的长度保持为100mm。

发明内容

于是，本发明形成未预料的发现的一部分，根据本发明，在起动机的一些减小的功率范围内，使用铝导体而非铜导体，这使得有可能保证在电机的最小体积下所要求的电机械性能水平。

实际上，可以看出，与针对铜的曲线B相反，在图1B’中的针对铝的曲线中，如果扭矩减小，则起动机转子的长度减小。

实际上，如从图1C中清楚看到的，该图1C表示针对范围P1内的功率水平的所有曲线1A、1A’、1B、1B’，在给定扭矩下对最小主动电枢体积的要求导致使用铜制成的而非铝制成的电枢绕组。实际上，在这个范围P1内，铝电枢LAl的长度大于铜电枢的长度LCu。

但是，对于低功率机器的限定而言，在给定扭矩下对最小有效体积的要求导致使用铝而非铜。实际上，对于这种类型的机器，使用铜，如传统情况下那样，将使得需要产生较长的机器(对于相同外径而言)，以便获得用于电枢绕组的充分高的电阻。由此可以看出，在范围P2中，铝电枢的长度LAl变得短于铜电枢的长度LCu。

图2表示定义为对于所产生的相同扭矩，在铝电枢的有效长度LAl和铜电枢的有效长度LCu之间的差ε的积分J的特征值的变化。这个图清楚示出：超过极限尺寸E，铝的使用使得有可能获得比使用铜更短并因此更紧凑的机器。极限尺寸E是针对50N.m的扭矩获得的，该扭矩与大约1830mm.N.m的积分值J相关联，该积分值J对应于电机的大约1.3kW的功率。

起动机X,XkW意味着根据表征为0A和11.5V电压的在起动机端子处10毫欧姆的源电阻的电压/电流线的供电规律，起动机的最大功率。这个测量根据标准ISO8856进行。

由此，本发明涉及用于机动车辆的起动机，该起动机包括设置有转子的电机，该转子包括：

配装在轴上具有圆柱形式的主体；

包括一组导电板件的集电器；

设置在所述转子的主体的外周内的凹槽；以及

一组导体形成的绕组，该组导体至少部分插入所述凹槽内部并电连接到所述集电器的板件，

其特征在于，插入所述凹槽中的导体是基于铝的，用于低于1.3kW功率的起动机。

本发明还涉及用于机动车辆的起动机，其包括设置有转子的电机，该转子包括：

配装在轴上具有圆柱形形式的主体；

包括一组导电板件的集电器；

设置在所述转子的主体的外周内的凹槽；以及

由一组导体形成的绕组，所述组导体至少部分插入到所述凹槽内部并电连接到所述集电器的板件，

其特征在于，在表征为0A和11.5V电压的在起动机的端子处10毫欧姆的源电阻的直流电压/电流的情况下，针对具有低于10.82N.m的最大扭矩的起动机，插入所述凹槽中的导体是基于铝的。

实际上，可以看出，对于低于这个阈值的起动机而言，优选地具有铝制成的凹槽导体，甚至存在如下的特性的修改的情况下：凹槽的数量；导线的直径；导线的材料；铁氧体磁铁的厚度；端头的厚度。实际上，与具有铜导体的起动机具有相同特性(转子长度等)的具有铝导体的起动机将具有更大的最大扭矩。

根据这些发明的一个实施方式，导体包括绝缘层，该绝缘层直接在基于铝的核心层上。

根据这些发明的一个实施方式，导体包括单个导体芯层，该单个导体芯层包括基于铝的一种合金。

根据这些发明的一个实施方式，导体包括单个导体芯层，该单个导体芯层包括基于铝的一种合金或单独的铝。

根据这些发明的一个实施方式，导体使其基于铝的层直接焊接到集电器上。

根据一个实施方式，插入凹槽内的导体是基于铝的，用于在1至1.2kW范围内的功率范围。

根据一个实施方式，位于所述凹槽内部的每个导体的部分由合金制成，该合金大部分由铝构成。

根据一个实施方式，所述导体是销的形式。

根据一个实施方式，所述电机包括具有大约60mm外径的起动机。

根据一个实施方式，所述转子具有大约44mm的外径。

根据一个实施方式，所述转子具有大约30mm的长度。

根据一个实施方式，所述转子包括2至29凹槽。

根据一个实施方式，所述转子包括19个凹槽。

根据一个实施方式，所述转子包括23个凹槽。

根据一个实施方式，所述转子包括25个凹槽。

根据一个实施方式，所述转子包括29个凹槽。

根据一个实施方式，所述电机包括起动机，该起动机设置有永久磁铁形成的磁极。

根据一个实施方式，具有六个定子的磁极。

根据一个实施方式，所述导体具有在1.5至2mm范围内的直径，并优选地在1.5至1.9mm范围内。

附图说明

通过阅读以下的描述并审阅附图，本发明将得以更好地理解。这些图单纯通过图解本发明的方式提供，而绝不在于限制。

图1A、1A’和1B、1B’已经被描述，示出根据针对相同的电机外径和相同电阻产生的扭矩，铜和铝电枢的长度的变化；

图1C已经描述，示出根据针对相同的电机外径和相同电阻产生的扭矩，铜和铝电枢的长度的变化；

图2已经被描述，是从图1的曲线获得的特征值的变化的图示，该特征值定义为对于所产生的相同扭矩，铝电枢的有效长度和铜电枢的有效长度之间的差的积分；

图3示出为根据本发明的热发动机的起动机的纵向截面的视图；

图4示出为根据本发明的与起动机一起使用的转子的透视图；

图5示出为定位在转子中的凹槽内部的两层导体的横向截面的视图。

相同、相似或类似的元件从一幅图到另一幅图保持相同附图标记。

具体实施方式

参照图3，根据本发明的起动机1包括驱动轴2、配装在驱动轴2上的启动器3以及以电动机模式运行的电机5，该电机包括感应器定子8和被感应的转子9，该定子和转子根据轴线X同轴配装。定子8包围与轴14成一体的转子9。电机5包括配装在起动机1的金属支架12上的壳体51，其被设计成固定到机动车辆的固接部分上。

根据一个实施方式，以已知的方式，定子8包括多个永久磁铁，该永久磁铁形成定子8的脉冲并且由端头10的内周边支撑。作为变型，如图3中的实施方式所示，通过绕组11形成磁极，磁极每一个围绕一体的极靴15定位。极靴15借助于螺钉16固定到端头10上，在这种情况下，端头10是金属的，如文件FR2611096中所述。每个绕组11包括围绕极靴15在其厚度方向上缠绕的连续导体，以例如形成具有增大直径的同心连续匝，如在文件EP7499194的图2至5中可清楚看到的。每个绕组的轴线相对于转子9的轴线X成径向。

具有行星系类型的齿轮的减速器13优选地介于驱动轴2的后端和电机5的轴14之间。

电刷17在集电器20的导电板件18上摩擦，以便给转子绕组供电。电刷17属于电刷保持器23，其配备有用于导引和接收电刷17的笼。这些电刷17在导电板件18的方向上被弹簧类型的弹性器件25推动。电刷保持器23与后凸缘24成一体，后凸缘在其中心部分具有用于配装滚针轴承的接收部。后凸缘24的轴承用于在旋转情况下配装电机5的轴14的端部。

起动机1还包括电磁接触器29，该电磁接触器平行于电机5延伸，并径向地置于电机5之上。接触器29具有金属盘30，该金属盘由支架12支撑，并且配备有激励线圈33，该激励线圈设置有至少一个绕组。盘30的肩台使得有可能确保固接芯部34的轴向楔入。

端子37、38形成为例如每个在盘30内部形成有固定触头。一个端子37设计成连接到车辆的电池的正端子，而另一端子38连接到定子8的感应器绕组的输入端并连接到具有正极性的电刷17。以已知的方式，在线圈33的激励过程中，活动芯部40朝固接芯部34的方向被磁吸引力吸引，以便在占据支撑活动触头42的杆41上的游隙之后首先起作用以便引起接触器29的触头的闭合，并给起动机1的电机5供电，且其次致动启动器3的控制杠杆45。

驱动轴2配装成使得在支架12的前部轴承46内旋转。这个轴承46例如包括滚针轴承，或者作为变型，包括普通轴承。在前部处，这个轴2支撑止挡件48，该止挡件邻近轴承46，以限制启动器3的移位。

启动器3配装成在驱动轴2上滑动，并包括驱动小齿轮50、被构造成由枢转控制杠杆45致动的驱动器51以及自由轮装置52，该自由轮装置(例如，辊子类型的)安装在驱动器51和小齿轮50之间。

杠杆45的上端部以已知的方式铰接配装在杆上，杆借助于弹簧弹性连接到活动芯部40，该弹簧已知为齿对齿弹簧，容纳在活动芯部40中。

以已知的方式，驱动器51在其内部设置有螺旋肋，该螺纹肋与驱动轴2支撑的外螺旋齿以互补方式接合。由此，当启动器3被杠杆45在朝向止挡件48的方向上移位时，启动器3被螺旋移动驱动，以便借助于其小齿轮50与热发动机5的起动机齿圈接合。

清楚的是，自由轮装置52可以由圆锥离合器装置或者设置有多个摩擦盘的离合器替代，如文件FR2978500中描述的。类似地，清楚的是，作为变型，启动器3置于支架12的外部上。

图4示出配装在具有轴线X的轴14上的主体91的转子9。为一组板件形式的这个主体91具有圆柱形形式的外周边。凹槽92沿纵向设置在主体91的外周边内。为了形成绕组，在这个情况下，绕组是起伏类型的，一组导体93配装在这些凹槽92的每一个的内部。

导体93的端部焊接到集电器20的导电板件18上。根据一个实施方式，板件18由铜制成。板件18由支架94支撑，该支架由塑料材料制成，与轴14成一体。为了很好的耐温度性，集电器的支架94由热固性塑料材料制成，如热固性酚醛塑料材料，例如Bakelite。在这个情况下，具有在支架94的外周边上并排纵向延伸的板件18的集电器20为鼓的类型。但是，作为变型，所使用的集电器20可以是扁平类型的集电器。

更具体地说，销的形式的每个导体93具有两个分支931和932，这两个分支由底部933连接，如形成U形。导体93是基于铝的。优选地是，这些导体93由大部分由铝构成的合金制成，即，铝的水平为50％或更多。根据一个实施方式，这个合金几乎只由铝构成，即，铝的水平超过90％，且优选地95％。作为最小程度，位于对应于分支931、932的凹槽92内部的每个导体93的部分由这种铝制成。但是，导体93的端部可以由铜制成，以便促进它们在集电器20的板件18上的焊接。

每个导体93优选地涂覆有电绝缘层，如瓷漆。

导体93配装在凹槽92的内部，在两个不同层上，即上层和下层。如果分支931、932中的一个定位在下层中，那么另一分支931、932位于上层中，且反之亦然。导体93的横向截面可以是圆形的或方形的或矩形的。相对于转子9的主体91的端面突出地延伸的导体93的部分形成绕组的髻部(chignons)。为了确保导体93在髻部中的保持，并由此避免离心力的影响，约束件96分别围绕髻部定位。

如在图5中看到的，凹槽绝缘体97围绕导体的分支931、932定位。在这种情况下，这个绝缘体97具有S形式的截面。这个绝缘体使得在它们配装到转子9的板件组中时有可能不损坏导体93(涂覆有薄层的瓷漆)，该绝缘体顾名思义包括飞边(flash)，并形成肋纹，用于转子的板件组的压力配装。另外，绝缘体97和凹槽92的边缘之间的间隙通过浸入清漆填充。可替代的是，销形式的导体93通过绕组线来替代。

根据优选实施方式，对于1kW的功率的起动机，包括六个极的定子8具有端头10，该端头10具有大约60mm的外径。1kW的功率意味着起动机的特征功率，即，用于11.5V和10毫欧姆的源的最大有用功率。转子9具有大约44mm的外径，和大约30mm的长度。另外，转子9包括25个凹槽，并且电枢导体93具有大约1.6mm的直径。对于4.62减速器，小齿轮的电流/扭矩点大约是600A，且获得大约15.0N.m的扭矩。铁氧体磁铁的厚度是5.9mm且端头的厚度是2.2mm。

1kW起动机的电阻约束是大约7毫欧姆，而具有1.2kW功率的起动机的电阻约束大约是5毫欧姆。

根据另一优选实施方式，对于1.2kW功率的起动机，包括六个极的定子8具有端头10，该端头10具有大约60mm的外径。转子9具有大约44mm的外径以及大约30mm的长度。另外，转子9包括25个凹槽，且电枢导体93具有大约1.9mm的直径。对于具有4.62减速器、转子被阻止的条件点以及前述供电特性的起动机，，小齿轮的电流/扭矩是大约700A，且获得大约16.8N.m的扭矩。铁氧体磁铁的厚度是5.9mm，且端头的厚度是2.2mm。

可以看到，考虑到性能对重量的比，对于1.3kW或更小的所有起动机，或者即使转子的长度大于100mm，具有铝导体的转子较好。

由此可以看到即使起动机具有用于转子的铝导体，并且具有小于1.3kW的功率，或者根据前述特性供电曲线的转子的11.9N.m最大扭矩，即，它不具有所有优化特性，起动机仍将具有比铜制成的更短的长度的转子。

可替代的是，转子9包括23或29个凹槽。

可替代的是，转子9具有在1.4至2.3范围内的导线直径。

根据一个优选方案，定子包括铁氧体磁铁，以形成磁极，且厚度在2至2.4mm范围内。

Claims (12)

1.一种用于机动车辆的起动机，其包括设置有转子(9)的电机(5)，该转子包括：

主体(91)，配装在轴(14)上，具有圆柱形形式；

集电器(20)，包括一组导电板件(18)；

凹槽(92)，设置在转子(9)的主体(91)的外周边内；以及

绕组，由一组导体(93)形成，所述组导体至少部分插入所述凹槽(92)的内部并电连接到所述集电器(20)的板件(18)，

其特征在于，插入所述凹槽(92)中的所述导体(93)是基于铝的，用于小于1.3kW的功率的起动机。

2.如权利要求1所述的起动机，其特征在于，插入所述凹槽(92)中的导体(93)是基于铝的，用于在1至1.2kW范围内的功率范围。

3.如权利要求1或2所述的起动机，其特征在于，位于所述凹槽(92)内部的每个导体(93)的部分(931、932)由合金制成，该合金大部分由铝构成。

4.如权利要求1至3中任一项所述的起动机，其特征在于，所述导体(93)是销的形式。

5.如权利要求1至4中任一项所述的起动机，其特征在于，所述电机包括定子(8)，该定子具有大约60mm的外径。

6.如权利要求1至5中任一项所述的起动机，其特征在于，所述转子(9)具有大约44mm的外径。

7.如权利要求1至6中任一项所述的起动机，其特征在于，所述转子(9)具有大约30mm的长度。

8.如权利要求1至7中任一项所述的起动机，其特征在于，所述转子(9)包括19个凹槽。

9.如权利要求1至7中任一项所述的起动机，其特征在于，所述转子(9)包括25个凹槽。

10.如权利要求1至9中任一项所述的起动机，其特征在于，所述电机(5)包括定子(8)，该定子设置有永久磁铁形成的磁极。

11.如权利要求10所述的起动机，其特征在于，具有定子(8)的六个磁极。

12.如前述权利要求中任一项所述的起动机，其特征在于，所述导体(93)具有在1.5至2mm范围内的直径。