CN106787577A - 用作内燃机的起动发电机的改进的电机 - Google Patents

Abstract

本主题提供了具有定子(40)的电机(100)，该定子包括分到两个或更多个顺序区域(A，B，C)中的多个齿(40T)。定子绕组(90)包括以三角形连接的三相，定子绕组缠绕到所述多个齿(40T)上。所述定子绕组的每相设有通过串联连接的两个或更多个线圈((1,13,7),(10,4,16),(2,14,8),(11,5,17),(12,6,18),(3,15,9))形成的两个或更多个并联线圈组。两个或更多个线圈((1,13,7),(10,4,16),(2,14,8),(11,5,17),(12,6,18),(3,15,9))缠绕到两组或更多组齿(40TS)上。所述组齿(40TS)中的至少一个齿从所述两个或更多个顺序区域(A，B，C)中的每个顺序区域中选出。

Description

用作内燃机的起动发电机的改进的电机

技术领域

本发明涉及用作内燃机的起动发电机的改进的电机。

背景技术

从US1770468中已知一种起到用于起动内燃机的电动机和用于对车辆电池充电的发电机的作用的单个电机。然而，该机器使用电刷段和换向器段，这会降低耐用性，并且该机器要求复杂的齿轮系统来与发动机曲轴相连接。

标题为“Starter generator electrical system utilizing phase controlledrectifiers to drive a dynamoelectric machine as a brushless dc motor in thestarter mode and to provide frequency conversion for a constant frequencyoutput in the generating mode”的US 3902073 A公开了一种起动发电机电机，其在起动运转期间通过使用回旋转换器而作为无刷电动机被驱动。尽管如此，该机器具有增大机器尺寸的励磁绕组并且不需要用来驱动车辆电负载的恒频输出。

标题为“Starter motor-alternator apparatus”的US 4219739 A公开了一种起动发电机电机，其在起动运转期间作为电刷DC电动机工作且在运转的发电机模式期间作为单独励磁的同步电机工作。然而，该机器需要将电刷段和换向器段分离的机构。

标题为“Engine starter and electric generator system”的US 5132604 A公开了一种起动发电机电机，其通过传动装置来与发电机曲轴连接，传动装置进而能够在两个减速齿轮速比之间切换。对于起动模式和发电模式，致动器机构不同地设定减速齿轮速比。尽管如此，致动器机构和减速齿轮增大了发动机的尺寸和复杂度。

在发动机起动期间需要高磁通量，但是在发电运转模式期间以及尤其在高转子速度下，高磁通量导致高的铁芯损耗，这会使得车辆燃料经济性变劣。标题为“Startergenerator”的印度专利公开343/CAL/1999[专利号212133]公开了一种电机，其带有永磁体和附加磁场绕组，以适当地控制气隙通量用于起动和发电运转模式。然而，该附加磁场绕组增大了机器的尺寸，这进而将增大发动机的尺寸。

标题为“Starter generator for internal combustion engine”的US 6392311A公开了一种作为起动发电机运转的电机，其中机器的全部线圈在起动模式期间被供应电流以实现所要求的高扭矩，且仅一组线圈连接用于对电池充电且因此防止了过度充电电流。尽管如此，该系统要求控制器中的大量的半导体开关且增加了系统的总成本。

标题为“Engine provided with generator/motor,and its controller”的日本申请第20020265659号公开了一种具有无级变速器(CVT)的发动机，其中CVT的动滑轮充当了起动发动机的电机的转子且还起到用于对车辆电池充电的发电机的作用。在发电运转期间，随着曲轴速度增加，滑轮远离电机的定子轴向地移动且因此实现了所要求的磁通量的减小以限制铁芯损耗。但是，该机器需要CVT系统或者离心机构来实现磁通量调节且可能不能够在发电机运转模式期间供应给大的电负载。

起到起动发电机作用而不增加磁通量密度和机器尺寸且不需要附加的离心机构或传动齿轮而同时实现起动期间的期望的高扭矩和发电期间的充足充电电压的电机是当前的需要。低成本铁氧体磁体能够用于最小化成本，而且还最小化铁芯损耗。但是，高电流需要建立在定子线圈中以在起动运转模式期间实现高扭矩。定子线圈电阻需要较低，这又将增大线圈直径。利用大直径线圈，可以填充在定子齿内的匝数减少，这使得发电机运转模式期间的电压产生变劣。利用低成本永磁体实现高起动扭矩以及在发电机运转模式期间实现所要求的充电电压而不增加机器尺寸是当前的需要。

印度授权专利IN203814公开了用于多相电动机或发电机的线圈绕组布置，其中每相包括并联连接的至少两组线圈，并且每组具有缠绕到定子的不同齿上的线圈而使得不同组线圈缠绕到定子的周向上分离的区域中。虽然具有这种设计的起动发电机能够由于减小的有效线间电阻而实现高起动扭矩，但是由于转子不平衡导致的在每组周向上分离的线圈中产生的反电动势的不平衡将导致沿着并联连接的线圈组循环电流且增加铜损耗。定子线圈电流中不平衡也会导致转子振动，如果与连接构件的谐振频率匹配，该振动将又会导致令人不悦的噪声。因此，对于这样的改进的多相电机存在需求：具有并联连接的线圈组，能够解决现有技术中的上述问题和其它问题，同时应当能够产生相等的反电动势。

发明概述

用作内燃机的起动发电机的电机包括：转子，所述转子具有用于与发动机曲轴连接的永磁体；定子，所述定子用于与发动机曲轴箱连接且与转子同心，以允许转子永磁体磁通量与定子齿链接；以及用于载流从而产生用于在发动机起动期间旋转转子的扭矩的定子上的三相绕组。而且，电机用于产生电压从而在发动机起动后供应给车辆电负载。定子具有定子绕组，其在每相中具有并联连接的线圈组，并且各相优选地以三角形连接而连接以实现低线间电阻(line-line resistance)。而且，绕组允许产生高起动扭矩的大电流。线圈绕组还包括在每个并联线圈组中串联连接的线圈组以通过沿着定子周向分布每个并联组中的线圈来产生相等的反电动势。

定子齿分成两个或更多个顺序区域。串联连接的线圈缠绕到定子的所述多个齿的两组或更多组齿上，其中所述两组或更多组齿中的至少一个齿从所述两个或更多个顺序区域中的每个顺序区域中选出。

每个并联线圈组的串联连接的线圈选择性地缠绕到定子的齿上并且沿着定子的圆周分布式地选择齿用于所述选择性的绕组。换言之，每个并联线圈组中的两个或更多个线圈缠绕到定子的多个齿中的两组或更多组齿上。两组或更多组齿中的至少一个齿从所述两个或更多个顺序区域中的每个顺序区域中选出。这使得能够绕组定子圆周沿周向分布线圈。

本主题的一个方面在于，电机能够提供高的起动扭矩。优点是减少了有效线间电阻。

本主题的一个特征在于，该电机提供了每组周向分离线圈中所产生的反电动势的平衡。

又一优点是，减少了沿着并联连接的线圈组的循环电流。进一步的优点是减少了铜损耗。

附加的特征是，还减少由于反电动势不平衡导致的任何转子不平衡。

特征在于，每个并联线圈组的串联连接的线圈选择性地缠绕到定子的齿上，并且以一顺序沿着圆周分布式地选择齿。

特征在于，每个并联线圈组中的串联连接的线圈选择性地缠绕到定子的齿上，并且以非顺序方式沿着圆周分布式地选择齿。

又一附加特征在于，实现了发动机的平稳起动性。

又一附加特征在于，转子振动也减少。优点在于，系统的噪声也减少。

另一优点在于该电机是紧凑的。

又一优点在于半导体开关的最优数量因此改善了系统成本。

本主题是用于两轮或三轮紧凑型车辆。

附图说明

图1示出了依照本主题的实施例的电机的前视绘图。

图2示出了依照本主题的一个实施例的具有控制器和车辆电池的定子绕组的电连接示意图。

发明详述

图1示出了电机100的前视图。电机100包括用于与发动机曲轴(未示出)连接的外转子20。转子20具有以交替北极-南极的式样绕其内周布置的多个永磁体30。与转子20同心布置的、包括多个定子齿40T的定子40通过小气隙与转子20分离，并且定子40与发动机曲轴箱(未示出)连接。定子齿40T承载永磁体30所产生的磁通量。此外，定子线圈50绕着定子齿40缠绕，用于在起动运转模式期间承载电流以及在发电运转模式期间产生电压。曲轴位置传感器60安装到发动机曲轴箱上、位于转子20的外周之外，以感测设在转子20外周上的铁磁突起70。曲轴位置传感器60通过小气隙与突起70分离。而且，三个霍尔传感器80位于定子齿40之间的间距中，用于产生指示转子永磁体30位置的信号。绕着定子40沿周向布置的定子齿40T划分到两个或更多个顺序区域A、B、C中。每个顺序区域A、B、C包括彼此相邻的两个或更多个齿。

在优选的实施例中，电机100具有12个永磁体30和18个定子线圈50。因此，在该实现方式中，定子齿40T划分到三个顺序区域A、B、C中。顺序区域A包括当沿着定子40的圆周顺时针方向移动时顺序的齿1-6。类似地，顺序区域B包括齿7-13，且顺序区域C包括齿14-18。在定子线圈50的每个线圈中产生的电压与在相邻线圈中产生的电压将在相位上分开120度的电角。连续的霍尔传感器以120度的电角分离定位。定子线圈50标号1至18。

在一个示例中，永磁体30是低成本铁氧体磁体。为了实现发动机起动所要求的高起动扭矩，需要在定子线圈50中建立高的电流，因为铁氧体磁体将不能在定子齿40中产生大的磁通量。为了允许高的电流，定子线圈50所呈现的电阻必须较低。如果大直径线圈用于实现较低的定子线圈电阻，则可以在每个定子齿内填充的匝数减少，并且因此使得发电机运转模式期间所产生的电压变劣。

为了实现低的定子线圈电阻，在相位上产生电压的定子线圈50各自被分割成两组线圈。如图2所描绘的，其是以三角形连接的线圈绕组的内部连接，其中线圈1、4、7、10、13和16在相位RB中。类似地，线圈2、5、8、11、14和17在相位YR中，且线圈3、6、9、12、15和18在相位BY中。下面，为了方便的缘由，定子40的特定齿40T以相应的定子绕组附图标记来提及。例如，具有定子绕组1的齿称为齿1。绕组线圈布置下文称为定子绕组90。上述线圈的三个集合(即YR、RB和BY)在相位上彼此分开120电度。每个相位YR、RB和BY被分割成所需组的对称缠绕的线圈并且并联地连接。换言之，每个相位RB、RY和BY包括两个或更多个并联线圈组P1、P2、P3、P4、P5和P6。此外，每个并联线圈组P1、P2、P3、P4、P5和P6均包括围绕定子40对称地布置的两个或更多个串联线圈组。两个或更多个串联线圈组串联地连接。在本实现方式中，线圈1、13和7串联连接，是相位RB的一个并联组P1，并且线圈10、4和16串联连接，是相位RB的另一并联组P2。这两个并联组P1,P2并联连接而形成相位RB。在每个并联线圈组内串联连接的串联线圈组选择性地缠绕到沿着定子的圆周分布式地选择的不同齿上，如图1所描绘的。

每个并联线圈组P1、P2、P3、P4、P5和P6中的两个或更多个线圈(1、13、7)、(10、4、16)、(2、14、8)、(11、5、17)、(12、6、18)、(3、15、9)缠绕到多个齿40T中的两组或更多组齿40TS上，其中两组或更多组齿40TS中的至少一个齿从所述两个或更多个顺序区域A、B、C中的每个顺序区域选出。在图1中，所标记的一组齿40TS包括齿3、15、9。然而，存在没有标记的两组或更多组齿40TS，即齿1、13、7形成一组齿40TS(未标记)，齿10、4、16形成一组齿40TS(未标记)。

例如，线圈3、15和9选择性地缠绕到包括定子40的齿3、15、9的一组齿40TS上。齿3来自第一顺序区域A，齿9来自第二顺序区域B，齿15来自第三顺序区域C。因此，由于每个并联组P1、P2、P3、P4、P5和P6中线圈分布式布置到定子的周向，每个组中所产生的反电动势更不易于由于转子不平衡而变化。类似地，相位YR和相位BY各自包括两个或更多个并联线圈组P3、P4、P5和P6，并且每个并联组均包括沿周向布置的串联连接的两个或更多个线圈。相位RB、YR和BY以三角形连接以实现低的线间电阻，这等同于单个并联线圈组电阻。

在当前的情况下，每个相位RB、YR和BY具有两个并联线圈组(P1、P2)、(P3、P4)、(P5、P6)。六个并联线圈组P1、P2、P3、P4、P5、P6具有串联连接的三个线圈(1、13、7)、(10、4、16)、(2、14、8)、(11、5、17)、(12、6、18)、(3、15、9)。在一个实施例中，每个并联线圈组P1、P2、P3、P4、P5、P6的三个串联连接的线圈(1、13、7)、(10、4、16)、(2、14、8)、(11、5、17)、(12、6、18)、(3、15、9)缠绕到具有三个齿的一组齿40TS上。一组齿40TS中的每个齿各自从三个顺序区域A、B、C中选出。例如，三个串联连接的线圈3、15、9连接，缠绕到一组齿40TS上，一组齿40TS包括三个齿3、15、9。而且，三个齿3、15、9从顺序区域A、B、C中选出。这提供了绕定子圆周分布的齿以确保每个并联连接的组中所产生的反电动势将相等。在另一实现方式中，每个相位中的并联线圈组的数量可以变化。而且，每个并联组中串联连接的线圈的数量也可以变化。

在一个实施例中，每个并联线圈组P1、P2、P3、P4、P5、P6的串联连接的两个或更多个线圈缠绕到以非顺序模式绕着所述定子40圆周分布式地选择的两个或更多个齿上。例如，在本实现方式中，线圈1、7和13串联地连接。然而，线圈1连接到一个交汇处R，另一端连接到线圈13。类似地，线圈的另一端连接到线圈7，该线圈7连接到交汇处B。参考图1，从线圈1朝向线圈18沿顺时针方向移动，线圈1、7和13是依顺序的，这是物理顺序。然而，线圈1、7和13的电连接是非顺序的，因为电连接的顺序是1、13和7，这不同于物理顺序。例如，在并联组P1中的电流的流动从线圈1到线圈13，然后到线圈7，或者反之亦然。

并联线圈组P1的线圈1、13、7缠绕到沿着定子40的圆周分布式地选择的定子的多个齿40T的两个或更多个齿40T上。齿分布式地选择，如所选的定子绕组(如图1所示)沿着定子40的圆周分布。在当前的实现方式中，齿1、7、13沿着定子40的圆周分布。在实施例中，选定的齿大体等距。在另一实施例中，选定的齿可以不等距。在又一实施例中，选定的齿可以对称地分布。

因此，由于线圈绕着定子40圆周分布，具有串联连接的线圈组的并联线圈组沿着定子的圆周分布式地设置，以产生相等的反电动势。另外，可以形成的任何循环电流由于产生相等的反电动势而减少。而且，优点在于，降低铜损耗。此外，这使得提供较高扭矩以用于曲轴旋转的更高的电流流动能够实现。曲轴的这种旋转改善了内燃机的起动性。该电机100能应用于具有紧密填充布局的紧凑的车辆，诸如用于具有改进的性能的两轮或三轮车辆。

而且，分布式地选定的齿40T提供了平衡的电磁结构。该平衡电磁结构进一步减少了可能由于不平衡而产生的任何振动和相关联的噪声。

相位的交汇处R、Y和B连接到控制装置，以使电机100能作为电动机运转且对电池120充电。

参考图2，三角形连接的定子绕组90与控制器110连接，控制器110又与车辆电池120连接。控制器110包括具有体二极管D1至D6的半导体开关M1至M6。控制器110还具有微控制器、信号调节电路、驱动器电路和电源电路(图中未示出)，用于基于霍尔传感器80信号和曲轴位置传感器60信号来控制开关M1至M6。控制器还具有用于维持DC总线电压的DC支撑电容器(DC link capacitor)115。

在电动机运转模式期间，电池120将以120度模式无刷直流(BLDC)电动机驱动模式向定子绕组90供应电流。因为线间电阻较小，所以高定子线圈电流建立，这得到大的扭矩，大的扭矩能够加速发动机曲轴到起动速度。当曲轴速度达到从曲轴位置传感器60信号感测到的指示发动机成功起动的预定速度时，控制器110将运转从电动机模式切换到发电模式，其中定子绕组90产生的电压通过开关M1至M6和二极管D1至D6供应给电池120。开关M1至M6以相控方式驱动以将电池充电电压保持在预定限值内。因为定子绕组90处于三角形构造，所以在低速下产生的电压将非常小且不足以直接对电池充电。然而，控制器110使用绕组90电感以及半导体开关M1至M6和体二极管D1至D6而形成能够将定子电压升压到对电池充电所要求的高值的升压转换器构造。因此，甚至在诸如发动机空转速度的发动机低速期间也能够对电池120充电。

通过利用由于并联线圈连接而具有低电阻的相位线圈形成定子绕组90的三角形连接，在BLDC电动机运转模式期间建立高的相位电流。因为串联连接的每个线圈集合是并联连接且能够由于围绕定子40圆周的线圈的分布而产生相等的反电动势，所以减少了循环电流且因此降低了铜损耗。平衡的电磁结构进一步减小了振动和相关联的噪声。此外，通过控制器110进行升压充电，甚至在低发动机运转速度期间确保了充足的电池充电电压。因为不使用附加的并联稳压器来进行充电电压调节，所以利用最小的成本实现了高的充电效率。电机100的尺寸不会增加，并且使用了低成本的铁氧体磁体，这有助于使得发电机尺寸减小，而不增加成本。电机100可以紧凑地封装在发动机内，而不影响发动机的任何紧凑布局。

虽然优选的实施例具有在每个并联组内串联连接的三个定子线圈，并且另两个这样的并联组并联地连接而形成单个相位，基于发动机曲轴启动要求，相位中的每个线圈能够并联地连接而形成极低相位电阻并且导致高得多的相位电流。虽然霍尔传感器80置于定子齿40之间，但是它们也可以置于在定子齿面中切出的槽内。该机器还能够在无传感器模式下驱动，其中反电动势用于确定转子永磁体位置且因此消除了对附加的霍尔传感器的需要。此外，通过利用霍尔传感器80感测转子磁场中的非均匀性，能够消除曲轴位置传感器60和突起70。在起动运转模式期间，控制器110还能够瞬时地沿反向驱动转子20且随后沿正向旋转以利用机器惯性且因此克服启动负载，尤其是对于具有大的压缩压力的发动机。基于车辆用户要求，该机器还能够用于增补发动机动力而形成混合运转模式。

本发明的改进的电机能够用于具有内燃机的所有车辆，尤其是用于紧凑的两轮和三轮车辆，以及用于其它带有发动机的应用中，比如剪草机和柴油发动机组。

Claims (10)

1.一种能够充当电动机和发电机的电机(100)，所述电机(100)在功能上与内燃机的曲轴耦合，所述电机(100)包括：

具有周向布置的多个永磁体(30)的转子(20)，所述转子与所述曲轴连接；

定子(40)，其包括绕所述定子(40)周向布置的多个齿(40T)，并且所述多个齿(40T)面向所述转子(20)，所述多个齿(40T)分成两个或更多个顺序区域(A，B，C)；以及

定子绕组(90)，其缠绕到所述定子(40)的所述多个齿(40T)上，并且所述定子绕组(90)包括以三角形连接所连接的三相(RB,RY和BY)，其中

所述定子绕组(90)的每相(RB,RY和BY)设有两个或更多个并联线圈组(P1,P2,P3,P4,P5,P6)，所述两个或更多个并联线圈组(P1,P2,P3,P4,P5,P6)的每个并联线圈组(P1,P2,P3,P4,P5,P6)包括串联连接的两个或更多个线圈((1,13,7),(10,4,16),(2,14,8),(11,5,17),(12,6,18),(3,15,9))，并且

所述并联线圈组(P1,P2,P3,P4,P5,P6)的所述两个或更多个线圈((1,13,7),(10,4,16),(2,14,8),(11,5,17),(12,6,18),(3,15,9))缠绕到所述多个齿(40T)的两组或更多组齿(40TS)上，其中所述组齿(40TS)中的至少一个齿从所述两个或更多个顺序区域(A，B，C)中的每个顺序区域中选出。

2.如权利要求1所述的电机(100)，其中所述两个或更多个齿(40T)围绕所述定子(40)周向地对称间隔。

3.如权利要求1所述的电机(100)，其中所述转子(20)包括绕着内周向周边布置的多个永磁体(30)。

4.如权利要求1所述的电机(100)，其中所述定子(40)包括与所述多个永磁体(30)磁耦合的多个定子齿(40T)。

5.如权利要求1所述的电机(100)，其中每个所述并联线圈组(P1,P2,P3,P4,P5,P6)的所述两个或更多个线圈((1,13,7),(10,4,16),(2,14,8),(11,5,17),(12,6,18),(3,15,9))缠绕到所述两组或更多组齿(40TS)上，其中所述电串联连接是非顺序模式。

6.如权利要求1所述的电机(100)，其中所述永磁体(30)是铁氧体磁体型。

7.如权利要求1所述的电机(100)，其中所述电机(100)的所述定子绕组(90)连接到控制器(110)，用于使所述电机作为电动机和发电机运转。

8.如权利要求1所述的电机(100)，其中所述定子(40)设有置于所述定子齿(40T)之间的一个或多个霍尔传感器(80)。

9.如权利要求1所述的电机(100)，其中所述顺序区域(A，B，C)的数量至少等于每个并联组(P1,P2,P3,P4,P5,P6)中的线圈数量。

10.如权利要求1所述的电机(100)，其中所述电机(100)安装到两轮车辆的内燃(IC)发动机的曲轴上，所述IC发动机具有110立方厘米至大约500立方厘米的体积容量。