CN107683370B

CN107683370B - 发动机起动系统

Info

Publication number: CN107683370B
Application number: CN201680034493.8A
Authority: CN
Inventors: 仙波大助; 荒卷典之; 野口建; 大久保雅通
Original assignee: Meizi Co ltd
Current assignee: Meizi Co ltd
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: EP3312411A1; JP2017008741A; EP3312411A4; WO2016204109A1; US20180171959A1; CN107683370A; JP6462503B2; US10138857B2

Abstract

使用开关磁阻电机的起动机(1)的转子(21)直接连结于发动机(2)的曲轴(31)。转子(21)和曲轴(31)设定成：在活塞(32)位于上死点等位置时，转子(21)的凸极(26a、26c)与U相磁极(13U)相向，以使在发动机(2)的最大跨越转矩位置起动机(1)的输出转矩达到最大。在使发动机(2)停止时，向U相线圈(15U)通电，从而使凸极(26a、26c)与U相磁极(13U)相向而停止，使活塞(32)停止在最大跨越转矩位置。在发动机起动时，向与U相线圈(15U)邻接的W相线圈(15W)通电，能够以最大输出跨越最大摩擦转矩。

Description

发动机起动系统

技术领域

本发明涉及使用电动机的发动机起动系统。

背景技术

以往，发动机的起动使用了利用电动机的发动机起动机。例如，专利文献1记载了使用开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor)的发动机的起动机、发电机。近年来，作为发动机起动用的电机，着眼于结构简单且坚固的开关磁阻电机。特别是开关磁阻电机由于转子不使用永磁体，因此在稀土价格的上涨的背景下扩大了开关磁阻电机的利用。专利文献1的起动机、发电机经由离合器、减速器等将电机的旋转轴连结于发动机的曲轴，在发动机停止时发挥起动机(动力机)的作用，在发动机起动后发挥发电机(generator)的作用。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001－28851号公报

发明内容

发明要解决的课题

另一方面，发动机存在旋转摩擦，旋转摩擦还具有周期性的变动(脉动)。因此，发动机在起动时，根据气缸内的活塞位置，使曲轴旋转的转矩(起动转矩)产生差异。对此，在以往的使用磁铁转子的起动机电机中，对于发动机摩擦转矩的脉动，利用电机的输出余力来应对。

但是，作为驱动源的电动机也具有转矩脉动。特别是开关磁阻电机具有转矩脉动比磁铁电机大的倾向。如前所述，在以往的发动机起动机中，利用输出余力来应对发动机侧的转矩脉动，没有怎么考虑电机自身的转矩脉动。因此，若电机和发动机的转矩脉动相反，则有可能电机转矩低于起动转矩，无法起动发动机。

当如图4的P部那样发动机摩擦转矩的脉动的波峰位于电机转矩的脉动的波谷时，若借助输出余力，则电机转矩有可能低于起动转矩。即，电机转矩无法超过跨越发动机起动时的第一次压缩过程(在四冲程发动机中为压缩过程，在二冲程发动机中为吸入、压缩过程)的上死点时的跨越转矩(日文：乗越し转矩)(最大跨越转矩)，有可能产生工作故障。在该情况下，只要将电机转矩的波谷设定成超过发动机摩擦转矩的波峰，就没有这样的担忧。但是，产生如下问题：为了使电机转矩增大，无论如何电机都将大型化。

用于解决课题的手段

本发明的发动机起动系统是一种通过电动机来进行发动机的起动的发动机起动系统，其中，上述电动机具有定子以及与该定子同轴配置的转子，上述定子具备多个磁极以及卷绕于各个该磁极的线圈，上述转子连结于上述发动机的曲轴，与上述曲轴同步旋转，上述转子和上述曲轴连结成：在上述发动机的活塞位于上死点或稍微超过上死点的位置时，规定的上述磁极与上述转子的规定的位置相向。

在本发明中，活塞和转子的位置关系机械地设定成：在发动机的活塞位于上死点或稍微超过上死点的位置时，规定的上述磁极与上述转子的规定位置相向。在发动机的活塞位于上死点或稍微超过上死点的位置时，发动机起动时的摩擦转矩达到最大。因此，能够以最大输出跨越最大摩擦转矩，能够通过最小限度的输出的电机来起动发动机。

在上述发动机起动系统中，也可以在使上述发动机停止时，向规定的上述线圈通电，从而使上述转子的规定的位置与上述规定的磁极相向而停止，使上述活塞停止在上死点或稍微超过上死点的位置。而且，也可以在上述发动机起动时，向与上述发动机停止时通电的上述线圈不同的上述线圈通电来驱动上述电动机。

另外，也可以朝向上述定子的径向内侧突出设置上述磁极，并且，在上述转子，朝向径向外侧突出设置多个凸极，在上述发动机的活塞位于上死点或稍微超过上死点的位置时，规定的上述凸极与规定的上述磁极相向。在该情况下，也可以由被通电供给相位不同的电流的多相的相线圈构成上述线圈，在使上述发动机停止时，向1相的上述相线圈通电，从而使上述规定的凸极与上述规定的磁极相向而停止，使上述活塞停止在上死点或稍微超过上死点的位置。而且，也可以在上述发动机起动时，向与上述发动机停止时通电的上述相线圈邻接的其他相的相线圈通电来驱动上述电动机。

另一方面，本发明的其他发动机起动系统是一种通过电动机来进行发动机的起动的发动机起动系统，其中，上述电动机具有定子以及与该定子同轴配置的转子，上述定子具备多个磁极以及卷绕于各个该磁极的线圈，上述转子连结于上述发动机的曲轴，与上述曲轴同步旋转，上述转子和上述曲轴连结成：在上述发动机的最大跨越转矩位置，上述电动机的输出转矩达到最大。

在本发明中，活塞和转子的位置关系机械地设定成：在发动机起动时的摩擦转矩达到最大时，电机的输出也达到最大。因此，能够以最大输出跨越最大摩擦转矩，能够通过最小限度的输出的电机来起动发动机。

在上述发动机起动系统中，也可以在使上述发动机停止时，向规定的上述线圈通电，从而使上述转子停止在与上述发动机的最大跨越转矩位置对应的位置。而且，也可以在上述发动机起动时，向与上述发动机停止时通电的上述线圈不同的上述线圈通电来驱动上述电动机。

另外，也可以由被通电供给相位不同的电流的多相的相线圈构成上述线圈，在使上述发动机停止时，向1相的上述相线圈通电，从而使上述转子停止在与上述发动机的最大跨越转矩位置对应的位置。而且，也可以在上述发动机起动时，向与上述发动机停止时通电的相不同的相的上述相线圈通电来驱动上述电动机，以使上述电动机的输出转矩达到最大。

发明效果

根据本发明的发动机起动系统，将活塞和转子的位置关系设定成在发动机的活塞位于上死点或稍微超过上死点的位置时，规定的磁极与转子的规定位置相向。结果，能够以电机的最大输出跨越发动机起动时的摩擦转矩达到最大的上死点位置。因此，能够通过最小限度的输出的电机来起动发动机，能够实现发动机起动机的小型化、系统的可靠性提升。

根据本发明的其他发动机起动系统，将活塞和转子的位置关系设定成在发动机起动时的最大跨越转矩位置，电动机的输出转矩达到最大。结果，能够以电机的最大输出跨越发动机起动时的最大跨越转矩。因此，能够通过最小限度的输出的电机来起动发动机，能够实现发动机起动机的小型化、系统的可靠性提升。

附图说明

图1是表示作为本发明的一实施方式的发动机起动系统的结构的说明图。

图2是表示图1的发动机起动系统中的转子和活塞的位置关系的说明图。

图3是表示该发动机起动系统的控制步骤的流程图，(a)表示停止时，(b)表示重新起动时。

图4是表示电机的转矩脉动和发动机摩擦转矩的脉动的关系的说明图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行详细说明。以下的实施方式的目的在于提供能够通过最小限度的输出的电机来可靠地起动发动机的发动机起动系统。图1是表示作为本发明的一实施方式的发动机起动系统的结构的说明图。图1的发动机起动系统由使用了无刷电机的一种即开关磁阻电机的起动机1以及由起动机1起动的发动机2构成。此外，在本实施方式中，为了清楚易懂地表示系统结构，发动机设为单缸结构，图1也省略了气缸体、电动机壳体等周边构件的图示。

起动机1是内转子型的电动机。起动机1具备固定在未图示的电动机壳体内的定子11以及旋转自如地配置在定子11内的转子21。定子11是层叠多个薄的电磁钢板而形成的。定子11具有环状的磁轭12以及磁极13。磁极13从磁轭12朝向径向内侧(中心方向)呈放射状地突出设置。邻接的磁极13之间成为槽14。在起动机1中，磁极13和槽14形成为相同的大小(相同中心角)。磁极13沿着周向等分设置有6个。

在磁极13的外周卷绕有线圈15。在发动机控制器的控制下，从电池向线圈15供给电流。线圈15由被通电供给相位不同的电流的多相的相线圈(在此，U相线圈15U、V相线圈15V、W相线圈15W这3组)构成。在线圈15中，相向的一对为同相。而且，通过向三对线圈15依次通电，在起动机1内形成3相(U相、V相、W相)的旋转磁场。

转子21以能够相对于定子11相对旋转的方式与定子11同轴地插入到定子11的内侧。转子21直接连结于发动机2的曲轴31，与曲轴31一同旋转。转子21具有转子铁芯22以及固定在转子铁芯22的内侧的转子体23。转子铁芯22是层叠多个薄的电磁钢板而形成的。转子体23由安装螺栓25固定到形成于曲轴31的端部的曲轴轴颈24。曲轴轴颈24通过未图示的主轴承而旋转自如地被支承于气缸体。在转子铁芯22的外周，朝向径向外侧突出设置有凸极26。凸极26沿着周向等分设置有4个。凸极26形成为与磁极13、槽14相同大小(相同中心角)。

在起动机1中，通过未图示的旋转变压器对转子21的旋转角度进行检测。发动机控制器根据转子21的角度位置而对各相线圈15U、15V、15W依次进行励磁。当对线圈15进行励磁时，其所卷绕的磁极13依次成为磁极，在起动机1内形成旋转磁场。转子21的凸极26被磁化的磁极13吸引，由此转子21在定子11内旋转。

发动机2具有与曲轴31连接的活塞32。活塞32配置在形成于气缸体33的气缸内径34内。气缸内径34内的活塞32的位置始终由未图示的活塞位置传感器进行检测。在曲轴31设置有曲柄臂35和配重36。在曲柄臂35之间安装有曲柄销37。在曲柄销37安装有将活塞32和曲轴31连结的连杆38。在发动机起动时，通过起动机1使曲柄臂35旋转，从而使活塞32上下运动。另外，与此同时向气缸内径34内喷射燃料，使其适当燃烧、爆发，使发动机2起动。

在此，在该发动机起动系统中，转子21和曲轴31的位置关系设定成：起动机1的转矩达到最大的转子旋转位置与发动机摩擦转矩达到最大的曲轴旋转位置一致。也就是说，对起动机1和发动机2实施机械的设定，以使各自的转矩脉动波形的波峰的顶峰位置一致。

通常，发动机摩擦转矩达到最大是活塞32位于上死点位置时，其成为最大跨越转矩位置。另一方面，起动机1的输出转矩达到最大是如图2那样一对凸极26(26a、26c)与磁极13(例如，U相的磁极13U)相向、其他一对凸极26(26b、26d)正好配置在邻接的磁极13之间的状态时。此时，若对起动机1的磁极13(同样，W相的磁极13W)进行励磁，则最大的吸引力作用于凸极26b、26d，起动机1以最大转矩旋转。

因此，起动机1以在活塞32位于上死点位置或稍微超过上死点位置的位置(以下，简写为上死点位置等)时转子21为如图2那样的状态的方式，将转子21安装于曲轴31。由此，在本发明的发动机起动系统中，能够以电机的最大转矩来起动发动机，能够实现不借助输出余力的不会浪费的发动机起动动作。因此，通过该系统，即使使用转矩脉动大的开关磁阻电机，也不会发生无法超过最大跨越转矩那样的工作故障。结果，能够通过最小限度的输出的电机来可靠地起动发动机，能够实现起动机1的小型化、系统的可靠性提升。

另外，在具有这样的结构的发动机起动系统中，为了最大限度地发挥其结构上的优点，进行如下的电机控制。图3是表示该发动机起动系统的控制步骤的流程图，(a)表示停止时，(b)表示重新起动时。在此，假设怠速停止车的发动机重新起动。如图3所示，当随着车辆停止，由发动机控制器发出发动机的停止指令时(步骤S1)，对活塞32的位置进行检测、判定(步骤S2)。

发出了发动机停止指令的发动机控制器在活塞32来到上死点位置附近时，仅使起动机1的U相线圈通电(步骤S3)。由此，起动机1在凸极26a、26c与U相的磁极13U相向的状态下停止。如前所述，在起动机1中，设定成在凸极26a、26c与磁极13U相向时，活塞32位于上死点位置等(步骤S4)。因此，转子21在活塞32在上死点位置等的状态下停止并被限制(步骤S5)。

另一方面，在使发动机重新起动时，从上死点位置限制状态(步骤S5→S11)起，仅使与U相线圈邻接(在此，在转子旋转方向的相反侧邻接)的其他相即W相线圈通电(步骤S12)。由此，凸极26b、26d被W相的磁极13W吸引，起动机1以最大转矩旋转(图2的状态)。即，能够以起动机1的最大转矩使发动机摩擦转矩最大位置(上死点)的发动机起动。因此，能够最大限度地利用电机输出来可靠地使发动机起动。然后，之后使进行励磁的线圈依次变化，使转子21旋转并使发动机起动(步骤S13)。

这样，在本发明的发动机起动系统中，活塞和转子的位置关系机械地设定成：在发动机起动时的摩擦转矩达到最大时电机的输出也达到最大。而且，在发动机停止时，仅向规定的1相通电，以使转子停止、保持在电机输出达到最大的位置(摩擦转矩也最大)，以备重新起动。即，在发动机停止时，实施利用简单的1相通电进行的待命控制，以使转子来到最适合下一次起动的位置。由此，在发动机起动时，仅通过对邻接的下一相进行通电就能够以最大转矩驱动电机，能够以最大输出跨越最大摩擦转矩。因此，不同于借助输出余力的以往的系统，能够相对于发动机使用最适合的输出、规格的电机，能够实现发动机起动机的小型化、系统的可靠性提升。

当然，本发明并不限定于上述实施方式，能够在不脱离其要旨的范围内进行各种变更。

例如，在上述的实施方式中，示出了将本系统应用于单缸发动机的例子，但是4缸、6缸等多缸发动机也能够应用本系统。多缸发动机虽然与单缸发动机相比发动机摩擦转矩的振幅小，但脉动是以合成各缸的转矩脉动的形式存在的。因此，按照各发动机的特性，使其合成脉动达到最大的曲轴位置和起动机1的最大转矩位置一致，从而能够与上述相同地实现不会浪费的可靠的发动机起动。

另外，在上述的实施方式中，设定成在与U相的磁极13U相向时，活塞32为上死点位置(发动机摩擦转矩的最大位置)，但停止、限制凸极26的磁极13的相并不限定于U相，无论是U相、V相、W相中的哪个都可以。在该情况下，也在发动机起动时，对邻接的相进行励磁而以最大转矩使起动机1起动(V相停止→U相起动、W相停止→V相起动)。

并且，示出了起动机1的磁极13的数量为6个、凸极26的数量为4个的例子，但磁极13和凸极26的数量并不限定于此。此外，作为起动机1，示出了将转子相对旋转自如地配置在定子的内侧的内转子型的电动机的例子，但也能够应用于将转子相对旋转自如地配置在定子的外侧的外转子型的电动机。

另一方面，上述的起动机1不仅具有发动机起动功能，还能够兼具发电机的功能。例如，在转子旋转、凸极26与磁极13对齐时，向该磁极13的线圈15瞬时通电。通过通电，在线圈15产生磁通，由因惯性而继续转动的凸极26切割磁通，在线圈15产生感应电流。因此，在加速器关闭时，通过进行上述的动作而产生发电作用，对发动机施加制动力(再生制动)。在该情况下，在开关磁阻电机中，由于转子不使用磁铁，因此重量小，也没有稀土资源枯竭的影响。另外，由于在发动机加速时(线圈不通电时)不产生发电作用，因此，不产生发动机负荷，能够实现燃料效率的提高。并且，由于能够仅用钢材构成装置，因此强度也高，在苛刻的使用条件下也优选。

产业上的可利用性

在上述的控制例中，对将本发明应用于怠速停止车的发动机停止、重新起动的情况进行了阐述，但不是怠速停止方式的车辆的发动机停止、起动也能够应用本发明。

另外，本发明不仅应用于使用了开关磁阻电机的发动机起动系统，还能够广泛应用于使用了能够控制转子的停止位置的电机的起动系统。例如，使用了步进电机、在转子内设置狭缝来形成d－q轴并仅通过磁阻转矩进行驱动的同步磁阻电机等能够将转子停止、保持在规定的位置的电机的起动系统也能够应用本发明。

符号说明

1 起动机 2 发动机

11 定子 12 磁轭

13 磁极 13U U相磁极

13W W相磁极 14 槽

15 线圈 15U U相线圈

15V V相线圈 15W W相线圈

21 转子 22 转子铁芯

23 转子体 24 曲轴轴颈

25 安装螺栓 26 凸极

26a～26d 凸极 31 曲轴

32 活塞 33 气缸体

34 气缸内径 35 曲柄臂

36 配重 37 曲柄销

38 连杆。

Claims

1.一种发动机起动系统，所述发动机起动系统通过开关磁阻电机来进行发动机的起动，其特征在于，

所述开关磁阻电机具有定子以及与该定子同轴配置的转子，所述定子具备多个磁极以及卷绕于各个所述磁极的线圈，

所述转子连结于所述发动机的曲轴，与所述曲轴同步旋转，

所述转子和所述曲轴连结成：在所述发动机的活塞位于上死点或稍微超过上死点的位置时，规定的所述磁极与所述转子的规定的位置相向，

所述线圈由被通电供给相位不同的电流的多相的相线圈构成，

在使所述发动机停止时，仅向1相的所述相线圈通电，从而使所述转子的规定的位置与所述规定的磁极相向而停止，使所述活塞停止在上死点或稍微超过上死点的位置。

2.根据权利要求1所述的发动机起动系统，其特征在于，

在所述发动机起动时，向与所述发动机停止时通电的所述线圈不同的所述线圈通电。

3.根据权利要求1所述的发动机起动系统，其特征在于，

所述磁极朝向所述定子的径向内侧突出设置，并且，

所述转子配置在所述定子的内侧，具有朝向径向外侧突出设置的多个凸极，

在所述发动机的活塞位于上死点或稍微超过上死点的位置时，规定的所述凸极与规定的所述磁极相向。

4.根据权利要求1所述的发动机起动系统，其特征在于，

在所述发动机起动时，向与所述发动机停止时通电的所述相线圈邻接的其他相的相线圈通电。

5.一种发动机起动系统，所述发动机起动系统通过开关磁阻电机来进行发动机的起动，其特征在于，

所述转子连结于所述发动机的曲轴，与所述曲轴同步旋转，

所述转子和所述曲轴连结成：在所述发动机的最大跨越转矩位置，所述开关磁阻电机的输出转矩达到最大，

在使所述发动机停止时，仅向1相的所述相线圈通电，从而使所述转子停止在与所述发动机的最大跨越转矩位置对应的位置。

6.根据权利要求5所述的发动机起动系统，其特征在于，

7.根据权利要求5所述的发动机起动系统，其特征在于，

在所述发动机起动时，向与所述发动机停止时通电的相不同的相的所述相线圈通电，以使所述开关磁阻电机的输出转矩达到最大。