CN110350713B - 发动机单元和车辆 - Google Patents

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Abstract

提供了一种发动机单元和车辆。该发动机单元实现发动机可启动性和车辆可安装性的改进而无需使用摆回功能和减压功能，并且，当结合摆回功能和/或减压功能使用时，该发动机单元实现发动机可启动性和车辆可安装性的进一步改进。被安装到车辆的发动机单元包括启动电机。设置在启动电机中的飞轮包括磁极面，该磁极面沿启动电机的径向设置在永磁部分的内周表面上。该磁极面沿启动电机的周向并排布置。该磁极面的数目大于槽口的数目的2/3。至少在四冲程发动机体启动时，控制装置改变供应给每相绕组的电流，从而使得飞轮克服高负荷区域而旋转。

Description

发动机单元和车辆
本申请是申请日为2013年11月21日，申请号为201380062690.7，PCT国际申请号为PCT/JP2013/082302，且发明名称为“发动机单元和车辆”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及发动机单元和车辆。
背景技术
安装到车辆(例如，摩托车)的发动机单元通常包括启动电机。该启动电机在发动机启动时由设置在车辆中的电池驱动，以旋转曲轴，使得启动发动机。在发动机启动时，缸体内的气体在压缩冲程被压缩，并且于此同时，对曲轴旋转的阻力在压缩冲程增大。启动电机需要克服压缩冲程的高负荷区域来旋转曲轴。
由于启动电机被安装到车辆(例如，摩托车)，所以需要使启动电机适用于安装到车辆。例如，更具体地，启动电机应该具有适用于安装到车辆的尺寸。从车辆可安装性和行驶性能的角度来看，期望启动电机具有较小的尺寸。
因此，要求启动电机满足以下两种需求：启动电机应适用于安装到车辆并且启动电机应能够输出克服压缩冲程的高负荷区域来旋转曲轴所需的转矩。
为了满足需求，通常所提及的典型启动电机以较小尺寸设计，并且在发动机启动时以高转速(例如，约12000rpm)旋转。通过减速器等以较高的减速比(例如，1/30至1/20)降低启动电机的转速。以这种方式，通常所提及的典型启动电机获得用于启动发动机所需的转矩。
即，通过高速旋转以及减速器的使用，通常所提及的典型启动电机实现了车辆可安装性以及启动发动机所需的转矩输出。然而，由于高速旋转和减速器的使用，通常所提及的典型启动电机面临着解决噪音和耐用性问题的困难。
在此方面，通常已经提出了具有减小的转速并且因此具有减小的减速比的启动电机。这样的电机的示例包括连接到曲轴而没有减速器等介入到电机和曲轴之间的启动电机。该启动电机不可能引起噪音和耐用性的问题。由于该启动电机连接到曲轴而没有减速器等介入到电机和曲轴之间，获得用于启动发动机所需的转矩输出的企图必然涉及电机的尺寸增加，这会恶化车辆可安装性。
为了改善车辆可安装性，已经提出了用于使具有低电机转矩的发动机启动的摆回功能和减压功能。
专利文件1(PTL1)公开了具有摆回功能的发动机。摆回功能是这样的功能：在发动机启动时，为了克服压缩冲程的高负荷区域，一旦曲轴反转，然后就用施加到曲轴上的助摆使得曲轴正常旋转。通过使用摆回功能克服压缩冲程的高负荷区域。结果，这使得即使通过适用于产生较小的旋转转矩的启动电机也能启动发动机。
专利文件2(PTL2)公开了具有减压功能的发动机。减压功能是用于在发动机的压缩冲程略微打开通常应该关闭的阀的功能，从而允许压缩气体逸出，使得压缩冲程中的负荷减小。减压功能使得即使具有较小的转矩也能启动发动机。因此，即使适用于产生较小的旋转转矩的启动电机也能启动发动机。
引用列表：
专利文献
PTL1：国际公开No.WO01/038728
PTL2：日本专利申请公开No.2007-255272
发明内容
技术问题
摆回功能和减压功能提供了用于实现发动机可启动性和车辆可安装性的优化措施。
本发明的目的在于提供一种发动机单元和车辆，该发动机单元和车辆改进发动机可启动性和车辆可安装性，而无需使用摆回功能和减压功能，并且当结合摆回功能和/或减压功能使用时，实现发动机可启动性和车辆可安装性的进一步改进。
解决问题的技术方案
为了解决上述问题，本发明采用了以下构造。
(1)一种安装到车辆的发动机单元，所述发动机单元包括：
四冲程发动机体，其在四个冲程期间具有在曲轴旋转时负荷较高的高负荷区域和在所述曲轴旋转时负荷较低的低负荷区域，所述高负荷区域包括压缩冲程，所述低负荷区域不包括压缩冲程；
启动电机，其包括内定子和飞轮，所述内定子包括定子芯和多相绕组，所述定子芯具有沿周向间隔布置的多个槽口，所述绕组布置为使得经过所述槽口，所述飞轮包括永磁部分和背轭，所述永磁部分沿径向设置在所述内定子外，所述背轭沿所述径向设置在所述永磁部分外，所述飞轮被构造成随所述曲轴的旋转而旋转；以及
控制装置，其与设置在所述内定子内的所述多相绕组连接，所述控制装置被构造成从包括在所述车辆中的电池向所述多相绕组提供电流，
所述飞轮包括磁极面，所述磁极面沿所述启动电机的径向设置在所述永磁部分的内周表面上，所述磁极面沿所述启动电机的周向并排布置，所述飞轮中所包括的所述磁极面的数目大于所述槽口的数目的2/3，由于所述控制装置改变供应给所述每相绕组的电流，因此所述飞轮被构造成至少在启动所述四冲程发动机体时克服所述高负荷区域而旋转。
根据(1)所述的发动机单元包括四冲程发动机体，所述发动机体在四个冲程期间具有高负荷区域和低负荷区域。高负荷区域是曲轴旋转时的负荷较高的旋转角区域。高负荷区域包括压缩冲程。低负荷区域是曲轴旋转时的负荷较低的旋转角区域。低负荷区域不包括压缩冲程。在四个冲程期间具有高负荷区域和低负荷区域的四冲程发动机体中，转矩波动较高，并且在从低负荷区域转换到高负荷区域时要求高转矩。
在(1)的构造中，飞轮所包括的磁极面的数目大于槽口的数目的2/3。即，磁极的数目大。因此，永磁部分具有高磁导系数，使得磁通量增大。由于永磁部分的磁极面的面积小，能够降低定子芯中未用作互连磁通量的漏磁通量的出现。结果，能够确保发动机启动时的输出扭矩(发动机开始燃烧前的时间段内的输出转矩)。
由于飞轮所包括的磁极面的数目大于槽口的数目的2/3，即，磁极的数目大；所以角速度ω大。这里，角速度ω表示电角度基于磁极的重复周期的角速度。大的角速度引起低的启动转矩。这使得处于静止状态的发动机迅速增大其转速。
一般而言，在包括压缩冲程的高负荷区域中，通过活塞压缩四冲程发动机体的燃烧室中的气体的作用力被施加到曲轴并且用作曲轴沿正常旋转方向(当车辆向前行驶时车辆旋转的方向)旋转时的负荷。因此，曲轴必须克服该负荷(作用力)沿正常旋转方向旋转。然而，增大和减小向启动电机的每相绕组供应的电流会引起输出转矩的大小的波动，并且在从峰值转矩出现到下一个峰值转矩出现的时间段输出转矩减小。因此，在该时间段，由于负荷(作用力)的影响，曲轴的正常转速降低。
例如，参照图10(b)，在从峰值转矩SL1出现到下一个峰值转矩SL2出现的时间段SLE长的情况下，负荷在时间段SLE中的影响大，使得曲轴的旋转速度显著降低。因此，由峰值转矩SL2引起的曲轴在正常旋转方向上的力未有效地施加到峰值转矩SL1引起的曲轴在正常旋转方向上的力。结果，曲轴的正常旋转易于间断。因此，曲轴难以克服高负荷区域平稳地旋转。
在该方面，在(1)的构造中，由于如上所提及的，磁极的数目大，所以控制装置向每相绕组供应的电流的改变周期短。也就是说，由于磁极的数目大，所以向每相绕组供应的电流的频率大。因此，如图10(a)所示，从峰值转矩SH1出现到下一个峰值转矩SH2出现的时间段SHE短。因此，负荷在时间段SHE中的影响小。结果，抑制曲轴的旋转速度的减小。从而，由峰值转矩SH2引起的曲轴在正常旋转方向上的力有效地施加到由峰值转矩SH1引起的曲轴在正常旋转方向上的力。这改进了转矩的连续性，从而抑制负荷(作用力)的影响。
与车辆高速行驶时相比，在发动机启动时，飞轮不容易获得足够的惯性(惯性的旋转矩)。在这种情形下，为了使飞轮能够克服高负荷区域而旋转，优选连续地加速正常旋转。也就是说，优选抑制曲轴转速的减小。这是曲轴连续性之所以重要的原因。(1)的构造在发动机启动时具有良好的转矩连续性，以使得飞轮克服高负荷区域旋转。
在(1)的构造中，磁极的数目增大。从而，每对磁极沿周向的面积减小。因此，能够减小磁极之间形成的磁路的横截面积。这使得背轭的厚度减小。减小背轭的厚度允许永磁部分在外侧的厚度增加。能够在不降低磁导系数的情况下增加永磁部分有效的横截面积。因此，能够在不引起启动电机尺寸增大的情况下增大转矩。减小背轭的厚度还允许永磁部分向外移动，使得定子芯向外延伸。这使得能够在不增大启动电机的外径的情况下增大永磁部分的等效横截面积。这还能增加绕组缠绕的次数。因此，能够在不引起启动电机的尺寸增大的情况下增大转矩。此外，减小背轭的厚度允许启动电机的尺寸减小，这增强了车辆可安装性。
如上所述，在(1)的构造中：飞轮包括设置在永磁部分的内周表面上的磁极面，并且磁极面的数目大于槽口的数目的2/3；并且由于控制装置改变供应给每相绕组的电流，所以飞轮被构造成至少在启动四冲程发动机体时克服高负荷区域而旋转。从而，磁极的数目增加。磁通密度增大，并且能够降低定子芯中未用作互连磁通量的漏磁通量的出现。结果，确保了发动机启动时的输出转矩。此外，由于磁极的数目增加，所以角速度ω增大。因此，旋转矩小。这使得处于静止状态的发动机迅速增大其转速。因为供应给每相绕组的电流的频率大，所以在发动机启动时改进输出转矩的连续性，这抑制负荷在高负荷区域中的影响。
在(1)的构造中，由于启动电机本身的性能，所以能够在发动机启动时输出启动发动机所需的转矩。从而，(1)的发动机适用于被安装到车辆，并且具有良好的可启动性。(1)的构造可应用于多种发动机(车辆)，并且具有高通用性。当结合摆回功能和/或减压功能使用时，(1)的发动机实现发动机可启动性和车辆可安装性的进一步改进。
在本发明中，优选采用以下构造。
(2)根据(1)所述的发动机单元，其中
所述定子芯包括各自布置在所述多个槽口中的两者之间的齿，
所述齿中的每一者包括端部，所述端部与所述永磁部分的所述磁极面相对，
彼此相邻的所述端部之间沿周向的距离设定为使得所述齿的所述端部沿所述周向的宽度等于或小于所述磁极面中的一者的宽度。
在(2)的构造中，相邻端部之间的距离设定为使得齿的端部的宽度等于或小于磁极面的宽度，即，相邻端部之间确保为较宽的间隙。结果，减小漏磁通量，并且因此能够确保较高的输出转矩。
(3)根据(1)或(2)所述的发动机单元，其中
在所述磁极面径向定位在所述内定子外的状态下，所述飞轮至少在所述四冲程发动机体启动后随所述曲轴旋转，从而使得所述启动电机用作发电机，所述磁极面的数目大于所述槽口的数目的2/3。
在(3)的构造中，包括磁极的飞轮在定子径向向外的位置处沿曲轴旋转，并且磁极的数目大于槽口的数目的2/3。由于飞轮中所包括的磁极的数目大于槽口的数目的2/3，即，飞轮的磁极的数目大；所以角速度ω大。这能够在启动电机用作发电机的高速旋转区域确保高阻抗并且抑制发电电流。结果，能够省略或缩小为了防止用于对电池进行充电的充电电流的过度增加而允许电流以热量的形式逸出的任何机构。
(4)根据(1)至(3)中任一项所述的发动机单元，其中
所述每相绕组包括并联连接的多个绕组，
在所述磁极面径向定位在所述内定子外的状态下，所述控制装置改变向每个相位的并联连接的所述多个绕组提供的电流，从而使得所述飞轮克服所述高负荷区域而旋转，所述磁极面的数目大于所述槽口的数目的2/3，所述内定子包括各相位并联连接的多个绕组。
(4)的构造能够减小启动电机的阻抗中的DC电阻。在发动机启动时，减小DC电阻能够生成较高的转矩。结果，发动机能够更平稳地启动。
(5)根据(1)至(4)中任一项所述的发动机单元，其中
当由所述启动电机旋转所述曲轴时，所述控制装置以供应给每个绕组的电流的相位呈角度地位于通过所述飞轮在所述内定子外沿所述径向旋转而在所述绕组中引起的所述感应电压的相位之前的方式执行提前角控制，以从所述电池向所述多相绕组供应电流。
在(5)的构造中，角速度(ω)大，并且因此能够减小d-轴电流(Id)同时确保抑制感应电压的电压部件(ωLId)。这使得提前角发挥的作用能够通过小的d-轴电流来获得。因此，实现高效的高速旋转。
(6)根据(5)所述的发电机单元，其中
至少在所述启动电机以比所述四冲程发动机体开始燃烧时所获得的旋转速度相等或更大的旋转速度旋转时，所述控制装置执行所述提前角控制。
在(6)的构造中，为了在发动机启动后进行电力行驶，由提前角发挥的作用能够通过小的d-轴电流来获得。因此，实现高效的高速旋转。
(7)包括根据(1)至(6)中任一项所述的发动机单元的车辆。
(7)的车辆包括能够改进发动机可启动性和发动机可安装性而无需使用摆回功能和减压功能的发动机，并且，当结合摆回功能和/或减压功能使用时，该发动机能够实现发动机可启动性和车辆可安装性的进一步改进。从而，(10)的车辆实现良好的发动机可启动性，同时抑制可能由发动机单元的安装引起的行驶性能恶化。
本发明的有益效果
本发明提供了一种发动机单元和车辆，该发动机单元和车辆实现发动机可启动性和车辆可安装性的改进而无需使用摆回功能和减压功能，并且当结合摆回功能和/或减压功能使用时，该发动机单元和车辆实现发动机可启动性和车辆可安装性的进一步改进。
附图说明
图1(a)是示意性示出根据本发明的启动电机的特性和常规启动电机的特性的说明图(explanatory diagram)；并且图1(b)是示意性示出发动机启动时曲柄角的位置和所需的转矩之间的关系。
图2是示出发动机单元的包括根据本发明的实施例的启动电机的一部分的外形结构的横截面图。
图3是放大示出图2所示的启动电机及其周围部件的横截面图。
图4(a)是示意性示出根据本发明的示例和根据对比示例的启动电机的驱动特性的说明图；并且图4(b)是示意性示出启动电机的发电特性的说明图。
图5(a)是示意性示出根据本发明的另一个示例和根据对比示例的启动电机的驱动特性的说明图；并且图5(b)是示意性示出启动电机的发电特性的说明图。
图6(a)至图6(c)是分别示意性示出绕组的连接的示例的视图。
图7(a)至图7(c)是分别示意性示出绕组的连接的示例的视图。
图8是放大示出图2所示的启动电机的飞轮和内定子的横截面图。
图9(a)是示意性示出齿的端部之间的间距与转矩和电感之间的关系的说明图；图9(b)是示意性示出齿的端部之间的间距与绕组的互连磁通量和漏磁通量之间的关系的说明图；图9(c)和图9(d)分别示意性示出齿的漏磁通量的说明图；并且图9(e)和图9(f)分别示意性示出绕组的互连磁通量的说明图。
图10(a)是示意性示出在根据本发明实施例的发动机单元中启动发动机时的转矩和正弦波电流之间的关系的说明图，该具有较高频率的正弦波电流被供应给U-相绕组、V-相绕组、和W-相绕组；图10(b)是示意性示出在根据对比示例的发动机单元中启动发动机时的转矩和正弦波电流之间的关系的说明图，该具有较低频率的正弦波电流被供应给U-相绕组、V-相绕组、和W-相绕组；图10(c)是示意性示出在根据本发明的另一个实施例的发动机单元中启动发动机时的转矩和方形波电流之间的关系的说明图，该具有较高频率的方形波电流被供应给U-相绕组、V-相绕组、和W-相绕组；图10(d)是示意性示出在根据对比示例的发动机单元中启动发动机时的转矩和方形波电流之间的关系的说明图，该具有较低频率的方形波电流被供应给U-相绕组、V-相绕组、和W-相绕组。
具体实施方式
将参照图1(a)和图1(b)来描述本发明针对上述问题所进行的研究。
图1(a)是示意性示出根据本发明的启动电机的特性和常规启动电机的特性的说明图。
在图1(a)中，水平轴线表示启动电机的曲轴的转速。竖直轴线的正向表示从启动电机输出的输出转矩的大小，并且竖直轴线的负向表示启动电机的发电电流(powergeneration current)的大小。K表示根据本发明的启动电机的示例性特性。H表示常规启动电机的示例性特性。J表示对比示例的启动电机的示例性特性。C1至C3分别表示电机在第一压缩冲程至第三压缩冲程的转速。如C1至C3所示，出现了电机的转速随压缩冲程次数的增加而增加的现象。Ci表示电机空转时的转速。Q表示根据本发明的启动电机在第一压缩冲程C1输出的转矩。M1表示根据本发明的启动电机在Ci所指的空转时输出的发电电流。M2表示根据本发明的启动电机在高速旋转时输出的发电电流。
图1(b)是示意性示出发动机启动时曲柄角位置和所需转矩之间的关系的说明图。
在图1(b)中，水平轴线代表曲柄角。竖直轴线代表旋转曲轴所需的转矩。TH表示高负荷。TL表示低负荷。高负荷区域TH是曲轴旋转时负荷较高的旋转角的区域。高负荷区域TH包括压缩冲程。低负荷区域TL是曲轴旋转时负荷较低的旋转角的区域。低负荷区域TL不包括压缩冲程。图1(b)示出四冲程发动机体(以下，也被简称为发动机)为单缸发动机的情况。压缩冲程对应高负荷区域。膨胀冲程、排气冲程、和进气冲程对应低负荷区域。根据本发明的发动机单元包括四个冲程期间的高负荷区域TH和低负荷区域TL。虽然在图1(b)中曲轴在压缩冲程开始旋转，但是曲轴开始旋转的位置并未受到特别限制。毋庸置疑，在每次发动机启动时，曲轴开始旋转的位置可以发生改变。
在针对上述问题的研究中，本发明人关注于发动机启动时的压缩冲程。启动电机必须克服压缩冲程中的高负荷区域TH来旋转曲轴。安装到摩托车等的小尺寸发动机(例如，单缸发动机或两缸发动机)引起大的转矩波动，并且因此压缩冲程中的负荷很高。因此，启动电机需要具有更高的输出转矩。换句话说，如果启动电机能够应用于引起大转矩波动的发动机，那么这意味着该启动电机不仅能够应用到单缸发动机或两缸发动机，而且还能够应用到具有更多缸体的发动机。这种启动电机的实现使得其应用于更多种类的发动机。这增强了通用性。
因此，在下文中，将既不具有摆回功能又不具有减压功能的单缸发动机(见图1(b))作为示例进行描述。在单缸发动机中，转矩波动大，并且在周期性压缩冲程中的每一者中应该克服的负荷高。如果启动电机可应用于这样的单缸发动机，这意味着不论发动机中所包括的缸体的数目以及是否提供摆回功能或减压功能，也可应用该启动电机。因此，实现了具有高通用性的启动电机。
如图1(b)所示，压缩冲程中的高负荷区域TH在发动机启动时周期性出现。在图1(b)中，相应高负荷区域TH中所需的转矩的大小是相等的。然而，实际上，随着启动电机的转速增加，会额外地施加惯性，并且因此，每个压缩冲程中所需的输出转矩随着启动电机的转速的增大而降低。另一方面，启动电机的输出转矩随着启动电机的转速的增大而降低。
本发明人对单缸发动机的压缩冲程中的负荷进行了研究，并且发现有必要在第一压缩冲程C1增大输出转矩，以可靠地(surely)并且平稳地执行发动机的启动。本发明人还发现优选第二压缩冲程C2的输出转矩高。
在一些情况下，启动电机可以在发动机启动后用作发电机。在启动电机满足发电机所需的特性的情况下，不必在发动机单元中单独设置发电机，这将使得应用到更多种类的发动机(车辆)。这能够进一步改进通用性。如上所述，在启动电机用作发电机的情况下，企图提高启动电机的输出转矩会导致启动电机的发电电流的增加，这可能过度地增加用于对与启动电机连接的电池进行充电的充电电流。
在常规摩托车等中，例如为了防止使电池过度充电，使电流进行内循环，使得过量电流作为铜损逸出。例如为了该目的，设置具有散热片的整流稳压器。例如在汽车中，设置包括发电机(generation)和稳压器的交流发电机(alternator)，并且交流发电机抑制发电量。然而，从车辆可安装性的观点来看，很难将用在汽车中的这样的交流发电机安装到摩托车等。
实现对启动电机的发电电流的抑制能够缩小散热机构的尺寸或省略散热机构。具体而言，例如可以缩小整流稳压器的尺寸。这优选从车辆可安装性和行驶性能的观点来看。此外，能够使其应用于更多种类的发动机(车辆)，从而改进通用性。
下面对以上给出的描述进行总结。优选从车辆可安装性和行驶性能的观点来看，实现能够至少在第一压缩冲程C1增大输出转矩的同时抑制发电电流增加的启动电机会导致其可应用于更多种类的发动机(车辆)并且改进通用性。此外，更优选实现能够在第二压缩冲程C2增大输出转矩的启动电机。这里，在发动机启动时对输出转矩的改进和在发动机启动后对发电电流的抑制之间具有权衡关系。难以满足这两个需求。
因此，本发明人对如何实现能够处理权衡关系并且在第一压缩冲程C1和第二压缩冲程C2增大输出转矩的同时抑制发电电流增加的启动电机进行了研究。
图1(a)中所示的具有特性H的启动电机是一般所公知的启动电机的示例。在一般所公知的启动电机中，为了抑制高速旋转区域中的发电电流，阻抗设置得较高。
在阻抗设置得较高的常规启动电机(例如，具有图1(a)所示的特性H的启动电机)中，设置得较高的阻抗抑制高速旋转区域中的发电电流，在该高速旋转区域中，转速超过发电机的空转转速。相反，在发动机启动时的低速旋转区域中，由于阻抗高，所以流过绕组的电流较小。这便引起了不能产生足够驱动转矩的问题。因此，为了通过使用该启动电机启动发动机，例如需要上述摆回功能或减压功能。
本发明人对通过减小启动电机的阻抗来获得高启动转矩的方面进行了研究。减小阻抗能够增大发动机启动时的输出转矩，如图1(a)所示的特性J。然而，当启动电机在高速旋转区域用作发电机时，减小阻抗会引起不便。在启动电机经由通常的整流电路连接到电池的情况下，供应给电池的充电电流太大。因此，有必要通过例如利用逆流器(inverter)在每个相位输出时引起短路来阻挡或抑制流入电池的电流。
由于在高速旋转时大的短路电流在发电电流控制期间流经绕组，因此以这种方式在每个相位输出时引起短路会导致出现铜损耗。这会恶化发电机的效率。因此，本发明人对修改旋转电动机的结构本身，而非采用例如通过使用逆流器等引起绕组短路的方法进行了研究。具体而言，使阻抗在低速旋转区域减小并在高速旋转区域增加导致实现能够在第一压缩冲程C1和第二压缩冲程C2增大输出转矩的同时抑制发电电流的启动电机。
作为进一步研究的结果，本发明人发现阻抗中的ωL对高速旋转区域中发电电流的抑制做出较大的贡献。
在发电时流经各个相位的电流I由以下表达式(I)表示。
I＝(Vbat–Ea)/(R2+ω2L2)1/2…(I)
(Vbat：电池电压，Ea：感应电压，R：DC电阻，ω：关于电角度的角速度，L：电感；(R2+ω2L2)1/2：阻抗)
Vbat也发生在发电时。在该情况下，建立Vbat<Ea的关系。
角速度由以下表达式(II)表示。
ω＝(P/2)×(Nrpm/60)×2π…(II)
(P：磁极的数目，N：转速)
增大ωL是用来抑制发电电流的一种可行方法。
为了增大ωL中的电感L，可以想到缩小定子芯的齿之间的间距。缩小齿之间的间距导致高速旋转区域中的阻抗增加，但是经由齿之间的间距泄露到相邻齿的磁通量增加。因此，与绕组互连的磁通量减小。这使得启动电机的输出转矩减小。具体而言，由于启动电机由安装到车辆的电池驱动，所以电压是有限的。供应大的电流是确保输出转矩的可行方法。然而，即使当供应大的电流时，齿内的磁通量也是饱和的，从而漏磁通量增加。即，即使当电流增大时，也不可能为输出转矩的增加作出贡献。因此，即使当发电电流得以抑制时，也难以提高输出转矩。在该情况下，发动机需要摆回功能或减压功能，这意味着缺乏通用性。
为了增大ωL中的ω，可以想到增加飞轮中所包括的磁极的数目P。增加磁极的数目导致永磁部分的磁导系数增加，从而磁通密度减小。由于永磁部分的磁极面的面积减小，所以能够减少定子芯中未用作互连磁通量的漏磁通量的出现。因此，通过增大电流，能够有效地增大输出转矩。这里，当ω较大时，磁通量以高频率变化，这可能不期望地增加铁损耗。然而，从车辆可安装性和行驶性能的观点来看，在当ω增大时启动电机的尺寸未增大的情况下，由于磁极数目增加，所以飞轮所包括的磁极中的每一者具有的尺寸减小。因此，每个磁极引起的磁通量减小。这能够降低由频率增大所引起的铁损耗的增加。此外，增大角速度ω减小启动转矩。这使得处于静止状态的发动机迅速增大其转速。因此，增加飞轮的磁极的数目P来由此增加ω实现了发电电流的抑制和发动机启动时输出转矩(具体而言，在第一压缩冲程C1和第二压缩冲程C2的输出转矩)的提高。如上所述，由于磁极的数目较大，供应给每相绕组的电流具有较高的频率。这改进了发动机启动时的转矩连续性，并且减小了高负荷区域中负荷的影响。因此，飞轮能够克服高负荷区域而平稳地旋转。
本发明是基于上述发现完成的发明。在本发明中，增加飞轮的磁极的数目P来使得角速度ω增大，并且此外，至少在启动四冲程发动机体时改变控制设备供应给每相绕组的电流，从而使得飞轮克服高负荷区域而旋转。
在本发明中，优选改变供应给每相绕组的电流，使得飞轮至少在第一压缩冲程和第二压缩冲程克服。在该情况下，角速度ω的增加导致输出转矩至少在第一压缩冲程和第二压缩冲程的增大。然而，本发明并不限于该示例。在本发明中，改变供应给每相绕组的电流，使得飞轮至少在第一压缩冲程克服。因此，在本发明中，改变供应给每相绕组的电流是可接受的，使得飞轮只在第一压缩冲程克服。在该情况下，角速度ω增大导致输出转矩在第一压缩冲程的增大。
本发明的四冲程发动机体在四个冲程期间具有低负荷区域。因此，飞轮能够加速其旋转以在飞轮克服包括第一压缩冲程的高负荷区域之后出现的低负荷区域获得高惯性。因此，即使在第二压缩冲程停止供应给每相绕组的电流，在电流停止之前获得的惯性也能够使飞轮克服包括第二压缩冲程的高负荷区域而旋转。
在第一压缩冲程之前出现的低负荷区域中，飞轮也能够加速旋转以获得高惯性。因此，即使在第一压缩冲程停止供应给每相绕组的电流，在电流停止之前获得的惯性也能够使飞轮克服包括第一压缩冲程的高负荷区域而旋转。
因此，在本发明中，在飞轮克服高负荷区域的时间点已经停止向每相绕组提供电流是可接受的。具体而言，这足以将电流供应给每相绕组，使得飞轮旋转并且该旋转使得飞轮克服高负荷区域，并且在飞轮克服高负荷区域的时间点已经停止向每相绕组提供电流是可接受的。
在本发明中，角速度ω增大，使得发动机启动时(例如在第一压缩冲程和第二压缩冲程)的输出转矩增大。使用角速度ω增大的这种技术一般不应用到用于电力行驶的电机中。
图1(a)所示的特性K表示根据本发明的启动电机的示例特性。根据本发明的启动电机能够在第一压缩冲程C1输出高转矩Q。根据本发明的启动电机例如能够在第二压缩冲程C2输出与在第一压缩冲程的转矩Q类似的高转矩。启动电机也能够在第三压缩冲程C3中输出相对较高的转矩。在根据本发明的启动电机中，高速旋转时的发电电流为M2。因此，具有特性K的启动电机能够在发动机启动时输出与特性J相同水平的转矩，然而在发动机启动后将发电电流抑制到与特性H相同的水平。
根据本发明的启动电机能够在发动机启动时(例如，在第一压缩冲程C1和第二压缩冲程C2)增大输出转矩，同时抑制发电电流的增加。由于根据本发明的启动电机适于安装到车辆并且可以应用到多种发动机(车辆)，所以它具有良好的通用性。例如，更具体地，可以省略摆回功能和/或减压功能。另一方面，当结合具有摆回功能或减压功能的发动机使用时，根据本发明的启动电机可以减小启动电机所需的输出转矩。因此，启动电机的尺寸可以进一步减小。从车辆可安装性和行驶性能来看，这是所期望的。此外，发动机能够更平稳地启动(例如，启动电机所需的时间可以缩短)。因此，本发明的发动机单元能够改进发动机可启动性和车辆可安装性，而无需使用摆回功能或减压功能，并且此外，本发明的发动机单元能够结合摆回功能和/或减压功能来进一步改进发动机可启动性和车辆可安装性。在四冲程发动机体为多缸发动机的情况下，在发动机启动后最早出现的压缩冲程被称为第一压缩冲程，并且在出现第一压缩冲程的缸体中其次出现的压缩冲程被称为第二压缩冲程。即，在第一压缩冲程和第二压缩冲程之间的时间点(time point)处，压缩冲程可能出现在另一个缸体中。在一个缸体中的压缩冲程和另一个缸体中的压缩冲程相继出现的情况下，这两个压缩冲程可构成单个高负荷区域。以这种方式，可能出现一个高负荷区域包括两个或多个压缩冲程的情况。这足以使本发明的四冲程发动机体在四个冲程期间包括高负荷区域和低负荷区域。
下文，将参照附图基于优选实施例描述本发明。
图2是示意性示出发动机单元EU的包括根据本发明实施例的启动电机SG的一部分的外形构造的横截面图。
发动机单元EU安装在以跨乘式车辆为示例的摩托车(未示出)中。并未特别限制该摩托车。摩托车的示例包括小型摩托车(scooter type motorcycle)、机动脚踏型摩托车(moped motorcycle)、越野型摩托车(off-road motorcycle)、和公路型摩托车(on-roadmotorcycle)。跨乘式车辆不限于摩托车，并且例如可以为ATV(All-Terrain Vehicle，四轮越野车)。根据本发明的车辆不限于跨乘式车辆，并且例如可以为包括乘客舱的四轮车辆。
发动机单元EU包括四冲程发动机体E和启动电机SG。四冲程发动机体E是具有单缸的四冲程发动机。四冲程发动机体E具有图1(a)所示的特性K。在四冲程发动机体E中，曲柄角位置和所需转矩之间的关系为图1(b)所示的一个。即，四冲程发动机体E在四个冲程期间包括高负荷施加在旋转的曲轴5上的高负荷区域以及低负荷施加在旋转的曲轴5上的低负荷区域。更详细地，四冲程发动机体E在旋转的同时重复四个冲程：进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程、和排气冲程。如图1(b)所示，压缩冲程包括在高负荷区域中，并且不包括在低负荷区域中。在该实施例的四冲程发动机体E中，高负荷区域是大致与压缩冲程重叠的区域，并且低负荷区域是大致与进气冲程、膨胀冲程、和排气冲程重叠的区域。然而，高负荷区域的边界和低负荷区域的边界不必与相应冲程的边界一致。
发动机单元EU包括启动电机SG。启动电机SG是三相无刷电机。在发动机启动时，启动电机SG旋转曲轴5以启动四冲程发动机体E。至少在启动四冲程发动机体E后，启动电机由曲轴5旋转，以用作发电机。在启动电机SG用作发电机的情况下，启动电机SG在发动机开始燃烧后不必一直用作发电机。在可接受的示例中，启动电机SG在发动机开始燃烧后不立即用作发电机，并且启动电机SG在满足预定条件时用作发电机。预定条件的示例包括发动机的转速达到预定速度的条件以及在发动机开始燃烧后经过预定时间段的条件。在发动机开始燃烧后，存在启动电机SG用作发电机的时间段以及启动电机SG用作电机(例如，车辆驱动电机(vehicle-driving motor))的时间段是可以接受的。
启动电机SG附装到四冲程发动机体E的曲轴5。在该实施例中，启动电机SG在未介入电力传输机构(诸如，传动带、链条、齿轮、减速器、或增速器之类)的情况下被附装到曲轴5。然而，在本发明中，足以使启动电机SG被构造成使得通过旋转启动电机SG使曲轴5旋转。启动电机SG可以在介入(interposition)电力传输机构的情况下被附装到曲轴5。在本发明中，优选启动电机SG的旋转轴大致与曲轴5的旋转轴重合。还优选启动电机SG在未介入电力传输机构的情况下被附装到曲轴5，如该实施例所述。
四冲程发动机体E包括曲柄箱1、缸体2、活塞3、连接杆4、和曲轴5。缸体2被布置成沿预定的方向(例如，斜向上)从曲柄箱1突出。活塞3被布置在缸体2中，使得活塞3往复自由移动。曲轴5可旋转地布置在曲柄箱1中。连接杆4的一个端部(例如，上端部)连接到活塞3。连接杆4的另一个端部(例如，下端部)连接到曲轴5。缸盖6附装到缸体2的端部(例如，上端部)。曲轴5以自由旋转的方式经由一对轴承7被支撑在曲柄箱1上。曲轴5的一个端部5a(例如，右端部)伸到曲柄箱1外。启动电机SG被附装到曲轴5的一个端部5a。
曲轴5的另一个端部5b(例如，左端部)伸到曲柄箱1外。无极变速器CVT的主动轮20被附装到曲轴5的另一个端部5b。主动轮20包括固定轮21和可动轮22。以使固定轴21与曲轴5一起旋转的方式将固定轮21固定到曲轴5的另一个端部5b的远端。用花键将可动轮22联接到曲轴5的另一个端部5b。因此，可动轮22可沿轴向X移动。可动轮22被构造成当可动轮22和固定轮21之间的间距变化时与曲轴5一起旋转。传送带B绕在主动轮20和从动轮(未示出)上。曲轴5的旋转力矩被传递到摩托车的驱动轮(未示出)。
图3是以放大的比例示出图2所示的启动电机SG及其周围的横截面图。
启动电机SG包括飞轮30、内定子40、和磁性传感器单元(未示出)。飞轮30包括飞轮主体31和设置到飞轮主体31的多个永磁部分37。飞轮主体31例如由铁磁材料制成。飞轮主体31呈具有底部的柱形形状。飞轮主体31包括柱形凸起部32、盘形底壁(bottom wall)33、和呈柱形的背轭34。柱形凸起部32在曲轴5的一个端部5a容纳在柱形凸起部32中的状态下固定到曲轴5。固定到柱形凸起部32的底壁33具有沿曲轴5的径向Y延伸的盘状形状。背轭34具有从底壁33的外周边缘沿曲轴5的轴向X延伸的柱形形状。背轭34向曲柄箱1侧延伸。
底壁33和背轭34例如通过在金属板上执行冲压工艺一体地形成。在本发明中，底壁33和背轭34可以形成为单独的构件。更具体地，在飞轮主体31中，背轭34可以与飞轮主体31的另一部分一体地形成，或者可以形成为与飞轮主体31的另一部分分离的构件。在背轭34和另一部分形成为单独构件的情况下，足以使背轭34由铁磁材料制成，并且另一部分可以由与铁磁材料不同的材料制成。
柱形凸出部32具有用于容纳曲轴5的一个端部5a的锥形容纳孔32a。锥形容纳孔32a沿曲轴5的轴向X延伸。锥形容纳孔32a具有与曲轴5的一个端部5a的外周表面相对应的锥度角。当曲轴5的一个端部5a进入容纳孔32a时，一个端部5a的外周表面与容纳孔32a的内周表面相接触，并且曲轴5固定到容纳孔32a。结果，凸起部32的位置沿曲轴5的轴向X定位(settle)。在该情况下，将螺母35拧到形成在曲轴5的一个端部5a的远端处的外螺纹5c处。因此，柱形凸起部32被固定到曲轴5。
柱形凸起部32具有大直径部分32b，该大直径部分设置在柱形凸起部32的近端部(在图3的右侧处)。柱形凸起部32具有法兰部32c，该法兰部形成在大直径部分32b的外周表面上。法兰部32c向外径向延伸。柱形凸起部32的大直径部分32b被容纳在形成在飞轮主体31的底壁33的中心部分中的孔33a中。在该情况下，法兰部分32c与底壁33的外周表面(图3中右手边的表面)相接触。柱形凸起部32的法兰部32c和飞轮主体31的底壁33通过沿飞轮主体31的周向的多个位置处的铆钉36一体地固定。铆钉36穿透法兰部32c和底壁33。
多个永磁部分37设置在飞轮主体31的背轭34的内周表面上。永磁部分37中的每一者设置为使得S极和N极沿启动电机SG的径向并排布置。
多个永磁部分37以使得N极和S极沿启动电机SG的周向交替出现的方式布置。在该实施例中，飞轮30的与内定子40相对的磁极的数目为十六个。飞轮30的磁极的数目表示与内定子40相对的磁极的数目。永磁部分37的与定子芯ST的齿43相对的磁极面的数目等于飞轮30的磁极的数目。包括在飞轮30的每个磁极中的磁极面对应于永磁部分37的与内定子40相对的磁极面。永磁部分37的磁极面覆盖有非磁性材料(未示出)，该非磁性材料布置在永磁部分37和内定子40之间。在永磁部分37和内定子40之间未布置磁性材料。未对非磁性材料施加具体的限制，并且非磁性材料的示例包括不锈钢材料。在该实施例中，永磁部分37为铁氧体磁体。在本发明中，包括钕粘结磁体、钐钴磁体、钕磁体等一般所公知的磁体可用于永磁部分。永磁部分37的形状没有特别限定。虽然飞轮30可以是内置永磁式(IPM式)，但是优选飞轮30为表面永磁式(SPM式)，其中，内置永磁式被构造成使得永磁部分37嵌入磁性材料内，表面永磁式被构造成使得永磁部分37从磁性材料露出，如该实施例所示(图3和8)。飞轮30也可以为插入式。插入式飞轮30被构造成使得永磁部分37的磁性表面(永磁部分37的与内定子40相对的表面)至少部分从磁性材料露出，并且将磁性材料沿周向布置在彼此相邻的永磁部分37之间。
飞轮主体31的背轭34具有缺口38。缺口38形成在背轭34的曲柄箱1侧的端部中。缺口38用于检测飞轮30的绝对旋转位置，如将在下文所述。永磁部分37通过缺口38部分地径向向外露出。也就是说，沿启动电机SG的径向布置在缺口38内的永磁部分37的磁通量通过缺口38径向向外流动。结果，磁场的状态沿背轭34的周向发生改变的区域出现在飞轮主体31的背轭34中。
如上所述，附装到曲轴5使得可与曲轴5一起旋转的飞轮30是用于增大曲轴5的惯性的旋转元件。包括多个叶片Fa的冷却风扇F设置到飞轮30的底壁33的外周表面(图2和3的右侧)。冷却风扇F通过固定件(多个螺栓Fb)固定到底壁33的外周表面。
内定子40包括定子芯ST和绕组W。定子芯ST例如通过沿轴向堆叠薄硅钢板来获得。定子芯ST在其中心部分具有孔41，该孔的内径大于飞轮30的柱形凸起部32的外径。定子芯ST包括径向向外一体延伸的齿43(图8)。在该实施例中，12个齿43沿周向间隔布置。也就是说，定子芯ST总共具有12个沿周向间隔布置的槽口SL。
如图8所示，每个齿43包括主体部43a和一对横向突起43b，该横向突起设置在主体部43a的远端。横向突起43b沿周向朝向相反的方向延伸。主体部43a的与飞轮30相对的一部分和横向突起43b的与飞轮30相对的一部分构成齿43的与飞轮30相对的一部分。也就是说，齿43具有与飞轮30相对的端部。相邻齿43的横向突起43b之间的距离对应于相邻齿43的端部之间的距离。绕组W缠绕在齿43的主体部43a上。绕组W属于U相、V相、和W相的任意相。绕组W例如按照U相、V相、和W相的顺序布置。
如图3所示，内定子40具有沿启动电机SG的径向形成在内定子40的中心部分中的孔41。曲轴5和飞轮30的柱形凸起部32布置在孔内，在它们与限定孔41的(内定子40的)壁表面具有间隙。内定子40在该条件下附装到四冲程发动机体E的曲柄箱1。内定子40的齿43布置成使得齿43的端部(远端表面)位于距飞轮30的永磁部分37的磁极面(内周表面)间隔g的位置处(见图8)。在该状态下，飞轮30和四冲程发动机体E的曲轴5一体旋转。
如上所述，在根据该实施例的启动电机SG中，飞轮30的磁极的数目P为16，而槽口SL的数目为12。飞轮30的磁极的数目P与槽口SL的数目的比值为4:3。即，飞轮30中所包括的磁极的数目大于槽口SL的数目的2/3。例如，作为满足上述关系的飞轮30的磁极的数目与槽口SL的数目的比值，可能提到10:12、8:9、和4:3。飞轮30的磁极的数目与槽口SL的数目的比值不限于这些示例。飞轮30的磁极的数目与槽口SL的数目的比值的上限的非限制性示例为4/3。优选飞轮30中所包括的磁极的数目等于或大于槽口SL的数目的8/9。更优选飞轮30中所包括的磁极的数目大于槽口SL的数目的8/9。甚至更优选飞轮30中所包括的磁极的数目等于或大于槽口SL的数目。还优选飞轮30中所包括的磁极的数目大于槽口SL的数目。还优选飞轮30中所包括的磁极的数目为槽口SL的数目的4/3。由于磁极的数目是2的倍数，因此容易交替布置N极和S极。由于槽口的数目为3的倍数，因此容易基于三相电流进行控制。由于永磁部分37的磁极沿启动电机SG的周向的宽度大于齿43的端部的宽度的一半，因此容易确保互连磁通量。此外，在旋转期间不可能出现偏差。增加磁极的数目P致使ω增大，这能够在高速旋转时确保高阻抗。在磁极的数目P与槽口SL的数目的比值为4:3的情况下，可能磁极的数目P为16，而槽口SL的数目为12。
在飞轮30中所包括的磁极的数目是槽口SL的数目的4/3的情况下，飞轮30的磁极的数目P与槽口SL的数目的比值不必恰好为4/3。例如，在该情况下，内定子40的槽口SL部分可以未形成，以便允许将控制板安装到内定子40。在该情况下，在部分槽口SL中，槽口SL之间的距离发生改变。即，尽管通常假定槽口SL设置在某位置处，但是该位置处并未设置槽口SL。在该情况下，可以基于槽口SL设置在通常应该形成槽口SL的位置处的假设来确定槽口SL的数目。同样可以应用到飞轮30的磁极的数目上。具体而言，当磁极和槽口被布置成形成满足磁极的数目与槽口的数目的比值为4:3的关系的(4:3)-结构时，可以认为飞轮30的磁极的数目大致为槽口SL的数目的4/3。也就是说，可以认为作为其基本构造，启动电机SG具有旋转包括(4:3)-结构的电机的构造。同样可以应用于不同于4:3的比值。
发动机单元EU包括控制器(未示出)。例如，启动电机SG被连接到控制器。控制器对应于本发明的控制设备。在该实施例中，控制器(控制设备)设置在四冲程发动机体E内。相反，控制器可能位于距四冲程发动机体E的一定物理距离处并且通过电缆等连接到四冲程发动机体E。控制器可以具有作为驱动器的功能。控制器可以经由驱动器连接到启动电机SG。因为一般所公知的构造可用于控制器和驱动器，所以本文未描述控制器和驱动器。
控制器控制向内定子40的绕组W供应的电流。更具体地，在启动四冲程发动机体E时，控制器改变(例如，增大或减小)向U-相、V-相、和W-相中的每一者的绕组供应的电流。并未特别限定如何改变电流。在可行的示例中，可以向各相绕组提供其相位往复转换的正弦波电流，使得改变供应给每相绕组的电流。在另一个可行的示例中，可以向各相绕组供应其相位往复转换的方形波电流，使得改变(所谓的120°传导)供应给各相绕组的电流。这允许飞轮30在发动机启动时克服高负载区域TH(例如，第一压缩冲程C1、第二压缩冲程C2)而旋转。当飞轮30旋转时，固定到飞轮30的曲轴5旋转。曲轴5的旋转使得活塞经由连接杆4往复移动。然后，四冲程发动机体E开始燃烧，并且因此四冲程发动机体E启动。
在四冲程发动机体E启动之后，四冲程发动机体E的活塞3的往复移动经由连接杆4传递到曲轴5，使得曲轴5旋转。当曲轴5旋转时，固定到曲轴5的飞轮30旋转。这使得飞轮30的永磁部分37沿内定子40的外周旋转。结果，由于永磁部分37的磁通量，在每个绕组中产生感应电动势，该每个绕组形成缠绕在内定子40的齿43上的绕组W。因此，至少在四冲程发动机体E启动后，将启动电机SG用作发电机。
启动电机SG包括具有多个磁性传感器的磁性传感器单元(未示出)。磁性传感器单元检测飞轮30的旋转位置。控制器基于由磁性传感器单元检测的飞轮30的旋转位置控制启动电机SG。在基于飞轮30的旋转位置所确定的时刻，启动电机SG启动四冲程发动机体E的燃烧。
在启动四冲程发动机体E时，控制器改变(例如，增大或减小)向U-相、V-相、和W-相中的每一者的绕组供应的电流。这允许飞轮30克服高负载区域TH(例如，第一压缩冲程C1、第二压缩冲程C2)而旋转。可以连续或间歇地向绕组W供应电流。更具体地，供应给绕组W的电流为正弦波电流、方形波电流等(例如图10(a)、图10(c))，并且可以在发动机启动后连续或间歇地供应这样的正弦波电流或方形波电流。如本文所使用的间歇和连续的供应并不意味着正弦波、方形波等波形内的电流连续或间歇。
优选执行向绕组W供应电流直到飞轮30旋转通过至少三个冲程。还优选执行向绕组W供应电流至少直到飞轮30克服包括第一压缩冲程C1的高负荷区域TH。还优选执行向绕组W供应电流至少直到飞轮30克服包括第一压缩冲程C1的高负荷区域TH和包括第二压缩冲程C2的高负荷区域TH。还优选执行向绕组W供应电流直到发动机开始燃烧。在四冲程发动机体E开始燃烧之前增加曲轴5的惯性。这使得曲轴5在发动机启动时克服高负荷区域而旋转。
在该实施例中，控制器以下述方式向绕组W供应电流：当飞轮30旋转曲轴5时，向内定子40的绕组W供应的电流的相位呈角度地位于由飞轮30的永磁部分37在该绕组W中引起的感应电压的相位之前。飞轮30中所包括的磁极的数目比槽口的数目的2/3多的启动电机SG具有较高的角速度ω。因此，当提前角发挥的作用能够由小的d-轴电流来获得时，结合使用高的角速度ω能够确保抑制感应电压的电压部分(ωLId)。因此，启动电机SG能够高效地高速旋转。提前角的控制方法并未特别限定，并且可以采用一般所公知的方法。优选控制器在飞轮30旋转曲轴5时执行提前角控制。也就是说，优选控制器在电力运行时执行提前角控制。优选控制器至少在启动电机以比四冲程发动机体E开始燃烧时所获得的转速相等或更大的转速旋转时执行提前角控制。在该情况下，控制器有必要在启动电机SG的转速等于或大于发动机开始燃烧时的转速时一直执行提前角控制。在启动电机SG的转速等于或大于在发动机开始燃烧时获得的转速的时间段，出现执行提前角控制的时段以及未执行提前角控制的时段是可接受的。
还优选控制器在启动电机SG以比摩托车(未示出)空转时获得的转速相等或更大的转速旋转时执行提前角控制。在该情况下，控制器有必要在启动电机SG的转速等于或大于摩托车空转时所获得的转速时一直执行提前角控制。在启动电机SG的转速等于或大于空转时所获得的转速的时间段内，出现执行提前角控制的时段和未执行提前角控制的时段是可接受的。这使得启动电机SG在四冲程发动机体E驱动驱动轮时将启动电机SG产生的驱动力传递到驱动轮。
上述的启动电机SG由于电机本身的性能能够在发动机启动时输出高的旋转转矩，同时抑制飞轮30沿曲轴5旋转时生成的热量。
以下，将参照图4(a)、图4(b)和图5(a)、图5(b)描述根据示例的启动电机SG的特性。
图4(a)是示意性示出根据本发明的示例的启动电机和根据对比示例的启动电机的驱动特性的说明图(explanatory diagram)。图4(b)是示意性示出其发电特性的说明图。图5(a)是示意性示出根据本发明的另一个示例的启动电机和根据对比示例的启动电机的驱动特性的说明图。图5(b)是示意性示出其发电特性的说明图。在图4和图5中，水平轴表示曲轴5的转速。在示出驱动特性的图表(图4(a)和图5(a))中，水平轴上给出的每刻度标记的转速的增量不同于示出发电特性的图表(图4(b)和图5(b))中的增量。示出发电特性的图表中每刻度标记的转速的增量大于示出驱动特性的图表中每刻度标记的转速的增量。竖轴的正方向表示输出转矩，并且枢轴的负方向表示发电电流。实线表明根据示例的启动电机的特性，并且虚线表明根据对比示例的启动电机的特性。
参照图4(a)、图4(b)，根据本发明的启动电机设计为转矩的增加优先于发电电流的抑制。例如，在本发明中，为了优先增大转矩，可以确保较宽的间隔作为齿43的端部之间的间距d(见图8)。根据本发明(实线)的启动电机能够在发动机启动时输出比根据对比示例(虚线)的启动电机的转矩较大的转矩，并且能够在高速旋转时(图4(b))将发电电流抑制为与根据对比示例(虚线)的启动电机相同的水平。
参照图5(a)、图5(b)，根据本发明的启动电机设计为发电电流的抑制优先于转矩的增大。更具体地，在图5(a)、图5(b)所示的示例情况中，齿43的端部之间的间距d(见图8)设置为比图4(a)、图4(b)所示的示例情况中的窄。根据本发明(实线)的启动电机能够在发动机启动时(特别在第一压缩冲程和第二压缩冲程中)(图5(b))输出与根据对比示例(虚线)的启动电机中相同水平的转矩，并且能够在高速旋转时与根据对比示例(虚线)的启动电机相比更大地抑制发电电流。
如上所述，在启动电机中，在发动机启动时输出转矩的增大和发动机启动后发电电流的抑制之间具有权衡关系。因此，优先增大转矩和抑制发电电流中的任一者都会导致另一特性变差。然而，在本发明中，即使优先增大转矩时，发电电流的特性也能够获得足够的抑制，如图4(a)、图4(b)所示。另一方面，即使优先抑制发电电流时，在发动机启动时也能获得足够的转矩，如图5(a)、图5(b)所示。因此，根据本发明的启动电机能够借助于启动电机本身的特性解决上述权衡关系，并且能够在发动机启动时实现输出转矩的增大并在发动机启动后实现发电电流的抑制。
如上所述，在启动电机SG中，绕组W绕齿43缠绕。绕组W设置为使得通过槽口SL。绕组W缠绕的方式并未特别限定。虽然可以采用集中绕组或分布绕组，但是优选集中绕组。绕组W的构造例如可以如下。
图6(a)至图6(c)是分别示意性示出绕组W的连接的示例的视图。
图6(a)示出星形连接(Y-连接)。如果每相的DC电阻定义为r，那么相位间的电阻R表达为R＝r+r＝2r。图6(b)示出并联连接，在该并联连接中，图6(a)所示的每相绕组包括两个线圈并且两个线圈并联连接。相位间的电阻R表达为R＝r/2+r/2＝r。图6(c)示出并联连接，在该并联连接中，图6(a)所示的每相绕组包括三个线圈并且三个线圈并联连接。相位间的电阻R表达为R＝r/3+r/3＝2r/3。
在本发明中，可以采用图6(a)至图6(c)中的任一项。然而，在本发明中，优选每相绕组包括多个并联连接的线圈的并联连接。其原因将在下文描述。
本发明人研究了表达式(I)，并且结果发现阻抗中DC电阻R的减小对低速旋转区域中转矩的增大贡献较大。因此，将DC电阻R设定为较小值的同时如上所述将ωL设定为较大值能够在发动机启动时更有效地确保高的输出转矩。每相绕组包括图6(b)、图6(c)所示的并联连接的多个线圈的并联连接会降低DC电阻R。因此，在发动机启动时，更有效地确保高的输出转矩。并联连接的线圈的数目不限于两个和三个。可以并联连接四个或多个线圈。并联连接和串联连接可存在于每相绕组中。例如，每相绕组可能包括多个线圈组，在每个线圈组中，多个线圈并联连接，并且多个线圈组彼此串联连接。绕组W的连接不限于图6(a)和图6(c)所示的示例。也可以采用图7(a)至图7(c)所示的示例。
图7(a)至图7(c)是分别示意性示出绕组的连接的示例的视图。
图7(a)示出德尔塔连接(Δ-连接)。图7(b)示出并联连接，在该并联连接中，图7(a)所示的每相绕组包括两个线圈并且两个线圈并联连接。图7(c)示出并联连接，在该并联连接中，图7(a)所示的每相绕组包括三个线圈并且三个线圈并联连接。在德尔塔连接的情况下，由于每相绕组包括并联连接的多个线圈的并联连接，因此，DC电阻R也能够减小。并联连接的线圈的数目不限于两个和三个。可以并联连接四个或多个线圈。
在本发明中，可以适合采用星形连接和德尔塔连接，但是更优选星形连接，原因如下：即使当例如由于内定子40相对于飞轮30的位置关系和永磁体的磁极的强度差引起相位之间的感应电压差时，环状电流也不太可能发生。因此，星形连接不太可能引起发电损失并且能够更有效地抑制效率下降的发生。在本发明中，用于将阻抗中的DC电阻R设定为较小值的方法不限于以上所提及的并联连接。例如，可以想到采用横截面具有较大的最小宽度的绕组。由于绕组W布置成使得经过槽口SL，因此绕组W的横截面的最小宽度可以在允许绕组W经过槽口SL的范围内增大。
在标准的电机中，从提高输出的观点来看，优选布置成使得经过槽口的绕组的匝数(绕组缠绕的次数)较大，使得槽口内的绕组的占空系数较大。同样地，在标准的发电机中，从发电效率的观点来看，优选布置成使得通过槽口的绕组的绕线的数目较大，使得槽口内的绕组的占空系数较大。因此，在标准的电机和发电机中，绕组的横截面的最小宽度(mm)与齿的端部的间距d(mm)的比值设定为较低值。
相反，在根据该实施例的发动机单元EU中，飞轮30具有磁极面，该磁极面沿启动电机SG的径向形成在永磁部分37的内周表面上并且沿启动电机SG的周向并排布置，并且磁极面的数目大于槽口SL的数目的2/3。启动电机SG具有径向布置在内定子40的外侧的许多磁极面。在发动机单元EU中，可以通过增加绕组的横截面的最小宽度(mm)与齿的端部之间的间距d(mm)的比值来在发动机启动时确保较高的输出转矩，其中在发动机启动时，转速较低。增加绕组的横截面的最小宽度对齿的端部之间的间距d(mm)的比值导致DC电阻R减小，这可能引起这样的担心：当启动电机SG用作发电机时发电电流增加。然而，由于角速度ω增大，所以确保高速旋转时的阻抗，并且因此，可以抑制发电电流增加。因此，既可以实现输出转矩的增加又可以实现发电电流的抑制。
具体而言，绕组W的横截面的最小宽度(mm)与齿43的端部之间的间距d(mm)的比值优选为等于或大于0.2，更优选0.25，还更优选等于或大于0.3，并且特别优选等于或大于1/3。在绕组W的横截面形状为正圆的情况下，绕组W的直径等于绕组W的横截面的最小直径。在绕组W的横截面为椭圆形的情况下，绕组W的较短直径等于绕组W的横截面的最小宽度。在绕组W由扁平矩形导线形成的情况下，绕组W的矩形横截面的较短侧的长度等于绕组W的横截面的最小宽度。可以通过采用由具有较低的DC电阻的材料制成的绕组来减小阻抗中的DC电阻R。
图8是示意性地放大示出图2所示的启动电机的飞轮30和内定子40的横截面图。
飞轮30包括背轭34和多个永磁部分37，该多个永磁部分37设置到背轭34的内周表面上并且沿周向并排布置。沿启动电机SG的周向划分的每个永磁部分37的横截面积沿启动电机SG的径向基本不变。沿启动电机SG的周向划分的每个永磁部分37的横截面积不会径向朝向启动电机SG的外侧增大。应当注意，本发明并不限于该示例，并且沿启动电机SG的周向划分的每个永磁部分37的横截面积可以沿启动电机SG的径向向外增大是可接受的。内定子40包括定子芯ST和绕组W。定子芯ST包括沿周向间隔布置的齿43。齿43包括主体部43a和一对横向突起43b，该横向突起43b设置在主体部43a的远端并且沿周向向相反侧延伸。槽口SL形成在齿32之间。绕组W绕齿43的主体部43a缠绕。
间距g是飞轮30和内定子40之间的沿启动电机SG的径向的间距。间距g等于永磁部分37的磁极面与齿43的端部之间的沿启动电机SG的径向的间距。永磁部分37的内周表面呈弧状，当沿启动电机SG的旋转轴看时，该弧状具有径向朝启动电机外的凸起。定子芯ST的外周表面呈弧状，当沿启动电机SG的旋转轴看时，该弧状具有径向朝启动电机外的凸起。永磁部分37的内周表面(磁极面)与定子芯ST的外周表面相对，在内周表面和外周表面之间具有间距g。如上所述，永磁部分37的内周表面涂覆有非磁性材料(未示出)，但是相反可以暴露出间距g。在间距g中设置非磁性材料。永磁部分37的内周表面未涂覆磁性材料。间距g的数值并未特别限定，并且例如可以为约1mm。间距d表示彼此相邻的齿43的端部沿启动电机SG的周向的间距。D2表示绕组W和背轭34之间的沿启动电机SG的径向的距离。L37表示永磁部分37的磁极面沿启动电机SG的周向的宽度。L43表示启动电机SG的齿43的端部的宽度。
在发动机启动时，飞轮30在磁极面与定子芯ST的外周表面相对的状态下沿启动电机SG的径向在启动电机SG的旋转轴上的内定子40外的位置处旋转，其中，磁极面的数目大于槽口SL的数目的2/3。飞轮30的旋转使得磁极面越过定子芯ST的外周表面运转。因此，飞轮30旋转曲轴5。
永磁部分37的外周表面呈弧形，当沿启动电机SG的旋转轴看时，该弧状具有径向朝启动电机外的凸起。背轭34的内周表面呈弧形，当沿启动电机SG的旋转轴看时，该弧状具有径向朝启动电机外的凸起。永磁部分37的外周表面与背轭34的内周表面相接触。更具体地，永磁部分37的外周表面至少在其沿周向的中心部分处与背轭34的内周表面相接触。
在该实施例的启动电机SG中，彼此相邻的齿43的端部沿启动电机SG的周向的间距d等于或小于背轭34的绕组W之间的沿启动电机SG的径向的距离D2。间距d设定为使得齿43的端部的宽度L43等于或小于永磁部分37的磁极面的宽度L37。这使得容易确保齿43的互连的磁通量，并且因此可以提高获得输出转矩的效率。
以下，将参照附图9描述齿43的端部之间的间距d。
图9(a)是示意性示出齿43的端部之间的间距d与转矩和电感的关系的说明图。图9(b)是示意性示出齿43的端部之间的间距d与齿43的漏磁通量和绕组W的互连磁通量的关系的说明图。图9(c)和图9(d)是分别示意性示出齿43的漏磁通量的说明图。图9(e)和图9(f)是分别示意性示出绕组W的互连磁通量的说明图。在图9(c)和图9(d)中，示出了飞轮30(永磁部分37)的磁通量。在图9(e)和图9(f)中，示出了内定子40(绕组W)的磁通量。
如图9(a)所示，电感L随着齿43的端部之间的间距d的减小而增大。通常认为由于齿43的端部之间的间距d减小，可以通过利用在绕组W中产生的磁通量来确保高转矩。如上所述，这里，本发明人发现为了增大电感L而减小齿43的端部之间的间距d导致泄露到齿43的端部之间的间隙的磁通量增加并且导致与绕组W互连的磁通量减小，如图9(b)所示。当齿43的端部之间的间距d减小时，间距d的磁阻减小。这不期望地使得绕组W中发生的磁通量的一部分通过间距d向相邻的齿43流动。已经向相邻的齿43流动的那部分磁通量不利于产生转矩。当齿43的端部之间的间距d从小数值增大时，齿43的漏磁通量减小，如图9(b)所示。
图9(c)示出在间距d较宽的情况下齿43的漏磁通量的示例。图9(d)示出在间距d较窄的情况下齿43的漏磁通量的示例。在图9(c)中，基本未引起漏磁通量。图9(d)中引起的漏磁通量大于图9(c)中引起的漏磁通量。
随着间距d增大，齿43的漏磁通量的减少量相对于间距d的增大而变小，如图9(b)所示。即，一旦间距d增大到一定程度，即使间距d还增大，漏磁通量也难以获得减小。这种趋势是由于齿43的端部之间的间距d与距离D2之间的关系。当间距d等于或小于绕组W和背轭34之间的距离D2时，齿43的漏磁通量随着间距d的增大而减小。当间距d大于距离D2时，齿43的漏磁通量的减少量相对于间距d的增大而减小。因此，齿43的互连磁通量的增量相对于间隔d的增大也减小，如图9(b)所示。
间距d的进一步增大导致齿43的互连磁通量减小，如图9(b)所示。该趋势是由于齿43的端部沿启动电机SG的周向的宽度与飞轮30的每个磁极的磁极面的宽度(永磁部分37的宽度)之间的关系。当齿43的端部的宽度由于间距d增大而小于磁极面的宽度时，齿43与磁极面相对的面积减小，使得其不容易有效地获得齿43的互连磁通量。
鉴于以上，优选间距d设定为使得齿43的端部的宽度L43等于或小于永磁部分37的磁极面的宽度L37。优选间距d等于或小于距离D2。在该情况下，更优选飞轮30中所包括的磁极的数目等于或大于槽口SL的数目。更优选飞轮30中所包括的磁极的数目大于槽口SL的数目。还优选飞轮30中所包括的磁极的数目等于或大于槽口SL的数目的4/3。特别优选飞轮30中所包括的磁极的数目为槽口SL的数目的4/3。
优选间距d等于或小于永磁部分37的磁极面的宽度L37。优选间距d小于永磁部分37的磁极面的宽度L37。优选间距d等于或小于间距g的十倍。优选间距d等于或大于间距g的三倍。更优选间距d等于或大于间距g的四倍。还优选间距d等于或大于间距g的五倍。特别优选间距d等于或大于间距g的七倍。具体而言，间距d优选等于或小于10mm。间距d优选等于或大于3mm，更优选等于或大于4mm，还优选等于或大于5mm，并且特别优选等于或大于7mm。
间距d增大导致电感L减小，如图9(a)所示。在启动电机SG中，飞轮30的磁极的数目大于内定子40的槽口SL的数目的2/3。即，ω很大，并且因此确保ωL的值。即使当电感L的值由于间距d增大而减小时，也能在启动时进一步改进转矩而不引起发电电流的显著增加。
以下，将参照图10(a)和图10(b)描述供应给绕组的电流的频率与电流引起的转矩之间的关系。
首先，将参照图10(a)和图10(b)描述向绕组供应正弦波电流的情况。
图10(a)是示意性示出在根据本发明实施例的发动机单元中启动发动机时的转矩和正弦波电流之间的关系的说明图，该具有较高频率的正弦波电流被供应给U-相绕组、V-相绕组、和W-相绕组。图10(b)是示意性示出在根据对比示例的发动机单元中启动发电机时的转矩和正弦波电流之间的关系，该具有较低频率的正弦波电流被供应给U-相绕组、V-相绕组、和W-相绕组。
发动机单元EU的控制器改变向多个相位(U-相、V-相、和W-相)中的每一者的绕组W供应的电流。更具体地，控制器以分别向不同相位的绕组W供应不同相位的电流的方式改变供应给每相绕组的电流的大小。向各个相位的绕组供应的电流之间的相位差为[360/相位的数目](°)的电角度。
在根据图10(a)所示的示例的发动机单元EU中，飞轮30中所包括的磁极面的数目大于槽口的数目的2/3。例如，磁极面的数目为槽口的数目的4/3。在根据图10(b)所示的对比示例的发动机单元中，飞轮中所包括的磁极面的数目等于或小于槽口的数目的2/3。例如，磁极面的数目为槽口的数目的2/3。因此，在图10(a)所示的示例中的磁极的数目大于在图10(b)所示的对比示例中的磁极的数目。因此，在图10(a)所示的示例中，向每相绕组供应的电流的大小的改变周期小于图10(b)中所示的对比示例中的改变周期。从而，如图10(a)和图10(b)所示，在图10(a)所示的示例中向每相绕组供应的电流具有比图10(b)所示的对比示例更高的频率。
通常，向每相绕组供应的电流大小的改变会引起启动电机SG的输出转矩的波动。当启动电机的转速高时，因电流大小的改变所产生的启动电机的输出转矩的波动较小。当启动电机SG的转速低时(例如，在第一压缩冲程C1、第二压缩冲程C2中)，因电流大小的改变所产生的启动电机SG的输出转矩的波动较大，如图10(a)、图10(b)所示。
在图10(a)所示的示例中，由于向每相绕组W供应的正弦波的频率较大，从峰值转矩SH1发生到下一个峰值转矩SH2发生的时间段SHE较短。也就是说，在发动机启动时的峰值转矩具有高度的连续性。因此，曲轴5的正常转速的减小不可能在时间段SHE出现。由峰值转矩SH2引起的曲轴5在正常旋转方向上的力有效地施加到由峰值转矩SH1引起的曲轴5在正常旋转方向上的力。这使得曲轴5在发动机启动时克服高负荷区域TH(图1(b))而平稳地旋转。
在图10(b)所示的对比示例中，由于向每相绕组供应的正弦波电流的频率较低，从峰值转矩SL1出现到峰值转矩SL2出现的时间段SLE较长。因此，曲轴的正常转速的减小可能在时间段SLE出现。由峰值转矩SL2引起的曲轴在正常旋转方向上的力未有效地施加到由峰值转矩SL1引起的曲轴在正常旋转方向上的力。结果，曲轴的正常旋转易于间歇。这使得曲轴难以克服高负荷区域而平稳地旋转。
图10(a)所示的示例中的输出转矩的平均值大致等于图10(b)所示的对比示例中的输出转矩的平均值。然而，在图10(a)所示的示例中，在发动机启动时转矩的连续性高于图10(b)所示的对比实施例，如上所述。因此，曲轴5克服高负荷区域TH而平稳地旋转。
虽然在图10(a)和图10(b)所示的示例情况中采用了正弦波电流，但是本发明并不限于此。例如，采用方形波电流还示出与采用正弦波电流相同的趋势。
以下，将参照图10(c)和图10(d)描述向绕组供应方形波电流的情况。
图10(c)是示意性示出在根据本发明的另一个实施例的发动机单元中启动发动机时的转矩和方形波电流的关系的说明图，该具有较高频率的方形波电流被供应给U-相绕组、V-相绕组、和W-相绕组。图10(d)是示意性示出在根据对比示例的发动机单元中启动发动机时的转矩和方形波电流的关系的说明图，该具有较低频率的方形波电流被供应给U-相绕组、V-相绕组、和W-相绕组。
在图10(c)所示的示例中，由于向每相绕组W供应的方形波电流的频率较高，所以从峰值转矩RH1出现到下一个峰值转矩RH2出现的时间段RHE较短。在图10(d)所示的对比示例中，由于向每相绕组供应的方形波电流的频率较低，从峰值转矩RL1出现到下一个峰值转矩RL2出现的时间段RLE较长。图10(c)和图10(d)中的输出转矩的平均值基本相等。然而，在图10(c)所示的示例中，发动机启动时转矩的连续性高于图10(d)所示的对比示例。因此，曲轴5能够克服高负荷区域而平稳地旋转。
基于以上描述，根据本实施例的发动机单元EU被构造成使得飞轮30中所包括的磁极面的数目(十六)大于槽口SL的数目(十二)的2/3。由于磁极的数目较大，因此获得较高的磁导系数，使得磁通量密度增大。此外，由于磁体的磁极面的面积较小，能够减少定子芯中未用作互连磁通量的漏磁通量的出现。因此，抑制定子芯ST中的漏磁通量的增加。另外，由于磁极的数目较大，因此角速度ω较大。结果，向每相绕组W供应的电流的频率较大，这将在发动机启动时改进转矩的连续性，以实现抑制高负荷区域TH中的负荷的影响。因此，在根据本实施例的发动机单元EU中，由于启动电机SG本身的性能，能够在启动四冲程发动机体E时输出启动四冲程发动机体E所需的转矩。发动机单元EU适用于安装到车辆，并且具有良好的可启动性。能够适用于许多种发动机(车辆)的发动机单元的构造具有高通用性。结合摆回功能和/或减压功能使用时的发动机单元EU允许进一步改进发动机可启动性和车辆可安装性。
虽然该实施例描述了启动电机SG还用作发电机的情况，但是在本发明中启动电机SG用作发电机并不总是必须的。例如，启动电机SG可以是专用于发动机启动器的装置。
该实施例描述了四冲程发动机体E是单缸发动机的情况。然而，只要发动机包括高负荷区域和低负荷区域，本发明的发动机并未被特别限制。因此，可以采用多缸发动机。多缸发动机的示例包括直线单缸发动机、并联型两缸发动机、直线型两缸发动机、V-型两缸发动机、和卧式对置两缸发动机。多缸发动机所包括的缸体的数目并未被特别限制。例如，多缸发动机可以为四缸发动机。这里，一些四缸发动机不具有低负荷区域。例如，可以涉及被构造成使得缸体的压缩冲程以相同的间隔出现的四缸发动机(被构造成使得燃烧以相同的间隔出现的四缸发动机)。这样的不具有低负荷区域的发动机不符合本发明的发动机的定义。本发明不限于上述示例。例如，可以采用以下构造(A)和构造(B)。上述实施例可以作为以下构造(A)和构造(B)的实施例的示例被提及。
(A)一种安装到车辆的发动机单元，所述发动机单元包括：
四冲程发动机体，其在四个冲程期间具有在曲轴旋转时负荷较高的高负荷区域和在所述曲轴旋转时负荷较低的低负荷区域，所述高负荷区域包括压缩冲程，所述低负荷区域不包括压缩冲程；
启动电机，其包括内定子和飞轮，所述内定子包括定子芯和多相绕组，所述定子芯具有沿周向间隔布置的多个槽口，所述绕组布置为使得经过所述槽口，所述飞轮包括永磁部分和背轭，所述永磁部分沿径向设置在所述内定子外，所述背轭沿所述径向设置在所述永磁部分外，所述飞轮被构造成随所述曲轴的旋转而旋转；以及
控制装置，其与设置在所述内定子内的所述多相绕组连接，所述控制装置被构造成从包括在所述车辆中的电池向所述多相绕组供应电流，
所述定子芯包括各自布置在所述多个槽口中的两者之间的齿，
所述齿中的每一者包括与所述永磁部分的磁极面相对的端部，
彼此相邻的所述端部之间沿周向的距离设定为使得所述齿的所述端部沿周向的宽度等于或小于一个磁极面的宽度，
所述飞轮包括所述磁极面，所述磁极面沿所述启动电机的径向设置在所述永磁部分的内周表面上，所述磁极面沿所述启动电机的周向并排布置，所述飞轮中所包括的所述磁极面的数目大于所述槽口的数目的2/3，由于所述控制装置改变供应给所述每相绕组的电流，因此所述飞轮被构造成至少在启动所述四冲程发动机体时克服所述高负荷区域旋转。
在所述四冲程发动机体启动后，所述飞轮被构造成在所述磁极面径向定位在所述内定子外的状态下随所述曲轴的旋转而旋转，从而使得所述启动电机用作发电机，所述磁极面的数目大于所述槽口的数目的2/3。
在(A)的构造中，飞轮中所包括的磁极面的数目大于槽口的数目的2/3，并且因此角速度ω较大。此外，彼此相邻的端部之间沿周向的距离设定为使得端部的宽度等于或小于一个磁极面的宽度。因此，端部之间的距离较大。这减少了漏磁通量。因此，电感L较低。由于电感L较低，在发动机启动时可以确保较高的输出转矩。即使电感L较低，由于角速度ω较大，ωL也能确保为较大的值。从而，在(A)的构造中，在发动机启动时输出转矩的提高以及在发动机启动后发电电流的抑制都以较高的水平实现。结果，能够以较高的水平实现车辆可安装性和发动机可启动性。
(B)一种安装到车辆的发动机单元，所述发动机单元包括：
四冲程发动机体，其在四个冲程期间具有在曲轴旋转时负荷较高的高负荷区域和在所述曲轴旋转时负荷较低的低负荷区域，所述高负荷区域包括压缩冲程，所述低负荷区域不包括压缩冲程；
启动电机，其包括内定子和飞轮，所述内定子包括定子芯和多相绕组，所述定子芯具有沿周向间隔布置的多个槽口，所述绕组布置为使得经过所述槽口，所述飞轮包括永磁部分和背轭，所述永磁部分沿径向设置在所述内定子外，所述背轭沿所述径向设置在所述永磁部分外，所述飞轮被构造成随所述曲轴的旋转而旋转；以及
控制装置，其与设置在所述内定子内的所述多相绕组连接，所述控制装置被构造成从包括在所述车辆中的电池向所述多相绕组供应电流，
所述每相绕组包括并联连接的多个绕组，
所述飞轮包括磁极面，所述磁极面沿所述启动电机的径向设置在所述永磁部分的内周表面上，所述磁极面沿所述启动电机的周向并排布置，所述飞轮中所包括的所述磁极面的数目大于所述槽口的数目的2/3，由于在所述磁极面径向定位在所述内定子外的状态下所述控制装置改变供应给所述每相绕组的电流，因此所述飞轮被构造成至少在启动所述四冲程发动机体时克服所述高负荷区域旋转，其中，所述磁极面的数目大于所述槽口的数目的2/3。
在所述四冲程发动机体启动后，所述飞轮在所述磁极面径向定位在所述内定子外的状态下随所述曲轴的旋转一起旋转，从而使得所述启动电机用作发电机，所述磁极面的数目大于所述槽口的数目的2/3。
在(B)的构造中，飞轮中所包括的磁极面的数目大于槽口的数目的2/3，并且因此角速度ω较大。此外，每相绕组包括并联连接的多个绕组。这使得启动电机的阻抗中的DC电阻R减小。如上所述，在低速旋转区域，阻抗中DC电阻R的减小对转矩的提高做出了较大的贡献。在高速旋转区域，阻抗中的ωL使得对发电电流的抑制做出了较大的贡献。从而，在(B)的构造中，在发动机启动时输出转矩的提高以及在发动机启动后发电电流的抑制都以较高的水平实现。结果，车辆可安装性和发动机可启动性能够以较高水平实现。
虽然根据该实施例的发动机单元EU包括上述构造(2)和构造(4)的所有元件，但是本发明并不限于该示例。本发明的发动机单元并不总是必须包括构造(2)和构造(4)的所有元件。在这样的情况下，本发明的发动机单元实现发动机可启动性和车辆可安装性的改进。优选本发明的发动机单元包括构造(2)和构造(4)中的一者，如构造(A)和构造(B)所示。更优选本发明的发动机单元包括构造(2)和构造(4)两者。包括构造(2)和构造(4)中的至少一者的本发明的发动机单元能够以更高的水平改进发动机可启动性和车辆可安装性两者。
本发明可以采用以下构造。
(8)根据(1)至(6)中任一项所述的发动机单元，其中
在所述磁极面与所述定子芯的外周表面相对的状态下，所述控制装置改变供应给所述每相绕组的电流，从而使得所述飞轮克服所述高负荷区域而旋转，所述磁极面的数目大于所述槽口的数目的2/3。
在(8)的构造中，所述飞轮在所述磁极与所述定子芯的外周表面相对的状态下旋转，所述磁极面的数目大于所述槽口的数目的2/3。因此，当角速度ω增大时，互连磁通量增大。结果，能够足以确保在发动机启动时的输出转矩。
(9)根据根据(1)至(6)中任一项所述的发动机单元，其中
所述定子芯包括各自布置在所述多个槽口中的两者之间的齿，
所述齿中的每一者包括与所述永磁部分的所述磁极面相对的端部，
由于所述控制装置在所述磁极面径向定位在所述内定子外时改变供应给所述各相绕组的电流，所述飞轮被构造成克服高负荷区域而旋转，其中所述磁极面的数目为所述槽口的数目的2/3，所述内定子包括多相绕组，所述多相绕组布置成使得经过所述槽口，所述槽口被构造成使得所述绕组的横截面的最小宽度(mm)与彼此相邻的所述端部之间沿周向的距离(mm)的比值等于或大于0.2。
(9)的构造能够使得启动电机的阻抗中的DC电阻减小。在发动机启动时，减小DC电阻能够生成较高的转矩。结果，发动机能够更平稳地启动。
(10)根据(2)所述的发动机单元，其中
彼此相邻的所述端部之间沿周向的距离等于或小于所述绕组和所述背轭沿径向之间的距离。
在(10)的构造中，相邻端部之间的距离确保为较宽的间隙。从而，减小漏磁通量，并且此外，由于确保了齿的端部与磁极面相对的区域，所以抑制互连磁通量的减小。结果，能够确保较高的输出转矩。
应当理解，本文所使用的术语和表达用于描述并且不具有以限制的方式解释的意图，不排除本文所示和所提及的任何等同特征，并且允许落入到本发明的保护范围内的多种修改。
本发明能够以许多不同的形式呈现。本公开内容被认为是提供本发明的原理的示例。本文描述许多图示性实施例，同时应理解这些示例没有将本发明限制为本文所述/所示的优选实施例的意图。
虽然本文描述了一些本发明的图示性实施例，但是本发明并不限于本文所述的各种优选实施例。本发明包括本领域技术人员根据本公开内容将了解的等同元件、修改、省略、结合(例如，不同实施例交叉的方面)、改变和/或变换的任何或所有实施例。权利要求书中的限制应基于权利要求书所采用的语言从广义上去解释并且不限于本说明书中或在申请过程期间所描述的示例，其示例要解释为非排他的。例如，在本公开内容中，术语“优选”是非排他的并且意味着“优选，但不限于”。
附图标记列表
1 曲柄箱
2 缸体
3 活塞
4 连接杆
5 曲轴
5a 一个端部
30 飞轮
31 飞轮主体
33 底壁
34背轭
37 永磁部分
40 内定子
43 齿
43b 横向突起
E 四冲程发动机体
EU 发动机单元
SG 启动电机
SL 槽口
W 绕组
X 轴向
Y 径向
d 相邻齿的端部之间的间距
g 飞轮和内定子之间的间距

Claims (11)

1.一种安装到车辆的发动机单元，所述发动机单元包括：
四冲程发动机体，其在四个冲程期间具有在曲轴旋转时负荷较高的高负荷区域和在所述曲轴旋转时负荷较低的低负荷区域，所述高负荷区域包括压缩冲程，所述低负荷区域不包括压缩冲程；
启动电机，其包括内定子和飞轮，所述内定子包括定子芯和多相绕组，所述定子芯具有沿周向间隔布置的多个槽口，所述绕组布置为使得经过所述槽口，所述飞轮包括永磁部分和背轭，所述永磁部分沿径向设置在所述内定子外，所述背轭沿所述径向设置在所述永磁部分外，所述飞轮被构造成随所述曲轴的旋转而旋转；以及
控制装置，其被连接到设置在所述内定子中的所述多相绕组，所述控制装置被构造成从包括在所述车辆中的电池向所述多相绕组供应电流，
所述飞轮包括磁极面，所述磁极面沿所述启动电机的径向设置在所述永磁部分的内周表面上，所述磁极面沿所述启动电机的周向并排布置，所述飞轮中所包括的所述磁极面的数目大于所述槽口的数目，由于所述控制装置改变供应给每相绕组的电流，因此所述飞轮被构造成至少在启动所述四冲程发动机体时克服所述高负荷区域而旋转，其中，在数目大于所述槽口的数目的所述磁极面径向定位在所述内定子外的状态下，所述飞轮至少在所述四冲程发动机体启动后随所述曲轴的旋转而旋转，从而使得所述启动电机用作发电机，
其中，所述绕组是集中绕组，并以U相、V相和W相的顺序布置，
所述定子芯包括各自布置在所述多个槽口中的两者之间的齿，
所述齿中的每一者包括与所述永磁部分的所述磁极面相对的端部，
彼此相邻的所述端部之间沿所述周向的距离被设定为使得所述齿沿所述周向的所述端部的宽度等于或小于一个所述磁极面的宽度，
所述齿的彼此相邻的所述端部之间沿所述周向的距离等于或小于所述绕组和所述背轭之间沿所述启动电机的径向的距离，
执行向所述绕组供应电流至少直到所述飞轮克服包括第一压缩冲程的高负荷区域和包括第二压缩冲程的高负荷区域。
2.根据权利要求1所述的发动机单元，其中
所述飞轮的所述磁极面的数目与所述槽口的数目之间的比率为4:3。
3.根据权利要求1或2所述的发动机单元，其中
所述绕组的横截面的最小宽度与所述齿的所述端部之间的间距的比值为等于或大于0.2。
4.根据权利要求1或2所述的发动机单元，其中
当由所述启动电机旋转所述曲轴时，所述控制装置以供应给每个绕组的电流的相位呈角度地位于通过所述飞轮在所述内定子外沿所述径向旋转而在所述绕组中引起的感应电压的相位之前的方式执行提前角控制，以从所述电池向所述多相绕组供应电流。
5.根据权利要求3所述的发动机单元，其中
当由所述启动电机旋转所述曲轴时，所述控制装置以供应给每个绕组的电流的相位呈角度地位于通过所述飞轮在所述内定子外沿所述径向旋转而在所述绕组中引起的感应电压的相位之前的方式执行提前角控制，以从所述电池向所述多相绕组供应电流。
6.根据权利要求4所述的发动机单元，其中
所述控制装置至少在所述启动电机以比所述四冲程发动机体开始燃烧时获得的旋转速度相等或更大的旋转速度旋转时执行所述提前角控制。
7.根据权利要求5所述的发动机单元，其中
所述控制装置至少在所述启动电机以比所述四冲程发动机体开始燃烧时获得的旋转速度相等或更大的旋转速度旋转时执行所述提前角控制。
8.根据权利要求3所述的发动机单元，其中
在所述绕组的横截面形状为正圆的情况下，所述绕组的直径等于所述绕组的横截面的最小宽度。
9.根据权利要求3所述的发动机单元，其中
在所述绕组的横截面为椭圆形的情况下，所述绕组的较短直径等于所述绕组的横截面的最小宽度。
10.根据权利要求3所述的发动机单元，其中
在所述绕组由扁平矩形导线形成的情况下，所述绕组的矩形横截面的较短侧的长度等于所述绕组的横截面的最小宽度。
11.一种包括根据权利要求1至10中任一项所述的发动机单元的车辆。
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