CN110612654B - 用于车辆的电机 - Google Patents

Abstract

本主题讨论了电机和铁芯饱和度的感测设置以及检测铁芯饱和度的方法。本主题提出，具有至少一个齿的辅助绕组沿着电机的相位中的任一相位缠绕在定子齿中的至少一个齿周围。导线的端部被提供给信号调节电路，该信号调节电路从信号中滤除噪声。滤波后的信号被提供给控制器的ADC(模数转换器)引脚以将信号值数字化。

Description

用于车辆的电机

技术领域

本发明讨论了关于电机和铁芯饱和度感测设置以及检测铁芯饱和度的方法。

背景技术

电机通常由定子和转子组成。基于电机拓扑，用于不同电机的转子的构造也不同。感应电机的转子可以是带滑环的绕线转子，也可以是鼠笼型转子。开关磁阻电机的转子通常为没有磁体的凸极型。基于永磁体的电机的转子通常由环绕磁体的转子叠片组成。

就定子构造而言，通过堆叠被激光切割或者冲压的叠片来构造定子。这些叠片在整个长度上通常具有相同的形状和尺寸。这形成了定子沿长度方向的挤压(extruded)外观。缠绕通常围绕定子齿完成，以产生期望的缠绕样式。

用于车辆的内燃发动机通常设置有用于从零速启动发动机的启动电动机。启动电动机从诸如电池的能量储存介质中获取能量。另外地，发动机还配备了磁电机装置，该磁电机装置用于产生电力以对电池充电。

集成式启动发电机(ISG)是与内燃发动机相关联的专用机器。ISG可以用于通过让发动机旋转直到提供点火来启动发动机，然后能够从高于发动机运行阈值速度的感应电压产生电力。

附图说明

参照附图描述详细说明。在整个附图中，相同的附图标记用于指代相同的特征和部件。

图1示出了根据本主题的实施例的示例性两轮车辆的左侧视图。

图2示出了根据本发明的实施例的电机的典型截面。

图3示出了根据本发明的实施例的电机的典型齿的立体图。

图4描绘了根据本发明的实施例的用于在启动和高速操作期间辅助车辆的内燃发动机的控制系统的框图。

图5示出了根据本主题的实施例的流程图，该流程图描绘了用于减少损耗并且用于增加电机的可启动性的方法。

具体实施方式

本发明描述了一种在功能方面超越ISG的电机。本发明还被设计为在高速、高负载条件下向发动机提供帮助，使得可以执行车辆和发动机操作以减少CO2和NOx的排放。

此外，可以借助多种电机拓扑来实现本发明，诸如感应电机、开关磁阻电机(SRM)和BLDC(无刷直流)电机。感应电机和开关磁阻电机与对应的电力电子控制器一起操作，这些电力电子控制器基于输入条件(诸如当前转速)调节扭矩。

尽管感应电机和SRM的速度不受感应反emf(电动势)的限制，但是BLDC的速度范围由于该感应电压而受到影响。这是由于由存在旋转磁体而在线圈中产生的磁通变化率，从而在绕组线圈中感应出的电压。该电压限制了流入电机的电流，这根据所供应的电压而限制了速度高于零时的可能转矩。

当电机被设计用于启动和动力辅助操作时，需求是矛盾的。启动需要高扭矩常数，而动力辅助需要高速/动力操作，并且进而需要低扭矩常数。

在本发明中，以发动机的可启动性为主要目标来设计电机，例如BLDC电机。但是，对于此类设计，电机的空载速度极大地受到反电动势的限制。

考虑到BLDC的速度限制，BLDC电机被构造成具有较少的匝数，使得感应电压较小，并且因而速度带较宽。这需要在启动操作期间将更多的电流传递到电动机线圈。

但是，当高电流流过定子线圈时，所产生的磁场可能会使定子铁芯材料饱和，高于某个电流阈值。

本发明提出，具有至少一个齿的辅助绕组沿着电机的相位中的任一相位缠绕定子齿中的至少一个齿。导线的端部被提供给信号调节电路，该信号调节电路从信号中滤除噪声。滤波后的信号被提供给控制器的ADC(模数转换器)引脚以将信号值数字化。

在线圈中感应的电压与线圈区域中的磁链的变化率成比例。比例常数取决于以下公式给出的辅助绕组的匝数。

Phi＝∫v(t)*dt+C

通过随着时间的推移在控制器中捕获的电压值的增加，确定定子齿中的电流通量。在一个实施例中，基于如下计算的对于给定电机的定子齿的几何形状来确定定子齿的磁通密度。

当控制器发现B值超出预定阈值时，控制器将流入电机的电流限制为恰好在达到阈值之前的电流值。

来自积分(integration)的零偏移C可以用于识别在基于永磁体的电机中磁体相对于齿的位置。在替代实施例中，定子包括温度传感器，该温度传感器用于基于预定温度来限制电流。

因为使用具有较少股线的较厚导体成为可能，所以ISG应用受益于本发明。这使得电机可在高速下操作(由于感应电压较小)，并且在启动时还产生了更大的扭矩(由于可以提供给电动机的电流更大)。它对ISG的应用不属于限制，并且可以用于其他应用。任何电动机的用途都可以从本发明中受益，本发明可以用于电动车辆或者混合动力车辆等。

在一个实施例中，本主题提供一种具有一个或多个电气相位的电机。电机能够识别磁通饱和度并且限制通过的电流，以减少损耗并且提高电机的可启动性。电机包括具有定子铁芯和围绕定子铁芯的外围布置的多个齿的定子。所述多个齿中的每个齿都缠绕有具有预定厚度的导线以形成绕组。提供了一种转子，所述转子能够通过当从至少一个电源接收电能时与定子产生的磁场相互作用而旋转。转子通过气隙与所述定子分开。所述多个齿包括至少第一组齿，所述至少第一组齿对应于所述一个或多个电气相位的至少第一相位。第一组齿包括至少绕所述第一组齿中的一个齿缠绕的辅助绕组。在一个实施例中，转子布置在所述定子的内部。在替代实施例中，转子布置在所述定子的外部。

在一个实施例中，磁场垂直于所述转子的旋转轴线。而在替代实施例中，磁场平行于所述转子的旋转轴线。

在一个实施例中，辅助绕组包括缠绕在所述至少一个齿上的至少一匝导线。转子包括多个永磁体，所述多个永磁体面向所述定子的多个齿布置。

在一个实施例中，本发明包括一种控制系统，所述控制系统用于识别磁通饱和度并且限制通过的电流以减少损耗并且提高可启动性。所述控制系统包括具有一或者多个电气相位的电机，所述电机包括具有定子铁芯和围绕所述定子铁芯的外围布置的多个齿的定子。所述多个齿中的每个齿都缠绕有具有预定厚度的导线以形成绕组。转子能够通过当从至少一个电源接收电能时与定子产生的磁场相互作用而旋转。转子通过气隙与所述定子分开，其中，所述多个齿包括至少第一组齿，所述至少第一组齿对应于所述一个或多个电气相位的至少第一相位。第一组齿包括至少绕所述第一组齿中的一个齿缠绕的辅助绕组。

在一个实施例中，提供了至少一个能量储存装置。能量储存装置能够当所述电机作为电动机操作时向所述电机供应能量，并且能够当所述电机作为发电机操作时储存由所述电机产生的能量。

此外，在一个实施例中，本主题描述了一种包括至少一个微控制器的电机控制器。所述电机控制器包括信号调节电路，所述信号调节电路能够接收从所述辅助绕组的至少一端输出的电压。至少一个微控制器能够从所述信号调节电路接收经调节的信号，并且检测所述定子铁芯的磁通量并与磁通量的预定阈值进行比较。在一个实施例中，通过按比例缩小电压并且过滤噪声来调节信号。作为结果获得的经调节的信号不过是按比例缩小的电压。当所述定子铁芯的磁通量大于磁通量的预定阈值时，电机控制器限制通过电机的电流。

在一个实施例中，控制系统的微控制器包括脉冲宽度调制电路，所述脉冲宽度调制电路通过致动所述电机控制器的一个或多个电力电子开关来限制通过电机的电流。在一个实施例中，信号调节电路是低通滤波器，并且用于滤波的阈值频率大于电机的最大电气频率。

此外，在一个实施例中，所述电机在车辆启动期间和在车辆行驶时为动力总成(例如内燃发动机)提供动力辅助期间均能够实现在操作电流下将峰值扭矩限制在约50Nm至52Nm。

在一个实施例中，本发明描述了一种用于识别磁通饱和度并且限制通过的电流的方法，用于减少损耗并且提供可启动性。所述方法包括操作电机以启动车辆的内燃发动机的步骤。所述方法还包括以下步骤：通过电机控制器的信号调节电路，感测在至少缠绕在所述电机的定子的第一组齿的齿周围的辅助线圈两端感应的电压。在一个实施例中，所述方法包括通过电机控制器至少基于感测到的电压来确定在所述定子的所述齿上的磁通量。然后将确定的磁通量与磁通量的预定阈值进行比较。在一个实施例中，所述方法还包括当所述定子铁芯的磁通量大于磁通量的预定阈值时，通过所述电机控制器限制流过电机的电流。

将在下面的描述中结合附图更详细地描述本主题的这些和其他优点。

图1示出了根据本主题的实施例的示例性两轮车辆的左侧视图。车辆100具有框架组件105，该框架组件105用作车辆100的结构构件和骨架。框架组件105包括头管105A，转向组件通过头管105A可旋转地枢轴连接。转向组件包括通过一个或多个前悬架120连接到前轮115的车把组件111。前挡泥板125覆盖前轮120的至少一部分。此外，框架组件105包括从头管105A向后下方延伸的主管(未示出)。燃料箱130安装到主管105A。此外，下管(未示出)从主管的后部基本水平地向后延伸。另外地，框架组件包括从下管的后部倾斜地向后延伸的一个或多个后管(未示出)。在优选实施例中，框架组件105是单管型的，其从车辆100的前部F延伸到后部R。

在一个实施例中，动力单元135安装到下管。在一个实施例中，动力单元135包括IC发动机。燃料箱130功能性地连接至动力单元135以供应燃料。在优选实施例中，IC发动机向前倾斜，即，发动机的活塞轴线向前倾斜。此外，IC发动机135功能性地耦接至后轮140。摆臂145可摆动地连接至框架组件105，并且后轮140由摆臂145可旋转地支撑。一个或多个后悬架150以一定角度连接摆臂145，其承受由于车轮反作用而产生的径向力和轴向力两者。后挡泥板155布置在后轮145上方。座椅组件160布置在由框架组件105限定的横跨部的后部R处。在一个实施例中，座椅组件160包括驾驶者座椅160A、后座座椅160B。此外，后座座椅160B定位在后轮145的上方。此外，车辆100由安装到框架组件105的中心支架(未示出)支撑。地板165安装到下管并且布置在横跨部处。地板165覆盖动力单元135的至少一部分。车辆100采用由框架组件105支撑的辅助动力单元(未示出)，例如，诸如电池的能量储存装置。另外，车辆100设置有至少一组脚踏板180，以使驾驶者/后座乘客搁置他们的脚。

图2示出了根据本发明的实施例的电机的横截面。在一个实施例中，电机是外部旋转BLDC电机。在一个实施例中，外部旋转BLDC电机用作集成式启动发电机(ISG)。本主题的电机101包括转子104，转子104还包括护铁106和布置在转子104的内表面上的多个磁体108。在一个实施例中，护铁106随同转子104的旋转而旋转。在一个实施例中，多个磁体108是永磁体。

此外，护铁106可以由铁、硅钢中的任何一种制成，其可以被制成一整块的铁或者硅钢。可替代地，护铁106被制成为铁或者硅钢的层，在它们之间具有多个电绝缘层。在一个实施例中，多个磁体108可以是弧形磁体和平面磁体中的任何一个。此外，在一个实施例中，多个磁体108沿周向彼此相邻地布置，其中没有任何间隙。可替代地，多个磁体108可以沿周向彼此相邻地布置，其中在多个磁体108中的两个相邻磁体之间具有周向气隙。

此外，电机101包括定子102，该定子102具有居中设置的定子铁芯118，多个定子齿112围绕该定子铁芯118沿圆周布置，在其间形成多个定子槽114。在一个实施例中，多个定子槽114进一步填充有多个绕组116。在一个实施例中，定子102被封闭在转子104内并且由气隙110径向地隔开。在一个实施例中，多个定子齿112中的每个齿包括杆部。在一个实施例中，多个定子齿112的齿的杆部在杆部的两端(即在朝向定子铁芯118的第一端和远离定子铁芯的第二端)具有相等的宽度。在替代实施例中，多个定子槽114中的每个槽形成为在两端(即在更靠近定子铁芯118的一端和在远离定子铁芯118的一端)具有相等的宽度，这是通过多个定子齿112的两个相邻齿在其两端具有不同的宽度来实现的。在另一替代实施例中，多个定子齿112中的每个齿和多个定子槽114中的每个槽形成为使得齿和槽在两端处的的宽度不相等。在一个实施例中，多个定子齿112中的每个齿的杆部在头部面向转子104的情况下终止，并且头部具有比杆部宽的宽度。

图3示出了根据本发明的实施例的电机101的典型齿112的立体图。在一个实施例中，图3表示具有初级绕组310和辅助绕组306的定子齿112之一。辅助绕组306由围绕齿112的单股线306表示。在一个实施例中，定子齿112具有头部302和杆部308。头部302面对转子104的内表面。在一个实施例中，与头部302相比，杆部308的厚度较小。在一个实施例中，头部302的侧表面304将两个相接的定子齿112分开。在一个实施例中，定子齿112中的每个缠绕有一个或多个初级绕组310。在一个实施例中，电机101使初级绕组310具有增加的厚度，这导致较少数量的初级绕组310。这使得电机101可以在高速下操作(由于感应电压较小)，并且在启动时还产生了更大的扭矩(由于可以给电动机施加更大的电流)。在一个实施例中，本发明的电机101作为ISG的应用不是对其他应用的限制。任何电动机的使用都可以从本发明中受益。

此外，在一个实施例中，本主题向电机101提供一个或多个电气相位。电机101能够识别磁通饱和度并且限制通过的电流，以减少损耗并且提高电机101的可启动性。电机101包括定子，该定子具有定子铁芯和围绕定子铁芯的外围布置的多个齿。每个齿112都缠绕有具有预定厚度的导线以形成初级绕组310。在一个实施例中，辅助绕组306包括至少一匝导线，该至少一匝绕组围绕齿112并且沿着电机101的任何一个相缠绕。辅助绕组306的导线的端部被提供到给信号调节电路(如图4中所示)，该信号调节电路从信号中滤除噪声。

图4描绘了根据本发明的实施例的用于在启动期间和高速操作期间辅助车辆100的内燃发动机的控制系统400的框图。在一个实施例中，控制系统400包括电机控制器402，其还包括至少一个微控制器404以及信号调节电路406。在一个实施例中，电机控制器402是ISG控制器402，其由能量储存装置供电，例如，电池通过通过向电机101提供增压而在车辆的启动期间以及通过从电池410提供电压而在车辆的行驶操作期间两者来使电机101有效地操作。在一个实施例中，微控制器204能够处理由信号调节电路406从辅助绕组306接收的信号。在一个实施例中，信号调节电路406能够接收从辅助绕组306的至少一端输出的电压。至少一个微控制器404能够从信号调节电路406接收经调节的信号并且检测到定子铁芯的磁通量并且与磁通量的预定阈值进行比较。在一个实施例中，通过按比例缩小电压并且过滤噪声来调节信号。作为结果获得的经调节的信号不过是按比例缩小的电压。当所述定子铁芯的磁通量大于磁通量的预定阈值时，电机控制器402限制流过电机101的电流。

在一个实施例中，控制系统400的微控制器404包括脉冲宽度调制电路(未示出)，该脉冲宽度调制电路通过致动电机控制器402的一个或多个电力电子开关(未示出)来限制通过电机101的电流。在一个实施例中，信号调节电路406是低通滤波器，并且用于滤波的阈值频率大于电机101(例如，集成式启动发电机(ISG)101)的最大电气频率。

图5示出了根据本发明主题的实施例的流程图，该流程图描绘了用于减少损耗并且用于提高电机101的可启动性的方法500。在一个实施例中，在步骤502，方法500涉及操作电机101以启动发动机。在一个实施例中，在步骤504，方法500涉及感测在电机101的辅助绕组306两端感应的电压以便确定磁通量。此外，在一个实施例中，在步骤508，方法500涉及在确定所感应的磁通量是否大于磁通量的预定阈值之前，允许流入电机101的电流增加。在一个实施例中，如果确定磁通量不大于预定阈值磁通量，则方法500涉及允许流向电机101的电流进一步增加。然而，在一个实施例中，如果识别出确定的磁通量大于预定阈值，则方法500涉及在步骤510通过限制电压来限制流向电机101的电流。在步骤510中限制流向电机101的电流之后，方法500进一步循环回到步骤504，以再次感测在辅助绕组306两端感应的电压。

鉴于以上公开，本主题的许多修改和变型是可能的。因此，在本主题的权利要求的范围内，本公开可以不同于具体描述的来实践。

Claims (11)

1.一种电机(101)，具有一个或多个电气相位，所述电机(101)能够识别磁通饱和度并且限制通过的电流，以减少损耗并且提高所述电机(101)的可启动性，所述电机(101)包括：

定子(102)，具有定子铁芯(118)和围绕所述定子铁芯(118)的外围布置的多个定子齿(112)，所述多个定子齿(112)中的每个齿都缠绕有具有预定厚度的导线以形成绕组；以及

转子(104)，所述转子(104)能够通过在从至少一个电源接收电能时与由所述定子(102)产生的磁场相互作用而旋转，所述转子(104)通过气隙(110)与所述定子(102)分开，

所述多个定子齿(112)至少包括第一组齿，所述第一组齿对应于所述一个或多个电气相位的至少第一相位，

辅助绕组(306)配置为绕所述第一组齿的定子齿(112)缠绕，以检测所述定子铁芯(118)中的磁通量；

其中所述辅助绕组(306)电配置到电机控制器(402)；并且

其中，所述电机控制器(402)配置为接收来自所述辅助绕组(306)的电压输出。

2.根据权利要求1所述的电机(101)，其中，所述转子(104)布置在所述定子(102)的内部。

3.根据权利要求1所述的电机(101)，其中，所述转子(104)布置在所述定子(102)的外部。

4.根据权利要求1所述的电机(101)，其中，所述磁场垂直于所述转子(102)的旋转轴线。

5.根据权利要求1所述的电机(101)，其中，所述磁场平行于所述转子(104)的旋转轴线。

6.如权利要求1所述的电机(101)，其中，所述辅助绕组(306)包括缠绕在所述至少一个齿周围的至少一匝导线。

7.根据权利要求1所述的电机(101)，其中，所述转子(104)具有多个永磁体(108)，所述永磁体面向所述定子(102)的所述多个定子齿(112)布置。

8.一种控制系统(400)，用于识别磁通饱和度并且限制通过的电流以减少损耗并且提高可启动性，所述控制系统(400)包括：

电机(101)，具有一个或多个电气相位，所述电机(101)包括：定子(102)，具有定子铁芯(118)和围绕所述定子铁芯(118)的外围布置的多个定子齿(112)，所述多个定子齿(112)中的每个齿都缠绕有具有预定厚度的导线以形成绕组；和转子(102)，所述转子(104)能够通过在从至少一个电源接收电能时与由所述定子(102)产生的磁场相互作用而旋转，所述转子(104)通过气隙(110)与所述定子(102)分开；其中，所述多个定子齿(112)至少包括第一组齿，所述第一组齿对应于所述一个或多个电气相位的至少第一相位，辅助绕组(306)配置为绕所述第一组齿的定子齿(112)缠绕，以检测所述定子铁芯(118)中的磁通量；

至少一个能量储存装置，用于当所述电机(101)作为电动机操作时向所述电机(101)供应能量，并且用于当所述电机(101)作为发电机操作时储存由所述电机(101)产生的能量；以及

电机控制器(402)，包括至少一个微控制器(404)，所述电机控制器(402)包括信号调节电路(406)，所述信号调节电路(406)能够接收从所述辅助绕组(306)的至少一端输出的电压，所述至少一个微控制器(404)能够从所述信号调节电路(406)接收经调节的信号，并且检测所述定子铁芯(118)的磁通量并将所述磁通量与磁通量预定阈值进行比较，以及当所述定子铁芯(118)的磁通量大于所述磁通量预定阈值时，所述电机控制器(402)限制流过所述电机(101)的电流。

9.根据权利要求8所述的控制系统(400)，其中，所述微控制器(404)包括脉冲宽度调制电路，所述脉冲宽度调制电路通过致动所述电机控制器(402)的一个或多个电力电子开关来限制通过所述电机(101)的电流。

10.根据权利要求8所述的控制系统(400)，其中，所述信号调节电路是低通滤波器，并且用于滤波的阈值频率大于所述电机(101)的最大电气频率。

11.一种用于识别磁通饱和度并且限制通过的电流的方法，用于减小损耗并且用于提高电机的可启动性，所述方法包括：

操作电机(101)以启动车辆的动力总成；

通过电机控制器(402)的信号调节电路(406)，感测在绕所述电机(101)的多个定子齿(112)的第一组中的定子齿(112)缠绕的辅助绕组(306)两端感应的电压；

通过所述电机控制器(402)至少基于感测到的电压，计算在多个定子齿(112)的所述第一组中的所述定子齿(112)两端的磁通量；

将计算出的磁通量与磁通量预定阈值进行比较；以及

当定子铁芯(118)的磁通量大于所述磁通量预定阈值时，通过所述电机控制器(402)限制流过所述电机(101)的电流。

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