CN111106689A - 采用磁路控制的转子、发电机和控制系统以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用磁路控制的转子、发电机和控制系统以及控制方法，其中转子包括：转子轴；一对爪极，安装于转子轴，每一个爪极具有多个极爪，一对爪极的多个极爪形成多个间隙，周向相邻的两个间隙内设有减震件，减震件包括具有第一厚度的第一减震件和具有第二厚度的第二减震件，第一厚度小于气隙的厚度，第二厚度大于气隙的厚度；永磁环；锁止机构，使爪极随转子轴同步转动且允许爪极沿转子轴独立转动；制动机构，能够在外部制动力作用下制动一对爪极中的任意一个。本发明通过控制发电机转子一对爪极的极爪的相对位置，从而控制一对爪极的主磁路是否流经定子铁芯，进而达到控制永磁发电机工作状态的目的。

Description

采用磁路控制的转子、发电机和控制系统以及控制方法

技术领域

本发明涉及采用磁路控制的转子、发电机和控制系统以及控制方法。

背景技术

汽车发电机是汽车的重要部件之一。采用内燃机的汽车发电机普遍是由发动机以皮带传动方式进行能量传递的。在发动机运转期间，发电机始终随发动机转动。在汽车运行期间，对蓄电池充电和为车辆电气系统供电，是汽车发电机的主要功用。当蓄电池充电过程完成后，发电机将停止发电，由蓄电池为车辆电气系统供电，直至蓄电池放电电压低于设定值时，发电机再次进入发电状态。

汽车无刷发电机主要包括汽车无刷发电机旋转变压器馈能式无刷发电机和永磁无刷发电机。当前普遍应用的汽车无刷发电机为旋转变压器馈能式无刷发电机。由于旋转变压器部分占用了发电机腔体内的部分空间，而且还必须对旋转变压器输出的交流电进行整流，才能为发电机转子电磁铁供电。因此，旋转变压器馈能式无刷发电机效率和比功率都比较低。

当前在极少车型上应用的汽车永磁无刷发电机具有结构简单，工作效率高的明显优势。但因其在完成蓄电池充电后的空转阶段(即：不发电阶段)，是通过电子开关单元电路切断发电机和蓄电池之间的电流(即：发电机处于空载状态。)来达到停止对蓄电池充电目的。发电机处于空载状态时的输出电压为负载状态电压的数十倍。一旦电子开关单元电路损坏，将会造成车辆电气系统大量零部件的瞬间损坏。由于存在这个设计缺陷，汽车永磁无刷发电机无法普及应用。

发电机的工作原理是：在发电机转子磁场因转子转动，使转子磁场通过定子铁芯形成磁路，导致定子绕组的磁通量随转子转动周期性变化，从而在定子绕组中产生了交流电。

当前汽车永磁发电机的转子左、右爪极(即：左、右磁极)的相对位置是固定的，左、右爪极(磁极)的间隙远大于转子与定子之间的间隙，因此，转子磁场的主磁路必然通过定子铁芯。又由于发动机与发电机之间的动力传递采用皮带连接，发动机运转期间发电机在皮带的带动下始终运转。因此，发电机始终处于发电状态。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种采用磁路控制的转子，可以控制转子磁场的主磁路是否流经定子，进而达到控制永磁发电机工作状态的目的。

本发明的另一目的是提供一种采用磁路控制的发电机。

本发明的又一目的是提供一种控制系统。

本发明的再一目的是提供一种控制方法。

针对上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种采用磁路控制的转子，其外周设有定子，所述转子和所述定子之间隔着具有预定厚度的气隙，包括：

转子轴；

一对爪极，安装于所述转子轴，每一个所述爪极具有沿轴向延伸并沿周向排列的多个极爪，所述一对爪极的多个极爪沿周向相互交错嵌入且形成沿周向排列的多个间隙，周向相邻的两个间隙内设有安装于极爪的厚度不同的减震件，所述减震件包括具有第一厚度的第一减震件和具有第二厚度的第二减震件，第一厚度小于气隙的厚度，第二厚度大于气隙的厚度；

永磁环，设于所述一对爪极之间；

锁止机构，使爪极随所述转子轴同步转动且允许爪极沿所述转子轴独立转动；

制动机构，能够在外部制动力作用下制动所述一对爪极中的任意一个。

作为优选的技术方案，所述一对爪极包括左爪极和右爪极，所述第一减震件和所述第二减震件分别安装于所述左爪极的极爪的两侧；

或者，所述第一减震件或所述第二减震件安装于所述左爪极的极爪的一侧，所述第二减震件或所述第一减震件安装于所述右爪极的极爪的一侧；

或者，所述第一减震件和所述第二减震件分别安装于所述右爪极的极爪的两侧。

作为优选的技术方案，所述减震件为非磁性材料。

作为优选的技术方案，所述第二减震件一端安装于极爪，另一端设有磁性材料，所述磁性材料具有第三厚度，第三厚度小于第二厚度；

当预定的一个爪极被制动时，所述磁性材料使得位于所述第二减震件两侧的两个极爪通过自身磁场力作用连接成一体；当预定的另一个爪极被制动时，所述第一减震件允许位于所述第一减震件两侧的两个极爪通过自身磁场力作用连接成一体。

作为优选的技术方案，所述锁止机构设于所述爪极和所述转子轴之间，所述锁止机构包括弹性件和设于所述弹性件一端的卡体，所述转子轴设有容纳所述弹性件的容纳槽，所述爪极设有与所述卡体适配的卡槽，所述弹性件对所述卡体施加弹力使卡体进入所述卡槽内。

作为优选的技术方案，所述弹性件为弹簧或弹性橡胶或弹片。

作为优选的技术方案，所述制动机构包括设于爪极的摩擦片和对应所述摩擦片设置的制动蹄。

一种采用磁路控制的发电机，包括上述的转子。

一种控制系统，包括：

上述的发电机；

蓄电池，与所述发电机连接；

电子控制单元，与所述蓄电池连接以检测所述蓄电池的输出电压；

制动力提供件，与所述电子控制单元连接，用于为制动机构提供制动力以制动预定的爪极，其中所述驱动力提供件提供驱动力的方式包括液压、气压或磁场吸引。

一种采用磁路控制的控制方法，包括以下步骤：

控制发电机的两个爪极的相对位置，进而控制转子磁场的主磁路是否流经定子，从而控制发电机工作状态。

本发明的有益效果包括：本发明通过控制发电机转子一对爪极的极爪的相对位置，控制发电机转子一对爪极(即：左、右磁极)的相对位置，从而控制一对爪极的主磁路是否流经定子铁芯，进而达到控制永磁发电机工作状态的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例的转子分解结构示意图；

图2为本发明一实施例的转子侧视结构示意图；

图3为本发明一实施例的锁止机构的示意图；

图4为本发明一实施例的减震件安装位置示意图；

图5为本发明一实施例的控制系统的原理图；

图6为本发明一实施例的控制系统控制过程的流程图。

具体实施方式

为便于更好的理解本发明的目的、结构、特征以及功效等，现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明一实施例的一种发电机，包括转子和隔着具有预定厚度的气隙设于转子的外周的定子(未图示)。

如图1、图2和图3所示，转子包括转子轴8，安装于转子轴8的一对爪极1,3，设于所述一对爪极1,3之间的永磁环2，使爪极1,3随转子轴8同步转动且允许爪极1,3沿转子轴8独立转动的锁止机构，能够在外部驱动力作用下制动一对爪极1,3中的任意一个的制动机构。

转子轴8通过外部动力进行转动，例如发动机(未图示)通过皮带传动从而带动转子轴8转动。

每一个爪极1或3具有沿轴向延伸并沿周向排列的多个极爪11,12，一对爪极1,3的多个极爪11，12沿周向相互交错嵌入且形成沿周向排列的多个间隙，周向相邻的两个间隙内设有安装于极爪11和/或12的厚度不同的减震件，减震件包括具有第一厚度的第一减震件1-1和具有第二厚度的第二减震件1-2。第一厚度小于气隙的厚度，第二厚度大于气隙的厚度。

由于锁止机构允许爪极1,3独立转动，因此制动机构可以制动爪极1,3中的任意一个，而不会导致转子轴8被制动。当预定的一个爪极1或3被制动时，另一个爪极3或1依然跟随转子轴8转动，在吸引力的作用下，两个爪极1,3的极爪11,12最终会结合。但由于间隙设有减震件，结合的极爪11,12之间依然会因为减震件而保持预定的距离，减震件的厚度即为结合的极爪11,12之间的距离。根据制动的爪极1,3的不同，极爪11,12之间可能隔有第一减震件1-1而结合，也可能隔有第二减震件1-2而结合。

第一厚度具有预定的小于气隙的厚度，可以使得主磁路不通过定子铁芯。而第二厚度具有预定的大于气隙的厚度，可以使得主磁路通过定子铁芯。因此，当极爪11,12之间隔有第一减震件1-1时，主磁路没有通过定子铁芯，因此，发电机处于空转状态(不发电)；当极爪11,12之间隔有第二减震件1-2时，主磁路通过定子铁芯，因此，发电机处于发电状态。因此，通过选择性制动爪极1,3中的其中一个，可以控制主磁路是否流经定子铁芯，进而达到控制永磁发电机工作状态的目的。

一对爪极1,3包括左爪极1和右爪极3，左爪极1具有左极爪11，右爪极3具有右极爪12。根据不同的实施例，第一减震件1-1和第二减震件1-2可以分别安装于左爪极1的极爪的两侧(即左极爪11的两侧)。或者，第一减震件1-1或第二减震件1-2可以安装于左爪极1的极爪的一侧(即左极爪11的一侧)，第二减震件1-2或第一减震件1-1可以安装于右爪极3的极爪的一侧(即右极爪12的一侧)；或者，第一减震件1-1和第二减震件1-2可以分别安装于右爪极3的极爪的两侧(即右极爪12的两侧)。

在一些实施例中，减震件为非磁性材料，例如塑料、橡胶等。采用非磁性材料可以增大左右爪极1,3结合时的磁阻，即减小两者之间的磁场相互作用力，便于通过制动使两者分离。

在一些实施例中，第二减震件1-2一端安装于极爪，另一端设有磁性材料1-3，例如铁、钴、镍等。由于第二减震件1-2的厚度较厚，通过设置磁性材料1-3使磁性材料1-3被极爪吸引，可以进一步保证左右极爪11,12能够结合。磁性材料1-3具有第三厚度，第三厚度小于第二厚度，即磁性材料1-3较薄，例如是铁片，这样可以使得极爪和磁性材料1-3之间的吸引力没那么大，便于通过制动使两者分离。

在一些实施例中，当预定的一个爪极1或3被制动时，磁性材料1-3使得位于第二减震件1-2两侧的两个极爪11,12通过自身磁场力作用连接成一体，即磁性材料1-3起着辅助吸引的作用，两个极爪11,12主要还是通过自身磁场力而相互吸引；当预定的另一个爪极3或1被制动时，第一减震件1-1允许位于第一减震件1-1两侧的两个极爪11,12通过通过自身磁场力作用连接成一体。为了保证第一减震件1-1两侧的两个极爪11,12可以通过自身相互吸住，第一减震件1-1需要较薄的厚度，因此第一减震件1-1优选为减震膜。

图3示出了爪极1,3的锁止机构。锁止机构设于爪极1,3和转子轴8之间。锁止机构包括弹性件9和设于弹性件9一端的卡体10，转子轴8设有容纳弹性件9的容纳槽13。爪极1,3设有与卡体10适配的卡槽14，卡槽14沿周向布置，弹性件9对卡体10施加弹力使卡体10进入卡槽14内。弹性件9为弹簧或弹性橡胶或弹片或者其他能够施加弹力的物体。卡体10可以是钢球、铁球或其他具有合适结构的物体。

当其中一个爪极1或3被制动时，该极爪1或3相对转子轴8产生转动，在此过程中，极爪1或3将卡体10压下，弹性件9同时被压缩，此时极爪1或3可不受转子轴8约束而转动。当驱动力消失后，在弹性件9的弹力作用下，卡体10被弹起并重新卡入卡槽内。此时，极爪1,3随着转子轴8一起转动。

制动机构包括设于爪极的摩擦片和对应摩擦片设置的制动蹄。制动蹄在外部驱动力的作用下通过与摩擦片接触摩擦，可以制动对应的爪极。位于左爪极1的为左摩擦片6，位于右爪极3的为右摩擦片4，对应左摩擦片6的为左制动蹄7，对应右摩擦片4的为右制动蹄5。

图4示出了第一减震件1-1和第二减震件1-2分别安装于左爪极1的极爪的两侧的一种实施例。在该实施例中，第一减震件1-1安装于左极爪11的极爪上侧，第二减震件1-2安装于右极爪12的极爪下侧。当然，在其他实施例中，第一减震件1-1和第二减震件1-2的安装位置可以互换。

根据图4，箭头为转子轴8的旋转方向。当左爪极1被瞬间制动时，左极爪11的极爪上侧与右极爪12的极爪下侧结合，并因两极爪为异名磁极，它们相互之间存在吸引力，这个吸引力可以防止二者脱离。由于第一减震件1-1的厚度远小于转子与定子之间的气隙(即：转子与定子之间的间隙)，因此，此时左、右爪极1,3通过各自极爪11,12形成的主磁路，并不通过定子铁芯。当驱动力消失后，在锁止机构作用下，左、右爪极1，3随转子轴8同步转动。这时，由于左、右爪极1,3主磁路没有通过定子铁芯。因此，发电机处于空转状态(不发电)。

即：瞬间制动发电机转子的左爪极1，可使发电机处于空转状态。

当右爪极3被瞬间制动时，左极爪11的极爪下侧与右极爪12的极爪上侧结合，并因磁性材料1-3被右极爪12吸引，这个吸引力可以防止二者脱离。由于第二减震件1-2厚度远大于转子与定子之间的气隙(即：转子与定子之间的间隙)，因此，此时左、右爪极1,3通过定子铁芯形成主磁路。当驱动力消失后，在锁止机构作用下，左、右爪极1,3随转子轴8同步转动。这时，由于主磁路通过定子铁芯。因此，发电机处于发电状态。

即：瞬间制动发电机转子的右爪极3，可使发电机处于发电状态。

如图5所示，本发明还提供了一种控制系统，其包括上述的发电机GEN、与发电机GEN连接的蓄电池BATT、与蓄电池BATT连接的电子控制单元ECU、与电子控制单元ECU连接的驱动力提供件、与蓄电池BATT连接的负载L、与蓄电池BATT连接的隔离二极管D。

负载L表示车辆电气系统的所有负载。本实施例中，驱动力提供件为电磁铁，通过磁场吸引为制动机构提供驱动力以制动预定的爪极，即驱动制动蹄与摩擦片接触进行制动。在其他实施例中，也可以采用液压或气压或其他合适的方式提供驱动力。电磁铁包括用于制动右极爪3的第一制动电磁铁M1和用于制动左极爪1的第二制动电磁铁M2。

隔离二极管D的G端与发电机GEN连接，其B端与蓄电池BATT连接，电子控制单元ECU又与其G端和B端连接。电子控制单元ECU采集隔离二极管D左端的G点的发电机GEN输出电压和其右端的B点的蓄电池BATT电压信号来判断当前蓄电池BATT的充电状况，控制电磁铁实现对左右爪极1，3的极爪结合状态，从而达到对发电机GEN工作状态的控制。

如图6所示，汽车发电机GEN工作状态控制主要包括3个以下阶段(以制动右爪极3使发电机GEN处于发电状态，制动左爪极1使发电机GEN处于空转状态为例)：

(1)启动充电阶段

在发动机完成启动后，电子控制单元ECU给第一制动电磁铁M1瞬间通电，瞬间制动发电机GEN转子右爪极3，使发电机GEN处于发电状态，为蓄电池BATT充电。启动充电阶段，电子控制单元ECU通过检测隔离二极管D右端的B点电位来检测蓄电池BATT的输出电压。当B点电位大于等于某一预定值(本实施例为14.5V)时，启动充电阶段结束。

(2)蓄电池BATT放电阶段

启动充电阶段完成后，电子控制单元ECU给第二制动电磁铁M2瞬间通电，瞬间制动发电机GEN转子左爪极1，使发电机GEN处于空转状态，蓄电池BATT进入放电阶段。当B点电位小于等于某一预定值(本实施例为13.0V)时，放电阶段终止。

(3)二次充电阶段

蓄电池BATT放电阶段完成后，电子控制单元ECU给制动电磁铁M1瞬间通电，使发电机GEN处于发电状态，为蓄电池BATT充电。直至B点电位大于等于某一预定值(本实施例为14.5V)时，再次进入蓄电池BATT放电阶段。如此循环，直到发动机停止运转。

本发明还提供了一种采用磁路控制的控制方法，包括以下步骤：

控制发电机的两个爪极的相对位置，进而控制转子磁场的主磁路是否流经定子，从而控制发电机工作状态。

以上详细说明仅为本发明之较佳实施例的说明，非因此局限本发明之专利范围，所以，凡运用本创作说明书及图示内容所为之等效技术变化，均包含于本创作之专利范围内。

Claims (10)

1.一种采用磁路控制的转子，其外周设有定子，所述转子和所述定子之间隔着具有预定厚度的气隙，其特征在于，包括：

转子轴；

一对爪极，安装于所述转子轴，每一个所述爪极具有沿轴向延伸并沿周向排列的多个极爪，所述一对爪极的多个极爪沿周向相互交错嵌入且形成沿周向排列的多个间隙，周向相邻的两个间隙内设有安装于极爪的厚度不同的减震件，所述减震件包括具有第一厚度的第一减震件和具有第二厚度的第二减震件，第一厚度小于气隙的厚度，第二厚度大于气隙的厚度；

永磁环，设于所述一对爪极之间；

锁止机构，使爪极随所述转子轴同步转动且允许爪极沿所述转子轴独立转动；

制动机构，能够在外部驱动力作用下制动所述一对爪极中的任意一个。

2.根据权利要求1所述的采用磁路控制的转子，其特征在于：所述一对爪极包括左爪极和右爪极，所述第一减震件和所述第二减震件分别安装于所述左爪极的极爪的两侧；

或者，所述第一减震件或所述第二减震件安装于所述左爪极的极爪的一侧，所述第二减震件或所述第一减震件安装于所述右爪极的极爪的一侧；

或者，所述第一减震件和所述第二减震件分别安装于所述右爪极的极爪的两侧。

3.根据权利要求1所述的采用磁路控制的转子，其特征在于：所述减震件为非磁性材料。

4.根据权利要求3所述的采用磁路控制的转子，其特征在于：所述第二减震件一端安装于极爪，另一端设有磁性材料，所述磁性材料具有第三厚度，第三厚度小于第二厚度；

当预定的一个爪极被制动时，所述磁性材料使得位于所述第二减震件两侧的两个极爪通过自身磁场力作用连接成一体；当预定的另一个爪极被制动时，所述第一减震件允许位于所述第一减震件两侧的两个极爪通过自身磁场力作用连接成一体。

5.根据权利要求1所述的采用磁路控制的转子，其特征在于：所述锁止机构设于所述爪极和所述转子轴之间，所述锁止机构包括弹性件和设于所述弹性件一端的卡体，所述转子轴设有容纳所述弹性件的容纳槽，所述爪极设有与所述卡体适配的卡槽，所述弹性件对所述卡体施加弹力使卡体进入所述卡槽内。

6.根据权利要求5所述的采用磁路控制的转子，其特征在于：所述弹性件为弹簧或弹性橡胶或弹片。

7.根据权利要求1所述的采用磁路控制的转子，其特征在于：所述制动机构包括设于爪极的摩擦片和对应所述摩擦片设置的制动蹄。

8.一种采用磁路控制的发电机，其特征在于，包括权利要求1～7任意一项所述的转子。

9.一种控制系统，其特征在于，包括：

权利要求8所述的发电机；

蓄电池，与所述发电机连接；

电子控制单元，与所述蓄电池连接以检测所述蓄电池的输出电压；

驱动力提供件，与所述电子控制单元连接，用于为制动机构提供驱动力以制动预定的爪极，其中所述驱动力提供件提供驱动力的方式包括液压、气压或磁场吸引。

10.一种采用磁路控制的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制发电机的两个爪极的相对位置，进而控制转子磁场的主磁路是否流经定子，从而控制发电机工作状态。

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