CN113696873A - 一种动力端缓启发一体机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力端缓启发一体机，包括：电涡流缓速器部分、永磁同步ISG(启动/发动集成一体电机)部分、旋转变压器、控制模块、功率转换器、蓄电池。电涡流缓速器部分，包括缓速器转子、缓速器定子、缓速器线圈。永磁同步ISG部分包括电机转子、永磁体、电机定子、电机绕组线圈。其中动力端缓启发一体机安装在发动机飞轮位置，旋转变压器固定飞轮壳上，永磁体镶嵌在缓速器转子内，缓速器转子兼做电机转子。电涡流缓速器部分和永磁同步ISG部分可作为电磁作动器主动抑制发动机曲轴扭振。该一体机有效的利用了电磁能量转换的原理实现启动、驱动、制动、发电和抑制振动的功能，结构简单，控制方便，散热效果好，提高了车辆的制动效率和安全性，节能环保。

Description

一种动力端缓启发一体机
技术领域
本发明属于车辆辅助制动技术领域，涉及一种动力端缓启发一体机，通过控制模块的控制，可实现启动车辆发动机、车辆缓速制动、储存发动机做功冲程外的能量和惯性、为车辆蓄电池充电和电动助力的功能。
背景技术
缓启发一体机是一种非接触性提供制动作用和动力作用的装置。这种装置能较好地解决由于车辆连续制动所导致的制动性能严重衰退问题，同时分担了制动系统的制动负荷，大幅度提高了车辆行驶的安全性、经济性和舒适性。这种装置还能为发动机启动和车辆加速提供助力。
目前，技术较为成熟的缓速器，无论电涡流缓速器还是液力缓速器，都是将车辆的动能转化为热能，散发到空气中，没有实现制动能量回收再利用，造成能源浪费。随着能源危机的加剧，制动能量回收再利用已经成为新一代车辆的发展方向。发动机曲轴系存在的扭振影响着驾驶员和乘客的乘坐舒适性以及车辆行驶的安全性和可靠性，这也是有待解决的重要问题。以电机转子和缓速器转子代替发动机飞轮的形式，将电涡流缓速器和永磁同步ISG安装在发动机飞轮位置，体现了现代车辆正向着轻量化和集成化方向发展的趋势。
发明内容
本发明克服已有缓速器的不足，在电磁转换原理的基础上提出了一种动力端缓启发一体机，在电涡流缓速器的基础上集成了永磁同步ISG，不仅提高了缓速制动的效率，还增加了启动车辆发动机、为车辆加速助力、抑制发动机曲轴系扭振的功能。该缓速器有效的利用了电磁能量转换的原理，结构简单，控制方便，散热效果好，改善了车辆的制动安全性，节能环保。
本发明主要是从以下五个方面对技术方案进行改进，1.ISG电机再生制动和电涡流缓速器制动相结合，提高制动性能；
2.ISG电机转子和电涡流缓速器转子代替发动机飞轮，既减轻重量又节约空间；
3.ISG电机为发动机助力，进一步提高发动机转速；
4.缓启发一体机通过助力和制动改变发动机转速，避开发动机曲轴的共振频率，抑制振动；
5.永磁同步电机对曲轴振动时产生的弯曲形变进行矫正，从而抑制振动。本发明通过下述方案来实现：
一种动力端缓启发一体机，其特征在于：包括电涡流缓速器部分、永磁同步ISG部分、旋转变压器(6)、控制模块(14)、功率变换器(12)、蓄电池(13)；其中
缓速器部分包括：包括缓速器转子(1)、缓速器定子(9)、缓速器线圈(8)；缓速器转子(1)为齿形圆环，其轴向两侧圆周均匀分布凸极齿。缓速器定子(9)固定在飞轮壳(4)上，缓速器转子(1)与车辆发动机输出轴相连，缓速器线圈(8)为集中绕制的独立线圈，且缓速器线圈(8)固定在缓速器定子(9)上，缓速器线圈(8)通过功率变换器(12)与蓄电池(13)相连；
永磁同步ISG部分包括：电机定子(3)、电机绕组线圈(7)和永磁体(2)，该永磁同步ISG是一种内嵌式三相永磁同步ISG，其电机绕组线圈(7)绕制在电机定子(3)的凸极上，电机绕组线圈(7)通过功率变换器(12)与蓄电池(13)连接；
控制模块(14)通过旋转变压器(6)获得永磁体(2)和电机定子(3)凸极的相对位置信号，控制模块(14)的一路输出连接到功率变换器(12)的控制端，调节电机绕组线圈(7)和缓速器线圈(8)中的电流，其中旋转变压器(6)固定在飞轮壳(4)上；
进一步，功率变换器(12)通过两条线路连接到蓄电池(13)上。第一条线路通过功率变换器(12)为缓速器线圈(8)供电。第二条线路通过功率变换器(12)为电机绕组线圈(7)供电，并将永磁同步ISG发电时回收的电能存储到蓄电池(13)中。
进一步，永磁同步ISG的定子和转子均由硅钢片制成。
进一步，缓速器线圈(8)的导线和永磁同步ISG绕组线圈(5)的导线分别通过导线管(11)引到外部，与功率变换器相连。
进一步，旋转变压器(6)的导线引到外部，其信号输出与控制模块(14)相连。
进一步，缓速器转子(1)凸极外圆和缓速器定子(9)内壁之间保持0.8mm间隙；电机定子(3)外圆与缓速器转子(1)内圆之间保持0.8mm间隙。
进一步，缓速器定子(9)与缓速器线圈(8)之间设有冷却水道，水道内的液体与发动机冷却水循环或者与缓速器的独立冷却装置循环，散热后回流到缓速器中循环往复散热。
本发明一种动力端缓启发一体机工作时，控制模块通过控制功率变换器，来实现对缓速器线圈(8)和电机绕组线圈(7)电流的控制，来实现电涡流制动、电机反接制动、再生制动(发电)、启动发动机和低速电动助力等相关模式。
功率变换器(12)输出给缓速器线圈(8)电流，在缓速器线圈(8)周边产生感生磁场，在缓速器转子(1)、气隙和缓速器定子(9)之间形成闭合磁路。缓速器转子(1)随发动机曲轴(5)同步旋转时，缓速器定子(9)不断切割转子产生的磁力线，在缓速器定子(2)的一定深度内产生涡流，感应涡流形成的涡流场与缓速器线圈(8)产生的原磁场相互作用，从而产生制动力矩阻碍缓速器转子(1)旋转。此时属于电涡流制动工作模式，在此工作模式下，由于涡流作用在定子上产生热量，水道(10)中的水将产生的热量带走，通过发动机水箱散热后，回到动力端缓启发一体机中循环往复散热。
控制模块(14)通过旋转变压器(6)获得永磁体(2)与电机定子(3)的相对位置信号，控制电机绕组线圈(7)的通电开始时刻，并设置不同的导通时刻和导通时间，即可实现动力端缓启发一体机启动发动机、电动助力、再生制动(发电)和反接电机制动工作模式的控制。
根据旋转变压器(6)判定得到的永磁体(2)的位置和永磁体(2)磁极的方向，并将此信息发送给控制模块(14)，控制模块(14)依据此信息控制相应的电机绕组线圈(7)中的电流的大小和方向，使电机绕组线圈(7)对永磁体(2)产生吸引力，缓速器转子(1)中所有永磁体(2)所受的合力即为驱动力，永磁同步ISG部分从而为车辆加速助力或启动发动机。
根据旋转变压器(6)判定得到的永磁体(2)的位置和永磁体(2)磁极的方向，并将此信息发送给控制模块(14)，控制模块(14)依据此信息控制相应的电机绕组线圈(7)中的电流的大小和方向，使电机绕组线圈(7)对永磁体(2)产生排斥力，缓速器转子(1)中所有永磁体(2)所受的合力即为制动力，永磁同步ISG部分从而为车辆减速制动。
车辆通过控制模块(14)选用再生制动，即控制模块(14)停止蓄电池(13)为电机绕组线圈(7)供电，永磁体(2)转动过程中使电机绕组线圈(7)中产生感应电流通过功率变换器(12)为蓄电池(13)充电。永磁体(2)转动过程中磁感线切割电机绕组线圈(7)产生阻力，从而为车辆减速提供制动力。
车辆根据旋转变压器(6)提供发动机曲轴扭振特性给控制模块(14)后，控制模块(14)调整电涡流缓速器部分缓速器线圈(8)和永磁同步ISG部分电机绕组线圈(7)中电流的大小和方向，从而达到抑制发动机曲轴扭振的作用。
本发明一种动力端缓启发一体机的主要优点如下：
本发明结构简单，包括电涡流缓速器部分、永磁同步ISG部分、旋转变压器(6)、控制模块(14)、功率变换器(12)、蓄电池(13)。其中缓速器线圈(8)集中绕制，固定在缓速器定子(9)上。永磁同步ISG部分包括：电机定子(3)、电机绕组线圈(7)和永磁体(2)，该永磁同步ISG是一种内嵌式三相永磁同步ISG，其电机绕组线圈(7)绕制在电机定子(3)的凸极上，电机绕组线圈(7)通过功率变换器(12)与蓄电池(13)连接；
控制模块(14)通过控制缓速器线圈(8)和电机绕组线圈(7)上的电流，来实现启动发动机、车辆加速助力、抑制曲轴扭振、再生制动(发电)和反接制动工作模式，有效利用了磁能，分工明确，控制方便，结构简单，散热效果好。
附图说明
图1、本发明的一种动力端缓启发一体机的主视图；
图2、本发明的一种动力端缓启发一体机的A-A剖视图。
图中：1、缓速器转子，2、永磁体，3、电机定子，4、飞轮壳，5、曲轴，6、旋转变压器，7、电机绕组线圈，8、缓速器线圈，9、缓速器定子，10、水道，11、导线管，12、功率变换器，13、蓄电池，14、控制模块。
具体实施方式
下面结合附图进一步对本发明的具体实施例进行说明。如图1和图2所示，本发明实施例缓速器转子1通过花键与车辆发动机曲轴5相连，永磁体2安装在缓速器转子1上。缓速器线圈8集中绕制成独立线圈，固定在缓速器定子9的内壁上。电机定子3固定在缓速器定子9上。电机绕组线圈7绕制在电机定子3凸极上，且相邻电机定子3凸极上的电机绕组线圈7绕向相反，相邻电机定子凸极上的电机绕组线圈7依次串联形成单相集中式励磁绕组，单相集中式励磁绕组通入电流在相邻电机定子3相邻形成NS交替磁极。缓速器线圈8的导线和电机绕组线圈7的导线分别通过导线管11引到外部，与功率变换器12相连。旋转变压器6将采集的永磁体2与电机定子5的相对位置信号传递给控制模块14，进而控制电机绕组线圈7电流的通断时刻和通断时间，最后实现启动发动机、电机反接制动、再生制动(发电)和车辆加速助力的工作模式。控制模块(14)根据旋转变压器(6)反馈的信号或驾驶员的指示，通过调节缓速器线圈8中的电流大小，来控制制动力矩大小。
缓速器转子1凸极外圆和缓速器定子9内壁之间保持0.8mm间隙；电机定子3外圆与缓速器转子1内圆之间保持0.8mm间隙。
该缓启发一体机具有车辆缓速制动、启动/助力发动机和主动抑制曲轴系扭振三种功能。
缓启发一体机的车辆缓速制动功能有三种工作模式。
模式一：车辆紧急制动且车辆蓄电池13电量超过满电提醒值时，缓启发一体机控制模块14控制永磁同步ISG部分开启反接制动，同时将蓄电池13的电流通入缓速器线圈中，从而实现电涡流缓速器部分制动与永磁同步ISG部分反接制动的联合；模式二：车辆紧急制动且车辆蓄电池13电量未超过满电提醒值时，缓启发一体机控制模块14控制永磁同步ISG部分开启再生制动，同时将蓄电池13的电流通入缓速器线圈中，从而实现电涡流缓速器部分制动与永磁同步ISG部分再生制动的联合；模式三：轻度制动且车辆蓄电池13电量未超过满电提醒值时，缓启发一体机控制模块14控制永磁同步ISG部分开启再生制动；模式四：轻度制动且车辆蓄电池13电量超过满电提醒值时，缓启发一体机控制模块14将蓄电池13的电流通入缓速器线圈中，根绝所需制动力矩的大小控制通入电流的强度。
缓启发一体机实现启动/助力发动机的功能。当车辆实现电动助力时，控制模块14切断缓速器线圈8中的励磁电流，控制模块14通过控制永磁同步ISG绕组线圈5的通电开始时刻和导通时间，从而实现电动助力的功能。
车辆行驶时，通过旋转变压器6检测发动机曲轴的扭振形式反馈给控制模块14，控制模块14控制蓄电池13为永磁同步ISG部分的电机绕组线圈7通电并调整电机绕组线圈7中电流的相位，并控制蓄电池13为电涡流缓速器部分的缓速器线圈8通电，起到抑制发动机曲轴扭振的作用。

Claims (10)

1.一种动力端缓启发一体机，其特征在于：包括电涡流缓速器部分、永磁同步ISG部分、旋转变压器(6)、控制模块(14)、功率变换器(12)、蓄电池(13)；其中
缓速器部分包括：包括缓速器转子(1)、缓速器定子(9)、缓速器线圈(8)；缓速器转子(1)为齿形圆环，其轴向两侧圆周均匀分布凸极齿；缓速器定子(9)固定在飞轮壳(4)上，缓速器转子(1)与发动机曲轴(5)相连，缓速器线圈(8)为集中绕制的独立线圈，且缓速器线圈(8)固定在缓速器定子(9)上，缓速器线圈(8)通过功率变换器(12)与蓄电池(13)相连；
永磁同步ISG部分包括：电机定子(3)、电机绕组线圈(7)和永磁体(2)，该永磁同步ISG是一种内嵌式三相永磁同步ISG，其中永磁体(2)安装在缓速器转子(1)上，电机绕组线圈(7)绕制在电机定子(3)的凸极上，电机绕组线圈(7)通过功率变换器(12)与蓄电池(13)连接；
控制模块(14)通过旋转变压器(6)获得缓速器转子(1)和电机定子(3)凸极的相对位置信号，控制模块(14)的一路输出连接到功率变换器(12)的控制端，调节缓速器线圈(8)和电机绕组线圈(7)中的电流大小；其中旋转变压器(6)固定在飞轮壳(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种动力端缓启发一体机，其特征在于：蓄电池(13)通过两条线路连接到功率变换器(12)上；第一条线路通过功率变换器(12)为缓速器线圈(8)供电；第二条线路通过功率变换器(12)为电机绕组线圈(7)供电，并将永磁同步ISG发电时回收的电能存储到蓄电池(13)中。
3.根据权利要求1所述的一种动力端缓启发一体机，其特征在于：永磁同步ISG的电机定子(3)由硅钢片制成。
4.根据权利要求1所述的一种动力端缓启发一体机，其特征在于：缓速器线圈(8)的导线和电机绕组线圈(7)的导线分别通过导线管(11)引到外部，与功率变换器(12)相连。
5.根据权利要求4所述的一种动力端缓启发一体机，其特征在于：旋转变压器(6)的导线引到外部，其信号输出与控制模块(14)相连。
6.根据权利要求1所述的一种动力端缓启发一体机，其特征在于：缓速器转子(1)凸极外圆和缓速器定子(9)内壁之间保持0.8mm间隙，电机定子(3)外圆与缓速器转子(1)内圆之间保持0.8mm间隙。
7.根据权利要求1所述的一种动力端缓启发一体机，其特征在于：缓速器定子(9)与缓速器线圈(8)之间有冷却水，并将缓速器线圈浸泡在冷却水中，该冷却水与发动机冷却水循环，起到散热的作用；
永磁同步ISG通电后旋转带动发动机曲轴转动，起到启动发动机的作用；
缓速器转子的转动惯量与发动机飞轮的转动惯量一致，其作用如同一个能量存储器，起到储存发动机做功冲程外的能量和惯性的作用；
车辆起步后在低速行驶时永磁同步ISG为车辆加速提供辅助动力。
8.根据权利要求1所述的一种动力端缓启发一体机，其特征在于：车辆制动时，车辆蓄电池电量超过充电值的情况下，控制模块(14)控制蓄电池为永磁同步ISG通电，并调整电机绕组线圈(7)中电流的相位，起到抑制永磁同步ISG转子(2)转动的作用，从而使车辆减速。
9.根据权利要求1所述的一种动力端缓启发一体机，其特征在于：车辆制动时，车辆蓄电池(13)电量低于充电值的情况下，控制模块(14)停止蓄电池(13)为永磁同步ISG供电，永磁同步ISG转换为发电模式，为蓄电池(13)充电，并起到抑制永磁同步ISG转子(2)转动的作用，从而使车辆减速。
10.根据权利要求1所述的一种动力端缓启发一体机，其特征在于：车辆行驶时，通过旋转变压器(6)检测发动机曲轴的扭振形式反馈给控制模块(14)，控制模块(14)控制蓄电池(13)为永磁同步ISG部分的电机绕组线圈(7)通电并调整电机绕组线圈(7)中电流的相位，并控制蓄电池(13)为电涡流缓速器部分的缓速器线圈(8)通电，起到抑制发动机曲轴扭振的作用。
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