CN1294439A - 发电电动发动机 - Google Patents

Abstract

一种发电电动发动机,它由发动机,它由摩托车发动机汽缸体、外转子稀土永磁发电机、外转子多态电动机及控制驱动器组成,发电机4极或6极,电动机40极或60极,电池通过驱动器启动和低速行走;汽油发电常速行车。发电机有供电、启动、点火和充电四合一功用;电动机有行车、刹车、再生发电三合一功用。该机内无离合器、齿轮、皮带、启动电机和磁电机,具有节能、环保、低噪声、高效和少故障,适用混合动力电动车,可使整车前后双轮或多轮全驱动。

Description

发电电动发动机

本发明涉及一种发电电动发动机，尤其是没有机械变速齿轮和机械传动装置的发电电动型，可直接驱动车轮转动行走的装置。

目前，公知的摩托车发动机内的活塞往复运动，通过曲轴旋转带动机械摩擦离合器、减速齿轮系，链条或三角皮带、驱动摩托车后轮行走，而发动机起动用的直流电动机，也必须通过减速齿轮及脱扣机构，才能实现电机起动，另外发动机还须用飞轮型磁电机，用于汽缸内点火和供电池充电及整车用电。由于发动机内机械另部件多，加工精度高，为保持良好工作状态，必须使用润滑油油箱，使所有机械件处于润滑油箱中工作，并且还须常年多次更换润滑油，即使如此，免不了机械另部件的磨损，产生随使用期延长，噪声显著增大，同时使系统的传动效率减少，由于这种机械传动和变速方式的发动机，多种另部件的加工材料多、加工工艺要求高而复杂，组装和密封要求高，使用过程中的运行费高。

本发明的目的是提供一种发电电动发动机，它不但减去了上述许多机械传运和变速另部件，而且减少传动噪声，延长使用寿命，无须经常更换润滑油。本发明是这样实现的：在摩托车的发动机的曲轴伸出端。安装永磁三相交流发电机，在发动机壳体箱另一端，安装外转子型三相永磁多态(异步工作和同步工作两种状态共存)电动机，由于发动机曲轴的转速是由油门控制，因此也就实现了发电机了发电机转速由有油门开闭大小的控制，使永磁发电机的输出电压V与频率F得到V／F变频调压输出，三相交流的变频调压电源输入三相多态外转子电动机，而该电动机直接紧固在车轮上，因而实现了油门调节控制车速的无级变速行走；发动机是高速运行，一般其转速在1000至9000r／min有的还更高，而车轮要求在几十至1000r／min左右，这样还要求发动机至车轮之间获得10：1左右的减速，在本实用新型中是把发电机设计为4极或6极，把电动机设计为40极或60极来实现的。用交流双向可控硅元件串接在电路中来实现电动机的通、断电控制，它相当于机械离合器的作用，而三根输电馈送电能就相当于机械链条或皮带传递机械能的作用。由于该发电电动发动机中的发电机转速高，因此设计成外转子圆筒形，适应高速运行工况不致造成永磁体逸出而损坏。

由于采用上述发电电动发动机方案，可以显著减少已有机械传动发动机的另部件数，减少加工工艺和材料的损耗，提高产品质量和减少运行维修费用，这是因为发电机和电动机的故障少、而且其传递能量的系统效率是不随使用其延长而降低。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是发电电动发动机的基本结构剖面图。

图2是发电机结构半剖面图。

图3是发电机外园筒、叠片、永磁体剖面图。

图4是电动机结构半剖面图。

图5是电动机外壳、叠片、永磁体、转子导体剖面图。

在图1中，1．发动机壳体2．曲轴3．发电机4．电动机5．固定轴6．控制-驱动器7．8．9．罩盖10．11．固定压板12．锁紧螺母13．风扇14．活塞杆15．16．点火感应器及其转动导磁铁块。

在图2中，2．曲轴3．发电机14．活塞杆16．点火感应器的转动导磁铁块17．空心轴18．外园筒19．风叶20．永磁体21．导线绕组22．定子叠片23．绝缘板24．轴承套25．轴承26．固定板27．轴承限位套28．紧固螺母。

在图3中，18．外园筒20．永磁体22．定子叠片。

在图4中4．电动机5．固定轴29．右端盖30．左端盖31．右轴承盖32．左轴承盖33．外转子叠片34．外壳35．永磁体36．转子导体37．定子叠片38．导线绕组39．轴承40．紧固轴套41．引出导线。

在图5中，33．外转子叠片35．永磁体36．转子导体37．定子叠片42．嵌线槽。

在图1中的活塞杆(14)是联接至发动机汽缸内的活塞上，发动机这一部分包括汽缸体、汽缸盖、火花塞、化油器、排气管及油箱，因这部分是已有技术、图1中未绘出。风扇(13)旋转后从罩盖(7)的通风孔中吸入空气，再从弯管中向发动机汽缸体四周流出，对发动机汽缸体进行强迫风冷，发动机汽缸体外加导流罩。已有技术的踏板座式摩托车多采用强迫风冷装置。控制-驱动器(6)内包括两台无刷电机的电子逆变器、PWM(开关电源脉宽调制器)和三相交流可控开关。这部份是已有的成熟技术(可参考《直流无刷电动机原理及应用》张琛编著及《电机控制专用集成电路》谭建成主编，电气自动化新技术丛书，机械工业出版社1996年和1997年出版)，制作或选用专业厂家供货。

在图1和图2中的发电机由于直接安装在发动机曲轴上，其转速一般在1000至10000r／min，有的发动机曲轴转速达到13000r／min以上，因此发电机设计成外磁场旋转型，其作用是：一是具有飞轮作用，可使曲轴旋转时容易克服死点；二是永磁体受高转速离心力作用，不致象内转子发电机那样易产生逸出而遭损坏；三是对永磁发电机相同体积尺寸比较，外转子发电机容量较内转子发电机容量较大，这是因为内转子永磁发电机的容量较内转子发电机容量较大，这是因为内转子永磁发电机的旋转的永磁体，需要非导磁性圆筒紧固，使导磁气隙相对增大，降低了气隙磁密。造成发电机容量减少。图2中发电机的结构特点是：空心轴(17)、外圆筒(18)、风叶(19)、永磁体(20)构成发电机(3)的外转子部份；该部份是通过空心轴(17)直接安装在发动机曲轴(2)的伸出端，并用弹簧垫圈和紧固螺母(28)装紧在曲轴(2)上，达到与发动机曲轴同速旋转；发电机定子部份由定子上的导线绕组(21)、定子叠片(22)、绝缘板(23)、轴承套(24)、轴承(25)和固定板(26)组装后，通过固定板紧固联接在发动机壳体(1)上，引出线联接到控制-驱动器(6)中，在发电机外转子壳体园筒上还安装有凸起的铁块(16)，它是点火感应器(15)的转动磁路部份，这是已有技术磁电机上电子点火系统移植过来的，目的是使该设计发电机达到一机多用，如已有技术发动机上的磁电机不必安装，用该设计发电机，可以起到磁电机对汽缸点火，对整车供电和对车载蓄电池浮充电，同时又可起到整车行走动力供电和通过电子逆变驱动器作为起动电机用，因此，该发电机可实现点火、充电、供电、电起动四种功能合而为一，或称为四合一电机。图3中是发电机外圆筒、叠片、永磁体剖面图，图中绘出的是4极24槽外转子发电机结构剖面，图3中所示4块永磁体剖面为不同心圆磁钢断面，它使得磁场分布近似正弦分布，一块N极相邻一块S极排列，永磁体(20)的材料为稀土永磁钕铁硼(NdFeB)或钐钴(SmCo)。

定子导线绕组(21)可按现有电机4极绕组分布，采用波绕组或叠绕组均可、极距安1-6槽绕制；该设计发电机还可按6极电机进行计算，这样图3中的外圆筒(18)上粘结的4块瓦形稀土永磁体(20)更换为6块，每块永磁体占的90°变为60°，一块N极一块S极相邻排列，构成的不是4极而是6极发电机的外转子，应相改变的是定子叠片冲槽数，由24槽改为36槽，按6极电机绕组嵌线。

在图4中，电动机(4)右端盖(29)和左端盖(30)通过轴承(39)支承外壳(34)、外转子叠片(33)、永磁体(35)、转子导体(36)以及左、右轴承盖(32)、(31)构成电动机的外转子；电动机的定子部分是由固定轴(5)、紧固轴套(40)、定子叠片(37)、导线绕组(38)组装构成。引出导线(41)联接到控制-驱动器(6)中。转子和定子通过轴承(39)保持一定气隙。在图5中是电动机外壳、叠片、永磁体、转子导体剖面图，该图说明该外转子电动机的结构特点。图5中(33)外转子叠片上的宽槽为20槽，粘结20条永磁体，永磁体(35)的材料为稀土永磁钕铁硼(NdFeB)或钐钴(SmCo)。20条永磁体的同极性N极或S极都指向电动机轴心放置，相邻的铁芯齿部自然形成与永磁体相反的极性，这样就形成40极的电动机；若在外转子叠片(33)上，开有30个宽槽，粘结30条永磁体，则可形成60极的电动机。外转子叠片(33)上又开有40条窄槽，它是用来安置裸扁铜导体，构成转子导体(36)，该导体两端伸出外转子叠片(33)的端部折弯后焊接成环，构成外转子鼠笼型异步电动机的导体；若按60极电机设计，窄槽需要60条，裸扁铜导体为60，构成外转子鼠笼异步电动机。当外转子为40极时，定子叠片(37)上的嵌线槽(42)为36槽；当外转子为60极时，定子叠片(37)上的嵌线槽(42)为54槽。

当该电动机外转子上既有永磁体，又有鼠笼导体时，就形成了一种异步、同步两种工作状态的“多态”电动机，该电动机的优点是，可以异步起动和同步运行，改善了已有技术永磁同步电动机起动困难的缺陷。另外在摩托车的整车设计中，可以安装两台电动机，作为两轮摩托车的双轮驱动用，还可装在三轮摩托车上，作为三轮摩托车的全轮驱动方式，既改善了摩托车的驱动方式，提高整车越野性能，又可以允许摩托车拐弯时各车轮间产生的差速，差速时各轮间的电动机有的为异步运行，有的为同步运行，直道行驶时，各轮上的电动机又可为同步运行。在电动汽车上亦可实现上述异步、同步两种运行方式。因此，多态电动机在电动车的车轮直接驱动上是必要和有利的。

三相40极或三相60极电动机的定子叠片槽数，分别为36槽和54槽，按36槽40极电动机为例，每相12槽，绕成12只导线绕组，每极每相3只导线绕组，绕组方式为，第一极A相1-4槽，B相4-7槽，C相7-10槽，第二极、第三极、第四极A、B、C相分别是：A相10-13、19-22、28-31；B相13-16、22-25、31-34，C相16-19、25-28、34-1槽，形成三相叠绕组，每极下每相三只绕组的中间一只绕组反方向嵌入线槽中，每只绕组的两条边分别嵌入相邻的线槽中，构成最短的跨距，这样可以减短导线绕组的端部，从而减小导线电阻和损耗，提高电机效益是十分有利。对于54槽电动机，采用上述同样的方式嵌制，每相为18只导线绕组，每相6极，各相嵌线占用槽数按上述方法顺序推算。

由于该发电电动发动机，外转子发电机和外转子车轮电动机均采用稀土永磁材料制造，因此具有体积小、效率高，系统效率可以达到80％左右，达到已有汽油发动机踏板摩托车机械传动的系统效率，因而该发电电动发动机，可以充分利用我国(中国)稀土丰富资源，提高摩托车发动机质量，实现燃油发动机发电电动和电池两种能源的双动力“混合动力电动摩托车”。这对于节能、环保和减小运行费用是十分有利的。

本发明实施中应注意的问题是：一、发动机额定输出功率大于发电机功率，并留有10-15％富余容量；发电机功率大于电动机功率，并留有20％-30％富余容量，这是因为电动机及发电机均有短时过载或启动超载。本发明的发动机选用重庆普林机械厂制造的F139型四冲程发动机，其额定输出功率为2．3KW／8000r／min，发电机设计为1．8KW／8000r／min，电动机设计为500W／800r／min两台电动机分别安装在摩托车前后轮上。

该设计整车为混合(复合)动力电动(EV)系统摩托车，当车载电池供电时，仅使用一台电动机低速工作，当需要高速行车时，可通过控制器自动切换为发电机供电，两台电动机同时工作。其优点是：因车载电池容量有限，加上低速多为城区内行走，而城郊高速行车，需加大驱动功率，可前后两台电机双驱动同时工作；对于摩托车发动机可以消除低速工况，使发动机始终工作在经济油耗范围，并消除了怠速排污大的不利工况，这对减少城区摩托车排放污染环境有利。

本发明提供的原始资料有：一、发电机设计图纸一套；二、电动机设计图纸一套；三、新产品介绍复印件一页；四、混合动力电动摩托车可行性分析一份；五、产品照片3张。

Claims (5)

1．一种发电电动发动机，它是在已有摩托车发动机中，不用机械离合器、变速齿轮、穿链或皮带、启动电动机、磁电机装置，直接由发动机曲轴带动发电机，输出三相交流V／F变频电源，驱动车轮上的外转子电动机使摩托车行走，其结构有汽油发动机、发电机、电动机、驱动-控制器、发动机壳体，其特征是：

a．在发动机壳体(1)上安装有曲轴(2)、发电机(3)、电动机(4)控制-驱动器(6)、点火感应器(15)和(16)、风扇(13)、罩盖(7)、(8)、(9)、电动机轴(5)及其夹板(10)、(11)固紧螺母(12)、活塞杆(14)及其顶部的发动机汽缸体；

b．发电机(3)的空心轴(17)、外圆筒(18)、风叶(19)、永磁体(20)构成发电机外转子，直接紧固在发动机曲轴(2)上，导线绕组(21)、定子叠片(22)、绝缘板(23)轴承套(24)、轴承(25)和固定板(26)组装构成发电机内定子；

c．电动机(4)的右端盖(29)、左端盖(30)、右轴承盖(31)、左轴承盖(32)、外转子叠片(33)、外壳(34)、永磁体(35)转子导体(36)和轴承(39)构成电动机外转子，定子叠片(37)、导线绕组(38)、固紧轴套(40)、固定轴(5)及引出导线(41)构成电动机内定子。

2．根据权利要求1所述的发电电动发动机，其特征是：发电机(3)的外圆筒(18)上粘帖4块或6块瓦形稀土永磁体(20)，每块永磁体占90°或60°，一块N极一块S极相邻排列，构成4极或6极发电机；定子叠片(22)上的槽数为24槽或36槽。

3．根据权利要求1所述的发电电动发动机，其特征是：瓦形稀土永磁体(20)的材料为稀土钕铁硼(NdFeB)或钐钴(SmCo)。

4．根据权利要求1所述的发电电动发动机，其特征是：电动机的外转子叠片(33)上开有20个或30个宽槽，40个或60个窄槽，宽槽中粘贴永磁体(35)，其相同极性指向电动机轴心，窄槽中嵌入扁形裸铜转子导体(36)，导体伸出叠片的端部折弯后焊接成环，构成外转子鼠笼型异步电动机的导体；定子叠片(37)沙锅内发的嵌线槽(42)为36槽，对应20块永磁体，构成60极电动机。

5．根据权利要求1所述的发电电动发动机，其特征是：电动机外转子上永磁体(35)的材料为稀土永磁钕铁硼(NdFeB)或钐钴(SmCo)。

Images