CN1599210A - 集成一体化永磁同步起动发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成一体化的永磁同步起动发电机，在车内与发动机同轴连接。电机采用外定子内转子结构，转子由电机轴筒、左右轴盖、梯形轭铁、永久条形磁极组成。轴筒具有一定厚度，其外侧有嵌轭铁的凹槽，内部中空；梯形轭铁上下两边是同心圆弧，每相邻的两个梯形轭铁的外圆沿弧向边沿彼此结合在一起，构成一个几乎接近封闭的楔形空间，条形永久磁极嵌入这个楔形空间内，每一轭铁两侧安装的条形磁块的极性相同；梯形轭铁内弧台阶伸入到左右电机盖中，从而将梯形轭铁固定在电机轴筒上。条形永久磁铁由NdFeB永磁材料制成。在汽车中应用，电机具有提供大电动功率、发电功率和动力辅助，能快速实现低温起动，减少环境污染、节省燃油优良效果。

Description

集成一体化永磁同步起动发电机

技术领域

本发明属于机械领域，具体涉及一种ISG(integarted starter generator)电机，就是集成一体化的起动发电机，这部电机具有两种工作状态，可根据实际需要运行在电动机状态或发电机状态。

背景技术

本发明的初衷是设计一种在同一工作过程中能实现电动机和发电机两种运行状态的电机，这种电机主要迎合汽车、轮船等的混合动力的改造。当前的汽车轮船等交通运输工具的动力主要由发动机燃烧燃油产生传输动力。此种动力传输方式从下述方面显示出日渐明显的缺点，从功能上看：1、燃油燃烧所产生的废气、毒气对环境造成的极大的污染，这些污染除了发动机燃油的正常排放，大部分是发动机燃油燃烧不充分造成的，而发动机燃油燃烧不充分一般发生在汽车低温起动、低速升高速及因交通拥挤造成汽车走走停停等的情况下；2、低温下的冷起动十分困难，一是低温下燃油不宜点燃，二是传统的起动机功率较小，因此带动发动机转动速度低，使燃油燃烧不充分，不宜起动；3、另外汽车、轮船等还存在的一个困扰就是因对汽车舒适性及混合动力的要求而不断增加的电仪器设备等对电能的大量需求，而现有的汽车轮船上的电机设备远不能满足需要。

现有汽车起动电机和发动机的位置及工作原理如附图1所示，汽车要行走，必须有动力，动力来自于发动机。通常的发动机处于工作状态时，由发动机气缸中的活塞做上下往返运动来带动曲轴转动，曲轴再将动力传给下一级传动系(如变速箱)，如此逐级传动最终带动车轮运转。而发动机由静止状态转入工作状态(即由静止到转动)却需要借助外界力量，通常使用电动机来带动发动机起动，这里的电动机就是起动电机。从其结构来看，通常的起动电动机就是普通电动机，具有普通电动机的结构，不同的汽车根据侧重的功能采用不同的电动机设计结构；而且现有的起动电机和发动机的位置不是同轴相连的，而是分别连在变速箱上。通常的汽车结构中还有个发电机，为整个汽车的用电设备提供电源，还有个储存电能的蓄电池(亦称电瓶)。发动机在工作时，通过皮带带动发电机运转，发电机发电向汽车的用电设备提供电能，同时向蓄电池充电，即发电机消耗部分传动的机械能将其转化为电能存储起来；发电机不发电时，汽车使用贮存在蓄电池中的电能。

而ISG电机与传统电机相比，由于将传统的单个的起动机和发电机功能由一个ISG电机实现，且ISG电机在车内的布置是与发动机的曲轴直接相连，这与传统起动机和发电机分别通过变速箱与发动机相连不同，这种布置既可使ISG电动机以极小的损耗提供电动力矩，又可提高发电机效率。

ISG电机可采用异步电机也可采用同步电机实现。异步动机运行时定子绕组接在交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩，所以异步电机又叫感应电机。

ISG异步电机在日本和欧美国家已有发明和研究，从其发布的部分参数和功能来看，它一般采用鼓式转子和盘式转子结构，盘式转子结构电机一般采用双定子结构，虽然它的发电机功率6KW时效率大于80％，但考虑两个定子的拉力等因素，使它的设计费用比较昂贵。而鼓式电机的最小起动扭矩为200Nm，而且发电机功率仅在4KW时系统效率大于80％，可见发电机效率不是很高。

总的来说，异步电机的缺点是：1、效率低；2、结构上不适合汽车、轮船等交通运输工具的震荡的环境；3、异步电机控制比同步电机复杂。

同步电机一般在定子上放置电枢绕组，在转子上装磁极，磁极上套励磁绕组，如用永久磁铁做成磁极，即为永磁同步电机。当作为发电机运行时，由发动机拖动电动机的转子旋转，永磁铁产生的磁场与定子导体之间有了相对运动，在定子绕组中就会感应交流电动势；如作为同步电动机运行时，则在电机的定子绕组加上三相交流电，该三相交流电由车载电平通过逆变电路实现，则会在电机里产生旋转磁场，带动永磁磁铁转动。交流电动势的频率f取决于极对数p和转子的转速，f＝pn/60，可见当极对数一定时，永久磁场的转速和电枢电流产生的旋转磁场的转速有严格的关系，此即所谓同步，所以能产生稳定转矩。

发明内容

本发明的目的是提供一种全新结构的集成一体化永磁同步起动发电机，该电机在汽车、轮船等交能运输工作中，既能代替起动机实现电动机功能，又可代替发电机实现发电功能。它不同于起动机安装在变速箱上，也不同于发电机通过皮带轮与发动机连接，而是直接安装在曲轴上，与发动机同轴连接，如图2所示。

本专利将汽车传统的起动机和发电机两个电机设计成一个电机，采用外定子内转子结构，该电机一般呈立式扁平状结构，在汽车中应用时，电机转子固定在发动机的曲轴上，永磁体磁极放置在转子上随轴转动；定子固定在飞轮壳中，电枢绕组放置在定子上，电机轴两端分别与汽车发动机曲轴和飞轮相连，而飞轮和ISG电机都处于飞轮壳里，如图3所示。实际应用中，多数因受到安装位置的限制，故采用轴向较短的结构(与直径相比较)。

本发明所述电机采用内转子式永磁无刷同步电机，定子48槽，放置电枢绕组8组(每组各含通abc三相电的三组线圈)，形成电磁场16极，在转子上安装永久磁铁16极，形成16极永久磁场。转子结构为横向结构，横向结构的转子槽内放置永磁体，此种结构提高了气隙磁通密度、有效地缩小了电机体积、减少永磁体的用量、减低了电机成本。定子铁心采用硅钢铁片叠压而成，冲片涂绝缘漆，提高叠装系数；定子压卷为反磁钢板，降低附加损耗，线卷用聚酰亚胺漆包线，以及定子绕组压力真空浸漆新工艺。绕组结构采用了分数槽绕组(参考感应电机)，保证电压波形，对地绝缘采用NHN复合箔。为有效削弱场强，在专用的绕组结构中将电感设计得很大。

如图4所示为6极电机、转子6极磁极、定子绕组三组的永磁同步电机结构示意图，本专利所述16极电机的16极转子磁极，16组定子绕组的结构布置原理与此相近。从图4可以看到6极电机的定子绕组布线图，如图所示，因是六极电机，定子绕组也要产生六个磁极(三对极)，当a相通电时，如果说a(-a)产生一对磁极，则aa(-aa)、aaa(-aaa)产生另外两对磁极，同理b、c通电时也分别产生三对磁极。而且对于只有一组绕组的电机通a、b、c三相交流电，各相电角相差120°，对于6极电机来说，需要三组这样的绕组，即a(-a)、b(-b)、c(-c)一组，aa(-aa)、bb(-bb)、cc(-cc)一组，aaa(-aaa)、bbb(-bbb)、ccc(-ccc)一组，各相之间均相差120度电角度，这里假设各相仅有一个线圈，根据电机公式电角度＝(极数/2)空间角度，可知三组绕组9个线圈(a、-a为一个绕组线圈)在空间以相隔40度空间角度分布，即a、b、c、aa、bb、cc、aaa、bbb和ccc之间彼此相隔40度空间角度，同理各负相间也相隔40度空间角度；又因当a相通电时，由a(-a)、aa(-aa)、aaa(-aaa)产生对应转子的六极磁极，故它们彼此间相差60度空间角度，由以上推知布线位置应如图四(a)。配合上述的布线方式，定子绕组的接线方式是Y型接法。

我们设计的电机是16极，也通a、b、c三相交流电，则对于16极电机来说需要8组这样的绕组，布线原理、位置同6极电机相同，参看图四(a)，8组绕组彼此为Y型接法，接线原理方法同6极电机接线相同，如图四(b)。

如图5所示，电机转子由电机轴筒、左轴盖、右轴盖、轭铁、条形永久磁极组成，轴筒由具有一定厚度的无磁不锈钢材料制成，其外侧沿圆周等距离分布有嵌轭铁的凹槽，内部中空；轭铁沿电机轴向呈梯形，其上下两边是同心圆弧，每相邻的两个梯形轭铁的外弧(远离电机轴的一侧)的外圆(6)沿弧向边沿彼此结合在一起，构成一个几乎接近封闭的楔形空间，条形永久磁极嵌入这个楔形空间内，每一轭铁两侧安装的条形磁块的极性相同；梯形轭铁内弧体轴向两端有比轭铁其余部分突出的内弧台阶，轭铁内弧体嵌入轴筒的凹槽中，内弧台阶沿轴筒凹槽伸入到左右电机盖中，从而将梯形轭铁固定在电机轴筒上；左右轴盖与电机轴筒固定安装在一起。

当本专利的起动电机在汽车中应用时，与电机轴筒固定安装在一起的左右轴盖再分别与汽车发动机的曲轴(通过接口法兰)及飞轮连接，轴筒与发动机曲轴及飞轮同步转动。

如图6所示，单块轭铁的形状从电机轴一端看进去如梯形，上下两个边是同心圆弧。其远离电机轴的一侧(构成梯形上边的弧形外圆的一侧)相邻两个轭铁的边沿沿弧向彼此结合在一起，构成一个几乎接近封闭的楔形空间，条形磁铁块则嵌入这个楔形空间内，随轴而转，同时两块轭铁紧紧夹住磁块，这样无论电机轴怎样转动，磁块都不会被甩出，也防止磁块因受震动而损坏。从图中的右视图可以看出，其连接电机轴的另一侧(构成梯形轭铁块的下边的弧形外圆的一侧)沿轴向比上边大圆伸出一些，这个伸出部分是起固定轭铁作用，电机轴上有嵌轭铁的凹槽，轭铁块就嵌入这个凹槽中，电机轴上的凹槽底部继续伸入到电机盖中，则轭铁块下边的内弧台阶沿电机轴向伸出的部分就可以嵌入到这里，伸入到轴盖下，轴盖就可以将其固定在电机轴上，而不会被电机轴转动时产生的强大的离心力甩出。从而将其牢牢固定住。

如图7所示，单块轭铁是由轭铁胚加工出来的。一块具有一定厚度符合尺寸要求的完整圆柱形纯铁胚<图7(a)>，被加工成内外两个圆柱体结构，其内圆柱体沿轴向两侧均高出外圆柱<图7(c)>，形成沿轴向向外突出的内圆柱台阶形状，这是为了保证铁胚被加工成单个梯形轭铁块时，每个轭铁块下面的圆弧两端都有沿轴向伸出的部分，以便安装时该突出部分能伸进电机轴上被轴盖盖住的凹槽内。接下来再利用线切割机将圆柱铁胚等分成16部分，再切割成彼此独立的梯形轭铁块，并且梯形轭铁块的外圆能够彼此连接成标准圆滑曲线，构成几乎接近封闭的楔形空间，形成如图7<d>所示的形状，内圆柱体具有向外突起部分(内弧台阶)，在转子总装时插入轴筒的槽内，与轴安装在一起，起固定轭铁的作用，最后铁胚的中间部分被掏空，这样单个轭铁块就加工出来了。

磁铁块做成长方体形状，楔入到两个梯形轭铁中间形成磁极。磁极可采用任何磁性材料，做为本发明最优选的实施方式是采用NdFeB永磁材料。NdFeB磁块设计成这种形状可使材料达到最优的磁特性，具有最大的磁能积，并且可最大限度的节省磁性材料的使用，节约成本，长方体磁铁可经冲磁使其一侧为N极，另一侧则为S极。在轭铁的楔形空间内，相邻磁极的极性相反放置，即第一磁极的N极、S极、第二磁极的S极、N极、第三磁极的N极、S极，以下类推，从而使得每个轭铁两侧的磁体极性相同。轭铁嵌在轴筒上的凹槽内，由左右轴盖固定。轴筒采用的材料是具有一定厚度的1Cr18Ni9Ti无磁不锈钢或其它类似材料，目的是阻断磁力线通过轴筒形成闭合磁路，在这种情况下，轭铁两侧的两个相同极性的磁力线就被从轭铁表面逼出，在轭铁的表面形成与轭铁两侧磁块极性相同的极性，如图8所示，如此在轭铁的表面就形成了N极和S极交替的情形。

电机采用NdFeB磁性材料做转子磁极，NdFeB是第三代稀土永磁材料，它含有稀土元素Nd和铁族元素及B元素，在制造工艺上主要采用快萃法、热挤压法等工艺。粉末冶金法生产Nd-Fe-B系永磁体的工艺流程为：原材料—冶炼—制粉—磁场取向与压力成型—烧结与热处理—机械加工—表面处理—检测。目前，开发廉价钕铁硼永磁材料的途径，主要集中在四个方面；即采用富钕混合稀土作原材料，取代纯钕金属；采用还原—扩散工艺制备磁粉，采用熔体快淬技术和开发粘结磁体等。

采用NdFeB材料作永磁磁极的优点：

1、NdFeB的磁性能优异，是目前的稀土永磁材料中磁能积最高的材料(磁能积是指单位体积存储和可利用的最大磁能密度的量度，即所说磁性最强，用(BH)max表示)，磁能积已达300kJ/m³，其磁能积的理论值达526.4kJ/m³(66MGOe)。它能吸起相当于自身重量640倍的重物。传统的永磁同步电机一般采用铁氧体材料作永磁磁极，NdFeB的磁能积是铁氧体的十余倍。我国90年代研制的NdFeB磁能积已高达392kj/m³。高的磁能积使NdFeB与其他材料相比在产生同等磁场强度的情况下所用材料体积最小，因此用它来制造永磁发电机使转子的构造空间比用励磁绕组或其他永磁材料所构成的转子所需空间要小得多，可以显著缩小电机体积，有利于在汽车等有限的空间内输出电机扭矩及功率；因其磁性强，可减少永磁材料的使用，降低了成本，提高了效率，改善了性能且价格低廉。

2、NdFeB磁性材料具有高矫顽力和内禀矫顽力(分别为850KA/m和1980KA/m)，它们是抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度。因其具有高矫顽力和内禀矫顽力，永磁性不易受外界磁性和非磁性环境因素的干扰，有助于提高系统的可靠性；

3、与其它的稀土永磁材料相比，NdFeB的机械性能较好，不易破碎。尤其适用于汽车等震荡的环境。

4、NdFeB的居里温度较低，居里温度为320摄氏度(所谓居里温度是指磁性材料在超过一定的温度点则磁性消失，这个温度点就是该磁性材料的居里温度)。NdFeB磁性材料在接近居里温度时磁性变化明显，磁性材料温度稳定性常用矫顽力Hc和剩磁Br(永磁体经磁化至技术饱和，并去掉外磁场后，所保留的Br称为剩余磁感应强度。简称为剩磁。所谓技术饱和是指各项磁性参数随磁化强度的增加变化很小。所谓矫顽力是指)温度系数表示，表示每升高1℃，矫顽力和剩磁的相应改变量，单位为[％/℃]。NdFeB Br温度系数偏高(a＝-0.12％/t)，矫顽力温度系数亦偏高，约0.70％/℃。例如三元Nd-Fe-B永磁材料(Neomax35)的退磁曲线和磁参量随温度的变化分别如图9所示。可见随温度的升高，矫顽力的降低比Br、(BH)max的降低更快一些。温度升高至250℃时，Hc已降低到零。对于磁性材料来说，剩磁Br和矫顽力Hc要求它们随温度变化越小越好。NdFeB温度远低于居里温度时磁性能较好；在温度升至约250℃时，磁性能已非常低。 ☆《稀土永磁材料的开发和运用》作者：任伯胜等1989年12月第1版 ☆《稀土永磁材料的开发和运用》作者：任伯胜等1990年12月第1版

这种材料在电磁感应中明显地表现出的对温度的依赖性的特点不仅给发电机运行而且还给电动机运行带来了好处。

A、随着温度的下降，永久磁铁的磁性感应上升。从图9上可以看出，温度在0-50℃时NdFeB的各项磁性能最强，尤其是磁能积(BH)max最高，也就是说磁性最强，由此电机在冷起动时比在热电机中由于具有较高磁能积，故而可以达到更高的扭矩，即电磁转矩。电磁转矩与电枢电流和气隙磁通的关系为T＝CφIa(T为电磁转矩，C为常量，φ为气隙磁通，Ia为电枢电流)，其中气隙磁通主要由转子永久磁铁的磁场产生的，常温下永久磁铁磁性不变，当温度下降时，NdFeB磁性上升，由此产生的气隙磁通增强，电机的电磁转矩随之增加，产生比常温下更高的扭矩。在冷起动时要达到常温下相同的起动扭矩，电动机电枢电流即蓄电池电流可以相应地降低。

B、在ISG系统应用中需要一个很大范围的恒定功率，要求磁场衰减比在1∶10至1∶40之间，所谓磁场衰减比是指带恒定力矩的转速范围与带恒定功率的转速范围之比。当发电机高温度运行时，磁性感应下降，可自动达到场强衰减。

C、NdFeB永磁材料中所含的稀土元素在我国广有分布，蕴藏丰富，这将大大降低电机的制作成本，使电机在具有高使用性能的情况下其制作成本却远低于其他的磁性材料，NdFeB的这些特性尤其适于制造大功率永磁发电机。

整个转子部分的安装过程：

1)、将电机右轴盖盖在电机轴上；

2)、先将一块梯形轭铁嵌入电机轴凹槽内，轭铁沿电机轴向伸出的部分伸进轴盖内的凹槽里；

3)、紧挨其放置一块磁铁，

4)、接下来贴着磁铁再嵌入一块轭铁，

5)、再贴着这块轭铁另一侧放置第二块磁铁，

6)、与第二块轭铁两侧相接触的两块磁铁的侧面极性相同，

7)、如此交错排列，完成轭铁和磁块的布置，

8)、将电机轴左盖盖上、轭铁的左侧沿轴向伸出的部分伸进左侧电机轴盖中，

9)、固定左右轴盖与轴筒。

本专利采用了内转子永磁同步电机。之所以采用此结构由如下考虑：

1)效率优势：从功率参数上看，永磁同步电机在起动过程中主要是在功率因数为1时工作，因此在低转速时蓄电池电流相对小，由此电机电流和磁路线的饱和度明显小于其他的电机。异步电机的功率因数较差，在运行必须从电网里吸收滞后性的无功功率，它的功率因数总是小于1，这使得同步电机的效率要比异步电机要高；另外因异步电机是感应电机所以其定转子上均缠有线圈，因此在同等条件下，比如在产生同样的功率时，异步电机所需的体积要比同步电机大得多，也就是说若同步电机与异步电机的体积相同，则同步电机产生的功率一定要比异步电机高，这在汽车等交通工具有限的安装空间里，受到极大的限制。

2)定子与转子间隙优势：同步电机中对定子与转子间空隙要求没有异步电机大，这个特点适合汽车震荡的行车环境。当发动机工作时为了避免转子和定子相互接触，必须要规定足够大的间隙。因此安装在曲轴上的起动发电机系统中ISG电机的转子和定子之间的间隙是一个重要的尺寸。在ISG运行中这个间隙不是常数，随着发动机使用时间的延长，这个值会增加。这个间隙安全的下限约为1mm。而同步电机转子和定子之间典型的间隙值在1.0mm～1.5mm之间，符合要求。异步电机间隙却在0.3mm～0.35mm之间，间隙过小，同时异步电机的无功电流随间隙的增大成比例的上升，从而降低了电机的效率；

3)最后，同步的ISG电机比异步ISG电机好控制，转子参数可测，而异步电机的转子参数受温度影响大，易产生控制误差，影响控制精度。

4)与非永磁的同步电机相比，同步电机的转子励磁绕组被永久磁铁代替，使电机结构简单，最主要它不再需要外部激励及与此相关的功率损耗来产生电机中的磁场，从而提高了汽车、轮船等的整体效率。

5)材料成本优势：本专利转子采用含有稀土元素的永磁材料构成，而稀土元素在我国广有分布，蕴藏丰富，从长远看，这将大大降低电机的制作成本，使永磁同步电机拥有良好的市场前景，考虑所需性能和成本之间的平衡，应采用同步电机。

6)与其它的永磁电机相比本专利转子采用了NdFeB永磁材料作磁极，这使本专利具有极大的优点。

本专利的永磁同步电机能实现的功能：

1、提供大的电动功率和动力辅助

传统的车用起动电机一般提供的功率为2KW-5KW，而我们去掉一个起动电机和一个发电机，所节省的空间可以用来安置一个比单个起动电动机和发电机大的多的ISG永磁同步电机，能够实现峰值30KW以上的输出功率，从而可以有效地解决汽车越来越多的车载电器用电需要及解决发动机燃油污染问题。之所以发出这样大的的功率是因为：第一、ISG电机的设计结构比传统的电机大的多，也就是说定子的永磁体的体积、极数，转子的电枢线圈布置数等都比车用传统电机大的多，因此自然产生大的电磁转矩及大的感应电动势从而输出大的功率；第二、传统的电动机通过变速箱等中间传动环节与发机相连，使电动机发出的机械功率消耗掉相当一部分，而ISG电机直接与发动机曲轴相连，此种布置首先使电动机提供的扭矩直接作用在发动机上，减少了功率损耗，从而快速起动发动机或提供动力辅助。第三结构采用永磁同步电机，与异步电机比效率高，容易实现控制。

在蓄电池能够提供足够电功率时，可使ISG电机工作在起动机状态下，驱动转子转动，与发动机曲轴产生的力矩方向相同，从而形成合力矩，由于ISG电动机功率与发动机功率合在一起提供动力辅助，在达到相同动力要求下，有了ISG电动机的动力辅助，可望减小发动机尺寸，从而减少燃料的使用，这将进一步降低燃油的排放量，减小污染，同时降低了成本。

2、实现制动、减速能量的回收，有利于发电机提高效率

传统的车用发电机一般提供的功率为2KW-6KW。使用ISG永磁同步电机时，由于电机直接连在发动机曲轴上，所以本电机可实现制动能量回收，即能量的再生制动功能，将机械能转化为电能从而提高发电机效率，提供大功率电能，所提供的功率峰值可达30KW以上。

因与发动机曲轴直接相连，当汽车制动或减速时，使ISG电机处于发电机状态，根据发电机的电磁关系(参见《电机学》教材，电子工业出版社，2004年代，Charles Kingsley，Jr等著刘心正等译)，发电机将产生与曲轴转动方向相反的制动力矩，消耗机械能转化为电能储存在蓄电池中，这一方面有利于汽车快速制动和减速，另一方面将制动和减速的机械能量转化为电能回收在蓄电池中。同时采用永磁同步电机结构能大大提高电机的发电效率。

3、实现低温起动

发动机的温度不可过低，温度过低，燃料蒸发不容易，会发生不完全燃烧，润滑油黏度大，摩擦阻力大。温度越低，摩擦阻力越大，传统起动电机因起动功率小，很难在低温下克服这种阻力一次性快速起动发动机，而本发明的ISG电机能发出几倍、十几倍乃至几十倍于传统起动机的起动功率(取决于不同的车型和电机的体积)，它通过曲轴快速带动发动机先行转动起来，发动机转动起来后，活塞上下对其内的汽油和空气的混合气体做工，活塞做功越多，对混合气体压缩越厉害，气体越热，点火后燃烧越快、越充分，则发动机越易起动，起动越快，而ISG永磁同步电机在低温冷起条件下，可提供高扭矩，快速起动发动机，从而降低燃油燃烧地不充分性，减少污染。ISG永磁同步电机甚至能在发动机未起动前，带动汽车行驶一段时间，而现有技术的电动机提供的非常低的电动机功率则根本无法实现这种功能。这是因为为ISG提供的电平并非现有24V电，而是42V电，这是ISG的大功率发电功能实现的。

4、具有停停走走功能，从而减少环境污染，节省燃油

在交通拥挤的现代街道停停走走，发动机都要处于怠速状态或处于由慢速到快速的状态甚至处于发动机熄火再起动的状态，而这些状态均易使发动机燃油燃烧不充分，是产生燃油污染的主要原因。有了ISG电机就可以在汽车处于停停走走状态时，干脆将发动机关掉，大功率的ISG起动电机可提供足够的电动力带动述汽车行驶。而在汽车正常行驶后，再挂上离合由电动机带动发动机起动，起动原理同低温起动原理一样，即起动电机快速带动发动机活塞做功，混合气体被高度压缩，快速点燃，发动机被快速起动。这种起动不仅迅速，增加了断油期间，节约了燃油，减少了污染，而且噪音小(噪音主要使发动机燃油燃烧不充分时发出的)。因此ISG永磁同步电机的起动一停止功能就是使发动机在待速状态下即刻关闭，同时又能在需要时无噪声地迅速重新起动，从而降低了发动机在低转速时或由低速向高速加速时的燃油燃烧不充分而造成的污染。

附图说明

图1：传统汽车发动机、起动电机、发电机布置结构示意图；

图2：使用ISG电机后的汽车布置结构示意图；

图3：ISG电机在汽车中的安装结构示意图；

图4(a)：6极电机的定、转子结构布置关系示意图；

图4(b)：6极电机的定子线圈Y型接法示意图；

图5：转子结构总成示意图；

图6(a)：沿轴向的梯形轭铁主视图；

图6(b)：图6(a)所示梯形轭铁的径向示意图；

图6(c)：图6(a)所示梯形轭铁的弧向示意图；

图7(a)：梯形轭铁加工示意图——圆柱形铁坯立体图；

图7(b)：梯形轭铁加工示意图——圆柱形铁坯前视图；

图7(c)：梯形轭铁加工示意图——内外两个圆柱体结构；

图7(d)：梯形轭铁加工示意图——呈圆弧排列的梯形轭铁；

图8：从轴向看进去的电机转子结构示意图；

图9：NdFeB材料磁性能随温度变化曲线；

图10：ISG电机运行控制示意图；

图11：Y型连接绕组两两通电时的合成转矩矢量图；

(a)T1T2接通时A相和C相的合成力矩矢量图；

(b)T2T3接通时B相和C相的合成力矩矢量图；

(c)六个管两两接通时的全部合成转矩的矢量图；

图12：霍耳传感器相对位置示意图。

如图5所示，各部分名称为：无磁不锈钢轴筒1、电机轴右轴盖2、电机轴左轴盖3、电机轴内部中空4、梯形轭铁5、轭铁外圆6、轭铁内圆沿轴向突出部分7、嵌轭铁的轴筒凹槽8、连接法兰9、电机右轴盖与飞轮连接用销孔10、电机右轴盖与无磁不锈钢轴筒连接用销孔11、电机左轴盖与发动机曲轴连接用销孔12、电机左轴盖与无磁不锈钢轴筒连接用销孔13。

如图8所示，各部分名称为：无磁不锈钢轴筒1、电机轴内部中空4、梯形轭铁5、轭铁外圆6、轭铁内圆沿轴向突出部分7、嵌轭铁的轴筒凹槽8、放置长方体磁块的空间14、放置磁块后形成N极15、放置磁块后形成S极16。

如图10所示，20为霍耳传感器。

如图12所示，各部分名称为：9、连接法兰，17、转子，18、定子，19、霍耳传感器转子，20、霍耳传感器，21霍耳传感器固定架。

具体实施方式

我们采用了霍耳传感器来检测转子位置。霍尔传感器是一种利用霍尔效应实现将感应的磁信号转变为电信号的传感器。所谓霍尔效应就是当一块半导体薄片被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势U，即U＝KIB其中K为霍尔元件的灵敏度，这一现象称为霍尔效应。当霍尔传感器感应相反的磁场即N极和S极时，会输出正电压和负电压，当经过它的磁场的极性为N极，则输出为正脉冲信号，当经过它的磁场的极性为S极，则输出为负脉冲信号，本专利就是利用它的这个特性来感应转子的永磁体磁极的极性变化，从而输出高低的电压值送给控制电路，也就是说其输入为磁场强度，输出为开关量信号。为我们首先在电机外与电机同轴处安装另一个同为16极的结构和位置均相同的永磁转子(参看图12)，三个霍耳传感器彼此以120度空间角度悬置在这个转子的上面。其工作原理是当电机转子转动时，霍耳传感器的永磁转子与电机转子旋转轨迹相同，这个永磁转子依次经过霍耳传感器时，霍耳传感器将根据其极性的不同分别产生三组互差120度电角度的方波信号，该信号经运算处理后作为控制信号输入到为电机供电的逆变电路中的IGBT的栅极，控制IGBT的开关。由于与电机转子同轴安装，霍耳传感器的通断状态反映了电机转子的空间位置。

ISG电机的控制电路如图(10)所示，为ISG电机供电的是含六个IGBT的开关管的全桥逆变电路，IGBT的栅极控制信号由霍耳传感器感应信号经DSP运算处理后输出的。对于含六个IGBT的开关管的全桥逆变电路我们采用了两两通电的方式。(如图10、11)即每一瞬间有2个功率管导通，每隔1/6周期(60度电角度)换向一次，每次换向一个功率管，每一功率管导通120度电角度。假设各功率管的导通顺序依次为T1T2、T2T3、T3T4、T4T5、T5T6、T6T1，则当T1T2导通时，电流从T1管流入A相绕组，再从C相流出，经T2管回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那麽从绕组流出电流所产生的转矩为负，它们的合成转矩在A相转矩与-C相转矩的角平分线上，大小为A相转矩的√3倍(如图11(a))；当电动机转过60度以后，霍耳传感器也随之转过60度，发出感应信号给DSP，DSP将信号处理后输出到IGBT的栅极，控制T2T3通电，这时电流从T3流入B相绕组再从C相绕组流出，经T2管回到电源，此时的合成力矩是B相力矩与-C相力矩合成的，大小与上次的合成力矩一样，但方向转过了60度电角度(如图11(b))。如此循环产生连续转动的力矩。从上述可以知道每个绕组通电240度，其中正反向各通电120度。图11(c)表示了全部合成转矩的方向。电机在这些合成力矩的作用下连续转动。电机稳态运行时总是二相通电为三相六状态运行。转子每转过60电角度，就有一次电流切换，每相绕组通电120°电角度。

当电机运行在发电机状态时，所发电能由与IGBT并联的六个二极管返回蓄电池。

本专利所述电机的典型数据：电机呈立式扁平状结构，转子固定在发动机的曲轴上，永磁体磁极放置在转子上随轴转动；定子固定，电枢绕组放置在定子上，电机直径为40cm，轴向长度30cm，定子直径为25.8cm，整个电机体积小巧，质量仅为300KG，有效利用了结构空间，而所能输出的功率却高达50-60KW以上。电机采用内转子式永磁无刷同步电机，定子48槽，放置电枢绕组8组(每组各含通abc三相电的三组绕组)，形成电磁场16极，在转子上安装永久磁铁16极，形成16极永久磁场。以4缸2L发动机汽车为例，采用ISG电机可降低油耗10-15％，电机快速起动小于200ms，能在200ms内使动力系转速达700r/min发动机机起动时无噪音，无加速延迟，无扭矩撞击，低温下大于400000次可靠性。最大起动扭矩200Nm，最大起动转速700r/min，最大可能的起动时间4s。

Claims (10)

1、集成一体化永磁同步起动电机，其特征在于：采用外定子内转子结构，电机转子由电机轴筒(1)、左轴盖(3)、右轴盖(2)、梯形轭铁(5)、永久条形磁极组成；轴筒(1)由具有一定厚度的无磁不锈钢材料制成，其外侧沿圆周等距离分布有嵌轭铁(5)的凹槽(8)，内部中空(4)；梯形轭铁(5)沿电机轴向呈梯形，其上下两边是同心圆弧，每相邻的两个梯形轭铁的外圆(6)沿弧向边沿彼此结合在一起，构成一个几乎接近封闭的楔形空间，条形永久磁极嵌入这个楔形空间内，每一轭铁两侧安装的条形磁块的极性相同；梯形轭铁(5)内弧轴向两端有比轭铁其余部分突出的内弧台阶(7)，轭铁内弧体嵌入轴筒的凹槽(8)中，内弧台阶(7)伸入到左右电机盖(2)、(3)中，从而将梯形轭铁固定在电机轴筒上；左右轴盖(2)、(3)与电机轴筒(1)固定安装在一起。

2、如权利要求1所述的集成一体化永磁同步起动电机，其特征在于：定子48槽，放置电枢绕组8组，每组各含通abc三相电的三组绕组，形成电磁场16极，在转子上安装条形永久磁铁16极，形成16极永久磁场。

3、如权利要求1或2所述的集成一体化永磁同步起动电机，其特征在于：条形永久磁体系长方体形状，由NdFeB永磁材料制成。

4、如权利要求1或2所述的集成一体化永磁同步起动电机，其特征在于：左右轴盖(2)、(3)通过销孔(11)、(13)与电机轴筒(1)固定安装在一起。

5、权利要求1或2所述的集成一体化永磁同步起动电机在汽车中的应用。

6、如权利要求5所述的集成一体化永磁同步起动电机在汽车中的应用，其特征在于：定子固定在飞轮壳中，电枢绕组放置在定子上，与电机轴筒(1)固定安装在一起的左右轴盖(2)、(3)分别与汽车发动机的曲轴及飞轮连接，轴筒(1)与发动机曲轴及飞轮同步转动。

7、权利要求3所述的集成一体化永磁同步起动电机在汽车中的应用。

8、如权利要求7所述的集成一体化永磁同步起动电机在汽车中的应用，其特征在于：定子固定在飞轮壳中，电枢绕组放置在定子上，与电机轴筒(1)固定安装在一起的左右轴盖(2)、(3)分别与汽车发动机的曲轴及飞轮连接，轴筒(1)与发动机曲轴及飞轮同步转动。

9、权利要求4所述的集成一体化永磁同步起动电机在汽车中的应用。

10、如权利要求9所述的集成一体化永磁同步起动电机在汽车中的应用，其特征在于：定子固定在飞轮壳中，电枢绕组放置在定子上，与电机轴筒(1)固定安装在一起的左右轴盖(2)、(3)分别与汽车发动机的曲轴及飞轮连接，轴筒(1)与发动机曲轴及飞轮同步转动。

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