TWI782005B

TWI782005B - 用於車輛的電機、控制系統及方法

Info

Publication number: TWI782005B
Application number: TW107112069A
Authority: TW
Inventors: 文卡塔拉古納斯庫馬爾拉查巴圖尼; 拉姆拉傑加貝茲迪那加爾
Original assignee: 印度商Ｔｖｓ電機股份有限公司
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2022-11-01
Also published as: CN110612654A; TW201838291A; EP3607638A1; CN110612654B; WO2018185667A1

Abstract

本案標的係論述有關於電機及磁芯飽和的感測設置、以及偵測該磁芯飽和的方法。本案標的係提出一具有至少一齒的輔助的繞組係沿著該機器的相位的任一相位而被纏繞在定子齒中的至少一個的周圍。導線的末端係被給至信號調節電路，其係從該信號濾除雜訊。該濾波後的信號係被給至該控制器的一ADC(類比至數位轉換器)接腳，以數位化該信號值。

Description

用於車輛的電機、控制系統及方法

本發明係論述有關於電機及磁芯飽和的感測設置、以及偵測該磁芯飽和的方法。

一電機通常是由定子及轉子所構成的。用於不同的機器的轉子係根據機器拓撲而不同地加以建構。感應機的轉子不是具有滑環(slip ring)的繞線轉子、就是一種鼠籠式(squirrel cage)類型。切換式磁阻機的轉子通常是一種凸極(salient pole)類型，而不具有磁鐵。永磁式機器的轉子通常是由環繞磁鐵的轉子疊層所構成的。

當來到定子結構時，定子係藉由堆疊經雷射切割或是衝壓的疊層片來加以建構的。這些片通常是在整個長度具有相同的形狀及尺寸。此係形成該定子沿著該長度的模壓的外觀。該繞組通常是在該定子齒的周圍加以完成，以產生所要的繞組模式。

用於車輛的內燃式引擎通常是設置有一起動馬達，其係被使用於從零速度起動該引擎。該起動馬達係從一例如是電池的能量儲存介質取得能量。此外，該引擎亦配備有一永磁發電機配置，其係被使用於產生電力以充電該電池。

一體式起動發電機(ISG)是一和該內燃式引擎相關的專用的機器。該ISG係被使用於起動該引擎，其係藉由讓該引擎轉動直到點火被提供為止，並且接著能夠在超過該引擎操作的一臨界速度後，從感應的電壓產生電力。

根據本發明之一個態樣，其提供一種具有一或多個電性相位之電機(101)，該電機(101)係能夠識別一磁通量飽和以及一限制電流通過，以用於降低該電機(101)的損失並且改善起動能力，該電機(101)係包括：一定子(102)，其係具有一定子磁芯(118)以及複數個被設置在該定子磁芯(118)的一周邊的周圍的定子齒(112)，該複數個定子齒(112)的每一個齒係被纏繞具有一預設的厚度的一導線，以形成一繞組；以及一轉子(104)，其係能夠藉由和該定子(102)在從至少一電源接收電能之際所產生的一磁場相互作用來旋轉，該轉子(104)係藉由一空氣間隙(110)來和該定子(102)分開的，其中該複數個定子齒(112)係包含對應於該一或多個電性相位的至少一第一相位的至少一第一組的齒，並且其中該第一組的齒係包含一輔助的繞組(306)，其係至少被纏繞在該第一組的齒的一齒的周圍。

根據本發明之一個態樣，其提供一種用於識別磁性的飽和並且限制電流通過以用於降低損失並且用於增加起動能力之控制系統(400)，該控制系統(400)係包括：一具有一或多個電性相位的電機(101)，其係包含：一定子(102)，該定子(102)係具有一定子磁芯(118)以及複數個被設置在該定子磁芯(118)的一周邊的周圍的定子齒(112)，該複數個定子齒(112)的每一個齒係被纏繞具有一預設的厚度的一導線以形成一繞組；以及一轉子(104)，其係能夠藉由和該定子(102)在從至少一電源接收電能之際所產生的一磁場相互作用來旋轉，該轉子(104)係藉由一空氣間隙(110)來和該定子(102)分開的，其中該複數個定子齒(112)係包含至少一第一組的齒，其係對應於該一或多個電性相位的至少一第一相位，並且該第一組的齒係包含一輔助的繞組(306)，其係至少被纏繞在該第一組的齒的一齒的周圍；至少一能量儲存裝置，其係用於在該電機(101)操作為一馬達時供應能量至該電機(101)，並且用於在該電機(101)操作為一發電機時儲存藉由該電機(101)所產生的能量；以及一機器控制器(402)，其係包含至少一微控制器(404)，該機器控制器(402)係包含一信號調節電路(406)，該信號調節電路(406)係能夠從該輔助的繞組(306)的至少一端接收一電壓輸出，該至少一微控制器(404)係能夠從該信號調節電路(406)接收一經調節的信號並且偵測該定子磁芯(118)的一磁通量並且與一預設的一磁通量的臨界值相比較，並且該機器控制器(402)係在該定子磁芯(118)的該磁通量係大於該預設的磁通量的臨界值時限制通過該電機(101)的電流的流動。

根據本發明之一個態樣，其提供一種用於識別磁通量飽和以及限制電流通過以用於降低電機的損失並且用於增加起動能力之方法，該方法係包括：操作一電機(101)以起動一車輛的一動力傳動機構；藉由一機器控制器(402)的一信號調節電路(406)來感測橫跨一輔助的繞組(306)所感應的電壓，該輔助的繞組(306)係被纏繞在該電機(101)的一第一組的複數個定子齒(112)的至少一齒上；藉由該機器控制器(402)，至少根據該感測到的電壓來計算橫跨該第一組的複數個定子齒(112)的該齒的一磁通量；比較該計算出的磁通量與一預設的磁通量的臨界值；以及當該定子磁芯(118)的該磁通量係大於該預設的磁通量的臨界值時，藉由該機器控制器(402)來限制電流通過該電機(101)的流動。

100:車輛

101:電機

102:定子

104:轉子

105:車架組件

105A:頭管

106:背鐵

108:磁鐵

110:空氣間隙

111:把手組件

112:定子齒

114:定子槽

115:前輪

116:繞組

118:定子磁芯

120:前懸吊

125:前擋泥板

130:油箱

135:動力單元

140:後輪

145:擺臂

150:後懸吊

155:後擋泥板

160:座椅組件

160A:騎乘者座椅

160B:後座座椅

165:踏板

180:腳踏板

302:頭部分

304:側表面

306:輔助的繞組

308:柄部分

310:初級繞組

400:控制系統

402:機器控制器

404:微控制器

406:信號調節電路

500:方法

502:步驟

504:步驟

506:步驟

508:步驟

510:步驟

該詳細說明係參考所附的圖式來加以描述的。相同的元件符號係在整個圖式被使用來參照類似的特點及構件。

圖1是描繪根據本案標的之一實施例的一範例的兩輪車輛的左側視圖。

圖2是描繪根據本發明的一實施例的一電機的典型的橫截面。

圖3是描繪根據本發明的一實施例的電機的一典型的齒的立體圖。

圖4是描繪根據本發明的一實施例的一用於在起動期間以及在高速的操作期間輔助一車輛的一內燃式引擎的控制系統的方塊圖。

圖5是描繪根據本案標的之一實施例的用於降低該電機的損失並且用於增加起動能力之方法的流程圖。

本發明係描述一種就功能而論超越ISG的機器。本發明亦被設計以在高速的高負載的狀況之下提供協助給該引擎，使得車輛及引擎的操作可加以執行來降低CO2及NOx的排放。

再者，本發明可以在例如是感應機、切換式磁阻機(SRM)、以及BLDC(直流無刷)機器的多種機器拓樸的幫助下加以實現。感應及切換式磁阻機係利用對應的功率電子控制器來加以操作，其係根據例如是目前的轉動速率的輸入狀況來調節轉矩。

儘管感應機以及SRM並不具有受限於感應的反電動勢(electro motive force)的速度，但是BLDC的速度範圍係由於此感應的電壓而受損。這是由於旋轉的磁鐵的存在所引起的在該些線圈中的通量的變化率所造成的在該繞組線圈中感應的電壓。此電壓係限制流入到該機器中的電流，其係根據所供應的電壓而限制在超過零的速度下的可能的轉矩。

當一機器被設計以用於起動以及動力輔助的操作時，需求是相衝突的。起動係需要高的轉矩常數，而動力輔助係需要高速/動力的操作，因而於是需要低的轉矩常數。

在本發明中，例如是BLDC機器的電機係被設計以該引擎的起動能力作為主要的目標。然而，對於此種設計而言，該機器的無負載的速度係大為受限於該反電動勢。

考量該BLDC的速度限制，該BLDC機器係利用較少數量的匝來加以建構，因而該感應的電壓是較小的，並且因此該速度帶是較寬的。此係在起動的操作期間需要更大的電流被傳遞至該些馬達線圈。

但是當該高的電流通過該些定子線圈時，所產生的磁場可能在超過某一電流臨界值時飽和該定子磁芯材料。

本發明係提出一具有至少一齒的輔助的繞組係沿著該機器的相位的任一相位而被纏繞在該定子齒中的至少一個的周圍。該導線的末端係被給至該信號調節電路，其係從該信號濾除雜訊。經濾波的信號係被給至該控制器的一ADC(類比至數位轉換器)接腳，以數位化該信號值。

在該線圈中所感應的電壓係成比例於在該線圈區域中的磁通鏈的變化率。該比例常數係依據在該輔助的繞組中的匝的數量而定，其係藉由以下的方程式給出。

藉由隨著時間加上在該控制器中所捕捉的電壓值，在該定子齒/多個齒中的電流通量係被判斷出。在一實施例中，該定子齒的磁通量密度係根據給定的電機的定子齒幾何而被判斷出，其係如下來加以計算的。

當該控制器瞭解到該B值係超過預設的臨界值時，該控制器係限制進入該電機的電流為就在該臨界值到達前的電流的值。

從該積分的零偏移C可被利用以識別該磁鐵相關在一永磁型機器中的齒的位置。在一替代實施例中，該定子係包含一溫度感測器，其係被用來根據一預設的溫度來限制該電流。

由於使用具有較少線股的較厚的導體的可行性，ISG應用係受益於本發明。此係讓該機器可運作在高速(由於較小的感應的電壓)，並且亦在起動時產生更大的轉矩(由於更多的電流可被給至該馬達)。其至ISG的應用並非一項限制，並且可被利用於其它的應用。任何馬達的使用都可以從本發明導出益處，其可被使用於一電動車輛或是混合動力車輛等等。

在一實施例中，本案標的係提供一種具有一或多個電性相位的電機。該電機係能夠識別磁通量飽和並且限制電流通過，以用於降低該電機的損失並且用於增加起動能力。該電機係包含一定子，其係具有一定子磁芯以及複數個被設置在該定子磁芯的一周邊的周圍的齒。該複數個齒的每一個齒係被纏繞具有預設的厚度的導線以形成一繞組。一能夠藉由和該定子在從至少一電源接收電能之際所產生的一磁場相互作用來旋轉的轉子係被設置。該轉子係藉由一空氣間隙來和該定子分開的。該複數個齒係包含至少一第一組的齒，其係對應於該一或多個電性相位的至少一第一相位。該第一組的齒係包含一輔助的繞組，其係至少被纏繞在該第一組的齒的一齒的周圍。在一實施例中，該轉子係被設置在該定子的內部。在一替代實施例中，該轉子係被設置在該定子的外部。

在一實施例中，該磁場係垂直於該轉子的一旋轉軸。然而，在一替代實施例中，該磁場係平行於該轉子的一旋轉軸。

在一實施例中，該輔助的繞組係包含至少一匝的導線，其係被纏繞在該至少一齒的周圍。該轉子係包含複數個永久磁鐵，其係被配置成面對該定子的該複數個齒。

在一實施例中，本發明係包含一種控制系統，其係用於識別磁通量飽和並且限制電流通過以用於降低該損失以及用於增加該起動能力。該控制系統係包含一具有一或多個電性相位的電機，其係包含一定子，該定子係具有一定子磁芯以及複數個被設置在該定子磁芯的一周邊的周圍的齒。該複數個齒的每一個齒係被纏繞具有預設的厚度的導線以形成一繞組。一轉子係能夠藉由和該定子在從至少一電源接收電能之際所產生的一磁場相互作用來旋轉。該轉子係藉由一空氣間隙來和該定子分開的，其中該複數個齒係包含至少一第一組的齒，其係對應於該一或多個電性相位的至少一第一相位。該第一組的齒係包含一輔助的繞組，其係至少被纏繞在該第一組的齒的一齒的周圍。

在一實施例中，至少一能量儲存裝置係被設置。該能量儲存裝置係能夠在該電機操作為一馬達時供應能量至該電機，並且用於在該電機操作為一發電機時儲存藉由該電機所產生的能量。

再者，在一實施例中，本案標的係描述一種包含至少一微控制器的機器控制器。該機器控制器係包含一信號調節電路，該信號調節電路係能夠從該輔助的繞組的至少一端接收一電壓輸出。該至少一微控制器係能夠從該信號調節電路接收一經調節的信號並且偵測該定子磁芯的一磁通量並且與一預設的磁通量的臨界值相比較。在一實施例中，該信號係藉由縮小該電壓以及濾波雜訊來加以調節的。因此所達成的經調節的信號僅僅是一縮小的電壓。當該定子磁芯的該磁通量係大於該預設的磁通量的臨界值時，該機器控制器係限制電流通過該電機的流動。

在一實施例中，該控制系統的該微控制器係包含一脈衝寬度調變電路，其係藉由致動該機器控制器的一或多個功率電子開關來限制通過該機器的該電流。在一實施例中，該信號調節電路是低通濾波器，並且用於濾波的臨界頻率係超過該電機的最大的電性頻率。

再者，在一實施例中，在該車輛的起動期間以及在該車輛的運行期間提供動力輔助到例如是內燃式引擎的動力傳動機構的期間，該電機係能夠在操作電流下達成一波峰轉矩，其係被限制為大約50Nm到52Nm。

在一實施例中，本發明係描述一種用於識別磁通量飽和以及限制電流通過之方法，以用於降低該損失並且用於增加該起動能力。該方法係包含操作一電機以起動一車輛的一內燃式引擎的步驟。該方法進一步包含藉由一機器控制器的一信號調節電路來感測橫跨被至少纏繞在該電機的一定子的一第一組的齒的一齒周圍的一輔助的線圈所感應的電壓的步驟。在一實施例中，該方法係包含藉由該機器控制器，至少根據該感測到的電壓來判斷橫跨該定子的該齒的磁通量。所判斷的磁通量係接著與一預設的磁通量的臨界值相比較。在一實施例中，該方法進一步包含在該定子磁芯的該磁通量係大於該預設的磁通量的臨界值時，藉由該機器控制器來限制電流通過該電機的流動。

本案標的之這些及其它的優點將會在以下的說明中結合該些圖來更加詳細地加以描述。

圖1是描繪根據本案標的之一實施例的一範例的兩輪車輛的左側視圖。該車輛100係具有一車架組件105，其係作用為該車輛100的結構的構件並且作為骨架。該車架組件105係包含一頭管105A，而一操控組件係透過該頭管105A可旋轉地加以軸頸連接。該操控組件係包含一把手組件111，其係透過一或多個前懸吊120來連接至一前輪115。一前擋泥板125係覆蓋該前輪120的至少一部分。再者，該車架組件105係包含一主要管(未顯示)，其係從該頭管105A向後下地延伸。一油箱130係被安裝至該主要管105A。再者，一下管(未顯示)係從該主要管的一後方部分實質水平地向後延伸。此外，該車架組件係包含一或多個後管(未顯示)，其係從該下管的一後方部分傾斜地向後延伸。在一較佳實施例中，該車架組件105是單管類型，其係從該車輛100的一前方部分F延伸至一後方部分R。

在一實施例中，一動力單元135係被安裝至該下管。在一實施例中，該動力單元135係包含一IC引擎。該油箱130係在功能上連接至該動力單元 135以用於供應燃料。在一較佳實施例中，IC引擎係向前傾斜的，亦即該引擎的一活塞軸係向前傾斜的。再者，該IC引擎135係在功能上耦接至一後輪140。一擺臂145係可擺動地連接至該車架組件105，並且該後輪140係藉由該擺臂145來可旋轉地加以支承。以一角度連接該擺臂145的一或多個後懸吊150係承受由於輪反作用所發生的徑向及軸向的力。一後擋泥板155係被設置在該後輪145之上。一座椅組件160係被設置在藉由該車架組件105所界定的跨過部分的一後方部分R。在一實施例中，該座椅組件160係包含一騎乘者座椅160A，以及一後座座椅160B。再者，該後座座椅160B係被設置在該後輪145之上。再者，該車輛100係藉由一被安裝至該車架組件105的中心車架(未顯示)來加以支撐。一踏板165係被安裝至該下管，並且被設置在該跨過部分處。該踏板165係覆蓋該動力單元135的至少一部分。該車輛100係採用一藉由該車架組件105支承的輔助的動力單元(未顯示)，例如一像是電池的能量儲存裝置。此外，該車輛100係被設置有至少一組的腳踏板180，以供該騎乘者/後座乘客擱腳用。

圖2係描繪相關本發明的一實施例的一電機的橫截面。在一實施例中，該電機是一外旋轉的BLDC機器。在一實施例中，該外旋轉的BLDC機器係作用為一體式起動發電機(ISG)。本案標的之電機101係包含一轉子104，其進一步包含一背鐵106以及複數個被設置在該轉子104的內表面上的磁鐵108。在一實施例中，該背鐵106係和該轉子104的旋轉一起旋轉。在一實施例中，該複數個磁鐵108是永久磁鐵。

再者，該背鐵106可以是用鐵、矽鋼的任一種所製造出的，其係被做成為一整塊的鐵或是矽鋼。或者是，該背鐵106係被做成為鐵或是矽鋼的層，其中複數個電性絕緣層是介於其之間的。在一實施例中，該複數個磁鐵108可以是弧形類型的磁鐵以及平坦的磁鐵的任一者。再者，在一實施例中，該複數個磁鐵108係在圓周上彼此相鄰地被設置，而無任何間隙。或者是，該複數個磁鐵108可以在圓周上彼此相鄰地被設置，其中圓周的空氣間隙是介於該複數個磁鐵108的兩個相鄰的磁鐵之間。

再者，該電機101係包含一定子102，其係具有一在被設置在中心的定子磁芯118，而複數個定子齒112係在該定子磁芯118的周圍，而在圓周上被設置以在其之間形成複數個定子槽114。在一實施例中，該複數個定子槽114係進一步被填入複數個繞組116。在一實施例中，該定子102係被封入在該轉子104之內，並且藉由一空氣間隙110來加以徑向地分開。在一實施例中，該複數個定子齒112的每一個齒係包含一柄部分。在一實施例中，該複數個定子齒112的齒的柄部分係在該柄部分的兩個末端(亦即在一朝向該定子磁芯118的第一端、以及一遠離該定子磁芯118的第二端)上被設置有相等的寬度。在一替代實施例中，該複數個定子槽114的每一個槽係在兩個末端(亦即，在一較靠近該定子磁芯118的端、以及在一遠離該定子磁芯118的端)被形成具有相等的寬度，其係藉由該複數個定子齒112的在其兩個末端具有不同的寬度的兩個相鄰的齒來加以達成。在另一替代實施例中，該複數個定子齒112的齒的每一個以及該複數個定子槽114的槽的每一個係以該齒以及該槽在兩個末端的寬度是不相等的此種方式來加以形成。在一實施例中，該複數個定子齒112的齒的每一個的柄部分係以一面對該轉子104的頭部分作為末端，並且具有一較寬於該柄部分的寬度。

圖3是描繪根據本發明的一實施例的電機101的一典型的齒112的立體圖。在一實施例中，圖3是代表該定子齒112中之一帶有初級繞組310以及一輔助的繞組306的定子齒。該輔助的繞組306係藉由在該齒112的周圍的單一線股的導線306來加以表示。在一實施例中，該定子齒112係具有一頭部分302以及一柄部分308。該頭部分302係面對該轉子104的內表面。在一實施例中，該柄部分308在厚度上相較於該頭部分302係較小的。在一實施例中，該頭部分 302的一側表面304係分開兩個相鄰的定子齒112。在一實施例中，該定子齒112的每一個係被纏繞一或多個初級繞組310。在一實施例中，該電機101係使得該初級繞組310能夠具有增大的厚度，此係產生較少數量的初級繞組310。此係讓該電機101可運作在高速下(由於較小的感應的電壓)，並且在起動時亦產生更大的轉矩(由於更大的電流可被給至該馬達)。在一實施例中，本發明的電機101作為ISG的應用並不是其它的應用的一項限制。任何馬達的用途都可以從本發明導出益處。

再者，在一實施例中，本案標的係提供具有一或多個電性相位的電機101。該電機101係能夠識別磁通量飽和並且限制電流通過，以用於降低該電機101的損失並且用於增加起動能力。該電機101係包含一定子，其係具有一定子磁芯以及複數個被設置在該定子磁芯的一周邊的周圍的齒。每一個齒112係被纏繞具有預設的厚度的導線，以形成該初級繞組310。在一實施例中，該輔助的繞組306係包含至少一匝的導線，其係被纏繞在該齒112的周圍並且是沿著該電機101的相位中的任一相位。該輔助的繞組306的導線的末端係被給至一信號調節電路(被展示在圖4中)，其係從該信號濾除雜訊。

圖4是描繪根據本發明的一實施例的一控制系統400的方塊圖，其係用於在起動期間以及在高速的操作期間輔助一車輛100的一內燃式引擎。在一實施例中，該控制系統400係包含一機器控制器402，其進一步包含至少一微控制器404以及一信號調節電路406。在一實施例中，該機器控制器402是一藉由一例如是電池的能量儲存裝置所供電的ISG控制器402，其係控制該電機101以在該車輛的起動期間藉由提供一升壓電壓至該電機101、以及在該車輛的運行操作期間藉由從該電池410提供一電壓來有效地運作。在一實施例中，該微控制器204係能夠處理從該輔助的繞組306藉由一信號調節電路406所接收到的信號。在一實施例中，該信號調節電路406係能夠從該輔助的繞組306的至少一端接收一電壓輸出。至少一微控制器404係能夠從該信號調節電路406接收一經調節的信號，並且偵測該定子磁芯的一磁通量並且與一預設的磁通量的臨界值相比較。在一實施例中，該信號係藉由縮小該電壓以及濾波雜訊來加以調節的。因此所達成的經調節的信號僅僅是一縮小的電壓。當該定子磁芯的該磁通量係大於該預設的磁通量的臨界值時，該機器控制器402係限制電流通過該電機101的流動。

在一實施例中，該控制系統400的微控制器404係包含一脈衝寬度調變電路(未顯示)，其係藉由致動該機器控制器402的一或多個功率電子開關(未顯示)來限制通過該機器101的電流。在一實施例中，該信號調節電路406是一低通濾波器，並且用於濾波的臨界頻率係超過該電機101(例如，一體式起動發電機(ISG)101)的最大的電性頻率。

圖5是描繪根據本案標的之一實施例的用於降低該電機101的損失並且用於增加起動能力之方法500的流程圖。在一實施例中，在步驟502，該方法500係牽涉到操作該機器101以起動該引擎。在一實施例中，在步驟504，該方法500係牽涉到感測橫跨該機器101的輔助的繞組306所感應的電壓，以便於判斷該磁通量。再者，在一實施例中，該方法500係牽涉到在步驟508判斷該感應的磁通量是否超過一預設的磁通量的臨界值之前，容許進入該電機101之中的電流能夠增加。在一實施例中，若所判斷的磁通量並未大於該預設的磁通量的臨界值，則該方法500係牽涉到容許至該電機101的電流能夠進一步增加。然而，在一實施例中，若所判斷的磁通量被識別為大於該預設的臨界值，則該方法500係牽涉到在步驟510藉由限制該電壓來限制至該電機101的電流。在步驟510限制至該電機101的電流之後，該方法500進一步迴返到步驟504，以用於再次感測橫跨該輔助的繞組306所感應的電壓。

有鑑於以上的揭露內容，本案標的之許多的修改及變化是可能的。因此，在本案標的之申請專利範圍的範疇內之下，本揭露內容可以除了如同明確所述者之外地加以實施。