本發(fā)明涉及用作內(nèi)燃機的起動發(fā)電機的改進的電機。

背景技術(shù)：

從US1770468中已知一種起到用于起動內(nèi)燃機的電動機和用于對車輛電池充電的發(fā)電機的作用的單個電機。然而，該機器使用電刷段和換向器段，這會降低耐用性，并且該機器要求復雜的齒輪系統(tǒng)來與發(fā)動機曲軸相連接。

標題為“Starter generator electrical system utilizing phase controlled rectifiers to drive a dynamoelectric machine as a brushless dc motor in the starter mode and to provide frequency conversion for a constant frequency output in the generating mode”的US 3902073 A公開了一種起動發(fā)電機電機，其在起動運轉(zhuǎn)期間通過使用回旋轉(zhuǎn)換器而作為無刷電動機被驅(qū)動。盡管如此，該機器具有增大機器尺寸的勵磁繞組并且不需要用來驅(qū)動車輛電負載的恒頻輸出。

標題為“Starter motor-alternator apparatus”的US 4219739 A公開了一種起動發(fā)電機電機，其在起動運轉(zhuǎn)期間作為電刷DC電動機工作且在運轉(zhuǎn)的發(fā)電機模式期間作為單獨勵磁的同步電機工作。然而，該機器需要將電刷段和換向器段分離的機構(gòu)。

標題為“Engine starter and electric generator system”的US 5132604 A公開了一種起動發(fā)電機電機，其通過傳動裝置來與發(fā)電機曲軸連接，傳動裝置進而能夠在兩個減速齒輪速比之間切換。對于起動模式和發(fā)電模式，致動器機構(gòu)不同地設(shè)定減速齒輪速比。盡管如此，致動器機構(gòu)和減速齒輪增大了發(fā)動機的尺寸和復雜度。

在發(fā)動機起動期間需要高磁通量，但是在發(fā)電運轉(zhuǎn)模式期間以及尤其在高轉(zhuǎn)子速度下，高磁通量導致高的鐵芯損耗，這會使得車輛燃料經(jīng)濟性變劣。標題為“Starter generator”的印度專利公開343/CAL/1999[專利號212133]公開了一種電機，其帶有永磁體和附加磁場繞組，以適當?shù)乜刂茪庀锻坑糜谄饎雍桶l(fā)電運轉(zhuǎn)模式。然而，該附加磁場繞組增大了機器的尺寸，這進而將增大發(fā)動機的尺寸。

標題為“Starter generator for internal combustion engine”的US 6392311 A公開了一種作為起動發(fā)電機運轉(zhuǎn)的電機，其中機器的全部線圈在起動模式期間被供應(yīng)電流以實現(xiàn)所要求的高扭矩，且僅一組線圈連接用于對電池充電且因此防止了過度充電電流。盡管如此，該系統(tǒng)要求控制器中的大量的半導體開關(guān)且增加了系統(tǒng)的總成本。

標題為“Engine provided with generator/motor,and its controller”的日本申請第20020265659號公開了一種具有無級變速器(CVT)的發(fā)動機，其中CVT的動滑輪充當了起動發(fā)動機的電機的轉(zhuǎn)子且還起到用于對車輛電池充電的發(fā)電機的作用。在發(fā)電運轉(zhuǎn)期間，隨著曲軸速度增加，滑輪遠離電機的定子軸向地移動且因此實現(xiàn)了所要求的磁通量的減小以限制鐵芯損耗。但是，該機器需要CVT系統(tǒng)或者離心機構(gòu)來實現(xiàn)磁通量調(diào)節(jié)且可能不能夠在發(fā)電機運轉(zhuǎn)模式期間供應(yīng)給大的電負載。

起到起動發(fā)電機作用而不增加磁通量密度和機器尺寸且不需要附加的離心機構(gòu)或傳動齒輪而同時實現(xiàn)起動期間的期望的高扭矩和發(fā)電期間的充足充電電壓的電機是當前的需要。低成本鐵氧體磁體能夠用于最小化成本，而且還最小化鐵芯損耗。但是，高電流需要建立在定子線圈中以在起動運轉(zhuǎn)模式期間實現(xiàn)高扭矩。定子線圈電阻需要較低，這又將增大線圈直徑。利用大直徑線圈，可以填充在定子齒內(nèi)的匝數(shù)減少，這使得發(fā)電機運轉(zhuǎn)模式期間的電壓產(chǎn)生變劣。利用低成本永磁體實現(xiàn)高起動扭矩以及在發(fā)電機運轉(zhuǎn)模式期間實現(xiàn)所要求的充電電壓而不增加機器尺寸是當前的需要。

印度授權(quán)專利IN203814公開了用于多相電動機或發(fā)電機的線圈繞組布置，其中每相包括并聯(lián)連接的至少兩組線圈，并且每組具有纏繞到定子的不同齒上的線圈而使得不同組線圈纏繞到定子的周向上分離的區(qū)域中。雖然具有這種設(shè)計的起動發(fā)電機能夠由于減小的有效線間電阻而實現(xiàn)高起動扭矩，但是由于轉(zhuǎn)子不平衡導致的在每組周向上分離的線圈中產(chǎn)生的反電動勢的不平衡將導致沿著并聯(lián)連接的線圈組循環(huán)電流且增加銅損耗。定子線圈電流中不平衡也會導致轉(zhuǎn)子振動，如果與連接構(gòu)件的諧振頻率匹配，該振動將又會導致令人不悅的噪聲。因此，對于這樣的改進的多相電機存在需求：具有并聯(lián)連接的線圈組，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題和其它問題，同時應(yīng)當能夠產(chǎn)生相等的反電動勢。

發(fā)明概述

用作內(nèi)燃機的起動發(fā)電機的電機包括：轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有用于與發(fā)動機曲軸連接的永磁體；定子，所述定子用于與發(fā)動機曲軸箱連接且與轉(zhuǎn)子同心，以允許轉(zhuǎn)子永磁體磁通量與定子齒鏈接；以及用于載流從而產(chǎn)生用于在發(fā)動機起動期間旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的扭矩的定子上的三相繞組。而且，電機用于產(chǎn)生電壓從而在發(fā)動機起動后供應(yīng)給車輛電負載。定子具有定子繞組，其在每相中具有并聯(lián)連接的線圈組，并且各相優(yōu)選地以三角形連接而連接以實現(xiàn)低線間電阻(line-line resistance)。而且，繞組允許產(chǎn)生高起動扭矩的大電流。線圈繞組還包括在每個并聯(lián)線圈組中串聯(lián)連接的線圈組以通過沿著定子周向分布每個并聯(lián)組中的線圈來產(chǎn)生相等的反電動勢。

定子齒分成兩個或更多個順序區(qū)域。串聯(lián)連接的線圈纏繞到定子的所述多個齒的兩組或更多組齒上，其中所述兩組或更多組齒中的至少一個齒從所述兩個或更多個順序區(qū)域中的每個順序區(qū)域中選出。

每個并聯(lián)線圈組的串聯(lián)連接的線圈選擇性地纏繞到定子的齒上并且沿著定子的圓周分布式地選擇齒用于所述選擇性的繞組。換言之，每個并聯(lián)線圈組中的兩個或更多個線圈纏繞到定子的多個齒中的兩組或更多組齒上。兩組或更多組齒中的至少一個齒從所述兩個或更多個順序區(qū)域中的每個順序區(qū)域中選出。這使得能夠繞組定子圓周沿周向分布線圈。

本主題的一個方面在于，電機能夠提供高的起動扭矩。優(yōu)點是減少了有效線間電阻。

本主題的一個特征在于，該電機提供了每組周向分離線圈中所產(chǎn)生的反電動勢的平衡。

又一優(yōu)點是，減少了沿著并聯(lián)連接的線圈組的循環(huán)電流。進一步的優(yōu)點是減少了銅損耗。

附加的特征是，還減少由于反電動勢不平衡導致的任何轉(zhuǎn)子不平衡。

特征在于，每個并聯(lián)線圈組的串聯(lián)連接的線圈選擇性地纏繞到定子的齒上，并且以一順序沿著圓周分布式地選擇齒。

特征在于，每個并聯(lián)線圈組中的串聯(lián)連接的線圈選擇性地纏繞到定子的齒上，并且以非順序方式沿著圓周分布式地選擇齒。

又一附加特征在于，實現(xiàn)了發(fā)動機的平穩(wěn)起動性。

又一附加特征在于，轉(zhuǎn)子振動也減少。優(yōu)點在于，系統(tǒng)的噪聲也減少。

另一優(yōu)點在于該電機是緊湊的。

又一優(yōu)點在于半導體開關(guān)的最優(yōu)數(shù)量因此改善了系統(tǒng)成本。

本主題是用于兩輪或三輪緊湊型車輛。

附圖說明

圖1示出了依照本主題的實施例的電機的前視繪圖。

圖2示出了依照本主題的一個實施例的具有控制器和車輛電池的定子繞組的電連接示意圖。

發(fā)明詳述

圖1示出了電機100的前視圖。電機100包括用于與發(fā)動機曲軸(未示出)連接的外轉(zhuǎn)子20。轉(zhuǎn)子20具有以交替北極-南極的式樣繞其內(nèi)周布置的多個永磁體30。與轉(zhuǎn)子20同心布置的、包括多個定子齒40T的定子40通過小氣隙與轉(zhuǎn)子20分離，并且定子40與發(fā)動機曲軸箱(未示出)連接。定子齒40T承載永磁體30所產(chǎn)生的磁通量。此外，定子線圈50繞著定子齒40纏繞，用于在起動運轉(zhuǎn)模式期間承載電流以及在發(fā)電運轉(zhuǎn)模式期間產(chǎn)生電壓。曲軸位置傳感器60安裝到發(fā)動機曲軸箱上、位于轉(zhuǎn)子20的外周之外，以感測設(shè)在轉(zhuǎn)子20外周上的鐵磁突起70。曲軸位置傳感器60通過小氣隙與突起70分離。而且，三個霍爾傳感器80位于定子齒40之間的間距中，用于產(chǎn)生指示轉(zhuǎn)子永磁體30位置的信號。繞著定子40沿周向布置的定子齒40T劃分到兩個或更多個順序區(qū)域A、B、C中。每個順序區(qū)域A、B、C包括彼此相鄰的兩個或更多個齒。

在優(yōu)選的實施例中，電機100具有12個永磁體30和18個定子線圈50。因此，在該實現(xiàn)方式中，定子齒40T劃分到三個順序區(qū)域A、B、C中。順序區(qū)域A包括當沿著定子40的圓周順時針方向移動時順序的齒1-6。類似地，順序區(qū)域B包括齒7-13，且順序區(qū)域C包括齒14-18。在定子線圈50的每個線圈中產(chǎn)生的電壓與在相鄰線圈中產(chǎn)生的電壓將在相位上分開120度的電角。連續(xù)的霍爾傳感器以120度的電角分離定位。定子線圈50標號1至18。

在一個示例中，永磁體30是低成本鐵氧體磁體。為了實現(xiàn)發(fā)動機起動所要求的高起動扭矩，需要在定子線圈50中建立高的電流，因為鐵氧體磁體將不能在定子齒40中產(chǎn)生大的磁通量。為了允許高的電流，定子線圈50所呈現(xiàn)的電阻必須較低。如果大直徑線圈用于實現(xiàn)較低的定子線圈電阻，則可以在每個定子齒內(nèi)填充的匝數(shù)減少，并且因此使得發(fā)電機運轉(zhuǎn)模式期間所產(chǎn)生的電壓變劣。

為了實現(xiàn)低的定子線圈電阻，在相位上產(chǎn)生電壓的定子線圈50各自被分割成兩組線圈。如圖2所描繪的，其是以三角形連接的線圈繞組的內(nèi)部連接，其中線圈1、4、7、10、13和16在相位RB中。類似地，線圈2、5、8、11、14和17在相位YR中，且線圈3、6、9、12、15和18在相位BY中。下面，為了方便的緣由，定子40的特定齒40T以相應(yīng)的定子繞組附圖標記來提及。例如，具有定子繞組1的齒稱為齒1。繞組線圈布置下文稱為定子繞組90。上述線圈的三個集合(即YR、RB和BY)在相位上彼此分開120電度。每個相位YR、RB和BY被分割成所需組的對稱纏繞的線圈并且并聯(lián)地連接。換言之，每個相位RB、RY和BY包括兩個或更多個并聯(lián)線圈組P1、P2、P3、P4、P5和P6。此外，每個并聯(lián)線圈組P1、P2、P3、P4、P5和P6均包括圍繞定子40對稱地布置的兩個或更多個串聯(lián)線圈組。兩個或更多個串聯(lián)線圈組串聯(lián)地連接。在本實現(xiàn)方式中，線圈1、13和7串聯(lián)連接，是相位RB的一個并聯(lián)組P1，并且線圈10、4和16串聯(lián)連接，是相位RB的另一并聯(lián)組P2。這兩個并聯(lián)組P1,P2并聯(lián)連接而形成相位RB。在每個并聯(lián)線圈組內(nèi)串聯(lián)連接的串聯(lián)線圈組選擇性地纏繞到沿著定子的圓周分布式地選擇的不同齒上，如圖1所描繪的。

每個并聯(lián)線圈組P1、P2、P3、P4、P5和P6中的兩個或更多個線圈(1、13、7)、(10、4、16)、(2、14、8)、(11、5、17)、(12、6、18)、(3、15、9)纏繞到多個齒40T中的兩組或更多組齒40TS上，其中兩組或更多組齒40TS中的至少一個齒從所述兩個或更多個順序區(qū)域A、B、C中的每個順序區(qū)域選出。在圖1中，所標記的一組齒40TS包括齒3、15、9。然而，存在沒有標記的兩組或更多組齒40TS，即齒1、13、7形成一組齒40TS(未標記)，齒10、4、16形成一組齒40TS(未標記)。

例如，線圈3、15和9選擇性地纏繞到包括定子40的齒3、15、9的一組齒40TS上。齒3來自第一順序區(qū)域A，齒9來自第二順序區(qū)域B，齒15來自第三順序區(qū)域C。因此，由于每個并聯(lián)組P1、P2、P3、P4、P5和P6中線圈分布式布置到定子的周向，每個組中所產(chǎn)生的反電動勢更不易于由于轉(zhuǎn)子不平衡而變化。類似地，相位YR和相位BY各自包括兩個或更多個并聯(lián)線圈組P3、P4、P5和P6，并且每個并聯(lián)組均包括沿周向布置的串聯(lián)連接的兩個或更多個線圈。相位RB、YR和BY以三角形連接以實現(xiàn)低的線間電阻，這等同于單個并聯(lián)線圈組電阻。

在當前的情況下，每個相位RB、YR和BY具有兩個并聯(lián)線圈組(P1、P2)、(P3、P4)、(P5、P6)。六個并聯(lián)線圈組P1、P2、P3、P4、P5、P6具有串聯(lián)連接的三個線圈(1、13、7)、(10、4、16)、(2、14、8)、(11、5、17)、(12、6、18)、(3、15、9)。在一個實施例中，每個并聯(lián)線圈組P1、P2、P3、P4、P5、P6的三個串聯(lián)連接的線圈(1、13、7)、(10、4、16)、(2、14、8)、(11、5、17)、(12、6、18)、(3、15、9)纏繞到具有三個齒的一組齒40TS上。一組齒40TS中的每個齒各自從三個順序區(qū)域A、B、C中選出。例如，三個串聯(lián)連接的線圈3、15、9連接，纏繞到一組齒40TS上，一組齒40TS包括三個齒3、15、9。而且，三個齒3、15、9從順序區(qū)域A、B、C中選出。這提供了繞定子圓周分布的齒以確保每個并聯(lián)連接的組中所產(chǎn)生的反電動勢將相等。在另一實現(xiàn)方式中，每個相位中的并聯(lián)線圈組的數(shù)量可以變化。而且，每個并聯(lián)組中串聯(lián)連接的線圈的數(shù)量也可以變化。

在一個實施例中，每個并聯(lián)線圈組P1、P2、P3、P4、P5、P6的串聯(lián)連接的兩個或更多個線圈纏繞到以非順序模式繞著所述定子40圓周分布式地選擇的兩個或更多個齒上。例如，在本實現(xiàn)方式中，線圈1、7和13串聯(lián)地連接。然而，線圈1連接到一個交匯處R，另一端連接到線圈13。類似地，線圈的另一端連接到線圈7，該線圈7連接到交匯處B。參考圖1，從線圈1朝向線圈18沿順時針方向移動，線圈1、7和13是依順序的，這是物理順序。然而，線圈1、7和13的電連接是非順序的，因為電連接的順序是1、13和7，這不同于物理順序。例如，在并聯(lián)組P1中的電流的流動從線圈1到線圈13，然后到線圈7，或者反之亦然。

并聯(lián)線圈組P1的線圈1、13、7纏繞到沿著定子40的圓周分布式地選擇的定子的多個齒40T的兩個或更多個齒40T上。齒分布式地選擇，如所選的定子繞組(如圖1所示)沿著定子40的圓周分布。在當前的實現(xiàn)方式中，齒1、7、13沿著定子40的圓周分布。在實施例中，選定的齒大體等距。在另一實施例中，選定的齒可以不等距。在又一實施例中，選定的齒可以對稱地分布。

因此，由于線圈繞著定子40圓周分布，具有串聯(lián)連接的線圈組的并聯(lián)線圈組沿著定子的圓周分布式地設(shè)置，以產(chǎn)生相等的反電動勢。另外，可以形成的任何循環(huán)電流由于產(chǎn)生相等的反電動勢而減少。而且，優(yōu)點在于，降低銅損耗。此外，這使得提供較高扭矩以用于曲軸旋轉(zhuǎn)的更高的電流流動能夠?qū)崿F(xiàn)。曲軸的這種旋轉(zhuǎn)改善了內(nèi)燃機的起動性。該電機100能應(yīng)用于具有緊密填充布局的緊湊的車輛，諸如用于具有改進的性能的兩輪或三輪車輛。

而且，分布式地選定的齒40T提供了平衡的電磁結(jié)構(gòu)。該平衡電磁結(jié)構(gòu)進一步減少了可能由于不平衡而產(chǎn)生的任何振動和相關(guān)聯(lián)的噪聲。

相位的交匯處R、Y和B連接到控制裝置，以使電機100能作為電動機運轉(zhuǎn)且對電池120充電。

參考圖2，三角形連接的定子繞組90與控制器110連接，控制器110又與車輛電池120連接?？刂破?10包括具有體二極管D1至D6的半導體開關(guān)M1至M6?？刂破?10還具有微控制器、信號調(diào)節(jié)電路、驅(qū)動器電路和電源電路(圖中未示出)，用于基于霍爾傳感器80信號和曲軸位置傳感器60信號來控制開關(guān)M1至M6。控制器還具有用于維持DC總線電壓的DC支撐電容器(DC link capacitor)115。

在電動機運轉(zhuǎn)模式期間，電池120將以120度模式無刷直流(BLDC)電動機驅(qū)動模式向定子繞組90供應(yīng)電流。因為線間電阻較小，所以高定子線圈電流建立，這得到大的扭矩，大的扭矩能夠加速發(fā)動機曲軸到起動速度。當曲軸速度達到從曲軸位置傳感器60信號感測到的指示發(fā)動機成功起動的預(yù)定速度時，控制器110將運轉(zhuǎn)從電動機模式切換到發(fā)電模式，其中定子繞組90產(chǎn)生的電壓通過開關(guān)M1至M6和二極管D1至D6供應(yīng)給電池120。開關(guān)M1至M6以相控方式驅(qū)動以將電池充電電壓保持在預(yù)定限值內(nèi)。因為定子繞組90處于三角形構(gòu)造，所以在低速下產(chǎn)生的電壓將非常小且不足以直接對電池充電。然而，控制器110使用繞組90電感以及半導體開關(guān)M1至M6和體二極管D1至D6而形成能夠?qū)⒍ㄗ与妷荷龎旱綄﹄姵爻潆娝蟮母咧档纳龎恨D(zhuǎn)換器構(gòu)造。因此，甚至在諸如發(fā)動機空轉(zhuǎn)速度的發(fā)動機低速期間也能夠?qū)﹄姵?20充電。

通過利用由于并聯(lián)線圈連接而具有低電阻的相位線圈形成定子繞組90的三角形連接，在BLDC電動機運轉(zhuǎn)模式期間建立高的相位電流。因為串聯(lián)連接的每個線圈集合是并聯(lián)連接且能夠由于圍繞定子40圓周的線圈的分布而產(chǎn)生相等的反電動勢，所以減少了循環(huán)電流且因此降低了銅損耗。平衡的電磁結(jié)構(gòu)進一步減小了振動和相關(guān)聯(lián)的噪聲。此外，通過控制器110進行升壓充電，甚至在低發(fā)動機運轉(zhuǎn)速度期間確保了充足的電池充電電壓。因為不使用附加的并聯(lián)穩(wěn)壓器來進行充電電壓調(diào)節(jié)，所以利用最小的成本實現(xiàn)了高的充電效率。電機100的尺寸不會增加，并且使用了低成本的鐵氧體磁體，這有助于使得發(fā)電機尺寸減小，而不增加成本。電機100可以緊湊地封裝在發(fā)動機內(nèi)，而不影響發(fā)動機的任何緊湊布局。

雖然優(yōu)選的實施例具有在每個并聯(lián)組內(nèi)串聯(lián)連接的三個定子線圈，并且另兩個這樣的并聯(lián)組并聯(lián)地連接而形成單個相位，基于發(fā)動機曲軸啟動要求，相位中的每個線圈能夠并聯(lián)地連接而形成極低相位電阻并且導致高得多的相位電流。雖然霍爾傳感器80置于定子齒40之間，但是它們也可以置于在定子齒面中切出的槽內(nèi)。該機器還能夠在無傳感器模式下驅(qū)動，其中反電動勢用于確定轉(zhuǎn)子永磁體位置且因此消除了對附加的霍爾傳感器的需要。此外，通過利用霍爾傳感器80感測轉(zhuǎn)子磁場中的非均勻性，能夠消除曲軸位置傳感器60和突起70。在起動運轉(zhuǎn)模式期間，控制器110還能夠瞬時地沿反向驅(qū)動轉(zhuǎn)子20且隨后沿正向旋轉(zhuǎn)以利用機器慣性且因此克服啟動負載，尤其是對于具有大的壓縮壓力的發(fā)動機?；谲囕v用戶要求，該機器還能夠用于增補發(fā)動機動力而形成混合運轉(zhuǎn)模式。

本發(fā)明的改進的電機能夠用于具有內(nèi)燃機的所有車輛，尤其是用于緊湊的兩輪和三輪車輛，以及用于其它帶有發(fā)動機的應(yīng)用中，比如剪草機和柴油發(fā)動機組。