轴上无刷起动器组件的制作方法

本发明涉及用于内燃发动机的轴上无刷电起动器组件。

通常的内燃发动机经常使用电起动器来转动发动机的曲轴直至起动事件发生以启动发动机的燃烧起动。通常的起动器包括小齿轮，其由电动机驱动，并且被推出以与附接到发动机的曲轴飞轮或柔性板的齿圈接合，从而起动发动机。

在一些车辆应用中，采用了停止-起动系统，其中当不需要车辆推进时发动机自动停止或关闭以节省燃料，并且当再次请求驱动扭矩时，由这种起动器自动重新起动发动机。这种停止-起动系统可以用在具有单个动力装置的车辆中，或者用在包括用于为车辆提供动力的内燃发动机和电动机/发电机这两者的混合动力的车辆应用中。

电起动器可以是具有接触电刷的电动机，以在定子部分上的固定电线和转子部分的运动零件之间传导电流。物理接触可能会随时间而产生磨损。另外，有刷电动机在其可用速度范围内的上限附近提供的扭矩基本为零。

技术实现要素：

一种电起动器组件包括部分行星齿轮组，其可操作地连接到配置为沿第一轴滑动的起动器小齿轮。起动器组件还包括具有第一轴承并配置为容纳无刷电动机的电动机壳体。无刷电动机包括多相定子组件，其布置在电动机壳体内相对于第一轴同心，以及转子组件，其布置为在定子组件内部旋转。转子组件包括转子，其具有布置在第一轴上的轴，其由第一轴承支撑并且直接连接到配置为接合部分行星齿轮组的太阳齿轮，以及转子位置和速度传感器目标。起动器组件还包括电动机端盖，其配置为与电动机壳体配合并封闭电动机壳体，并且具有第二轴承，其配置为支撑轴以相对于第一轴旋转。起动器组件还包括电子设备盖，其具有电源连接器，用于接收来自外部电源和能量存储系统的电能，并配置为与电动机端盖配合并容纳电子换向器组件。电子换向器组件包括电力电子组件，以及布置在电动机端盖和电力电子组件之间的控制处理器电子组件。

电起动器组件还可以包括齿轮组壳体，其配置为容纳部分行星齿轮组并且例如经由合适的紧固件固定到电动机壳体。

部分行星齿轮组可包括固定到齿轮组壳体的内齿圈和与内齿圈啮合的多个小齿轮。

电起动器组件可另外包括螺线管组件，其具有布置在平行于第一轴的第二轴上的小齿轮移位螺线管。小齿轮移位螺线管可以例如经由合适的紧固件固定到齿轮组壳体上。小齿轮移位螺线管还可以配置为经由杠杆装置使起动器小齿轮沿第一轴位移或滑动，以与连接到发动机的曲轴的外齿圈啮合以起动发动机。

部分行星齿轮组和起动器小齿轮是第一子组件的一部分；螺线管组件可以是第二子组件的一部分；电动机壳体、电动机和电动机端盖可以是第三子组件的一部分；并且电子设备盖和电子换向器组件可以是第四子组件的一部分。在这样的实施例中，第一子组件可以配置为与第二子组件预组装，第三子组件可以配置为与预组装的第一和第二子组件组装，并且第四子组件可以配置为与预组装的第一、第二和第三子组件组装。

转子位置和速度传感器目标可以配置为固定到转子轴的径向磁化的磁体。

控制处理器电子组件可包括处理器电路板以及转子位置和速度传感器，其配置为与转子位置和速度传感器目标协作。

电力电子组件可包括电源电路板、电流波纹滤波器和散热器，散热器配置成从电源电路板吸收热能。

电力电子组件可另外包括布置在电源电路板和散热器之间的导热电绝缘体。

电流滤波器可以包括多个滤波电容器，它们布置在以第一轴为中心并垂直于第一轴的节圆上，并且沿第一轴布置在电源电路板和处理器电路板之间。

还提供了一种采用内燃发动机的车辆，发动机包括连接到齿圈的曲轴，并配置为选择性地启动以产生扭矩。该车辆还包括电源和能量存储系统以及电子控制器。此外，车辆包括如上所述的电起动器组件，其与电源和能量存储系统以及电子控制器可操作地连通，并且配置为选择性地将输入扭矩施加到齿圈以启动发动机。

在结合附图和所附权利要求时，从以下对用于执行所描述的公开内容的实施例和最佳模式的详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是包括具有内燃发动机的推进系统和用于其的无刷电起动器的车辆的系统示意图。

图2是图1中所示的电起动器的剖视图。

图3是图2中所示的电起动器的分解透视后视图。

图4是图2和图3中所示的电起动器的分解透视前视图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，图1示出了具有传动系11的车辆10的系统示意图。车辆10可以具有仅采用内燃发动机12的推进系统。替代地，车辆10可以是混合动力电动车辆(hev)，其具有采用内燃发动机12和电动推进源的动力系。在车辆10的hev实施例的情况下，可以选择性地启动发动机12和电动推进源中的任一个或两者以基于车辆操作条件提供推进。

内燃发动机12将扭矩输出到轴14。沿着轴14可以包括一个或多个分离机构，以将发动机12的输出与动力系的其余部分分离。提供离合器16以实现可以选择部分或完全地实施发动机12扭矩分离。离合器16可以是摩擦离合器，其具有多个摩擦板，当离合器闭合时至少部分地接合以传递扭矩，并且当离合器打开时脱离，以隔离动力系的下游部分和发动机12之间的扭矩流。还可以包括变矩器18，以在发动机12的输出部分和车辆传动系11的下游部分之间提供流体联接。变矩器18操作以平稳地提升从发动机12到传动系11的其余部分的扭矩传递。而且，变矩器18允许发动机12的分离，使得发动机可以继续以低转速运行而不对车辆10产生推进，例如在静止的空转状态下。

在车辆10是hev的实施例的情况下，电动推进源可以是由包括高压牵引电池的高压外部电源和能量存储系统22供电的第一电机20。通常，高压牵引电池是具有大于约36伏但小于60伏的工作电压的电池。例如，牵引电池可以是额定电压为48伏的锂离子高压电池。在车辆10是hev的实施例中，在输送到第一电机20之前，由逆变器24调节高压直流电。逆变器24包括多个固态开关和用于将直流电转换成三相交流电以驱动第一电机20的控制电路。

另外，在hev动力系的情况下，取决于动力流的方向，第一电机20可具有多种操作模式。在电动机模式中，从高压牵引电池输送的电力使得第一电机20能够产生到轴26的输出扭矩。然后，第一电机20的输出扭矩可以通过可变比率变速器28传递，以便于在将输出扭矩输送到最终驱动机构30之前选择期望的齿轮比。最终驱动机构30可以是多齿轮差速器，其配置为将扭矩分配到联接到车轮32的一个或多个侧轴或半轴31。第一电机20可以设置在变速器28的上游、变速器28的下游，或者集成在变速器28的壳体内。

第一电机20还可以配置为以发电模式操作，以将各种传动系11部件的旋转运动转换成电能，以存储在牵引电池22中。当车辆10移动时，无论是由发动机12推进还是由其自身的惯性滑行，轴26的旋转都使第一电机20的电枢或转子(未示出)转动。这种旋转运动导致电磁场产生交流电，其通过逆变器24以转换成直流电。然后可以将直流电提供给高压牵引电池以补充存储在电池中的电荷。单向或双向dc-dc转换器33可用于对低压(例如12伏)电池34充电并为低压负载35供电，诸如12伏负载。当使用双向dc-dc转换器33时，可用低压电池34跳跃启动高压牵引电池22。

本文讨论的各种推进系统部件可具有一个或多个相关联的控制器以控制和监控操作。尽管示意性地描绘为单个控制器，但电子控制器36也可以实施为协作控制器系统以共同管理推进系统。多个控制器可以经由串行总线(例如，控制器局域网(can))或经由分立导线进行通信。控制器36包括一个或多个数字计算机，每个数字计算机具有微处理器或中央处理单元(cpu)、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、电可编程只读存储器(eprom)、高速时钟、模数(a/d)和数模(d/a)电路、输入/输出电路和设备(i/o)，以及适当的信号调整和缓冲电路。控制器36还可以存储为了发布命令以执行根据本公开的动作所需的多个算法或计算机可执行指令。

控制器36编程为监控和协调本文讨论的各种推进系统部件的操作。控制器36与发动机12通信并且接收指示至少发动机速度、温度以及其他发动机操作条件的信号。控制器36还可以与第一电机20通信并且接收指示电动机速度、扭矩和第一电机的电流消耗的信号。控制器36还可以与高压牵引电池22通信，并且接收指示诸如电池充电状态(soc)、温度和由电池供应或吸收的电流的状态指示器的信号。控制器36还可以接收指示高压总线两端的电路电压的信号。控制器36可以进一步与布置在驾驶员输入踏板38处的一个或多个传感器通信，以接收指示特定踏板位置的信号，该信号可以反映驾驶员的加速要求。驾驶员输入踏板38可包括加速器踏板和/或制动踏板。在诸如自动驾驶自主车辆的替代实施例中，可以通过车辆10上或车辆外部的计算机确定加速要求而无驾驶员交互。

如上所述，在车辆10是hev的实施例的情况下，发动机12和第一电机20中的任一个或两者可以至少基于主题车辆的推进需求在特定时间操作。在高扭矩要求条件期间，控制器36可以使发动机12和第一电机20两者都启动，使得每个推进源提供相应的输出扭矩，用于车辆10的同时或组合推进。在某些适度的扭矩要求条件下，通常发动机10有效地操作并且可以用作唯一的推进源。例如，在以大致恒定的速度在高速公路驾驶hev期间，可以停用第一电机20，使得仅用发动机12提供输出扭矩。

在hev的其他操作条件下，发动机12可以被停用，使得仅用第一电机20提供输出扭矩。可以打开离合器16以使轴14与动力系的下游部分分离。具体地，在hev驾驶员允许车辆10在传动系和道路摩擦以及空气阻力下减速的滑行条件期间，发动机12可以停用并且第一电机20以发电机模式操作以恢复能量。另外，即使在仅使用发动机12进行推进的车辆10中，在临时车辆停止期间，诸如在交通灯处，也可能需要停用发动机12。代替允许发动机12空转，可以通过在车辆10静止时停用发动机来减少燃料消耗。在两个示例中，响应于随后的推进要求恢复或增加而快速重新起动发动机12可能是有益的。发动机12的迅速起动可以避免车辆10的驾驶员感知到动力传递的不平稳和/或延迟。

车辆10还包括第二电机40。第二电机40联接到发动机12。第二电机40用作发动机起动器，并且其整个组件在本文经由标号40表示。当起动器组件40与发动机12接合直到燃烧循环时，起动器转动发动机的曲轴以促进其冷起动或重启。具体地，起动器组件40配置为与输入扭矩接合并且选择性地将输入扭矩施加到通常在外部的齿圈12a，其附接到发动机12的曲轴飞轮或柔性板(未示出)，以便起动发动机。根据本公开的方面，控制器36编程为响应于加速要求(诸如经由驾驶员输入踏板38处的传感器(未示出)检测到)在加速要求减少一段时间之后使用起动器组件40发出起动发动机12的命令。

如图2-图4所示，起动器组件40配置为轴上电机。如本文所定义的，“轴上”表示起动器组件40设计和配置为使得起动器的齿轮系部件、电动机和电子换向器组件电子器件(将在下面详细描述)全部基本上布置在共同的第一轴x1上。起动器组件40包括可操作地连接到起动器小齿轮44的部分行星齿轮组42，该起动器小齿轮配置为沿第一轴x1滑动。部分行星齿轮组42提供所需的减速，诸如在25︰1到55︰1之间，以输出适当量的发动机起动扭矩。如图2-图4中所示，起动器组件40包括齿轮组壳体46，其配置为容纳部分行星齿轮组42并且具有安装凸缘46a，用于经由适当的紧固件附接到发动机12。

部分行星齿轮组42包括固定到齿轮组壳体46的内齿圈42-1。部分行星齿轮组42还包括与内齿圈42-1啮合的多个小齿轮42-2，以及配置为保持小齿轮的行星架42-3。具体地，部分行星齿轮组42可以经由轴48直接连接到起动器小齿轮44。为此目的，轴48可包括外花键48a，而小齿轮44包括匹配的内花键44a，使得当小齿轮44被推出来与齿圈12a啮合时小齿轮能够沿小齿轮轴48滑动。如图所示，齿轮组壳体46配置为经由支承表面46b支撑轴48的鼻部。

起动器组件40还包括电动机壳体50。齿轮组壳体46可以固定到电动机壳体50，诸如经由合适的紧固件(未示出)。电动机壳体50包括第一轴承52并且配置为容纳无刷电动机54。无刷电动机54可以是例如多种电动机类型中的任何一种，诸如感应电机、表面安装永磁(pm)电机、内部pm电机、同步磁阻电机、pm辅助同步磁阻电机、拖杯感应电机或开关磁阻电机。无刷电动机54也可以是径向或轴向磁通电机。无刷电动机54上的电线的选择可以例如包括单个导线导体，其可以具有圆形、方形或矩形横截面，其可以用于集中或分布式绕组。

与有刷电动机相比，无刷电动机通常受益于由于消除了换向器处的电刷接触引起的物理磨损，从而增加了使用寿命。进一步地，与有刷电动机相比，电子换向电机能够更精确地控制电动机速度。在一些示例中，可以使用弱磁控制策略来操作第二电机，以进一步改善功率输出的控制并扩展电动机速度。根据本公开的方面，起动器组件40输出的旋转与齿圈12a的旋转同步，以减少在发动机12重新起动事件期间可能出现的噪声、振动和不平顺性(nvh)。

参考图2，描绘了起动器组件40的横截面，以及其在图3中的分解图，电动机54包括多相定子组件56，其具有定子芯56a，定子芯相对于第一轴x1同心地布置在电动机壳体50内。如图3所示，定子组件56还包括三个等间隔的电连接器57a。多个绕组56b设置在定子芯56a上以产生旋转磁场。电动机54还包括转子组件58，其布置成在定子组件56内部旋转。转子组件58包括转子58a。当绕组56b被顺序地供电以产生旋转电磁场时，电动机54被驱动，并且当定子56a因此被激励时，使得转子组件58旋转。如图3-图4中所示，定子组件56可以经由一个或多个键56c固定到电动机壳体50，以使定子引线相对于电动机壳体50定位在预定位置。

定子芯56a通常为圆柱形，并且限定中空中央部分以接收转子58a。根据至少一个示例，定子芯56a的外径可以限制为不大于80毫米。转子58a配置为相对于定子芯56a绕第一轴x1旋转。转子58a可以形成为层或叠片，其沿着第一轴x1在轴向方向上堆叠，其中叠片堆叠限定了起动器组件40的有效长度。根据一个示例，叠片堆叠长度被限制为不大于40毫米。起动器组件40的总尺寸可取决于发动机12的封装约束，使得定子芯56a的外径与叠片堆叠长度的比率在约1.5到3.5之间。

转子58a可以限定设置在转子的外周边部分附近的多个开口59，并且每个开口可以配置为容纳永磁体59a。开口59的尺寸设计成增强可制造性，例如具有至少约2毫米的开口宽度。多个永磁体59a可以由诸如钕的铁基合金形成，并且配合以产生磁场，其在通电时与定子相互作用以引起转子58a的移动。例如，每个永磁体59a可以是矩形形状，以增强简单性并降低制造成本。然而，根据本公开，其他磁体形状可适用于无刷电动机54的特定应用。

永磁体59a布置成围绕转子58a产生多个磁极。每个永磁体59a固定在转子58a的一个开口59内，并用作旋转电机的磁极。在垂直于磁体59a主体的方向上产生磁通量。转子58a的开口59可以成形为在每个永磁体59a的两侧包括气隙(未示出)。每个极之间的这种气隙的尺寸可以设定成减小转子58a的磁极之间的磁通泄漏。每个永磁体59a定向成相对于相邻磁体具有相反的极性方向，以便在相反方向上产生磁通量。可以根据电动机54的性能需求来选择极数。

转子组件58还包括轴58b。轴58b布置在第一轴x1上，由第一轴承52支撑，并且直接连接到太阳齿轮60，其配置为接合部分行星齿轮组42。如图所示，太阳齿轮60可以与轴58b一体地形成。轴58b的鼻部62可以经由配置在轴48内的支承表面64引导，使得轴48和轴58b各自绕第一轴x1旋转。转子组件58还包括转子位置和速度传感器目标66。如图2中所示，转子位置传感器目标66可以配置为一个或多个固定到转子轴58b的径向磁化(如图2和3所示)或放射状磁化(未示出)的磁体。

电动机54还包括电动机端盖68，其配置为与电动机壳体50配合并封闭电动机壳体50。如图3和图4中所示，电动机端盖68可以经由多个螺栓69固定在齿轮组壳体46上，从而将电动机54和电动机壳体50保持在它们之间。电动机端盖68包括第二轴承70，其配置为支撑轴58b以相对于第一轴x1旋转。如图3和图4所示，可以采用卡环71将第二轴承70保持在电动机端盖68内。电动机54还包括电子设备盖72，电子设备盖72具有电源连接器孔73(如图3和图4中所示)，用于接收来自高压外部电源和能量存储系统22的电力。

电动机54可另外包括控制信号连接器(未示出)，用于与控制器36通信以接收起动/停止命令。如图3和图4中所示，电子设备盖72配置为与电动机端盖68配合并容纳或封闭电子换向器组件74。电子换向器组件74包括控制处理器电子组件76和电力电子组件78。控制处理器电子组件76布置在电动机端盖68和电力电子组件78之间。因此，如图所示，电动机54布置成或夹在部分行星齿轮组42和电子换向器组件74之间，而部分行星齿轮组42布置在起动器小齿轮44和电动机54之间。电子设备盖72可以经由适当的紧固件附接到电力电子组件78，诸如图3中所示的螺钉79。

如图3和图4中进一步所示，电力电子组件78包括电端子78a，其配置为与电源连接器孔73对准并且从高压外部电源和能量存储系统22或低电压电池34接收电力。为了便于电子换向器组件74与电动机54的组装，电动机端盖68限定三个孔57c，它们配置为允许三个电连接器57a穿过其中以与电力电子组件78上的电端子57b接合(示出在图4中)。如图所示，电力电子组件78还可以包括支座或间隔件57d，用于沿第一轴x1相对于电动机54设置电子换向器组件74的适当相对定位。

如图2-图4中所示，起动器组件40另外包括螺线管组件80。螺线管组件80包括布置在第二轴x2上的小齿轮移位螺线管82，第二轴x2平行于第一轴x1布置。小齿轮移位螺线管82配置为由来自高压外部电源和能量存储系统22的电力激励，例如，在线圈端子80a处接收。螺线管组件80配置为诸如经由卡环或其他合适的紧固件安装并固定到齿轮组壳体46。螺线管组件80进一步配置为使起动器小齿轮44沿第一轴x1位移或滑动，如箭头84所示，用于与齿圈12a啮合，以在来自控制器36的命令下重新起动发动机12。小齿轮移位螺线管82可以例如经由单向离合器85a以及杆和支承装置85b(图2中所示)使起动器小齿轮44位移。

控制处理器电子组件76可包括基本垂直于第一轴x1布置的处理器电路板86，以及一个或多个转子位置和速度传感器88(如图2和图4中所示)(诸如霍尔效应传感器)，其配置为与转子位置和速度传感器目标66配合。位置和速度传感器88布置成与转子轴58b的端部处的目标磁体66保持预定距离，例如0.5mm-1.5mm。电力电子组件78可包括基本上平行于处理器电路板86布置的电源电路板90、电流波纹滤波器92，以及配置为从电源电路板90吸收热能的散热器94。电力电子组件78可以另外包括布置在电源电路板90和散热器94之间的导热电绝缘体96。电流波纹滤波器92可以包括多个滤波电容器98，它们布置在以第一轴x1为中心并且基本垂直于第一轴x1的节圆cp(图4中示出)上。如图2-图4所示，多个滤波电容器98中的每一个大致平行于电源电路板90沿第一轴x1布置在电源电路板和处理器电路板86之间。

部分行星齿轮组42以及齿轮组壳体46和起动器小齿轮44可以是第一子组件100的一部分。螺线管组件80可以是第二子组件102的一部分。电动机壳体50、电动机54和电动机端盖68可以是第三子组件104的一部分。电子设备盖72和电子换向器组件74可以是第四子组件106的一部分。根据本公开，第一子组件100可以配置为与第二子组件102预组装，第三子组件104可以配置为与预组装的第一子组件100和第二子组件102组装在一起，第四子组件106配置为与预组装的第一子组件100、第二子组件102和第三子组件104组装在一起，以提供完整的电起动器组件40。此外，在将单独子组件组装到电起动器组件40中之前，第一子组件100、第二子组件102、第三子组件104和第四子组件106中的每一个可以针对相应的预设操作参数分别地和单独地进行测试，以验证每个子组件的必要性能。

具体实施方式和附图或图示对本公开是支持性和描述性的，而本公开的范围仅由权利要求书限定。虽然已经详细描述了用于执行所要求保护的公开内容的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求书中限定的本公开的各种替代设计和实施例。此外，附图中示出的实施例或本说明书中提到的各种实施例的特征不必被理解为彼此独立的实施例。而是，可以将实施例的一个示例中描述的每个特征与来自其他实施例的一个或多个其他期望特征组合，从而产生未以文字或通过参考附图描述的其他实施例。因此，这样的其他实施例落入所附权利要求书范围的框架内。