用于小型车辆的电机的制作方法

本发明涉及一种用于小型车辆的电机，其除了发电之外还能够在高速下辅助内燃发动机。

背景技术：

通常，内燃(ic)发动机意味着以低速和高速操作。在某些操作条件下，ic发动机必须设计成在高速和高负荷条件下操作。当ic发动机在高速和高负荷条件下操作时，与在高速但低负荷条件下的操作相比，其倾向于向环境中排放更多的co2/nox。这种排放是不可取的，并且一直有不断的努力通过各种方法来减少这种车辆排放。

因此，需要减少这样的排放，并且还要实现发动机的高速和高负荷操作。本发明还在高载荷条件下对发动机提供辅助，从而可以执行发动机操作以降低co2/nox排放。

电机通常包括定子和转子。基于电机拓扑结构，不同电机的转子构造不同。内燃(ic)发动机通常配备有用于产生电力给电池充电的磁电机装置。磁电机是一种包括定子和转子的电机。

附图说明

详细描述将参考附图描述。在所有附图中使用相同的编号用来指代相同的特征和部件。

图1示出了根据本发明的实施例的示例性两轮车辆的左侧视图。

图2示出了根据本发明的实施例的电机(例如磁电机)的典型截面。

图3示出了根据本发明的实施例的电机的分解图。

图4示出了根据本发明的实施例的电机的局部分解图。

图5示出了根据本发明的实施例的电机的背铁板的立体图。

图6示出了根据本发明的另一个实施例的电机的背铁板的立体图。

图7描绘了根据本发明的实施例的用于在高速和高负荷操作条件下辅助车辆的内燃发动机的控制系统的框图。

图8示出了根据本发明的实施例的包括修正整流器电路的电机控制器的电力电子电路。

图9示出了根据本发明的实施例的描绘用于在发电模式(generatingmode)和电动模式(motoringmode)中操作电机以辅助内燃发动机的流程图。

具体实施方式

本发明通过提供来自电机(例如，已经耦接到ic发动机的磁电机)的辅助来解决关于在各种负荷下、特别是在高速和高负荷条件下减少ic发动机的排放的问题。在一个实施例中，当发动机的速度增加超过预定阈值速度值时，本发明的磁电机由电机控制器电力致动。在一个实施例中，电机控制器还能够从通常位于ic发动机的排气路径中的排放水平检测传感器接收信号。基于从排放水平检测传感器接收到的信号，电机控制器能够致动磁电机来辅助ic发动机。

一般而言，诸如磁电机的电机能够通过电磁感应的方法在多个线圈中产生电力，所述多个线圈围绕磁电机的定子的单个齿缠绕，这是由于磁电机的转子的旋转导致的。磁电机的转子与ic发动机的曲轴耦接，并且磁电机的转子随着ic发动机曲轴的旋转而一起旋转。由磁电机产生的电力被供给以通过整流器电路对车辆中的任何电源(例如电池)充电。

此外，在一个实施例中，当磁电机是三相电机时，整流器电路由六个二极管组成，所述二极管分布成三个并联支路，每个支路中具有顶部二极管和底部二极管。二极管以这样的方式连接：来自电池的电流不允许通过三个并联支路中的任何一个，这继而允许从磁电机流向电池的单向电流通路。此外，三个并联支路中的每一个的接合部分连接至磁电机的导线端，以使得能够具有从磁电机的导线端到电池的电流通路。

在本发明的一个实施例中，整流器电路被修正为包括并联连接至六个二极管中的每一个的电动开关，这使得其具有六个电动开关。这六个电动开关由电机控制器以这样的方式控制：电机控制器为这些开关提供触发输入。当这些开关由电机控制器接通时，开关的端部被连接，这将使得能够具有通过六个电动开关中的一个或多个开关从电池到磁电机的电流通路。

在一个实施例中，电机控制器使得能够选择两个或更多个电动开关，以便当磁电机在电动模式下操作时使磁电机能够连续旋转。此外，当电机控制器断开开关时，二极管开始导通以允许电流从磁电机流通到电池。在这种情况下，防止了从电池到磁电机的电流通路。

在一个实施例中，磁电机提供有一个或多个霍尔效应传感器，其输入被提供给电机控制器的至少一个微控制器。在磁电机的电动模式期间，微控制器选择将被接通的电动开关的组合和顺序。此外，在磁电机的发电模式期间，微控制器不触发任何开关，由此仅使二极管能够将电流从磁电机导通至电池。

此外，在磁电机的电动模式期间，当电流从电池被送到磁电机时，磁电机的定子线圈的温度趋于增加，这继而导致磁电机的总体温度升高超过阈值温度值。此外，由于定子线圈的温度升高，定子线圈的电阻也增加，这继而增加了定子损耗，由此使电机无效。而且，由于磁电机的温度升高超过磁体的工作温度，设置在转子上的磁体趋向于消磁，这继而影响电机的整体效率。因此，无论何时磁电机在其电动模式下工作，都需要管理磁电机的定子线圈的温度。

在一个实施例中，磁电机的定子提供有多个孔隙，这确保定子线圈的温度不会增加超过预定阈值，因为定子线圈周围的热量通过多个孔隙释放到大气。此外，在定子上提供的多个孔隙也增加了定子的表面积，这继而确保了以更快的速度散热。

在另一个实施例中，磁电机的转子提供有沿着转子不面向定子线圈的表面的一个或多个翅片。所述一个或多个翅片确保了在转子旋转期间大气被压在定子表面上，这使得定子能够更快地散热，由此防止定子线圈的温度升高。

在一个实施例中，本发明的磁电机是具有三相的bldc电机。此外，磁电机可以是径向通量电机和轴向通量电机中的任何一个。

而且，本发明有助于通过使现有的磁电机在高速和高负荷操作条件下通过从电源向磁电机提供附加功率以及在低速和低负荷条件下存储电力来辅助ic发动机而实现ic发动机的排放水平的降低。此外，本发明消除了用于实现排放减少的单独的电机的需要。此外，磁电机的构造还确保了磁电机能够以两种模式(即电动模式和发电模式)互换地操作，而不妨碍磁电机的发电特性。此外，本发明确保磁电机的定位和位置不被改变，由此确保小型车辆中的电机的封装限制被满足。此类型的小型车辆由单个骑手和单个乘客使用，例如两轮车辆或在尺寸和重量方面类似可比较的车辆。本发明的磁电机的构造确保消除了用于降低温度的任何额外的冷却布置，并且释放到环境的总体热量被控制。这也确保在电动模式和发电模式下电机的冷却器的操作。

在一个实施例中，所提出的磁电机用于辅助内燃发动机的曲轴的旋转，其中工作电流的峰值扭矩被限制为大约50nm，这小于车辆的牵引马达的操作要求。

在一个实施例中，本发明提供一种用于小型车辆的磁电机。磁电机提供有一个或多个电场相位并且能够限制操作温度并减少操作损耗。磁电机还包括具有定子芯和围绕定子芯外围设置的多个齿的定子。多个齿中的每个齿用预定厚度的导线缠绕以形成绕组。能够被旋转的转子被提供。转子耦接到车辆的内燃发动机的曲轴。转子提供有多个面向定子的多个齿布置的永磁体。转子还能够通过与由定子产生的旋转磁场相互作用而被旋转。在一个实施例中，当发动机以高于预定速度操作时，定子能够接收来自至少一个电源的电能并产生旋转磁场。预定速度高于发动机的怠速。例如，在一个实施例中，预定速度在1000至4000rpm的范围内。

此外，在一个实施例中，磁电机的转子设置在定子内，而在一个替代实施例中，转子设置在定子外部。类似地，在一个实施例中，磁场垂直于转子的旋转轴线，而在替代实施例中，磁场平行于转子的旋转轴线。在一个实施例中，定子包括基本平行于转子的旋转轴线设置的一个或多个孔隙。该一个或多个孔隙增加了定子的整个表面积以限制磁电机的操作温度。

在一个实施例中，转子包括第一表面和第二表面，第一表面提供有多个永磁体且面向定子的多个齿，并且第二表面面向定子。第二表面包括一个或多个周向布置的翅片，以通过使大气流向定子来限制操作温度。

此外，在一个实施例中，在车辆起动期间以及在车辆行驶期间向内燃发动机提供电力辅助期间，磁电机能够实现被限制到约50n·m的工作电流的峰值扭矩。

在一个实施例中，本发明提供了用于在高速操作期间辅助小型车辆的内燃发动机的控制系统。控制系统提供有紧凑且能够容纳在车辆中的电机。控制系统能够在高速和高负荷操作中实现排放的减少。本发明包括控制系统，该控制系统包括电机，例如前述段落中所述的磁电机。

在一个实施例中，所述控制系统包括至少一个电源，所述至少一个电源能够在所述电机在电动模式下操作时向所述电机供给能量，并且用于在所述电机在发电模式下操作时存储由所述电机产生的能量。

在一个实施例中，控制系统提供有整流器电路，该整流器电路包括沿着彼此并联的一个或多个支路布置的多个二极管。一个或多个支路中的每一个包括多个二极管中的至少两个二极管。多个二极管被连接以允许从电机到至少一个电源的电流通路。所述一个或多个支路包括连接至电机的导线端的至少一个接合部分，以允许从电机的导线端到至少一个电源的电流通路。整流器电路还包括至少一个电动开关。

在一个实施例中，控制系统提供有包括至少一个微控制器的电机控制器。所述至少一个微控制器向所述至少一个电动开关提供触发输入，以允许从所述至少一个电源到电机(即磁电机)的电流通路。

在一个实施例中，本发明的控制系统提供有包括脉宽调制电路的微控制器，该脉宽调制电路通过致动修正整流器电路的至少一个电动开关来限制通过电机的电流。在一个实施例中，微控制器能够接收来自设置在磁电机的转子上的至少一个霍尔效应传感器的输入。此外，在一个实施例中，微控制器能够接收来自沿着内燃发动机的排气路径设置的至少一个传感器的输入。

在一个实施例中，本发明的微控制器能够触发所述至少一个电动开关，以允许通过所述磁电机的至少两个相位的电流通路。微控制器还能够基于磁电机的转子的角位置来选择要被触发的至少一个电动开关。

在一个实施例中，本发明的修正整流器电路包括与多个二极管中的六个二极管并联连接的六个电动开关。六个电动开关中的每一个包括至少一个电力电子开关，其连接六个电动开关的电动开关的两端，以允许从至少一个电源到磁电机的电流通路。

在一个实施例中，本发明还描述了一种用于在向至少一个电源供给电能的发电模式下以及在高速和高负荷操作条件下辅助内燃发动机的电动模式下操作小型车辆的磁电机的方法。该方法包括由微控制器接收来自沿着内燃发动机的排气路径设置的至少一个传感器的输入。此外，该方法还包括由微控制器检测从至少一个传感器接收到的输入是否低于预定阈值，并且在发电模式下操作磁电机。在一个实施例中，所述至少一个传感器是氧传感器和/或温度传感器。

该方法进一步包括由微控制器检测从至少一个传感器接收到的输入是否大于预定阈值，并且在电动模式下操作磁电机。在电动模式下操作磁电机包括触发在修正整流器电路中提供的至少一个电动开关。

在一个实施例中，所述方法包括在电动模式中操作所述磁电机，还包括由所述微控制器接收来自设置在面向所述磁电机的转子的多个磁体的定子表面上的至少一个霍尔效应传感器的输入。在一个实施例中，该方法还包括基于由至少一个霍尔效应传感器检测到的转子的角位置触发至少一个电动开关。

本发明的这些和其他优点将在下面的描述中结合附图更详细地描述。

图1示出了根据本发明的实施例的示例性两轮车辆的左侧视图。车辆100具有框架组件105，框架组件105用作车辆100的结构构件和骨架。框架组件105包括头管105a，转向组件通过该头管105a可旋转地轴颈支撑。转向组件包括通过一个或多个前悬架120连接至前轮115的车把组件111。前挡泥板125覆盖前轮115的至少一部分。此外，框架组件105包括从头管105a向后向下延伸的主管(未示出)。燃料箱130安装至头管105a。而且，下管(未示出)从主管的后部大致水平地向后延伸。另外，框架组件包括从下管的后部向后倾斜地延伸的一个或多个后管(未示出)。在优选实施例中，框架组件105是单管型的，其从车辆100的前部f延伸至后部r。

在一个实施例中，动力单元135安装至下管。在实施例中，动力单元135包括ic发动机。燃料箱130功能性地连接至动力单元135用于供给燃料。在优选实施例中，ic发动机向前倾斜，即ic发动机的活塞轴向前倾斜。此外，ic发动机135功能性地耦接至后轮140。摆臂140可摆动地连接至框架组件105，并且后轮145由摆臂140可旋转地支撑。以一定角度连接摆臂140的一个或多个后悬架150承受由于车轮反作用而产生的径向力和轴向力。后挡泥板155设置在后轮145上方。座椅组件160设置在由框架组件105限定的直通部(step-throughportion)的后部r处。在一个实施例中，座椅组件160包括骑手座椅160a和一个后座椅160b。此外，后座椅160b定位于后轮145的上方。此外，车辆100由安装在框架组件105上的中央支架(未示出)支撑。底板165安装在下管上，并设置在直通部处。底板165覆盖动力单元135的至少一部分。车辆100与由框架组件105支撑的辅助动力单元(未示出)一起使用，例如辅助动力单元是诸如电池的能量存储装置。另外，车辆100提供有至少一组脚踏部180，用于骑手/后座乘客放置其脚。

图2示出了关于本发明的实施例的电机的截面。在一个实施例中，电机是外部旋转的bldc电机。在一个实施例中，外部旋转的bldc电机用作集成起动发电机(isg)。本发明的电机101包括转子104，转子104还包括背铁板106和设置在转子104的内表面上的多个磁体108。在一个实施例中，背铁板106随着转子104的旋转一起旋转。在一个实施例中，多个磁体108是永磁体。

此外，背铁板106可以由铁、硅钢中的任一种制成，其可以制成为一个整块的铁或硅钢。可替换地，背铁板106被制成为中间具有多个电绝缘层的铁或硅钢的层。在一个实施例中，多个磁体108可以是弧形磁体和扁平磁体中的任一种。此外，在一个实施例中，多个磁体108沿周向彼此相邻地设置，没有任何间隙。可替换地，多个磁体108可以沿周向彼此相邻地设置，并且多个磁体108中的两个相邻磁体之间具有周向空气间隙。

此外，电机101包括定子102，定子102具有居中提供的定子芯118，多个定子齿112沿周向围绕定子芯118设置，从而在其间形成多个定子槽114。在一个实施例中，多个定子槽114进一步填充有多个绕组116。在一个实施例中，定子102被封闭在转子104内并且被空气间隙110径向隔开。在一个实施例中，多个定子齿112的每个齿包括杆部。在一个实施例中，多个定子齿112的齿的杆部在杆部的两端上提供有相等的宽度，在杆部的两端上即在朝向定子芯118的第一端和远离定子芯118的第二端处。在一个替代实施例中，多个定子槽114中的每一个槽形成为在两端处具有不等的宽度，在两端处即在更靠近定子芯118的一端处和远离定子芯118的一端处，这是由多个在其两端具有不同宽度的定子齿112中两个相邻齿实现的。在另一替代实施例中，多个定子齿112中的每一个齿和多个定子槽114中的每一个槽都以这样的方式形成：在两端处齿和槽的宽度不相等。在一个实施例中，多个定子齿112中的每个齿的杆部以头部面向转子104结束，并且具有比杆部更宽的宽度。

图3示出了根据本发明的实施例的电机101(例如磁电机)的分解图。在一个实施例中，背铁板106包括设置在转子104的表面191上并基本上彼此间隔开的多个翅片190。在一个实施例中，多个翅片190沿着不面向定子线圈的转子的表面径向向内突出。定子102提供有一个或多个孔隙(123)以散热并控制温度。

图4示出了根据本发明的实施例的电机101的局部分解图。在一个实施例中，多个翅片190确保了在转子104的旋转期间大气被压在定子表面上，这使得定子102能够更快地散热，从而防止定子线圈的温度升高。在一个实施例中，多个翅片190周向地布置，以便通过使大气朝向定子102流动来限制操作温度。

图5示出了根据本发明的实施例的电机101的转子104的背铁板106的立体图。在一个实施例中，多个翅片190具有圆形轮廓194。类似地，如图6所示，电机101的转子104的背铁板106提供有多个翅片190，翅片190具有矩形轮廓196。

图7描绘了根据本发明的实施例的用于在高速和高负荷操作条件期间辅助车辆100的内燃发动机的控制系统200的框图。在一个实施例中，控制系统200包括电机控制器202，电机控制器202还包括至少一个微控制器204。控制系统还包括修正整流器电路206。电机控制器202由例如电池212的能量存储装置供电，并且能够接收来自一个或多个传感器208的输入。基于从沿着内燃发动机的排气路径设置的一个或多个传感器208接收到的输入，电机控制器202控制电机101(例如磁电机)，以在发电模式(当从一个或多个传感器208接收到的输入低于预定阈值时)中以及在电动模式(当从一个或多个传感器208接收到的输入大于预定阈值时)期间有效地操作。例如，电机控制器触发修正整流器电路206中提供的至少一个电动开关，以在电动模式中操作电机101。在一个实施例中，微控制器204能够处理从一个或多个传感器接收到的信号，由此控制修正整流器电路206以适当地操作车辆的磁电机。

图8图示了根据本发明的实施例的包括修正整流器电路206的电机控制器202的电力电子电路300。在一个实施例中，本发明的电机101是三相电机。此外，在一个实施例中，本发明的电力电子电路300包括修正整流器电路206，该修正整流器电路206进一步包括六个多个二极管330、332、334、336、338和340，它们作为三个并联支路分布，在每个支路中具有顶部二极管330、334、338和底部二极管332、336、340。多个二极管330、332、334、336、338和340以来自电池212的电流不被允许通过三个并联支路中的任何一个的方式连接，这继而允许从电机101流向电池212的单向电流通路。此外，三个并联支路中的每个支路各自的接合部分a308、b310、c312分别连接至电机101的导线端302、304、306，以使得能够有从电机101的导线端302、304、306到电池212的电流通路。

在本发明的一个实施例中，整流器电路206被修正为包括与多个二极管330、332、334、336、338和340中的每一个并联连接的电动开关，这使得其具有六个电动开关314、316、318、320、322和324。这六个电动开关314、316、318、320、322和324由电机控制器202以电机控制器202向这些开关314、316、318、320、322和324提供触发输入的方式来控制。当这些开关314、316、318、320、322和324被电机控制器202接通时，开关314、316、318、320、322和324的端部被连接，这使得能够有通过六个电动开关314、316、318、320、322和324中的一个或多个开关从电池212到电机101的电流通路。

在一个实施例中，电机控制器202使得能够选择两个或更多个电动开关314、316、318、320、322和324，以便当电机101在电动模式中被操作时使电机101能够连续旋转。此外，当开关314、316、318、320、322和324被电机控制器202断开时，多个二极管330、332、334、336、338和340开始导通以允许电流从电机101到电池212。在这种情况下，防止了从电池212到电机101的电流通路。

在一个实施例中，电机101提供有一个或多个传感器208，其输入提供给电机控制器202的至少一个微控制器204。在电机101的电动模式期间，微控制器204选择将要被接通的电动开关314、316、318、320、322和324的组合和顺序。此外，在电机101的发电模式期间，微控制器204不会触发开关314、316、318、320、322中的任何一个，并且由此仅使得多个二极管330、332、334、336、338和340能够将电流从电机101导通到电池212。

图9示出了根据本发明的实施例的描绘用于在发电模式和电动模式中操作电机101以辅助内燃发动机的方法500的流程图。在一个实施例中，在步骤504，电机101(即磁电机)在发电模式下操作，并且从一个或多个传感器208输入，在一个实施例中，该传感器可以是沿所获得的内燃发动机的排气路径设置的氧传感器、温度传感器以及布置在定子和转子上的霍尔效应传感器。此外，在步骤506，确定从一个或多个传感器208接收到的输入是否大于排气路径中的氧气水平和/或从内燃发动机的排气路径排出的排放物温度的预定阈值。如果不大于，则该方法返回到步骤504，而如果大于，则该方法进行到步骤508，在该步骤中，电机控制器202使得电机101能够在其电动模式下操作。在一个实施例中，在步骤508，当电机控制器202触发一个或多个电动开关314、316、318、320、322和324时，实现电动模式下的电机101的操作。此外，在一个实施例中，在步骤510，确定是否由电机101提供对发动机的动力辅助，即电机101在其电动模式下的继续是否完成。如果在步骤510确定需要由电机101提供更多的动力辅助，则该方法返回到步骤508，但是如果确定电机101可以返回到其发电模式，则方法返回到步骤504。

鉴于以上公开内容，本发明的许多修正和变型是可能的。因此，在本发明的权利要求的范围内，可以以具体描述以外的方式来实践本公开。