集成一體化永磁同步起動發電機的制作方法

專利名稱：集成一體化永磁同步起動發電機的制作方法
技術領域：
本發明屬于機械領域，具體涉及一種ISG(integarted starter generator)電機，就是集成一體化的起動發電機，這部電機具有兩種工作狀態，可根據實際需要運行在電動機狀態或發電機狀態。
背景技術：
本發明的初衷是設計一種在同一工作過程中能實現電動機和發電機兩種運行狀態的電機，這種電機主要迎合汽車、輪船等的混合動力的改造。當前的汽車輪船等交通運輸工具的動力主要由發動機燃燒燃油產生傳輸動力。此種動力傳輸方式從下述方面顯示出日漸明顯的缺點，從功能上看1、燃油燃燒所產生的廢氣、毒氣對環境造成的極大的污染，這些污染除了發動機燃油的正常排放，大部分是發動機燃油燃燒不充分造成的，而發動機燃油燃燒不充分一般發生在汽車低溫起動、低速升高速及因交通擁擠造成汽車走走停停等的情況下；2、低溫下的冷起動十分困難，一是低溫下燃油不宜點燃，二是傳統的起動機功率較小，因此帶動發動機轉動速度低，使燃油燃燒不充分，不宜起動；3、另外汽車、輪船等還存在的一個困擾就是因對汽車舒適性及混合動力的要求而不斷增加的電儀器設備等對電能的大量需求，而現有的汽車輪船上的電機設備遠不能滿足需要。
現有汽車起動電機和發動機的位置及工作原理如附圖1所示，汽車要行走，必須有動力，動力來自于發動機。通常的發動機處于工作狀態時，由發動機氣缸中的活塞做上下往返運動來帶動曲軸轉動，曲軸再將動力傳給下一級傳動系(如變速箱)，如此逐級傳動最終帶動車輪運轉。而發動機由靜止狀態轉入工作狀態(即由靜止到轉動)卻需要借助外界力量，通常使用電動機來帶動發動機起動，這里的電動機就是起動電機。從其結構來看，通常的起動電動機就是普通電動機，具有普通電動機的結構，不同的汽車根據側重的功能采用不同的電動機設計結構；而且現有的起動電機和發動機的位置不是同軸相連的，而是分別連在變速箱上。通常的汽車結構中還有個發電機，為整個汽車的用電設備提供電源，還有個儲存電能的蓄電池(亦稱電瓶)。發動機在工作時，通過皮帶帶動發電機運轉，發電機發電向汽車的用電設備提供電能，同時向蓄電池充電，即發電機消耗部分傳動的機械能將其轉化為電能存儲起來；發電機不發電時，汽車使用貯存在蓄電池中的電能。
而ISG電機與傳統電機相比，由于將傳統的單個的起動機和發電機功能由一個ISG電機實現，且ISG電機在車內的布置是與發動機的曲軸直接相連，這與傳統起動機和發電機分別通過變速箱與發動機相連不同，這種布置既可使ISG電動機以極小的損耗提供電動力矩，又可提高發電機效率。
ISG電機可采用異步電機也可采用同步電機實現。異步動機運行時定子繞組接在交流電源上，轉子繞組自身短路，由于電磁感應的關系，在轉子繞組中產生電動勢、電流，從而產生電磁轉矩，所以異步電機又叫感應電機。
ISG異步電機在日本和歐美國家已有發明和研究，從其發布的部分參數和功能來看，它一般采用鼓式轉子和盤式轉子結構，盤式轉子結構電機一般采用雙定子結構，雖然它的發電機功率6KW時效率大于80％，但考慮兩個定子的拉力等因素，使它的設計費用比較昂貴。而鼓式電機的最小起動扭矩為200Nm，而且發電機功率僅在4KW時系統效率大于80％，可見發電機效率不是很高。
總的來說，異步電機的缺點是1、效率低；2、結構上不適合汽車、輪船等交通運輸工具的震蕩的環境；3、異步電機控制比同步電機復雜。
同步電機一般在定子上放置電樞繞組，在轉子上裝磁極，磁極上套勵磁繞組，如用永久磁鐵做成磁極，即為永磁同步電機。當作為發電機運行時，由發動機拖動電動機的轉子旋轉，永磁鐵產生的磁場與定子導體之間有了相對運動，在定子繞組中就會感應交流電動勢；如作為同步電動機運行時，則在電機的定子繞組加上三相交流電，該三相交流電由車載電平通過逆變電路實現，則會在電機里產生旋轉磁場，帶動永磁磁鐵轉動。交流電動勢的頻率f取決于極對數p和轉子的轉速，f＝pn/60，可見當極對數一定時，永久磁場的轉速和電樞電流產生的旋轉磁場的轉速有嚴格的關系，此即所謂同步，所以能產生穩定轉矩。

發明內容
本發明的目的是提供一種全新結構的集成一體化永磁同步起動發電機，該電機在汽車、輪船等交能運輸工作中，既能代替起動機實現電動機功能，又可代替發電機實現發電功能。它不同于起動機安裝在變速箱上，也不同于發電機通過皮帶輪與發動機連接，而是直接安裝在曲軸上，與發動機同軸連接，如圖2所示。
本專利將汽車傳統的起動機和發電機兩個電機設計成一個電機，采用外定子內轉子結構，該電機一般呈立式扁平狀結構，在汽車中應用時，電機轉子固定在發動機的曲軸上，永磁體磁極放置在轉子上隨軸轉動；定子固定在飛輪殼中，電樞繞組放置在定子上，電機軸兩端分別與汽車發動機曲軸和飛輪相連，而飛輪和ISG電機都處于飛輪殼里，如圖3所示。實際應用中，多數因受到安裝位置的限制，故采用軸向較短的結構(與直徑相比較)。
本發明所述電機采用內轉子式永磁無刷同步電機，定子48槽，放置電樞繞組8組(每組各含通abc三相電的三組線圈)，形成電磁場16極，在轉子上安裝永久磁鐵16極，形成16極永久磁場。轉子結構為橫向結構，橫向結構的轉子槽內放置永磁體，此種結構提高了氣隙磁通密度、有效地縮小了電機體積、減少永磁體的用量、減低了電機成本。定子鐵心采用硅鋼鐵片疊壓而成，沖片涂絕緣漆，提高疊裝系數；定子壓卷為反磁鋼板，降低附加損耗，線卷用聚酰亞胺漆包線，以及定子繞組壓力真空浸漆新工藝。繞組結構采用了分數槽繞組(參考感應電機)，保證電壓波形，對地絕緣采用NHN復合箔。為有效削弱場強，在專用的繞組結構中將電感設計得很大。
如圖4所示為6極電機、轉子6極磁極、定子繞組三組的永磁同步電機結構示意圖，本專利所述16極電機的16極轉子磁極，16組定子繞組的結構布置原理與此相近。從圖4可以看到6極電機的定子繞組布線圖，如圖所示，因是六極電機，定子繞組也要產生六個磁極(三對極)，當a相通電時，如果說a(-a)產生一對磁極，則aa(-aa)、aaa(-aaa)產生另外兩對磁極，同理b、c通電時也分別產生三對磁極。而且對于只有一組繞組的電機通a、b、c三相交流電，各相電角相差120°，對于6極電機來說，需要三組這樣的繞組，即a(-a)、b(-b)、c(-c)一組，aa(-aa)、bb(-bb)、cc(-cc)一組，aaa(-aaa)、bbb(-bbb)、ccc(-ccc)一組，各相之間均相差120度電角度，這里假設各相僅有一個線圈，根據電機公式電角度＝(極數/2)空間角度，可知三組繞組9個線圈(a、-a為一個繞組線圈)在空間以相隔40度空間角度分布，即a、b、c、aa、bb、cc、aaa、bbb和ccc之間彼此相隔40度空間角度，同理各負相間也相隔40度空間角度；又因當a相通電時，由a(-a)、aa(-aa)、aaa(-aaa)產生對應轉子的六極磁極，故它們彼此間相差60度空間角度，由以上推知布線位置應如圖四(a)。配合上述的布線方式，定子繞組的接線方式是Y型接法。
我們設計的電機是16極，也通a、b、c三相交流電，則對于16極電機來說需要8組這樣的繞組，布線原理、位置同6極電機相同，參看圖四(a)，8組繞組彼此為Y型接法，接線原理方法同6極電機接線相同，如圖四(b)。
如圖5所示，電機轉子由電機軸筒、左軸蓋、右軸蓋、軛鐵、條形永久磁極組成，軸筒由具有一定厚度的無磁不銹鋼材料制成，其外側沿圓周等距離分布有嵌軛鐵的凹槽，內部中空；軛鐵沿電機軸向呈梯形，其上下兩邊是同心圓弧，每相鄰的兩個梯形軛鐵的外弧(遠離電機軸的一側)的外圓(6)沿弧向邊沿彼此結合在一起，構成一個幾乎接近封閉的楔形空間，條形永久磁極嵌入這個楔形空間內，每一軛鐵兩側安裝的條形磁塊的極性相同；梯形軛鐵內弧體軸向兩端有比軛鐵其余部分突出的內弧臺階，軛鐵內弧體嵌入軸筒的凹槽中，內弧臺階沿軸筒凹槽伸入到左右電機蓋中，從而將梯形軛鐵固定在電機軸筒上；左右軸蓋與電機軸筒固定安裝在一起。
當本專利的起動電機在汽車中應用時，與電機軸筒固定安裝在一起的左右軸蓋再分別與汽車發動機的曲軸(通過接口法蘭)及飛輪連接，軸筒與發動機曲軸及飛輪同步轉動。
如圖6所示，單塊軛鐵的形狀從電機軸一端看進去如梯形，上下兩個邊是同心圓弧。其遠離電機軸的一側(構成梯形上邊的弧形外圓的一側)相鄰兩個軛鐵的邊沿沿弧向彼此結合在一起，構成一個幾乎接近封閉的楔形空間，條形磁鐵塊則嵌入這個楔形空間內，隨軸而轉，同時兩塊軛鐵緊緊夾住磁塊，這樣無論電機軸怎樣轉動，磁塊都不會被甩出，也防止磁塊因受震動而損壞。從圖中的右視圖可以看出，其連接電機軸的另一側(構成梯形軛鐵塊的下邊的弧形外圓的一側)沿軸向比上邊大圓伸出一些，這個伸出部分是起固定軛鐵作用，電機軸上有嵌軛鐵的凹槽，軛鐵塊就嵌入這個凹槽中，電機軸上的凹槽底部繼續伸入到電機蓋中，則軛鐵塊下邊的內弧臺階沿電機軸向伸出的部分就可以嵌入到這里，伸入到軸蓋下，軸蓋就可以將其固定在電機軸上，而不會被電機軸轉動時產生的強大的離心力甩出。從而將其牢牢固定住。
如圖7所示，單塊軛鐵是由軛鐵胚加工出來的。一塊具有一定厚度符合尺寸要求的完整圓柱形純鐵胚<圖7(a)>，被加工成內外兩個圓柱體結構，其內圓柱體沿軸向兩側均高出外圓柱<圖7(c)>，形成沿軸向向外突出的內圓柱臺階形狀，這是為了保證鐵胚被加工成單個梯形軛鐵塊時，每個軛鐵塊下面的圓弧兩端都有沿軸向伸出的部分，以便安裝時該突出部分能伸進電機軸上被軸蓋蓋住的凹槽內。接下來再利用線切割機將圓柱鐵胚等分成16部分，再切割成彼此獨立的梯形軛鐵塊，并且梯形軛鐵塊的外圓能夠彼此連接成標準圓滑曲線，構成幾乎接近封閉的楔形空間，形成如圖7<d>所示的形狀，內圓柱體具有向外突起部分(內弧臺階)，在轉子總裝時插入軸筒的槽內，與軸安裝在一起，起固定軛鐵的作用，最后鐵胚的中間部分被掏空，這樣單個軛鐵塊就加工出來了。
磁鐵塊做成長方體形狀，楔入到兩個梯形軛鐵中間形成磁極。磁極可采用任何磁性材料，做為本發明最優選的實施方式是采用NdFeB永磁材料。NdFeB磁塊設計成這種形狀可使材料達到最優的磁特性，具有最大的磁能積，并且可最大限度的節省磁性材料的使用，節約成本，長方體磁鐵可經沖磁使其一側為N極，另一側則為S極。在軛鐵的楔形空間內，相鄰磁極的極性相反放置，即第一磁極的N極、S極、第二磁極的S極、N極、第三磁極的N極、S極，以下類推，從而使得每個軛鐵兩側的磁體極性相同。軛鐵嵌在軸筒上的凹槽內，由左右軸蓋固定。軸筒采用的材料是具有一定厚度的1Cr18Ni9Ti無磁不銹鋼或其它類似材料，目的是阻斷磁力線通過軸筒形成閉合磁路，在這種情況下，軛鐵兩側的兩個相同極性的磁力線就被從軛鐵表面逼出，在軛鐵的表面形成與軛鐵兩側磁塊極性相同的極性，如圖8所示，如此在軛鐵的表面就形成了N極和S極交替的情形。
電機采用NdFeB磁性材料做轉子磁極，NdFeB是第三代稀土永磁材料，它含有稀土元素Nd和鐵族元素及B元素，在制造工藝上主要采用快萃法、熱擠壓法等工藝。粉末冶金法生產Nd-Fe-B系永磁體的工藝流程為原材料—冶煉—制粉—磁場取向與壓力成型—燒結與熱處理—機械加工—表面處理—檢測。目前，開發廉價釹鐵硼永磁材料的途徑，主要集中在四個方面；即采用富釹混合稀土作原材料，取代純釹金屬；采用還原—擴散工藝制備磁粉，采用熔體快淬技術和開發粘結磁體等。
采用NdFeB材料作永磁磁極的優點1、NdFeB的磁性能優異，是目前的稀土永磁材料中磁能積最高的材料(磁能積是指單位體積存儲和可利用的最大磁能密度的量度，即所說磁性最強，用(BH)max表示)，磁能積已達300kJ/m3，其磁能積的理論值達526.4kJ/m3(66MGOe)。它能吸起相當于自身重量640倍的重物。傳統的永磁同步電機一般采用鐵氧體材料作永磁磁極，NdFeB的磁能積是鐵氧體的十余倍。我國90年代研制的NdFeB磁能積已高達392kj/m3。高的磁能積使NdFeB與其他材料相比在產生同等磁場強度的情況下所用材料體積最小，因此用它來制造永磁發電機使轉子的構造空間比用勵磁繞組或其他永磁材料所構成的轉子所需空間要小得多，可以顯著縮小電機體積，有利于在汽車等有限的空間內輸出電機扭矩及功率；因其磁性強，可減少永磁材料的使用，降低了成本，提高了效率，改善了性能且價格低廉。
2、NdFeB磁性材料具有高矯頑力和內稟矯頑力(分別為850KA/m和1980KA/m)，它們是抵抗磁的和非磁的干擾而保持其永磁性的量度。因其具有高矯頑力和內稟矯頑力，永磁性不易受外界磁性和非磁性環境因素的干擾，有助于提高系統的可靠性；
3、與其它的稀土永磁材料相比，NdFeB的機械性能較好，不易破碎。尤其適用于汽車等震蕩的環境。
4、NdFeB的居里溫度較低，居里溫度為320攝氏度(所謂居里溫度是指磁性材料在超過一定的溫度點則磁性消失，這個溫度點就是該磁性材料的居里溫度)。NdFeB磁性材料在接近居里溫度時磁性變化明顯，磁性材料溫度穩定性常用矯頑力Hc和剩磁Br(永磁體經磁化至技術飽和，并去掉外磁場后，所保留的Br稱為剩余磁感應強度。簡稱為剩磁。所謂技術飽和是指各項磁性參數隨磁化強度的增加變化很小。所謂矯頑力是指)溫度系數表示，表示每升高1℃，矯頑力和剩磁的相應改變量，單位為[％/℃]。NdFeB Br溫度系數偏高(a＝-0.12％/t)，矯頑力溫度系數亦偏高，約0.70％/℃。例如三元Nd-Fe-B永磁材料(Neomax35)的退磁曲線和磁參量隨溫度的變化分別如圖9所示。可見隨溫度的升高，矯頑力的降低比Br、(BH)max的降低更快一些。溫度升高至250℃時，Hc已降低到零。對于磁性材料來說，剩磁Br和矯頑力Hc要求它們隨溫度變化越小越好。NdFeB溫度遠低于居里溫度時磁性能較好；在溫度升至約250℃時，磁性能已非常低。☆《稀土永磁材料的開發和運用》作者任伯勝等1989年12月第1版☆《稀土永磁材料的開發和運用》作者任伯勝等1990年12月第1版這種材料在電磁感應中明顯地表現出的對溫度的依賴性的特點不僅給發電機運行而且還給電動機運行帶來了好處。
A、隨著溫度的下降，永久磁鐵的磁性感應上升。從圖9上可以看出，溫度在0-50℃時NdFeB的各項磁性能最強，尤其是磁能積(BH)max最高，也就是說磁性最強，由此電機在冷起動時比在熱電機中由于具有較高磁能積，故而可以達到更高的扭矩，即電磁轉矩。電磁轉矩與電樞電流和氣隙磁通的關系為T＝CφIa(T為電磁轉矩，C為常量，φ為氣隙磁通，Ia為電樞電流)，其中氣隙磁通主要由轉子永久磁鐵的磁場產生的，常溫下永久磁鐵磁性不變，當溫度下降時，NdFeB磁性上升，由此產生的氣隙磁通增強，電機的電磁轉矩隨之增加，產生比常溫下更高的扭矩。在冷起動時要達到常溫下相同的起動扭矩，電動機電樞電流即蓄電池電流可以相應地降低。
B、在ISG系統應用中需要一個很大范圍的恒定功率，要求磁場衰減比在1∶10至1∶40之間，所謂磁場衰減比是指帶恒定力矩的轉速范圍與帶恒定功率的轉速范圍之比。當發電機高溫度運行時，磁性感應下降，可自動達到場強衰減。
C、NdFeB永磁材料中所含的稀土元素在我國廣有分布，蘊藏豐富，這將大大降低電機的制作成本，使電機在具有高使用性能的情況下其制作成本卻遠低于其他的磁性材料，NdFeB的這些特性尤其適于制造大功率永磁發電機。
整個轉子部分的安裝過程1)、將電機右軸蓋蓋在電機軸上；2)、先將一塊梯形軛鐵嵌入電機軸凹槽內，軛鐵沿電機軸向伸出的部分伸進軸蓋內的凹槽里；3)、緊挨其放置一塊磁鐵，4)、接下來貼著磁鐵再嵌入一塊軛鐵，5)、再貼著這塊軛鐵另一側放置第二塊磁鐵，6)、與第二塊軛鐵兩側相接觸的兩塊磁鐵的側面極性相同，7)、如此交錯排列，完成軛鐵和磁塊的布置，8)、將電機軸左蓋蓋上、軛鐵的左側沿軸向伸出的部分伸進左側電機軸蓋中，9)、固定左右軸蓋與軸筒。
本專利采用了內轉子永磁同步電機。之所以采用此結構由如下考慮1)效率優勢從功率參數上看，永磁同步電機在起動過程中主要是在功率因數為1時工作，因此在低轉速時蓄電池電流相對小，由此電機電流和磁路線的飽和度明顯小于其他的電機。異步電機的功率因數較差，在運行必須從電網里吸收滯后性的無功功率，它的功率因數總是小于1，這使得同步電機的效率要比異步電機要高；另外因異步電機是感應電機所以其定轉子上均纏有線圈，因此在同等條件下，比如在產生同樣的功率時，異步電機所需的體積要比同步電機大得多，也就是說若同步電機與異步電機的體積相同，則同步電機產生的功率一定要比異步電機高，這在汽車等交通工具有限的安裝空間里，受到極大的限制。
2)定子與轉子間隙優勢同步電機中對定子與轉子間空隙要求沒有異步電機大，這個特點適合汽車震蕩的行車環境。當發動機工作時為了避免轉子和定子相互接觸，必須要規定足夠大的間隙。因此安裝在曲軸上的起動發電機系統中ISG電機的轉子和定子之間的間隙是一個重要的尺寸。在ISG運行中這個間隙不是常數，隨著發動機使用時間的延長，這個值會增加。這個間隙安全的下限約為1mm。而同步電機轉子和定子之間典型的間隙值在1.0mm～1.5mm之間，符合要求。異步電機間隙卻在0.3mm～0.35mm之間，間隙過小，同時異步電機的無功電流隨間隙的增大成比例的上升，從而降低了電機的效率；
3)最后，同步的ISG電機比異步ISG電機好控制，轉子參數可測，而異步電機的轉子參數受溫度影響大，易產生控制誤差，影響控制精度。
4)與非永磁的同步電機相比，同步電機的轉子勵磁繞組被永久磁鐵代替，使電機結構簡單，最主要它不再需要外部激勵及與此相關的功率損耗來產生電機中的磁場，從而提高了汽車、輪船等的整體效率。
5)材料成本優勢本專利轉子采用含有稀土元素的永磁材料構成，而稀土元素在我國廣有分布，蘊藏豐富，從長遠看，這將大大降低電機的制作成本，使永磁同步電機擁有良好的市場前景，考慮所需性能和成本之間的平衡，應采用同步電機。
6)與其它的永磁電機相比本專利轉子采用了NdFeB永磁材料作磁極，這使本專利具有極大的優點。
本專利的永磁同步電機能實現的功能1、提供大的電動功率和動力輔助傳統的車用起動電機一般提供的功率為2KW-5KW，而我們去掉一個起動電機和一個發電機，所節省的空間可以用來安置一個比單個起動電動機和發電機大的多的ISG永磁同步電機，能夠實現峰值30KW以上的輸出功率，從而可以有效地解決汽車越來越多的車載電器用電需要及解決發動機燃油污染問題。之所以發出這樣大的的功率是因為第一、ISG電機的設計結構比傳統的電機大的多，也就是說定子的永磁體的體積、極數，轉子的電樞線圈布置數等都比車用傳統電機大的多，因此自然產生大的電磁轉矩及大的感應電動勢從而輸出大的功率；第二、傳統的電動機通過變速箱等中間傳動環節與發機相連，使電動機發出的機械功率消耗掉相當一部分，而ISG電機直接與發動機曲軸相連，此種布置首先使電動機提供的扭矩直接作用在發動機上，減少了功率損耗，從而快速起動發動機或提供動力輔助。第三結構采用永磁同步電機，與異步電機比效率高，容易實現控制。
在蓄電池能夠提供足夠電功率時，可使ISG電機工作在起動機狀態下，驅動轉子轉動，與發動機曲軸產生的力矩方向相同，從而形成合力矩，由于ISG電動機功率與發動機功率合在一起提供動力輔助，在達到相同動力要求下，有了ISG電動機的動力輔助，可望減小發動機尺寸，從而減少燃料的使用，這將進一步降低燃油的排放量，減小污染，同時降低了成本。
2、實現制動、減速能量的回收，有利于發電機提高效率傳統的車用發電機一般提供的功率為2KW-6KW。使用ISG永磁同步電機時，由于電機直接連在發動機曲軸上，所以本電機可實現制動能量回收，即能量的再生制動功能，將機械能轉化為電能從而提高發電機效率，提供大功率電能，所提供的功率峰值可達30KW以上。
因與發動機曲軸直接相連，當汽車制動或減速時，使ISG電機處于發電機狀態，根據發電機的電磁關系(參見《電機學》教材，電子工業出版社，2004年代，Charles Kingsley，Jr等著劉心正等譯)，發電機將產生與曲軸轉動方向相反的制動力矩，消耗機械能轉化為電能儲存在蓄電池中，這一方面有利于汽車快速制動和減速，另一方面將制動和減速的機械能量轉化為電能回收在蓄電池中。同時采用永磁同步電機結構能大大提高電機的發電效率。
3、實現低溫起動發動機的溫度不可過低，溫度過低，燃料蒸發不容易，會發生不完全燃燒，潤滑油黏度大，摩擦阻力大。溫度越低，摩擦阻力越大，傳統起動電機因起動功率小，很難在低溫下克服這種阻力一次性快速起動發動機，而本發明的ISG電機能發出幾倍、十幾倍乃至幾十倍于傳統起動機的起動功率(取決于不同的車型和電機的體積)，它通過曲軸快速帶動發動機先行轉動起來，發動機轉動起來后，活塞上下對其內的汽油和空氣的混合氣體做工，活塞做功越多，對混合氣體壓縮越厲害，氣體越熱，點火后燃燒越快、越充分，則發動機越易起動，起動越快，而ISG永磁同步電機在低溫冷起條件下，可提供高扭矩，快速起動發動機，從而降低燃油燃燒地不充分性，減少污染。ISG永磁同步電機甚至能在發動機未起動前，帶動汽車行駛一段時間，而現有技術的電動機提供的非常低的電動機功率則根本無法實現這種功能。這是因為為ISG提供的電平并非現有24V電，而是42V電，這是ISG的大功率發電功能實現的。
4、具有停停走走功能，從而減少環境污染，節省燃油在交通擁擠的現代街道停停走走，發動機都要處于怠速狀態或處于由慢速到快速的狀態甚至處于發動機熄火再起動的狀態，而這些狀態均易使發動機燃油燃燒不充分，是產生燃油污染的主要原因。有了ISG電機就可以在汽車處于停停走走狀態時，干脆將發動機關掉，大功率的ISG起動電機可提供足夠的電動力帶動述汽車行駛。而在汽車正常行駛后，再掛上離合由電動機帶動發動機起動，起動原理同低溫起動原理一樣，即起動電機快速帶動發動機活塞做功，混合氣體被高度壓縮，快速點燃，發動機被快速起動。這種起動不僅迅速，增加了斷油期間，節約了燃油，減少了污染，而且噪音小(噪音主要使發動機燃油燃燒不充分時發出的)。因此ISG永磁同步電機的起動一停止功能就是使發動機在待速狀態下即刻關閉，同時又能在需要時無噪聲地迅速重新起動，從而降低了發動機在低轉速時或由低速向高速加速時的燃油燃燒不充分而造成的污染。


圖1傳統汽車發動機、起動電機、發電機布置結構示意圖；圖2使用ISG電機后的汽車布置結構示意圖；圖3ISG電機在汽車中的安裝結構示意圖；圖4(a)6極電機的定、轉子結構布置關系示意圖；圖4(b)6極電機的定子線圈Y型接法示意圖；圖5轉子結構總成示意圖；圖6(a)沿軸向的梯形軛鐵主視圖；圖6(b)圖6(a)所示梯形軛鐵的徑向示意圖；圖6(c)圖6(a)所示梯形軛鐵的弧向示意圖；圖7(a)梯形軛鐵加工示意圖——圓柱形鐵坯立體圖；圖7(b)梯形軛鐵加工示意圖——圓柱形鐵坯前視圖；圖7(c)梯形軛鐵加工示意圖——內外兩個圓柱體結構；圖7(d)梯形軛鐵加工示意圖——呈圓弧排列的梯形軛鐵；圖8從軸向看進去的電機轉子結構示意圖；圖9NdFeB材料磁性能隨溫度變化曲線；圖10ISG電機運行控制示意圖；圖11Y型連接繞組兩兩通電時的合成轉矩矢量圖；(a)T1T2接通時A相和C相的合成力矩矢量圖；(b)T2T3接通時B相和C相的合成力矩矢量圖；(c)六個管兩兩接通時的全部合成轉矩的矢量圖；圖12霍耳傳感器相對位置示意圖。
如圖5所示，各部分名稱為無磁不銹鋼軸筒1、電機軸右軸蓋2、電機軸左軸蓋3、電機軸內部中空4、梯形軛鐵5、軛鐵外圓6、軛鐵內圓沿軸向突出部分7、嵌軛鐵的軸筒凹槽8、連接法蘭9、電機右軸蓋與飛輪連接用銷孔10、電機右軸蓋與無磁不銹鋼軸筒連接用銷孔11、電機左軸蓋與發動機曲軸連接用銷孔12、電機左軸蓋與無磁不銹鋼軸筒連接用銷孔13。
如圖8所示，各部分名稱為無磁不銹鋼軸筒1、電機軸內部中空4、梯形軛鐵5、軛鐵外圓6、軛鐵內圓沿軸向突出部分7、嵌軛鐵的軸筒凹槽8、放置長方體磁塊的空間14、放置磁塊后形成N極15、放置磁塊后形成S極16。
如圖10所示，20為霍耳傳感器。
如圖12所示，各部分名稱為9、連接法蘭，17、轉子，18、定子，19、霍耳傳感器轉子，20、霍耳傳感器，21霍耳傳感器固定架。
具體實施例方式
我們采用了霍耳傳感器來檢測轉子位置。霍爾傳感器是一種利用霍爾效應實現將感應的磁信號轉變為電信號的傳感器。所謂霍爾效應就是當一塊半導體薄片被置于磁感應強度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I且磁場方向與電流方向正交，則在半導體另外兩邊將產生一個大小與控制電流I和磁感應強度B乘積成正比的電勢U，即U＝KIB其中K為霍爾元件的靈敏度，這一現象稱為霍爾效應。當霍爾傳感器感應相反的磁場即N極和S極時，會輸出正電壓和負電壓，當經過它的磁場的極性為N極，則輸出為正脈沖信號，當經過它的磁場的極性為S極，則輸出為負脈沖信號，本專利就是利用它的這個特性來感應轉子的永磁體磁極的極性變化，從而輸出高低的電壓值送給控制電路，也就是說其輸入為磁場強度，輸出為開關量信號。為我們首先在電機外與電機同軸處安裝另一個同為16極的結構和位置均相同的永磁轉子(參看圖12)，三個霍耳傳感器彼此以120度空間角度懸置在這個轉子的上面。其工作原理是當電機轉子轉動時，霍耳傳感器的永磁轉子與電機轉子旋轉軌跡相同，這個永磁轉子依次經過霍耳傳感器時，霍耳傳感器將根據其極性的不同分別產生三組互差120度電角度的方波信號，該信號經運算處理后作為控制信號輸入到為電機供電的逆變電路中的IGBT的柵極，控制IGBT的開關。由于與電機轉子同軸安裝，霍耳傳感器的通斷狀態反映了電機轉子的空間位置。
ISG電機的控制電路如圖(10)所示，為ISG電機供電的是含六個IGBT的開關管的全橋逆變電路，IGBT的柵極控制信號由霍耳傳感器感應信號經DSP運算處理后輸出的。對于含六個IGBT的開關管的全橋逆變電路我們采用了兩兩通電的方式。(如圖10、11)即每一瞬間有2個功率管導通，每隔1/6周期(60度電角度)換向一次，每次換向一個功率管，每一功率管導通120度電角度。假設各功率管的導通順序依次為T1T2、T2T3、T3T4、T4T5、T5T6、T6T1，則當T1T2導通時，電流從T1管流入A相繞組，再從C相流出，經T2管回到電源。如果認定流入繞組的電流所產生的轉矩為正，那麼從繞組流出電流所產生的轉矩為負，它們的合成轉矩在A相轉矩與-C相轉矩的角平分線上，大小為A相轉矩的√3倍(如圖11(a))；當電動機轉過60度以后，霍耳傳感器也隨之轉過60度，發出感應信號給DSP，DSP將信號處理后輸出到IGBT的柵極，控制T2T3通電，這時電流從T3流入B相繞組再從C相繞組流出，經T2管回到電源，此時的合成力矩是B相力矩與-C相力矩合成的，大小與上次的合成力矩一樣，但方向轉過了60度電角度(如圖11(b))。如此循環產生連續轉動的力矩。從上述可以知道每個繞組通電240度，其中正反向各通電120度。圖11(c)表示了全部合成轉矩的方向。電機在這些合成力矩的作用下連續轉動。電機穩態運行時總是二相通電為三相六狀態運行。轉子每轉過60電角度，就有一次電流切換，每相繞組通電120°電角度。
當電機運行在發電機狀態時，所發電能由與IGBT并聯的六個二極管返回蓄電池。
本專利所述電機的典型數據電機呈立式扁平狀結構，轉子固定在發動機的曲軸上，永磁體磁極放置在轉子上隨軸轉動；定子固定，電樞繞組放置在定子上，電機直徑為40cm，軸向長度30cm，定子直徑為25.8cm，整個電機體積小巧，質量僅為300KG，有效利用了結構空間，而所能輸出的功率卻高達50-60KW以上。電機采用內轉子式永磁無刷同步電機，定子48槽，放置電樞繞組8組(每組各含通abc三相電的三組繞組)，形成電磁場16極，在轉子上安裝永久磁鐵16極，形成16極永久磁場。以4缸2L發動機汽車為例，采用ISG電機可降低油耗10-15％，電機快速起動小于200ms，能在200ms內使動力系轉速達700r/min發動機機起動時無噪音，無加速延遲，無扭矩撞擊，低溫下大于400000次可靠性。最大起動扭矩200Nm，最大起動轉速700r/min，最大可能的起動時間4s。
權利要求
1.集成一體化永磁同步起動電機，其特征在于采用外定子內轉子結構，電機轉子由電機軸筒(1)、左軸蓋(3)、右軸蓋(2)、梯形軛鐵(5)、永久條形磁極組成；軸筒(1)由具有一定厚度的無磁不銹鋼材料制成，其外側沿圓周等距離分布有嵌軛鐵(5)的凹槽(8)，內部中空(4)；梯形軛鐵(5)沿電機軸向呈梯形，其上下兩邊是同心圓弧，每相鄰的兩個梯形軛鐵的外圓(6)沿弧向邊沿彼此結合在一起，構成一個幾乎接近封閉的楔形空間，條形永久磁極嵌入這個楔形空間內，每一軛鐵兩側安裝的條形磁塊的極性相同；梯形軛鐵(5)內弧軸向兩端有比軛鐵其余部分突出的內弧臺階(7)，軛鐵內弧體嵌入軸筒的凹槽(8)中，內弧臺階(7)伸入到左右電機蓋(2)、(3)中，從而將梯形軛鐵固定在電機軸筒上；左右軸蓋(2)、(3)與電機軸筒(1)固定安裝在一起。
2.如權利要求1所述的集成一體化永磁同步起動電機，其特征在于定子48槽，放置電樞繞組8組，每組各含通abc三相電的三組繞組，形成電磁場16極，在轉子上安裝條形永久磁鐵16極，形成16極永久磁場。
3.如權利要求1或2所述的集成一體化永磁同步起動電機，其特征在于條形永久磁體系長方體形狀，由NdFeB永磁材料制成。
4.如權利要求1或2所述的集成一體化永磁同步起動電機，其特征在于左右軸蓋(2)、(3)通過銷孔(11)、(13)與電機軸筒(1)固定安裝在一起。
5.權利要求1或2所述的集成一體化永磁同步起動電機在汽車中的應用。
6.如權利要求5所述的集成一體化永磁同步起動電機在汽車中的應用，其特征在于定子固定在飛輪殼中，電樞繞組放置在定子上，與電機軸筒(1)固定安裝在一起的左右軸蓋(2)、(3)分別與汽車發動機的曲軸及飛輪連接，軸筒(1)與發動機曲軸及飛輪同步轉動。
7.權利要求3所述的集成一體化永磁同步起動電機在汽車中的應用。
8.如權利要求7所述的集成一體化永磁同步起動電機在汽車中的應用，其特征在于定子固定在飛輪殼中，電樞繞組放置在定子上，與電機軸筒(1)固定安裝在一起的左右軸蓋(2)、(3)分別與汽車發動機的曲軸及飛輪連接，軸筒(1)與發動機曲軸及飛輪同步轉動。
9.權利要求4所述的集成一體化永磁同步起動電機在汽車中的應用。
10.如權利要求9所述的集成一體化永磁同步起動電機在汽車中的應用，其特征在于定子固定在飛輪殼中，電樞繞組放置在定子上，與電機軸筒(1)固定安裝在一起的左右軸蓋(2)、(3)分別與汽車發動機的曲軸及飛輪連接，軸筒(1)與發動機曲軸及飛輪同步轉動。
全文摘要
本發明涉及一種集成一體化的永磁同步起動發電機，在車內與發動機同軸連接。電機采用外定子內轉子結構，轉子由電機軸筒、左右軸蓋、梯形軛鐵、永久條形磁極組成。軸筒具有一定厚度，其外側有嵌軛鐵的凹槽，內部中空；梯形軛鐵上下兩邊是同心圓弧，每相鄰的兩個梯形軛鐵的外圓沿弧向邊沿彼此結合在一起，構成一個幾乎接近封閉的楔形空間，條形永久磁極嵌入這個楔形空間內，每一軛鐵兩側安裝的條形磁塊的極性相同；梯形軛鐵內弧臺階伸入到左右電機蓋中，從而將梯形軛鐵固定在電機軸筒上。條形永久磁鐵由NdFeB永磁材料制成。在汽車中應用，電機具有提供大電動功率、發電功率和動力輔助，能快速實現低溫起動，減少環境污染、節省燃油優良效果。
文檔編號H02K21/14GK1599210SQ20041001105
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月23日 優先權日2004年8月23日
發明者龔依民, 韓煒, 朱澄, 肖麗梅 申請人:吉林大學