技术领域
[0001] 本
发明涉及车辆的
电机，并且更具体地，本发明涉及用于车辆的电机的
控制器。
背景技术
[0002] 电机通常由
定子和
转子组成。通常，BLDC电机具有星形绕组配置，并且用于此类电机的控制器还配备有六个电
力电子开关，所述六个电力电子开关控制通过电机三相的
电流，以这种方式使得在任何时刻电流流过两相。开关被布置为使得所述开关中的两个开关在电源之间
串联连接，并且重复三个这样的配置。此外，每个配置的中间部分连接到星形绕组配置的
相位端。
[0003] 这导致对于
磁场而言的六个稳定
位置，从而导致在转子的完整机械旋转的情况下，在
扭矩波形中产生六个波纹。波纹会对平均扭矩产生负面影响，这进一步降低可以施加到负载的可用负载扭矩。因此，在这样的电机中，为了满足负载扭矩要求，电机的总体尺寸通常较大，这可能会妨碍将电机放置在车辆中，尤其是放置在比如两轮车辆或者三轮车辆的小型车辆重。
[0004] 因此，需要提供一种紧凑型的电机，其可以传递更多的平均扭矩来满足车辆的负载扭矩要求。
附图说明
[0005] 参照附图描述具体实施方式。在整个附图中，相同的附图标记用于指代相似的特征和部件。
[0006] 图1示出了根据本发明主题的
实施例的示例性两轮车辆的左侧视图。
[0007] 图2示出了根据本发明的实施例的电机的典型截面。
[0008] 图3描绘了根据本发明的实施例的用于在启动过程中和在高速操作过程中辅助车辆的内燃
发动机的控制系统的
框图。
[0009] 图4示出了提供了根据本发明的实施例的电力电子开关的三相切换网络的开关的六个可能状态中的三个可能状态下的相位图表示。
[0010] 图5示出了图4中描绘的电力电子开关的六开关网络，其导致图2中描绘的三相电机的开关。
[0011] 图6提供了根据本发明的实施例的电力电子开关的三相开关网络中的开关的六个可能状态的相位图表示。
[0012] 图7示出了电力电子开关的六开关网络，该六开关网络具有电连接到图2中所描绘的电机的星形绕组的线圈的
中性点的额外开关支路。
[0013] 图8描绘了根据图5中所示的网络连接的常规电机的扭矩波形。
[0014] 图9描绘了根据图7中所描绘的网络连接的本发明的电机的扭矩波形。
具体实施方式
[0015] 本发明描述了一种在功能方面超越ISG的电机。本发明还被设计为在高速、高负载条件下向发动机提供辅助，使得可以执行车辆和发动机操作以减少CO2和NOx的排放。
[0016] 此外，本发明可以借助多种电机拓扑来实现，诸如感应电机、开关磁阻电机(SRM)和BLDC(无刷直流)电机。感应电机和开关磁阻电机与对应的电力电子控制器一起操作，这些电力电子控制器基于输入条件，比如当前转速，来调节扭矩。
[0017] 尽管感应电机和SRM的速度不受感应反电动势(电动势)的限制，但是BLDC的速度范围由于感应
电压而受到影响。这是由于存在旋转磁体而在线圈中产生的磁通变化率，从而在绕组线圈中感应出电压。该电压限制了流入电机的电流，取决于所供应的电压而限制了速度大于零时的可能转矩。
[0018] 当电机被设计用于启动和动力辅助操作时，需求是矛盾的。启动需要高扭矩常数，而动力辅助需要高速/动力操作并且进而需要低扭矩常数。
[0019] 本发明提供了一种BLDC电机和用于该BLDC电机的控制器，用于该BLDC电机的控制器具有八个电力电子开关，其中，所述开关以如下方式布置：开关中的两个(顶部一个和底部一个)串联连接在所述电源之间并且重复四个这样的配置。此外，前三个配置的中间部分连接至星形绕组配置的相位端，而第四配置的中间部分连接至星形绕组配置的中性点。
[0020] 此外，开关中的每个由
微控制器分别通过电力电子切换
电路来操作。开关中的每个由多个电力电子切换电路元件的并联组合组成。
[0021] 传统的BLDC电机及其控制器设置有三种配置，具有六个开关，当以预定顺序操作时，其中来自两种不同配置的开关被操作，其中开关中的一个是顶部开关并且另一个是底部开关，在BLDC电机的定子中建立了旋转磁场。通常，旋转磁场引起转子跟随磁场以建立转子的旋转运动。
[0022] 在这种BLDC电机中，旋转磁场以60°电
角的阶跃产生，这导致转子扭矩被选择为扭矩相对于角度波形的60°的组合，其具有峰值扭矩，导致六个重复的扭矩波形。这将在转子360°电旋转内产生六个扭矩波纹。转子的平均扭矩通常是输出扭矩波形的峰值扭矩和最低扭矩的平均值。在这种情况下，转子的平均扭矩低于峰值扭矩，这导致电机仅满足较低的负载扭矩要求。
[0023] 因此，在本发明中，实施了作为第四开关配置的专用开关配置，使得第四配置的中间部分连接至电机的星形绕组配置的中性点。通过这种配置，本发明实现了一种可能的开关配置，该开关配置可以导致小于60°电角的更精细的阶跃，例如，旋转磁场的30°电角的更精细的阶跃。
[0024] 例如，在一个实施例中，本发明涉及接通第一开关配置的顶部开关和第四开关配置的底部开关以导致电流仅流过相位中的一个，以获得旋转磁场的第一个30°电角。为获得旋转磁场的下一个30°电角，接通第一开关配置的顶部开关和第二开关配置的底部开关，导致电流流过定子绕组的相位中的两个。类似地，可以实现旋转磁场的30°角阶跃。通过这种配置，可以增加输出扭矩波形的最低扭矩，这进而增加了转子的平均扭矩，并且仍然保持峰值扭矩不变。在这种情况下，由于平均扭矩较高，因此BLDC电机有可能满足较高的负载扭矩要求。
[0025] 在一种实施方式中，电机气隙中的磁场的所产生相位在每次阶跃中旋转30°。相应地，可以在电机的定子上放置更多数量的霍尔效应
传感器，以检测转子的30°旋转。在另一个实施例中，基于转子的先前已知位置和计算出的速度来预测转子的位置，该速度是由安装在定子上的传统的三个
霍尔效应传感器得出的。
[0026] 在仅切换相位中的一个的时间期间，增大控制器的电流极限，使得所引起的磁场的峰值幅度将保持相同。
[0027] 在一个实施例中，本发明使得能够实现尺寸紧凑且重量轻的BLDC电机，从而使其能够配合在小型车辆中。此外，本发明还有助于实现更高的平均扭矩，从而使电机能够满足车辆的更高负载扭矩要求。对于专为高速驾驶操作而设计的BLDC电机，启动扭矩通常较低。然而，本发明提供了一种BLDC电机，该BLDC电机被配置成除了满足高速驾驶操作外，还实现更高的启动扭矩，其可以满足车辆可启动性要求，例如，
动力总成(比如车辆的内燃发动机)的可启动性要求。
[0028] 在一个实施例中，提出的电机用于辅助内燃发动机的
曲轴的旋转，其中在车辆启动期间和在车辆行驶期间为内燃发动机提供动力辅助时，在操作电流下的峰值扭矩被限制为约50Nm。此外，本发明的电机在操作电流下的峰值扭矩小于混合动力车和/或
电动车辆的
牵引电机的操作要求。
[0029] 在一个实施例中，本主题提供一种控制系统，用于在启动和高速操作期间辅助车辆的内燃发动机并且实现更高的平均扭矩。本发明的控制系统设置有紧凑且能够容纳在小型车辆中的电机和电源。该控制系统还能够实现高速操作时废气排放的减少。
[0030] 在一个实施例中，本发明的控制系统包括BLDC类型的电机。该电机包括具有多个齿的定子，所述多个齿中的每个齿都缠绕有
导线以形成以星形绕组配置连接的绕组。所述电机包括具有多个
永磁体的转子，所述多个永磁体被布置成面对所述定子的多个齿。
[0031] 在一个实施例中，本发明的控制系统包括电机控制器，所述电机控制器包括至少一个微控制器。电机控制器包括第一组开关配置，所述第一组开关配置具有以第一开关配置、第二开关配置和第三开关配置布置的六个开关，其中，所述第一开关配置、第二开关配置和第三开关配置分别包括在所述电源的
端子之间串联连接的两个开关。第一组包括三个顶部开关和三个底部开关，其中，串联连接的所述两个开关中的每个开关的第一接合部连接至所述星形绕组配置的第一相的连接器端。串联连接的所述两个开关中的每个开关的第二接合部连接至所述星形绕组配置的第二相的连接器端。串联连接的所述两个开关中的每个开关的第三接合部连接至所述星形绕组配置的第三相的连接器端。电机控制器包括包括第二组开关配置，所述第二组开关配置以第四开关配置布置，所述第四开关配置具有在所述电源的端子之间串联连接的两个开关，所述第二组包括连接至所述星形绕组配置的中性点的第四接合部。
[0032] 在一个实施例中，控制系统包括至少一个微控制器，所述至少一个微控制器接通预定顺序的开关配置，引起旋转磁场的30°电角阶跃。
[0033] 此外，在一个实施例中，控制系统设置有至少一个微控制器，所述至少一个微控制器接通第一开关配置的顶部开关和第四开关配置的底部开关，引起电流流过所述第一相，以获得旋转磁场的第一个30°电角。至少一个微控制器接通第一开关配置的顶部开关和第二开关配置的底部开关，引起电流流过所述第一相和所述第二相，以获得旋转磁场的第二30°电角。
[0034] 此外，在一个实施例中，至少一个微控制器通过以预定顺序接通第一组开关配置和第二组开关配置，引起旋转磁场的30°角阶跃。
[0035] 在一种实施方式中，所述BLDC电机的多个永磁体安装在所述转子的面向所述定子的表面上。在替代实施方式中，所述BLDC电机的多个永磁体嵌入在所述转子内部。
[0036] 此外，在一个实施方式中，电机是具有布置在所述定子内部的所述转子的无刷直流电机。在另一实施方式中，电机是具有布置在所述定子外部的所述转子的无刷直流电机。
[0037] 在一个实施例中，第一组开关配置和所述第二组开关配置由多个电力电子切换电路元件的并联组合组成。在一个实施例中，电源用于当所述电机作为电机操作时向所述电机供应
能量，并且用于当所述电机作为发电机操作时将由所述电机产生的能量储存在电源中。
[0038] 在一种实施方式中，控制系统包括能够感测所述转子的操作位置的一个或多个传感器。在一个实施例中，当从至少一个能量储存装置接收
电能时，转子能够通过与由定子产生的磁场相互作用而旋转，所述转子通过气隙与所述定子分隔开，并且其中所述磁场垂直于所述转子的旋
转轴线。
[0039] 在替代实施例中，当从至少一个能量储存装置接收电能时，转子能够通过与由定子产生的磁场相互作用而旋转，所述转子通过气隙与所述定子分隔开，并且其中所述磁场平行于所述转子的
旋转轴线。
[0040] 在一个实施例中，电机能够在操作电流下达到峰值扭矩，所述峰值扭矩在发动机启动期间以及在车辆行驶期间为内燃发动机提供动力辅助时都至多为50Nm。在替代实施例中，在三轮车辆的情况下，峰值扭矩至多为10Nm至30Nm。类似地，在两轮车辆的情况下，例如在具有约110cc的发动机容量的摩托车和
踏板车型车辆的情况下，峰值扭矩可以在至多7Nm的范围内。在一个实施例中，对于较高容量的两轮车辆，例如，发动机容量为约200cc的摩托车，峰值扭矩可以最大为10mm。
[0041] 在下面的描述中，将结合附图更详细地描述本主题的这些和其他优点。
[0042] 图1示出了根据本主题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，所述框架组件105用作车辆100的结构构件和骨架。框架组件105包括
头管105A，转向组件通过头管105A可旋转地轴颈连接。转向组件包括通过一个或多个前悬架120连接到前轮115的车把组件111。前
挡泥板125
覆盖前轮120的至少一部分。此外，框架组件105包括从头管105A向后下方延伸的主管(未示出)。
燃料箱130安装到主管105A。此外，
下管(未示出)从主管的后部基本
水平地向后延伸。额外地，框架组件包括从下管的后部倾斜地向后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延伸到后部R。
[0043] 在一个实施例中，动力单元135安装到下管。在一个实施例中，动力单元135包括内燃(IC)发动机。
燃料箱130功能性地连接至动力单元135以供应燃料。在优选实施例中，IC发动机向前倾斜，即，发动机的
活塞轴线向前倾斜。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。一个或多个后悬架150以一定角度连接摆臂145，其承受由于
车轮反作用而产生的径向力和轴向力。后挡泥板155布置在后轮145上方。座椅组件160布置在由框架组件105限定的步入部的后部R处。在一个实施例中，座椅组件160包括驾驶者座椅160A和后座座椅160B。此外，后座座椅160B
定位在后轮145的上方。此外，车辆100由安装至框架组件105的中心
支架(未示出)支撑。地板165安装到下管并且布置在步入部处。地板165覆盖动力单元135的至少一部分。
车辆100配备有由框架组件105支撑的辅助动力单元(未示出)，例如，能量储存装置，比如
电池。额外地，车辆100设置有至少一组
脚踏板180，以使驾驶者/后座乘客搁置他们的脚。
[0044] 图2示出了关于本发明的实施例的电机的横截面。在一个实施例中，电机是外部旋转BLDC电机。在一个实施例中，外部旋转BLDC电机用作集成式启动发电机(ISG)。本主题的电机101包括转子104，转子104还包括护
铁106和布置在转子104的内表面上的多个磁体108。在一个实施例中，护铁106随着转子104的旋转而旋转。在一个实施例中，多个磁体108是永磁体。
[0045] 此外，护铁106可以由铁、
硅钢中的任何一种制成，其可以被制成一整
块的铁或者硅钢。可替代地，护铁106被制成为铁或者硅钢的层，在它们之间具有多个电绝缘层。在一个实施例中，多个磁体108可以是弧形磁体和平面磁体中的任何一个。此外，在一个实施例中，多个磁体108沿周向彼此相邻地布置，其中没有任何间隙。可替代地，多个磁体108可以沿周向彼此相邻地布置，其中在多个磁体108中的两个相邻磁体之间具有周向气隙。
[0046] 此外，电机101包括定子102，该定子102具有居中设置的定子铁芯118，多个定子齿112围绕该定子铁芯118沿周向布置，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内并且由气隙110径向地分隔开。在一个实施例中，多个定子齿112中的每个齿包括杆部。在一个实施例中，多个定子齿112的齿的杆部在杆部的两端处，即在朝向定子铁芯118的第一端和远离定子铁芯118的第二端处设置有相等的宽度。在替代实施例中，多个定子槽114中的每个槽形成为在两端处，即在更靠近定子铁芯118的一端和在远离定子铁芯118的一端处具有相等的宽度，这是通过多个定子齿112的两个相邻齿在其两端具有不同的宽度来实现的。在另一替代实施例中，多个定子齿112中的每个齿和多个定子槽114中的每个槽形成为，使得齿和槽在两端处的宽度不相等。在一个实施例中，多个定子齿112的每个齿的杆部以面向转子
104的头部终止，并且该头部具有比杆部宽的宽度。
[0047] 图3描绘了根据本发明的实施例的用于在启动期间和高速操作期间辅助车辆的内燃发动机的控制系统的框图。在一个实施例中，控制系统200包括电机控制器202，该电机控制器202进一步包括至少一个微控制器204和多个开关214。该电机控制器202由能量储存装置(例如，电池212)供电并且能够从一个或多个传感器208接收输入。基于从一个或多个传感器208接收的输入，电机控制器202控制电机101，以在车辆启动期间通过向电机101提供升压电压并且在车辆行驶操作期间通过提供来自电池212的电压来有效地操作。
[0048] 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208接收的
信号，以有效地启动车辆的操作。
[0049] 图4示出了根据本发明的实施例的电力电子开关的三相切换网络的开关的六个可能状态中的三个的相位图表示。在一个实施例中，相位图402描绘了所产生的磁场，如沿着由于电机101的相位A引起的磁场和由于电机101的相位-B引起的磁场的二维矢量所表示的。在一个实施例中，相位图404描绘了所产生的磁场，如沿着由于电机101的相位A引起的磁场和由于相位-C引起的磁场的二维矢量所表示的。类似地，在一个实施例中，相位图406描绘了所产生的磁场，如沿着由于电机101的相位B引起的磁场和由于电机的相位-C引起的磁场的二维矢量所表示的。在一个实施例中，上述三个顺序ABD、ACD和BCD以顺
时针旋转顺序隔开60°。
[0050] 图5示出了图4中描绘的电力电子开关的六开关网络，其导致图2中描绘的三相电机的切换。在一个实施例中，电机控制器202的电力
电子电路300包括串联布置的第一顶部开关314和第一底部开关316，第一顶部开关314和第一底部开关316在其间形成第一接合部308。第一顶部开关314连接到电池212的正极，而第一底部开关316连接到电池212的负极。
类似地，电机控制器202的电力电子电路300还包括第二顶部开关318和第三顶部开关322，它们分别与第二底部开关320和第三底部开关324串联布置，在它们的对应接合处形成第二接合部310和第三接合部312。第一顶部开关314和第一底部开关316与第二顶部开关318和第二底部开关320以及第三顶部开关322和第二底部开关324并联布置。第一接合部308、第二接合部310和第三接合部312还连接至电机101的相位端，例如电机101的相位端A、B、C
302、304、306，使得在电机控制器202与电机101之间建立电连接。
[0051] 图6提供了根据本发明的实施例的电力电子开关的三相切换网络的开关的六个可能状态的相位图表示。在一个实施例中，相位图402描绘了所产生的磁场，如沿着由于电机101的相位A引起的磁场和由于电机101的相位-B引起的磁场的二维矢量所表示的。在一个实施例中，相位图404描绘了所产生的磁场，如沿着由于电机101的相位A引起的磁场和由于相位-C引起的磁场的二维矢量所表示的。类似地，在一个实施例中，相位图406描绘了所产生的磁场，如沿着由于电机101的相位B引起的磁场和由于电机的相位-C引起的磁场的二维矢量所表示的。类似地，本主题提供一种相位图602，其中沿着由于电机101的相位-B引起的磁场而产生的磁场。在一个实施例中，由于相位-B而产生的磁场和相位图402的所产生磁场以顺时针的旋转顺序隔开30°。类似地，相位图604和606提供由于相位A和相位-C而产生的磁场。此外，由于相位A产生的磁场和相位图404的所产生磁场以顺时针旋转的顺序隔开
30°，而由于相位-C产生的磁场和相位图406的所产生磁场以顺时针旋转的顺序隔开30°。
[0052] 图7示出了电力电子开关的六开关网络，该六开关网络具有电连接到图2中所描绘的电机的星形绕组的线圈的中性点的额外开关支路。在一个实施例中，本发明的电力电子电路700还包括第四顶部开关sw7 704和第四底部开关sw8 706，它们串联布置，在它们之间形成第四接合部N 708。在一个实施例中，第四接合部N 708还连接至电机101的相位端，例如电机101的星形绕组配置的中性点N 702，使得当电流流经以上开关之一到中性点N 702时，产生的磁场相隔30°，从而降低了平均值。
[0053] 图8描绘了根据图5中所示的网络连接的常规电机的扭矩波形500。在一个实施例中，以60°电角的阶跃创建旋转磁场，这导致转子扭矩选择为扭矩相对于角度波形的60°的组合，该扭矩具有峰值扭矩，引起六个重复的扭矩波形。这将在电机101的转子的360°电旋转内产生六个扭矩波纹。转子的平均扭矩通常是输出扭矩波形的峰值扭矩和最低扭矩的平均值。在这种情况下，转子的平均扭矩低于峰值扭矩，这导致电机101仅满足较低的负载扭矩要求。例如，波形508包括由相位A的顶部开关和相位B的底部开关贡献的波纹1。类似地，波纹2由相位A的顶部开关、相位C的底部开关贡献。同时，波纹3由相位B中的顶部开关、相位C的底部开关贡献。类似地，纹波4由B相的顶部开关、A相的底部开关贡献，并且纹波5由C相的顶部开关和A相底部开关贡献。最后，纹波6由C相的顶部开关和B相的底部开关贡献。循环按此顺序重复。
[0054] 图9描绘了根据图7中所描绘的网络连接的本发明的电机的扭矩波形600。在一个实施例中，引入如图7中所示的作为第四开关配置的额外开关配置，使得第四配置的中间部分连接至电机101的星形绕组配置的中性点。通过这种配置，本发明实现了一种可能的开关配置，该开关配置可以导致小于60°电角的更精细阶跃，例如，旋转磁场的30°电角的更精细阶跃，涉及接通第一开关配置的顶部开关和第四开关配置的底部开关以导致电流仅流过相位中的一个，以获得旋转磁场的第一个30°电角。为获得旋转磁场的下一个30°电角，接通第一开关配置的顶部开关和第二开关配置的底部开关，导致电流流过定子绕组的相位中的两个。类似地，可以实现旋转磁场的30°角阶跃。通过这种配置，可以增加输出扭矩波形的最低扭矩，这进而增加了转子的平均扭矩，并且仍然保持峰值扭矩不变。在这种情况下，由于平均扭矩较高，因此BLDC电机101有可能满足较高的负载扭矩要求。例如，在一种实施方式中，扭矩波形602包括波纹7，其由N相的顶部开关、B相的底部开关贡献。类似地，纹波8由A相的顶部开关、B相的底部开关贡献。纹波9由A相的顶部开关、N相的底部开关贡献，而纹波10由A相的顶部开关、C相的底部开关贡献。类似地，纹波11由N相的顶部开关、C相的底部开关贡献，而纹波12由B相的顶部开关、C相的底部开关贡献。以类似的方式，纹波13由B相的顶部开关、N相的底部开关贡献，而纹波14由B相的顶部开关、A相的底部开关贡献。类似地，纹波15由N相的顶部开关、A相的底部开关贡献，而纹波16由C相的顶部开关、A相的底部开关贡献。最后，纹波17由C相的顶部开关、N相的底部开关贡献，而纹波18由C相的顶部开关和B相的底部开关贡献。循环按此顺序重复，使得可以增加输出扭矩波形的最低扭矩，从而增加转子的平均扭矩，并且仍保持峰值扭矩不变。在这种情况下，平均扭矩更高。
[0055] 鉴于以上公开，本主题的许多
修改和变型是可能的。因此，在本主题的
权利要求的范围内，本公开可以不同于具体描述来实践。
