CN104753160A - 一种汽车起动发电机及其控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种汽车起动发电机及其控制装置，包括中间具有抽头的三相电机、第一逆变器、第二逆变器和双触点开关。其特征在于：当发动机起动时，三相绕组的三个中间抽头悬置，第二桥式变换器的三个负极开关管或三个正极开关管同时导通，三相绕组的末端被短接在一起。当发动机起动后，起动发电机处于高速发电状态，此时三相绕组的三个中间抽头被电磁开关短接在一起，起动发电机相当于两个三相发电机运行。本发明的技术可以有效地实现电机高速运行时的弱磁扩速问题。

Description

一种汽车起动发电机及其控制装置
技术领域
本发明涉及一种汽车起动发电机及其控制装置，属于汽车电器技术领域。
背景技术
汽车用起动发动机既能当作电动机运行，又能作为发电机运行，以在起动后为用电设备供电，或在驱动汽车后回收制动能量。
在已有的文献中，永磁同步电机、永磁直流无刷电机和电励磁同步电机已被许多学者认为可以作为起动发电机。这些电机多采用三相绕组。在磁场大小不变的情况下，其感应电动势（或反电势）会与电机的转速成正比。
以传统的汽油发动机为例，发动机的起动转速为200r/min左右,而起动后发动机的怠速转速为700r/min左右，起动后正常转速为1500r/min以上。电机是依靠感应电动势（或反电势）进行机电能量转换的，而不同转速下电机的感应电动势（或反电势）不同，这就不能适应恒定电压的汽车电源。以12V电源***为例，如果发动机在200r/min左右能达到10V左右的反电势，则在2000r/min左右将会产生100V左右的感应电动势，4000r/min能产生约200V的感应电动势，这将不能正常给12V的蓄电池充电。
因此，起动发电机需要在起动状态和发电状态采用不同匝数的绕组，即能使起动发电机在两种状态下都能发挥最佳性能。
在已有技术中，授权的发明专利：ZL200780042653.4，一种车辆用混合发动机辅助***，包括一个通过配线与发电电动机和旋转机的三相电力端子连接的变换器，在发电电动机侧连接的情况下，将发电电动机产生的所述三相交流电转换成直流电，在与旋转机侧连接的情况下，将电池的直流电转换成三相交流电并向旋转机供给。
本发明的发明人也曾经针对这一问题提出采用开关磁阻和双凸极两种工作模式实现起动和发电的切换，并申请了发明专利：一种双模电动发电机，申请号：2014105380702。
另外，值得一提的是公开的发明专利申请：一种可切换绕组的永磁同步电机驱动***，申请号：201310581305.1，公开了一种可切换绕组的永磁同步电机驱动***，它利用双逆变器协调控制和弱磁控制实现低速和高速的绕组工作切换，显著拓宽驱动***工作转速范围。该申请与本发明申请的区别是：
首先该申请的技术目的主要是为了电动机运行时的弱磁扩速，而本发明申请的目的在于改善起动和发电状态时的电机性能；
其次，该申请利用双逆变器协调控制和弱磁控制实现低速和高速的绕组工作切换，而本发明申请的第二逆变器用于实现三相绕组的短接，不用于作为普通的逆变器使用；
再次，该申请绕组短接使用了一种绕组开关变换装置，本申请使用更为简单有效的双触点电磁开关，没有整流元件的电压降；
另外，该申请的与本申请在两个逆变器的连接方式上也有这显著的区别。
最后，该申请技术适用于永磁同步电机，而本发明的技术对于大部分电机都适用。
总之，申请人至今为检索到利用两个逆变器和一个双触点开关实现绕组匝数的切换，以适应低速起动状态和高速发电状态两种工况要求的起动发电机技术。
发明内容
为了发明一种汽车起动发电机及其控制装置，以全部的匝数参与起动工作，起动转矩大；以部分匝数参与发电工作，解决高速发电运行时电压过高、电阻过大等问题，提高电机的效率。
本发明采用如下技术方案：
一种汽车起动发电机及其控制装置，其特征在于：
包括三相电机、第一逆变器(1)、第二逆变器(4)、双触点开关(3)、切换开关(5)和控制器；
所述三相电机的三相定子绕组(2)中间具有抽头，三相绕组的两端分别接在第一逆变器(1)和第二逆变器(4)的三个桥臂中点；三相定子绕组(2)中间的三个抽头连接在双触点开关(3)的三个接头上，可以被双触点开关(3)连接在一起或完全断开；
第一逆变器(1)的正极和负极分别接蓄电池的正极的负极，第二逆变器(4)与切换开关(5)串联后再分别接在蓄电池的正极和负极上；
控制器可以控制第一逆变器(1)与第二逆变器(4)的开关管、双触点开关(3)和切换开关(5)。
如上所述的一种汽车起动发电机及其控制装置，当发动机起动时，双触点开关(3)断开，三相定子绕组(2)的三个中间抽头悬置，第二逆变器(4) 的三个负极开关管或三个正极开关管同时导通，将三相绕组的末端短接在一起；
当发动机起动后，汽车起动发电机处于高速发电状态，三相定子绕组(2) 的三个中间抽头被双触点开关(3)短接在一起，第一逆变器(1)和第二逆变器(4)上的开关管皆被关闭，此时汽车起动发电机相当于两个三相发电机运行。
一种汽车起动发电机及其控制装置，其特征在于：
包括三相电机、第一逆变器(1)、第二逆变器(4)、三相整流桥、切换开关(5)和控制器；
所述三相电机的三相定子绕组(2)中间具有抽头，三相绕组的两端分别接在第一逆变器(1)和第二逆变器(4)的三个桥臂中点；三相定子绕组(2)中间的三个抽头分别接三相整流桥的三个桥臂中点；
第一逆变器(1)的正极和负极分别接蓄电池的正极的负极，第二逆变器(4)与切换开关(5)串联后再分别接在蓄电池的正极和负极上；
控制器可以控制第一逆变器(1)与第二逆变器(4)的开关管、双触点开关(3)和切换开关(5)。
如上所述的一种汽车起动发电机及其控制装置，其特征在于：
当发动机起动时，控制器控制切换开关(5)断开，第二逆变器(4)的三个负极开关管或三个正极开关管同时导通，将三相绕组的末端短接在一起；
当发动机起动后，汽车起动发电机处于高速发电状态，第一逆变器(1)和第二逆变器(4)上的整流管和三相整流桥上的整流管组成H桥整流器，使起动发电机对外输出直流电。
本发明的有益效果如下：
⑴起动时，所有的线圈都参与工作，起动转矩大。由于起动时间短，因此起动机能够承受短时间的过电流；
⑵发电时，只有部分线圈参与工作，解决了高速发电运行时的弱磁扩速问题，电机的内阻小，电机的效率高。
附图说明
图1是本发明一种汽车起动发电机及其控制装置原理图。其中：1、第一逆变器，2、三相定子绕组，3、双触点开关，4、第二逆变器，5、切换开关。
图2是本发明一种汽车起动发电机及其控制装置起动状态A-B通电模态电流图。其中：1、第一逆变器，2、三相定子绕组，3、双触点开关，4、第二逆变器，5、切换开关。图中加粗黑线为A-B通电时电流流向。
图3为本发明一种汽车起动发电机及其控制装置。其中：1、第一逆变器，2、三相定子绕组，3、双触点开关，4、第二逆变器，5、切换开关。图中开关管为虚线，表示无触发信号开关管被关闭，绕组发出的电压经过逆变器上的二极管整流后对外输出。
图4为本发明一种汽车起动发电机及其控制装置采用三相整流桥的方案。1、第一逆变器，2、三相定子绕组，3、三相整流桥，4、第二逆变器，5、切换开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
图1所示本发明一种汽车起动发电机及其控制装置原理图。一种汽车起动发电机及其控制装置包括三相电机、第一逆变器(1)、第二逆变器(4)、双触点开关(3) 、切换开关(5)和控制器。
所述三相电机的三相定子绕组中间带有抽头，三相电枢绕组被分成由线圈 A1、线圈B1、线圈C1 组成的一部分三相绕组，以及由线圈 A2、线圈B2、线圈C2 组成的第二部分三相绕组。
三相绕组的两端分别接在第一逆变器(1)和第二逆变器(4)的三个桥臂中点；三相定子绕组(2)中间的三个抽头连接在双触点开关(3)的三个接头上，可以被双触点开关(3)连接在一起或完全断开。
第一逆变器(1)的正极和负极分别接蓄电池的正极的负极，第二逆变器(4)与切换开关(5)串联后再分别接在蓄电池的正极和负极上；
控制器可以控制第一逆变器(1)与第二逆变器(4)的开关管、双触点开关(3)和切换开关(5)。
另外，值得指出的是，从原理上讲，第二逆变器(4)完全可以使用一个三相半控桥取代。但由于目前IPM技术的发展，购置一件IPM作为逆变器的成本远比搭建一个三相半控桥低，因此从成本上考虑，本申请的技术采用两个逆变器。
图2是本发明一种汽车起动发电机及其控制装置起动状态A-B通电模态电流图，图中的三个负极开关管全部导通。当发动机起动时，双触点开关(3)和切换开关(5)断开，三相定子绕组(2)的三个中间抽头悬置。
当切换开关(5)连接在第一逆变器(1)和第二逆变器(4)的负极之间时，控制器控制第二逆变器(4)的三个负极开关管同时导通；当切换开关(5)连接在第一逆变器(1)和第二逆变器(4)的正极之间时，控制器控制第二逆变器(4)的三个正极开关管同时导通。这样便可以将三相绕组的末端短接在一起。图中加粗黑线为A-B通电时电流流向，可以看出A相绕组和B相绕组被第二逆变器(4) 上的T2开关管和D4二极管连接在一起。
图3为本发明一种汽车起动发电机及其控制装置。当发动机起动后，起动发电机处于高速发电状态，三相定子绕组(2) 的三个中间抽头被双触点开关(3)短接在一起，第一逆变器(1)和第二逆变器(4)上的开关管全被关闭，此时起动发电机相当于两个三相发电机运行。图中开关管为虚线，表示无触发信号开关管被关闭，绕组发出的电压经过逆变器上的二极管整流后对外输出。
图4为一种汽车起动发电机及其控制装置采用三相整流桥的方案。
包括三相电机、第一逆变器(1)、第二逆变器(4)、三相整流桥、切换开关(5)和控制器；
所述三相电机的三相定子绕组(2)中间具有抽头，三相绕组的两端分别接在第一逆变器(1)和第二逆变器(4)的三个桥臂中点；三相定子绕组(2)中间的三个抽头分别接三相整流桥的三个桥臂中点。
第一逆变器(1)的正极和负极分别接蓄电池的正极的负极，第二逆变器(4)与切换开关(5)串联后再分别接在蓄电池的正极和负极上。
控制器可以控制第一逆变器(1)与第二逆变器(4)的开关管、双触点开关(3)和切换开关(5)。
当发动机起动时，控制器控制切换开关(5)断开，第二逆变器(4)的三个负极开关管或三个正极开关管同时导通，将三相绕组的末端短接在一起。
当发动机起动后，起动发电机处于高速发电状态，第一逆变器(1)和第二逆变器(4)上的整流管和三相整流桥上的整流管组成H桥整流器，使起动发电机对外输出直流电。
下面对本发明提出的起动发电机进行工作原理的说明。
本发明的电动发电机工作在发电状态时，电枢绕组有磁链通过。当外转子旋转时，电枢绕组耦合的磁链发生变化，因此电枢绕组的磁链就会发生变化，从而产生感应电动势。由于此时三相电枢绕组中间抽头被短接在一起，因此电枢线圈A1、电枢线圈B1和电枢线圈C1产生的感应电动势经过第一逆变器上的二极管整流后对外输出。电枢线圈A2、电枢线圈B2和电枢线圈C2产生的感应电动势经过第二逆变器上的二极管整流后对外输出。由于电枢线圈A1的匝数为A相总匝数的一半，因此其与传统的方案相比，其输出电压也下降一半。
本发明的起动发电机工作在起动状态时，若给磁链增加的一相绕组通以正向电流，给磁链减小的一相绕组通以正向电流，则电机会产生正的转矩，驱动电机正转。由于三相电枢绕组的末端被第二逆变器巧妙地短接在一起，因此所有绕组皆会被通电，其输出转矩大。
由于发动机起动转速为200r/min，而起动以后发动机的转速会升到700r/min以上，因此发动机在这期间有一个加速过程，在此过程中起动发电机只是空转而不对外输出电流，此时双触点开关和切换开关闭合，且不会产生大的电火花及电压波动。
需要指出的是，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种汽车起动发电机及其控制装置，其特征在于：
包括三相电机、第一逆变器(1)、第二逆变器(4)、双触点开关(3)、切换开关(5)和控制器；
所述三相电机的三相定子绕组(2)中间具有抽头，三相绕组的两端分别接在第一逆变器(1)和第二逆变器(4)的三个桥臂中点；三相定子绕组(2)中间的三个抽头连接在双触点开关(3)的三个接头上，可以被双触点开关(3)连接在一起或完全断开；
第一逆变器(1)的正极和负极分别接蓄电池的正极的负极，第二逆变器(4)与切换开关(5)串联后再分别接在蓄电池的正极和负极上；
控制器可以控制第一逆变器(1)与第二逆变器(4)的开关管、双触点开关(3)和切换开关(5)。
2.如权利要求1所述的一种汽车起动发电机及其控制装置，其特征在于：
当发动机起动时，控制器控制双触点开关(3)和切换开关(5)断开，三相定子绕组(2)的三个中间抽头悬置，第二逆变器(4) 的三个负极开关管或三个正极开关管同时导通，将三相绕组的末端短接在一起；
当发动机起动后，汽车起动发电机处于高速发电状态，三相定子绕组(2) 的三个中间抽头被双触点开关(3)短接在一起，第一逆变器(1)和第二逆变器(4)的正极和负极分别接在蓄电池的正极和负极上，第一逆变器(1)和第二逆变器(4)上的开关管皆被关闭，此时汽车起动发电机相当于两个三相发电机运行。
3.一种汽车起动发电机及其控制装置，其特征在于：
包括三相电机、第一逆变器(1)、第二逆变器(4)、三相整流桥、切换开关(5)和控制器；
所述三相电机的三相定子绕组(2)中间具有抽头，三相绕组的两端分别接在第一逆变器(1)和第二逆变器(4)的三个桥臂中点；三相定子绕组(2)中间的三个抽头分别接三相整流桥的三个桥臂中点；
第一逆变器(1)的正极和负极分别接蓄电池的正极的负极，第二逆变器(4)与切换开关(5)串联后再分别接在蓄电池的正极和负极上；
控制器可以控制第一逆变器(1)与第二逆变器(4)的开关管、双触点开关(3)和切换开关(5)。
4.如权利要求3所述的一种汽车起动发电机及其控制装置，其特征在于：
当发动机起动时，控制器控制切换开关(5)断开，第二逆变器(4)的三个负极开关管或三个正极开关管同时导通，将三相绕组的末端短接在一起；
当发动机起动后，汽车起动发电机处于高速发电状态，第一逆变器(1)和第二逆变器(4)上的整流管和三相整流桥上的整流管组成H桥整流器，使起动发电机对外输出直流电。
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