CN107404162A - 永磁式电机 - Google Patents

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Abstract

一种内部永磁式电机，其包括：定子，该定子具有设置在圆周周围的朝着中心径向地定向的多个齿，从而限定出介于每个齿之间的狭槽；以及导电绕组，该导电绕组环绕定子的至少一个齿以便接收电流。该电机还包括转子，该转子可相对于定子旋转。转子限定出多个开口和多个辐条，该多个开口配置为将永磁体保持在转子的外部附近，该多个辐条介于质量减小切口之间，该质量减小切口定位为相对于永磁体更接近转子的中心。每个永磁体限定出磁极，并且每个辐条与其中一个磁极周向地对齐。

Description

永磁式电机
相关申请的交叉引用
本申请是于2016年5月19日提交的美国申请第15/158,887号的部分连续案。上面提及的申请以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及用于车辆推进***的电机。
简介
燃烧发动机可以具有耦接至该发动机以使曲轴转动从而引起起动事件的电起动器。电起动器可以是电动机，该电动机具有接触电刷以在转子部分的移动部件上的导线之间传导电流。物理触点可能随着时间的推移而磨损从而导致电动机退化。此外，电刷电动机在其可用速度范围的上限附近输送大体上为零的转矩。
发明内容
内部永磁式电机包括：定子，该定子具有设置在圆周周围的朝着中心径向地定向的多个齿，从而限定出介于每个齿之间的狭槽；以及导电绕组，该导电绕组环绕定子的至少一个齿以便接收电流。电机还包括转子，该转子可相对于定子旋转。转子限定出多个开口和多个辐条，该多个开口配置为将永磁体保持在转子的外部附近，该多个辐条介于质量减小切口之间，该质量减小切口定位为相对于永磁体更接近转子的中心。每个永磁体限定出磁极，并且每个辐条与其中一个磁极周向地对齐。
推进***包括燃烧发动机和起动器电机，该起动器电机选择性地耦接至发动机并且由低压(例如，约12V)电源供电。起动器电机包括：定子，该定子具有设置在圆周周围的朝着中心径向地定向的多个齿，从而限定出介于每个齿之间的狭槽；以及导电绕组，该导电绕组环绕定子的每个齿以便接收电流。起动器电机还包括转子，该转子可相对于定子旋转。转子限定出多个开口和多个辐条，该多个开口用于将永磁体接收在转子的外部附近，该多个辐条介于质量减小切口之间，该质量减小切口定位为相对于永磁体更接近中心。每个永磁体限定出磁极，并且每个辐条与其中一个磁极周向地对齐。
内部永磁式电机包括：定子，该定子具有设置在圆周周围的朝着中心径向地定向的多个齿，从而限定出介于每个齿之间的狭槽；以及导电绕组，该导电绕组环绕定子的至少一个齿以便接收电流。该电机还包括转子，该转子可相对于定子旋转。转子由一对叠片形成。转子还限定出多个开口和至少一个气隙，该多个开口用于将永磁体接收在转子的外部附近，该至少一个气隙介于每两个相邻的永磁体之间。定子的外径与叠片堆长度的比率在约1.5与3.5之间。
附图说明
图1是混合动力车辆推进***的***原理图。
图2是电机的剖面图。
图3是图2的电机的放大截面图。
图4是替代实施例电机的截面图。
图5是电机输出的曲线图。
图6是在发动机处从电机接收到的曲柄启动输入的曲线图。
具体实施方式
本文对本公开的实施例进行描述。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其它实施例可以采用各种替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或者缩小以便显示特定部件的细节。因此，本文所公开的特定结构和功能细节不应被理解为具有限制性，而是仅仅作为代表性基础以便教导本领域的技术人员按照各种方式使用本发明。如本领域的普通技术人员应理解的，参照任何一个附图所图示和描述的各个特征可以与在一个或多个其它附图中图示的特征进行组合，以便产生未明确地图示或者描述的实施例。所图示的特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，符合本公开的教导的特征的各种组合和修改都可以对于特定应用或者实施方式是令人期望的。
参照图1，提供了车辆10。举例来说，车辆10是具有带有汽油推进力源和电动推进力源两者的传动***的混合电动车辆(HEV)。可以基于车辆运行情况选择性地启动该推进力源中的任一个或者两个以便提供推进力。内燃机12作为汽油推进力源进行操作并且向轴14输出转矩。发动机12可以具有多个汽缸以通过燃料的燃烧生成动力以引起轴14的旋转。沿着轴14可以包括一个或多个解耦机构，以便使发动机12的输出与传动***的其余部分解耦。提供了离合器16以允许选择使发动机12解耦的部分或者全部转矩。在一个示例中，离合器16是具有多个摩擦片的摩擦离合器，当离合器被关闭以传递转矩时，该多个摩擦片至少部分地啮合，并且当离合器被打开以隔离传动***的下游部分与发动机12之间的转矩流时，该多个摩擦片脱离。
还可以包括变矩器18以便在发动机12的输出部分与动力传动***的下游部分之间提供液力耦接。变矩器18进行操作以使从发动机传递至动力传动***的转矩传递平稳地上升。同样，变矩器允许解耦，从而使发动机可以继续以较低旋转速度进行操作而不会引起车辆的推进力(例如，诸如，静止空转情况)。第一电机20作为电动推进力源进行操作并且由高压牵引电池22供电。通常，高压电池是具有大于约36伏特但小于60伏特的运行电压的电池。在一个示例中，牵引电池22是具有48伏特的标称电压的锂离子高压电池。高压直流电在输送至第一电机20之前由换流器24调节。换流器24包括多个开关和控制电路，该多个开关和控制电路进行操作以将直流电转换为三相交流电以驱动电机。
第一电机20具有取决于功率流的方向的多种操作模式。在电动机模式中，从高压电池22输送出的功率允许该电动机向轴26输出转矩。然后可以将输出转矩传递通过可变传动比变速器28以便在输送至最终驱动机构30之前改变齿轮速比。在一个示例中，最终驱动机构30是差速器，该差速器配置为将转矩分配至耦接至车轮34的一个或多个侧轴32。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还配置为在生成模式中操作以便将旋转运动转换为待被储存在高压电池22中的功率。当车辆移动时(无论是由发动机推动还是由于其自身的惯性而滑行)，轴26的旋转均使第一电机20的电枢或者转子(未示出)转动。该运动使得电磁场生成交流电，该交流电穿过换流器24以转换为直流电。该直流电然后可以被提供至高压电池22以便补充储存在电池中的电荷。单向或者双向直流-直流变换器42用于给低压(例如，12伏特)电池44充电并且供应低压负载46(诸如，常见的12伏特负载)。当使用双向直流-直流变换器42时，能够从低压电池下跳跃起动高压电池22。
本文所讨论的各个推进***部件可以具有一个或多个相关联的控制器以便控制和监测操作。尽管被示意性地描绘为单个控制器，但控制器36可以作为一个控制器或者控制器的***(该***中的控制器相协作以共同管理推进***)进行实施。多个控制器可以经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或者经由分立的导体进行通信。控制器36包括一个或多个数字计算机，该一个或多个数字计算机分别具有微处理器或者中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程序只读存储器(EPROM)、高速时钟、模拟-数字(A/D)和数字-模拟(D/A)电路、输入/输出电路和装置(I/O)、以及恰当的信号调节和缓冲电路。控制器36还可以储存发出用于执行根据本公开的行动的命令所需要的多种算法或者计算机可执行指令。
控制器36被编程为监测和协调各个推进***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、以及其它发动机运行情况的信号。控制器36还与第一电机20通信并且接收指示电动机速度、转矩、以及电流消耗的信号。控制器还可以与电池22通信并且接收指示至少电池电荷状态(SOC)、温度、以及电流消耗的信号。该控制器还接收指示高压总线上的电路电压的信号。控制器36可以进一步与驾驶员输入踏板38处的一个或多个传感器通信以便接收指示可以反映驾驶员的加速需求的踏板位置。驾驶员输入踏板38可以包括加速踏板和/或制动踏板。在替代实施例中，诸如，无人驾驶自主车辆，可以在没有驾驶员互动的情况下由车辆上车载的或者车外的计算机来确定加速需求。
如上文提到的，发动机12和第一电机20中的任一个或者两个可以至少基于车辆的推进力要求在特定时间进行操作。在高转矩需求情况期间，控制器36可以使得发动机12和第一电机20两者均被启动从而分别提供输出转矩，该输出转矩结合起来推进车辆10。
在某些需要中等转矩的情况下，发动机有效地进行操作并且可以用作唯一的推进力源。例如，在以大体上恒定的速度在公路上行驶期间，可以使第一电机20暂停，从而仅仅使发动机12提供输出转矩。
在其它示例性运行情况下，可以使发动机12暂停，从而仅仅使电机20提供输出转矩。离合器16可以被打开以便使轴14从传动***的下游部分上解耦。具体地，在驾驶员允许车辆在其自身的阻力下减速的车辆滑行情况期间，可以使发动机暂停并且电动机在发电机模式下进行操作以恢复能量。此外，在临时车辆停顿期间(诸如，在交通灯处)也可以期望发动机暂停。在车辆静止时，通过使发动机暂停而不是允许车辆空转，这可以减少燃料消耗。在两个示例中，响应于随后推进力需求的增加而迅速地重新起动发动机都可以是有利的。快速的发动机启动可以避免驾驶员感知到的功率输送的不平稳和/或延时。
车辆10包括选择性地耦接至发动机12的第二电机40。第二电机40作为起动电动机进行操作，并且当与发动机啮合从而引起燃烧周期时，使发动机的曲柄部分转动以促进冷起动或者重新起动。第二电机40可以通过齿轮式机械连接而连接至发动机的飞轮部分以将转矩传递至曲轴以便起动发动机。在另一示例中，第二电机40可以通过齿形带机械连接而连接至曲柄带轮以将转矩传递至发动机的曲轴。根据本公开的方面，控制器36被编程为响应于在一段减小加速需求时期之后的加速需求发出命令以使用第二电机40来起动发动机12。
第二电机40可通过与电机壳体连接的滑动小齿轮选择性地啮合至发动机。第一螺线管可以设置用于将小齿轮从第一啮合位置致动至第二位置，该第二位置与发动机曲轴进行机械连接以传递转矩。如上文所讨论的，可以具有不同的中间部件的配置，诸如，齿轮减速机构48，用于由于传动***包装约束而提供齿轮速比调节和/或几何调节。一旦电机处于适合于进行平稳转矩传递以起动发动机的速度下，第一螺线管可以接收信号以啮合小齿轮。
当发动机重新起动时，其可以是从大体上为零的旋转速度下或者从明显地小于下游传动***部件(诸如，第一电机20)的旋转速度的速度下被重新起动。控制器36可以在发动机12的初始重新起动之后实施延时，以便允许发动机速度在关闭离合器16之前上升至***速度的预定范围内。减小发动机速度与下游部件的速度之间的差异会提高离合器16的啮合平稳性并且减小乘员感知到的与发动机重新起动事件有关的NVH(噪声、振动和不平顺性)。然而，该延时可能导致在输送发动机所需要的附加推进转矩时的可感知滞后。
一些传动***可以包括耦接至发动机以提供启动功能的电刷接触式起动电动机。该起动电动机通常由通过低压总线连接的低压电池供电。例如，其可以由低压电池42或者由增补低压电源供电。常用低压电池通常具有约12伏特并且一般小于18伏特的标称电压。诸如车辆配件等低压负载46通常也通过相同的低压总线进行供电。
使电刷接触起动电动机持续地连接至电源，这可能是不令人期望的。因此，电刷接触起动电动机***通常包括第二螺线管以致动与电气终端的机械连接以便提供功率。当期望起动发动机时，第一螺线管和第二螺线管必须都被致动。在许多情况下，该致动必须相继地进行执行。例如，第二螺线管可以被致动以提供功率以便允许起动电动机建立旋转速度。然后可以致动第一螺线管以使起动电动机输出机械地啮合至发动机以便促进起动事件。这样相继致动多个螺线管以操作起动电动机可能导致发动机重新起动时的不良时延。
当发动机被起动时，起动电动机的功率负载引起临时的电压下降。由于该电压下降，所以乘员可能感知到某些症状，诸如，灯照度下降或者其它电力驱动配件的功能临时降级。为了避免这种不良症状，可以使用补偿构件，但可能具有缺陷。例如，附加直流-直流升压变换器可以设置用于临时地提高电压，以便掩盖与起动电动机引起的电压下降有关的潜在症状。可替代地，第二电源可以设置用于增补电池和补偿电压下降。上述电压下降补偿构件的示例中的每一种都可能增加成本、重量、以及推进***的复杂性。
电刷接触式电动机还可能在起动该发动机所需要的时间上固有地受到限制。关于电刷接触电动机的构造，固定至转子的绕组会使转子的大小和质量均增加。转子的附加旋转惯性可能导致从静止达到期望旋转速度需要更长的持续时间。这会增加发动机重新起动的持续时间并且因此可能限制推进***的响应能力。
根据本发明的方面，第二电机40是无刷永磁式直流电动机，该无刷永磁式直流电动机耦接至发动机12以提供起动转矩以便重新起动发动机12。第二电机40由高压牵引电池22通过高压总线供电。第二电机40的高压操作提供了快速发动机重新起动，这使得能够在例如在滑行期间的发动机暂停之后进行快速加速。
使第二电机40在高压总线上操作消除了由于功率消耗而对用于使电路中的电压稳定的升压变换器的需要。第二电机由与牵引电动机或者第一电机20相同的电源供电。使用单个高压电源还避免了对用于缓和由起动器操作引起的电压下降的增补电源。进一步地，通过在单独的高压总线上给第二电机供电，可以在发动机起动功能与其它车辆配件功能之间实现电隔离。
在一些示例中，第二电机40可以直接由低压电源44供电。例如，具有燃烧发动机并且没有高压电源的常见推进***仍可以受益于本公开的方面。更加具体地，通过使用如本文所描述的改进起动器电机，发动机起停特征可以具有增强的操作。无刷电机40在作为起动器进行实施时的设计使得即使在通过低压总线供电时也可以消除增补功率提升构件。例如，在12伏特的车辆电气***中，电刷起动电动机在发动机起动期间导致与电流消耗有关的电压骤降。如上文所讨论的，诸如储能电容器或者直流-直流电压升压变换器等功率提升构件可以被实施用于缓和电压骤降的影响。然而，本公开的无刷电动机设计需要较少初始电流消耗来使转子开始操作，从而减少在启动期间的任何电压骤降，因此缓和对增补功率提升的需要。
无刷电机可以是多种已知电动机类型中的任一种，诸如，例如，表面永磁式电机、内部永磁式电机、拖杯形感应电机、或者开关磁阻电机。无刷电动机提供了如下附加益处：由于消除了在换向器处与电刷接触引起的物理磨损，所以使用寿命的持续时间增加。进一步地，与电刷电动机相比，电子换向电机可以能够更加精确地控制电动机速度。在一些示例中，第二电机可以使用磁场削弱控制策略进行操作以便进一步改进对功率输出的控制。根据本公开的方面，第二电机的输出速度与发动机的速度同步以便减少在重新起动事件期间可能出现的噪声、振动和不平顺性(NVH)。
无刷电机40还可以包括至少一个集成电路，该至少一个集成电路利用控制逻辑进行编程以便执行电子换向，这与电刷电动机使用的物理接触相反。电子换向可以由电机的壳体内包括的多个固态开关(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘双极型晶体管(IGBT))来实现。该开关可独立地且选择性地连接至高压电源。换向序列的多个阶段都是通过如下方式来实现的：按序列启动该开关以在电机内创建旋转电场。基于特定开关的选择和致动的速率，可以精确地控制电动机的速度和输出转矩。这样，可以不需要单独的换流器来将来自高压电池22或者低压电池44的直流电转换为三相交流电以驱动第二电机40。电机40还可以包括内部传感器(例如，霍尔效应传感器)以检测电动机的位置和速度。该位置反馈可以用于输入控制逻辑以影响固态开关的致动。控制逻辑还可以包括防止不良电动机情况，诸如，过载电流、短路、以及热量上过热。集成电路可以被编程为响应于对电动机的一个或多个错误条件的检测而执行控制动作。
如上文所讨论的集成电路可以消除对用于使第二电机与电源之间的电气连接啮合和脱离的专用螺线管的需要。内部固态开关可以用于在没有螺线管的机械致动的情况下使电机与电源电气地隔离。根据本公开的方面，起动器电机设有单个螺线管致动器以选择性地将第二电机耦接至发动机，并且第二电机经由固态开关连接至高压电池或者低压电池。没有提供螺线管来实现与电源的电气连接。
通过使用无刷电机，转子的惯性可以明显地减小。绕组位于定子上，从而减小转子的质量。例如，转子的中心部分可以配置为中空的以便提供质量减小。进一步地，可以相对于转子的外表面***转子的永磁体，以便将该永磁体定位为更接近转子的旋转轴线。在一个示例中，无刷电机可以具有约48kg-mm2的惯性值。比较地，电刷电动机转子通常更重并且相对于无刷配置具有较大直径。在使用电刷电动机的类似发动机起动器应用中，转子惯性可以是五倍大。在一个示例中，电刷电动机发动机起动器的转子惯性为约241kg-mm2。电机的减小惯性与在高速度范围(例如，5000-16000RPM)内的高功率输出的组合使得实现电机的更快速卷绕，并且因此实现更快速的发动机重新起动。
结合参照图2和图3，无刷永磁式电机200的截面包括转子202和定子204。定子的形状大体上为圆柱形，并且限定出用于接收转子202的中空中央部分。根据至少一个示例，定子204的外径205被限制为不大于80毫米。转子202配置为围绕旋转轴线206相对于定子204旋转。转子202可以形成为沿着旋转轴线206在轴向方向上堆叠的层片或者叠片，其中，该叠片堆限定出电机200的有效长度。
根据一个示例，叠片堆长度被限制为不大于40毫米。电机200的总体大小可以针对发动机包装约束受到限制，从而使定子204的外径与叠片堆长度的比率在约1.5与3.5之间。
转子202包括设置在转子的周界部分附近的多个开口208。每个开口208配置为保持永磁体210。开口的大小设置为增强可制造性，例如，具有至少约2毫米的开口宽度。多个永磁体210可以由一种铁基合金(诸如，钕)形成，并且相协作生成磁场，磁场在被通电时与定子相互作用以引起转子202的移动。在一个示例中，每个永磁体210的形状是矩形以便增强简单性并且减少制造成本。然而，根据本公开，其它磁体形状也可以是合适的。
永磁体210被布置为在转子202周围创建多个磁极。每个永磁体210被固定在转子202的其中一个开口208内并且用作旋转电机的磁极。在正交于磁体的方向上生成了磁通量。每个永磁体210被定向为相对于相邻的磁体具有相反的极性方向，以便在相对方向上生成磁通量。在图1的示例中，具有8个永磁体210，以及因此通过磁体布置创建的8个磁极。在替代示例中，磁极的数量可以更小或者更大，例如，在4个磁极与14个磁极之间。在某些优选示例中，磁极的数量在6与8之间，从而使电机满足转矩、功率、噪声、以及包装要求。
转子的开口208成形为包括在每个永磁体210的每一侧上的气隙212。每个磁极大小之间的气隙212的大小设置为减小转子的磁极之间的通量泄漏。电桥214A将每两个相邻的气隙212分隔开。电桥部分214B将转子叠片的外部保持为单个零件。可以令人期望的是将电桥部分214A和214B配置为尽可能薄，以便使气隙212创建的通量屏障的大小最小化。同时，电桥部分214A和214B必须足够厚，以便当永磁体210在操作期间经受到磁力和离心力时具有充足强度来维持转子202的结构完整性。在图2和图3的示例中，电桥214A的厚度在约0.5毫米与1.5毫米之间。电桥部分214B的厚度在约0.5毫米与1毫米之间。
转子202还限定出在旋转轴线206附近的轴接口部分216。轴接口部分216与电动机的输出轴(未示出)啮合以在电动机200与发动机的曲轴之间传递转矩，例如，在发动机起动事件期间。轴接口部分216被描绘为大体上的圆形，但也可以使用替代形状(诸如，非对称开口和/或键合特征)来在转子202与输出轴之间传递转矩。
转子204进一步包括在转子202的中心附近的低通量密度区域中的多个质量减小切口218，以便减小总体质量以及减小旋转惯性矩。在每个质量减小切口218之间，辐条220将轴接口部分216连接至转子202的包含永磁体210的外部。
每个辐条220与转子的直轴222(“D-轴线”)对齐。即是说，辐条220沿着转子202的磁极进行定位。
当使定子204通电时，使得转子旋转。定子包括多个齿224，该多个齿224围绕定子204的圆周径向地布置。每个齿224间隔隔开以在两个相邻的齿224之间限定出轴向延伸的狭槽226。当不必对特定单个齿或者狭槽彼此进行区分时，对齿224和狭槽226进行统称。狭槽226的形状大体上为梯形，并且提供空间用于使导电线圈围绕每一个齿224进行卷绕。在所提供的示例中，提供了12个齿，从而限定出12个狭槽以接受定子绕组。在其它示例中，齿和狭槽的数量可以更小或者更大，例如，在6个与18个齿和狭槽之间。
多个绕组228设置为环绕每个齿212并且配置为在定子204内生成旋转磁场。当不必对特定单个绕组彼此进行区分时，对绕组228进行统称。绕组228被描绘为单个块，然而，每个块表示单个导电线束的一组回路或者匝。线束可以是基本圆柱形铜线，该基本圆柱形铜线具有在每条线之间的间隙，从而限制填充每个狭槽226的区域的绕组的填充效率。可替代地，线束可以被按压在一起或者具有替代成形截面，以便减小间隙并且提高填充狭槽226的绕组的填充效率。在图2的示例中，绕组228被布置在部分集中布置中。即是说，绕组不重叠或者被集中，从而使每个齿224由线圈单独地环绕。在图2的示例中，使用了双层绕组，从而使所有齿224均由线圈卷绕。这在每个狭槽226内引起多个卷绕路径。以实例说明，绕组228A环绕齿224A，从而使绕组228A的一部分在齿224A的任一相对侧上。虚线230A指示绕组228A在齿224A的端部上的布线路径。类似地，绕组228B环绕齿224B，从而使绕组228B的一部分在齿224B的任一相对侧上。虚线230B指示绕组228B在齿224B上的布线路径。通过图2图示的双层绕组被布置为使得绕组228A和228B两者在分别环绕相邻的齿224A和224B时同时占据狭槽226A。绕组228相对于齿224的配置在定子204的圆周周围是均匀的。
尽管绕组被描绘为环绕定子的每个齿，但应理解，替代卷绕模式也可以适合于该应用，诸如，分布式卷绕和容错卷绕。例如，如果每个狭槽仅仅具有相同相的绕组，则可以创建容错卷绕模式。如果每极每相定子狭槽大于或者等于1，则可以创建分布式卷绕。例如，若在三相上存在4个极和12个狭槽，则由于每极每相定子狭槽等于12/4/3＝1，所以电机可以具有分布式卷绕。在图2的示例的情景中，电机包括用于三相电机的8个极和12个狭槽，使用集中卷绕。
当相继地给多个绕组228供电以创建旋转电磁场时，电机200被驱动。如上文所讨论的，电动机200可以包括电路，以将高压直流电转换为三相交流电以便操作电动机200。
该三个相中的每一个按照相继时间被启动以便使得电磁力驱动转子202相对于定子204旋转。电动机电路还可以包括霍尔传感器以检测转子202的角位置和速度。脉宽调制(PWM)用于打开和关闭多个开关中的每一个以便模拟三个电路中的每一个上的交流电。该三个电路被通电为具有交错相，从而电磁场促使转子在期望方向上以期望速度旋转。安装在转子202上的永磁体210与定子204的电气输入引起的电流诱导磁场相互作用。
气隙232在转子202的外部周围周向地延伸并且使转子202与定子204机械地隔离。气隙232影响电动机200的功率因素。功率因素可以被定义为实际功率与表观功率的比率并且指示总能量中的有用能量的百分数。在功率被传递通过电动机时，一旦被传递至负载，该功率并不纯粹是可以做功的实际功率，而是包括实际功率与表观功率(也称为无功功率)的组合。功率因素表示被传输通过电动机的实际功率相对于流过电动机的总表观功率的量。总功率因素小于1可以指示电源可以提供比实际需要更多的容量并且特征在于具有特定功率损失。功率因素还可以基于电机上的功率输入和负载发生变化。气隙232影响定子与转子之间的磁阻，这影响在定子与转子之间针对给定供电电压产生通量所需要的磁化电流。气隙232被减小至可能的最小间隙，同时占据转子202的部件尺寸公差和偏转以便避免在操作期间在转子202与定子204之间的机械接触。在至少一个示例中，气隙在约0.2毫米至0.7毫米之间以便使功率因素最大化。
参照图4，呈现了用于电机的转子302的替代配置。对于与上文所讨论的先前示例的类似部件相对应的部件，使用类似编号惯例。转子302包括相对于上文所讨论的示例的气隙和电桥的附加示例配置。单个气隙312设置在两个相邻的永磁体310之间。在每个气隙312的任一侧上，一对电桥314A朝着转子302的外部径向向外延伸。开口308分别保持永磁体310并且成形为符合相应磁体的外周界形状。因此，每个电桥314可以沿着永磁体310的边缘定位并且限定出间隙，当电桥径向向外延伸时，该间隙分叉。电桥部分314B将转子叠片的外部保持为单个零件。类似于先前的示例，气隙312进行操作以减小永磁体310之间的通量泄漏。由于每个磁极之间具有由电桥部分314B连接的一对电桥314A以适应与磁力和离心力有关的工作负载，所以每个单个电桥部分314A和314B的材料厚度可以相对于先前讨论的具有单个电桥的示例而言更薄。在图4的示例中，电桥部分314A和314B的厚度在约0.5毫米与1.0毫米之间。
参照图5，曲线图500描绘了根据本公开的方面的一对电机的性能输出。该曲线图与在发动机和齿轮传动装置的上游的电机的输出轴处测量出的电机性能相对应。水平轴线502表示以每分钟转数(RPM)为单位的旋转速度。左侧垂直轴线504表示以牛顿-米(N-m)为单位的电机的输出转矩。右侧垂直轴线506表示以瓦特为单位的电机的输出功率。根据上文所讨论的某些参数针对电刷电动机和新颖无刷电动机对转矩和功率分别进行绘图。曲线508表示电刷电动机的输出转矩简况。曲线510表示无刷电机的输出转矩简况。通过比较可以看到，本公开的方面提供范围更广泛的相对恒定的输出转矩。例如，在约0与7000RPM之间，无刷电动机配置能够输出约6.7N-m的相对恒定的转矩。相反，电刷电动机转矩简况在该范围中大体上是线性的，具有负斜率，并且在较高RPM范围内输出明显较小的转矩。进一步地，可以看到，由曲线508描绘的电刷电动机的输出转矩在约12500RPM处下降至零，而由曲线510表示的无刷配置的输出转矩针对较高RPM范围提供较高转矩输出。例如，根据本公开的方面提供的电机在高达16000RPM下输出约2.5N-m。
根据本公开的方面，功率输出也明显地提高。曲线512表示电刷电动机的输出功率简况，并且曲线514表示根据本公开的无刷电机的输出功率简况。通过曲线512和514之间的比较可以看到，无刷电机配置能够输出更高的功率级，例如，约4500瓦特。此外，电刷电动机的功率输出在约12500RPM处减少至零，而无刷电机能够在明显较高速度下输出相对恒定的功率。例如，无刷电机能够在高达16000RPM下输送约4200瓦特的输出。
参照图6，曲线图600描绘了根据本公开的附加方面的一对电机的性能。该曲线图与在齿轮减速机构下游的发动机的轴处测量出的电机性能相对应，该齿轮减速机构设置在发动机轴与起动器电机轴之间。在本示例中，起动电动机的输出速度减小，以便放大施加用于用曲柄启动发动机的转矩。在一些示例中，减速比为约40:1至50:1。水平轴线602表示以RPM为单位的发动机轴的旋转速度。左侧垂直轴线604表示以N-m为单位的由电机输入至发动机中的曲柄起动转矩。右侧垂直轴线506表示以瓦特为单位的施加至发动机的功率。根据上文所讨论的某些参数针对电刷电动机和新颖无刷电动机对输入至发动机的转矩和功率分别进行绘图。曲线608表示由常见电刷起动电动机输入至发动机的转矩简况。曲线610表示从无刷电机输入至发动机的转矩简况。通过比较可以看到，本公开的方面提供范围更广泛的相对恒定的输出转矩。如上文所讨论的，可以看到，根据本公开的方面的新颖无刷设计向发动机施加速度范围更广泛的相对恒定的转矩。例如，在约0与100RPM的发动机速度之间，无刷电动机配置能够在发动机处引起约280N-m的相对恒定的转矩。
根据本公开的方面，施加至发动机的功率也明显地提高。曲线612表示由电刷电动机施加至发动机的曲柄启动功率简况，并且曲线614表示由根据本公开的无刷电机施加至发动机的曲柄启动功率简况。通过曲线612和614之间的比较可以看到，无刷电机配置引起待被施加至发动机的更高曲柄启动功率级，例如，约2800瓦特。此外，电刷电动机施加的功率在约400RPM处下降至零，而来自无刷电机的相对恒定的功率在明显较高速度下仍存在于发动机处。例如，当发动机轴旋转速度高达450RPM时，无刷电机能够向发动机施加约2500瓦特。
无刷配置的电流消耗相对于电刷起动电动机配置而言也明显提高。在图6的示例曲线图600中，无刷电机由低压电源(为约7.5伏特)供电。尽管“标称”低压可以对应于约12伏特，但在诸如低温等恶劣条件期间可以出现较低电压情况。即使在较低电压示例应用中，无刷电机配置消耗的电流也明显地低于电刷起动电动机布置。尤其在发动机的小于约100RPM的初始转动期间，电刷配置的初始电流消耗为约1000安培并且在电动机输出随着速度增加而逐渐消失时下降。比较地，根据本公开的无刷配置的初始电流消耗为约100安培，甚至在较高发动机速度下，在施加更多功率的同时增加至约500安培的最大消耗。提高的电流消耗性能在曲柄启动期间减少在车辆功率总线上的任何电压突跌，从而如上文所描述的在曲柄启动期间消除对增补功率提升的需要。
如上文所讨论的，本公开的方面适用于仅仅具有作为推进力源的燃烧发动机和低压电源的常见推进***。更加具体地，在牵引电动机20、高压电池22、逆变器24、以及直流-直流变换器42中的每一个被删除的情况下对一些示例进行配置，并且该配置仍处于本发明的范围内。该配置可以提供响应性发动机重新起动(例如，在发动机起停操作的情景中)，同时由低压电源供电。
本文所公开的过程、方法、或者算法可以由处理装置、控制器、或者计算机来实现/实施，该处理装置、控制器、或者计算机可以包括任何现有可编程电子控制单元或者专用电子控制单元。类似地，该过程、方法、或者算法可以按照许多形式被储存为可由控制器或者计算机执行的数据和指令，包括但不限于：永久地储存在不可写储存介质(诸如，ROM装置)上的信息、以及可变更地储存在可写储存介质(诸如，软盘、磁带、光盘、RAM装置、以及其它磁光介质)上的信息。该过程、方法、或者算法也可以在软件可执行对象中进行实施。可替代地，该过程、方法、或者算法可以全部或者部分地使用合适的硬件部件来体现，诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或者其它硬件部件或者装置，或者硬件、软件和固件部件的组合。
尽管上文描述了示例性实施例，但这些实施例不意在描述权利要求书所涵盖的所有可能的形式。说明书中所使用的言语是描述性言语而非限制性言语，并且应理解，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以作出各种修改。如先前所描述的，各个实施例的特征可以进行组合以形成可能未明确地描述或者图示的本发明的其它实施例。尽管各个实施例可能已经被描述为针对一个或多个期望特征而言提供优点或者优先于其它实施例或者现有技术的实施方式，但本领域的普通技术人员会意识到一个或多个特征或者特性可以进行折中以便实现期望的总体***属性，这取决于特定应用和实施方式。这些属性可以包括但不限于：成本、强度、耐久性、寿命周期成本、市场性、外观、包装、大小、适用性、重量、可制造性、装配的容易度。这样，被描述为针对一个或多个特征而言相比其它实施例或者现有技术的实施方式更不令人满意的实施例并未落在本公开的范围之外并且可以对于特定应用而言是令人期望的。

Claims (10)

1.一种推进***，包括：
燃烧发动机；
用于给牵引电机供电的高压电源；以及
起动器电机，其地耦接至所述发动机以重新起动并且由所述高压电源供电，所述起动器电机包括：
定子，其具有设置在圆周周围的朝着中心径向地定向的多个齿，从而限定出介于每个所述齿之间的狭槽，
导电绕组，其环绕所述定子的每个所述齿以便接收电流，以及
转子，其可相对于所述定子旋转，所述转子限定出多个开口和多个辐条，所述多个开口用于将永磁体接收在所述转子的外部附近，所述多个辐条介于质量减小切口之间，所述质量减小切口定位为相对于所述永磁体更接近所述中心，其中，每个所述永磁体限定出磁极，并且每个所述辐条与其中一个所述磁极周向地对齐。
2.根据权利要求1所述的发动机起动器***，其中，所述起动器电机选择性地耦接至所述发动机的曲轴以便提供用于发动机重新起动的曲柄起动转矩。
3.根据权利要求1所述的发动机起动器***，进一步包括控制器，所述控制器被编程为在啮合所述发动机的所述起动器电机之前使所述起动器电机的速度与所述发动机的速度同步。
4.根据权利要求1所述的发动机起动器***，其中，所述起动器电机配置为由与所述牵引电机相同的高压电源供电。
5.根据权利要求1所述的发动机起动器***，其中，所述定子的外径与叠片堆长度的比率在约1.5与3.5之间。
6.根据权利要求1所述的发动机起动器***，其中，所述定子的外径小于约80毫米。
7.根据权利要求1所述的发动机起动器***，其中，磁极的总数量为4至14。
8.根据权利要求1所述的发动机起动器***，其中，所述定子的狭槽的总数量为6至18。
9.根据权利要求1所述的发动机起动器***，其中，所述定子与所述转子之间的气隙的大小设置为约0.2毫米至0.7毫米。
10.根据权利要求1所述的发动机起动器***，其中，所述转子限定出介于每两个相邻的永磁体之间的至少一个气隙。
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