CN108696194A - 发动机发电机 - Google Patents
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Abstract
一种发动机发电机，具有：发动机(1)，具有在气缸内往复运动的活塞(10)；发电部(2)，具有三相的绕组(24)，由发动机(1)驱动而发电，并在发动机启动时，能作为发动机启动用的电动机来工作；电力转换电路(31)，与发电部(2)连接；蓄电池(5)，发动机启动时经由电力转换电路(31)向发电部(2)供给电力；转速检测部(46)，检测发动机(1)的转速；接线切换部(25)，将绕组(24)的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种；接线切换控制部(33)，控制接线切换部(25)，以使发动机启动时，发动机转速达到规定转速为止是将切线状态切换成Y接线，当发动机转速达到规定转速以上时，切换成△接线。
Description
技术领域
本发明涉及一种能作为启动活塞发动机的发动机启动用电动机来工作的发动机发电机。
背景技术
这种发电机，在发动机启动时将该发电机作为电动机来使用的情况下，被要求产生使曲轴旋转的转矩，特别是超过第一次的越过转矩的大转矩。关于这一点，例如专利文献1公开的发电机，将在发动机旋转时充电的电容器相对于蓄电池串联连接到蓄电池和电机驱动器之间，将充电于电容器的电压叠加在蓄电池的电压，提高电动机的驱动电压，从而增大发动机启动时的转矩。
专利文献1公开的发电机的构成为，使用电容器提高驱动电压，从而通过电机驱动器在定子的绕组上施加大电流。因此，在电机驱动器上需要配置容许电流高的高价元件，成本也随之上升。
现有技术文献
专利文献1：日本特开第2000-316299号公报。
发明内容
本发明一实施方式的发动机发电机，具有：发动机，具有在气缸内往复运动的活塞；发电部，具有三相的绕组，由发动机驱动而发电，并在发动机启动时能作为发动机启动用的电动机来工作；电力转换电路，与发电部电连接；蓄电池，在发动机启动时经由电力转换电路向发电部供给电力；转速检测部，检测发动机的转速；接线切换部，将绕组的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种；接线切换控制部，控制接线切换部，以使发动机启动时，由转速检测部检测出的发动机转速达到规定转速为止是将接线状态切换成所述Y接线，当由转速检测部检测出的发动机转速达到规定转速以上时，将接线状态切换成所述△接线。
附图说明
本发明的目的、特征以及优点，通过与附图相关的以下实施方式的说明进一步阐明。
图1是表示构成本发明一实施方式的发动机发电机的通用发动机和发电部的主要部分结构的图。
图2是表示本发明一实施方式的发动机发电机的整体电路图。
图3是表示启动本发明一实施方式的发动机发电机时必要的转矩的时间变化的图。
图4是表示本发明一实施方式的发动机发电机的主要部分结构的电路图。
图5是表示接线状态为Y接线和△接线时的发动机转速和转矩的关系的图。
图6是表示在图4的控制单元实行处理的一个例子的流程图。
具体实施方式
以下，参照图1～图6对本发明的实施方式进行说明。本发明一实施方式的发动机发电机为可搬运型的便携式发动机发电机，具有用户由手动操作能够携带的重量和尺寸。图1是表示构成本发明一实施方式的发动机发电机100的通用发动机1和发电部(发电机主体)2的主要部分结构的图。发动机1例如是将汽油作为燃料的点火式的风冷发动机，具有在气缸10a内往复运动的活塞10和与活塞10同步旋转的曲轴11(输出轴)。
如图1所示，发动机1的进气管12上设置有，由节流电机13a的驱动而调整开度的节流阀13和向由节流阀13调量的空气喷射燃料而产生混合气体的喷射器14。经由进气阀15a向燃烧室15导入的混合气体，在火花塞16点火燃烧(***)，使活塞10往复运动。由活塞10的往复运动，通过连杆17曲轴11旋转。在燃烧室15燃烧的混合气体经由排气阀15b排出到排气管18。
曲轴11上连接发电部2。发电部2是由发动机1驱动，发出交流电力的多极交流发电机，具有与曲轴11连接并与曲轴一体旋转的转子21和被配置在转子21的径向内侧与转子同心状的定子23。转子21上设置有永久磁铁22。定子23上设置有以每120度的相位角来配置的UVW绕组。
当基于发动机1的动力，发电部2的转子21经由曲轴11旋转驱动时，由绕组24输出U相、V相、W相的交流电力。即，用发电部2发电。在发电部2上，电连接有将由发电部2输出的三相交流电转换成规定频率的交流电力的逆变电路。
图2是发动机发电机100的整体电路图。如图2所示，逆变电路30具有：电力转换电路31，整流由发电部2输出的三相交流电；逆变器32，将由电力转换电路31输出的直流电转换成规定的三相交流电；控制单元33，控制电力转换电路31和逆变器32。电力转换电路31也能将蓄电池5供给的直流电转换成三相交流电并向发电部2输出。因此，发电部2不仅作为进行发电的发电机来发挥功能，也作为启动发动机1的启动电机来发挥功能。
控制单元33是包括具有CPU33A和ROM、RAM等的存储器33B以及其他周边电路等的演算处理装置的微电脑。
电力转换电路31被构成为桥电路，具有与发电部2的U相、V相、W相的各绕组相对应连接的3对(计6个)半导体开关元件311。开关元件311例如包括MOSFET和IGBT等的晶体管，各开关元件311上分别并联连接二极管312(例如寄生二极管)。开关元件311的闸门由控制单元33输出的控制信号驱动，由控制单元33控制开关元件311的开闭(接通/断开)。例如，发电部2作为发电机发挥功能时，开关元件311断开，据此三相交流电经由二极管312被整流。整流后的电流在电容器34平滑后，输入到逆变器32。
逆变器32具有被构成为H桥电路的2对(计4个)半导体开关元件321。开关元件321例如是MOSFET和IGBT等的晶体管，各开关元件321上分别并联连接二极管322(例如寄生二极管)。开关元件321的闸门由控制单元33输出的控制信号驱动，由控制单元33控制开关元件321的开闭(接通/断开)，直流电转换成单相交流电。逆变器32生成的单相交流电经由具有电抗器和电容器的滤波电路35调制成正玄波输出到负载36。
逆变电路30上经由供电电路40电连接有蓄电池5。供电电路40被设置为，经由连接器6将蓄电池5连接在电力转换电路31和电容器34之间，即与电力转换电路31的正极侧和负极侧的输出端子313、314连接。更详细来说，蓄电池5正极侧的端子经由保险丝41、接触器42以及二极管43连接到电力转换电路31正极侧的输出端子313，负极侧的端子连接到负极侧输出端子314。
接触器42包含将蓄电池5与逆变单元3电连接(接通)或者切断(断开)的开关，由接触器驱动电路44控制该动作(接通/断开)。保险丝41和接触器42之间连接有蓄电池开关45，根据蓄电池开关45的接通向控制单元33供电。据此，接触器驱动电路44接通接触器42。当蓄电池开关45断开时，接触器驱动电路44断开接触器42。即，接触器42联动蓄电池开关45的接通/断开而接通/断开。
由来自蓄电池5的电力启动发动机1时，由用户操作来接通蓄电池开关45。据此，接触器42接通，蓄电池5的电力供给电力转换电路31。此时，控制单元33判定蓄电池开关45是否接通，当判定蓄电池开关45接通时，控制电力转换电路31的开关元件311的接通/断开，将直流电力转换成交流电力。该交流电力供给发电部2，据此，在定子的绕组24(图1)产生旋转磁场，发电部2的转子21旋转。其结果，能使曲轴11旋转，根据曲轴转动的发动机1的启动成为可能。
当发动机1的启动完成而蓄电池开关45断开时，接触器42断开，蓄电池5到逆变电路30的电力供给被切断。之后，发电部2的转子21由发动机1旋转驱动，发电部2进行发电。发电部2发出的电力的一部分供给控制单元33等。另外，连接器6上连接通信线，通过通信线，蓄电池5的内部温度和充电状态等信息发送到控制单元33。
另外，如上所述，当将发电部2作为启动电机使用，旋转曲轴来启动发动机1时，当活塞10在最初的压缩冲程中越过上止点时被要求最大转矩。
图3是表示发动机启动时的要求转矩的变化的一个例子的图。图中的点P1～P5分别表示第一次的压缩冲程、进气冲程、第2次的压缩冲程、***冲程、排气冲程的转矩。
如图3所示，发动机启动时的要求转矩在活塞10在最初的压缩冲程中越过上止点时为最大。另外，将此时的转矩称为第1次的越过转矩T1，将使发动机转速提升到发动机能启动的曲轴转动转速的转矩称为曲轴转动转矩T2。曲轴转动转矩T2比第1次的越过转矩T1小。
如此，发动机启动时发电部2需要产生大的越过转矩T1，例如通过提高蓄电池电压，在绕组上施加大电流来实现的话，需要在蓄电池5和绕组24之间的电力转换电路31上使用容许电流高的高价元件，成本随之上升。因此，在本实施方式中，为了控制成本上升，同时发电部2能在发动机启动时产生必要且充分的转矩，提供如下构成的发动机发电机100。
图4是表示本发明一实施方式的发动机发电机100的主要部分结构的电路图。如图4所示，发电部2的绕组24包含U相的绕组24U、V相的绕组24V和W相的绕组24W。各绕组24U、24V、24W的一端侧的端子(第1端子～第3端子)241～243分别与图2的电力转换电路31的开关元件311和二极管312连接。各绕组24U、24V、24W的另一端侧的端子(第4端子～第6端子)244～246与图4的开关电路25连接。
开关电路25被设置在发电部2和电力转换电路31之间，安装在形成逆变电路30的逆变单元中。更具体来说，开关电路25具有：一端连接端子244，另一端连接242的开关(第1开关)251、一端连接端子245，另一端连接243的开关(第2开关)252、一端连接端子246，另一端连接241的开关(第3开关)253、一端分别连接端子244～246，另一端通过中性点257相互连接的开关(第4开关～第6开关)254～256。各开关251～256例如被构成为根据线圈的励磁和消磁而开闭(接通/断开)的继电器开关。
开关251～256的开闭，即线圈的励磁和消磁，根据来自控制单元33的控制信号执行。将开关251～253作为第1开关群，而开关254～256作为第2开关群时，控制单元33输出控制信号，以使第1开关群的开关251～253同时接通且第2开关群的开关254～256同时断开，或者第1开关群的开关251～253同时断开且第2开关群的开关254～256同时接通。
当第1开关群的开关251～253断开且第2开关群的开关254～256接通时，绕组24的接线状态切换成Y接线。当第1开关群的开关251～253接通且第2开关群的开关254～256断开时，绕组24的接线状态切换成△接线。
控制单元33上连接蓄电池开关45、检测曲轴11的旋转角度和发动机转速的电磁拾音器式或者光学式的曲轴转角传感器46。控制单元33基于来自蓄电池开关45和曲轴转角传感器46的信号，在发动机启动时实行规定的处理。由此，向接触器驱动电路44(图2)输出控制信号来控制接触器42的开关的接通/断开，同时，控制开关电路25的开关251～256的接通/断开。
图5是表示在接线状态为Y接线时和△接线时流经端子241～243的线电流，即假定流经电力转换电路31的元件的线电流相互相等时的发动机转速N和发电部2输出的转矩(电机转矩)T之间的关系的图。图中，特性f1是Y接线时的特性，特性f2是△接线时的特性。
Y接线和△接线的线电流相互等同时，Y接线的线间电压比△接线的线间电压大，因此如图5所示，在发动机刚启动后的输出转矩T，Y接线(特性f1)时比△接线时(特性f2)大约大1.5倍左右。还有，随着发动机转速N的增加，Y接线和△接线的任意情况下，由于反电动势的影响输出转矩T渐渐减少。此时，在蓄电池电压和反电动势的均衡点决定空载转速，因此发动机1的空载转速，在△接线(特性f2)时比Y接线(特性f1)时大约大1.5倍左右。另外，特性f1和特性f2在转速N1时相交，并以该转速N1为界限，转矩的大小反转。
考虑以上所述，在发动机刚启动后切换成Y接线，从而能容易生成发动机1要求的第1次的越过转矩T1(图3)。还有，在发动机转速高的领域切换成△接线，从而能容易生成使发动机1完全***的曲轴转动转矩T2(图3)。另外，图5的领域AR1相当于第1次的压缩冲程产生的转速领域，领域AR2相当于发动机1能完全***的转速领域。
图6是表示按照预先存储于存储器33B中的程序，在控制单元33(CPU33A)实行处理的一个例子的流程图。该流程图所示的处理在当蓄电池开关45接通向控制单元33供电时开始。
首先，在S1(S：处理步骤)中，断开第1开关群的开关251～253且接通第2开关群的开关254～256，将绕组24的接线状态切换成Y接线。然后，在S2中，向接触器驱动电路44输出控制信号，接通接触器42的开关。此时，控制单元33控制电力转换电路31的开关元件311的接通/断开，由此，蓄电池5的电力在电力转换电路31转换成交流电力并供给至绕组24。因为接线状态是Y接线，发电部2能输出高于发动机的第1次的越过转矩T1的高转矩，从而使曲轴11从停止状态能容易开始旋转。
然后在S3中，判定由曲轴转角传感器46检测出的发动机转速N是否在规定转速Na以上。这是第1次的压缩冲程是否完成了的判定，规定转速Na例如被设定在图5的发动机转速领域AR1内。另外，规定转速Na也可以设定成图5的N1。得到肯定判定为止重复进行S3，当S3为肯定(S3：是)时，进入S4。
在S4中，接通第1开关群的开关251～253且断开第2开关群的开关254～256，将绕组24的接线状态切换成△接线。由此，能在高旋转侧输出转矩，从而能使发动机转速上升至发动机1能完全***的转速。
然后在S5中，判定由曲轴转角传感器46检测出的发动机转速N是否在规定转速Nb以上。这是发动机转速N是否上升到了能完全***的转速的判定，规定转速Nb比规定转速Na大，例如被设定在图5的发动机转速领域AR2内。得到肯定判定为止重复进行S5，当S5为肯定(S5：是)时，进入S6。在S6中，向接触器驱动电路44输出控制信号，断开接触器42的开关。由此，切断来自蓄电池的电力供给。
根据本发明的实施方式能发挥如下的作用和效果。
(1)发动机发电机100，具有：发动机1，具有在气缸10a内往复运动的活塞10；发电部2，具有三相的绕组24，由发动机1驱动而发电，并在发动机启动时能作为发动机启动用的电动机来工作；电力转换电路31，与发电部2电连接；蓄电池5，发动机启动时经由电力转换电路31向发电部2供给电力；曲轴转角传感器46，检测发动机1的转速；开关电路25，将绕组的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种；控制单元33，控制开关电路25的接通/断开，以使发动机启动时，由曲轴转角传感器46检测出的发动机转速N达到规定转速Na(例如图5的N1)为止是将接线状态切换成Y接线，当由曲轴转角传感器46检测出的发动机转速N达到规定转速Na以上时，将接线状态切换成△接线(图1、图2、图4、S1、S4)。
这样，由于在接线状态切换成Y接线状态下启动发动机1，从而向电力转换电路31不施加大电流，也能生成高于第1次的越过转矩T1的高转矩。因此，电力转换电路31不必使用高价元件，能控制发动机发电机100的成本上升。还有，因为当发动机转速(曲轴转动转速)N为规定转速Na以上时，将接线状态由Y接线切换到△接线，从而能克服发动机转速N在高转速领域的转矩不足，能容易使发动机转速N上升至能完全***的转速。
(2)发动机发电机100还具有开始和切断从蓄电池5到发电部2的电力供给的接触器42等的供电电路40(图2)。控制单元33向接触器驱动电路44输出控制信号，以使当由曲轴转角传感器46检测出的发动机转速N在比所述规定转速(第1转速)Na高的规定转速(第2转速)Nb以上时，切断从蓄电池5到发电部2的电力供给(S6)。据此，能在发动机1启动后适当切断从蓄电池5的电力供给。
(3)此时，规定转速Na相当于发动机1完成第1次的压缩冲程时或者完成后的发动机转速，规定转速Nb相当于发动机1能完全***时的发动机转速。据此，在发动机1的低转速区域能产生高转矩，同时也能抑制高转速区域的转矩的降低，从而不使用高电压的蓄电池，也能容易启动发动机1。
另外，在上述实施方式中，接通/断开开关电路25的开关251～256，将绕组24的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种，但是接线切换部和接线切换控制部的构成不限于以上所述。即，发动机启动时，由作为转速检测部的曲轴转角传感器46检测出的发动机转速N在达到规定转速Na为止是将接线状态切换成Y接线，当发动机转速N达到规定转速Na以上时，切换成△接线的话，作为接线切换部的开关电路25的构成和在作为接线切换控制的控制单元33的处理，何种形式都可以。
在上述实施方式中，发动机转速N达到规定转速Nb以上时，由在控制单元33的处理，向接触器驱动电路44输出控制信号来切断从蓄电池5到发电部2的电力供给，但，电力供给控制部的构成不限于以上所述。也可以在蓄电池5和发电部2之间设置充电电路，由发电部2的电力给蓄电池5充电。
可以将上述实施方式和变形例的1个或者多个任意组合起来，也可以将各变形例之间组合起来。
根据本发明，电力转换电路上不使用高价元件，能由来自蓄电池的电力，生成高于活塞的第1次的越过转矩的高转矩，从而控制成本上升的同时，能容易启动发动机。
以上，就本发明的较佳实施方式进行了说明，本领域技术人员清楚的知道在不脱离所述权利要求的公开范围内，能得到各种修改和变形。
Claims (6)
1.一种发动机发电机，其特征在于，具有：
发动机(1)，具有在气缸内往复运动的活塞(10)；
发电部(2)，具有三相的绕组(24)，由所述发动机(1)驱动而发电，并在发动机启动时，能作为发动机启动用电动机来工作；
电力转换电路(31)，与所述发电部(2)电连接；
蓄电池(5)，发动机启动时，经由所述电力转换电路(31)向所述发电部(2)供给电力；
转速检测部(46)，检测所述发动机(1)的转速；
接线切换部(25)，将所述绕组(24)的接线状态切换成Y接线和△接线的任意一种；以及
接线切换控制部(33)，控制所述接线切换部(25)，以使发动机启动时，由所述转速检测部(46)检测出的发动机转速达到规定转速为止是将切线状态切换成所述Y接线，当由所述转速检测部(46)检测出的发动机转速达到规定转速以上时，将切线状态切换成所述△接线。
2.根据权利要求1所述的发动机发电机，其特征在于，还具有：
电力供给控制部(33)，开始和切断从所述蓄电池(5)到所述发电部(2)的电力供给；
所述规定转速为第1转速(Na)；
所述电力供给控制部(33)，当由所述转速检测部(46)检测出的发动机转速达到比所述第1转速(Na)高的第2转速(Nb)以上时，切断从所述蓄电池(5)到所述发电部(2)的电力供给。
3.根据权利要求2所述的发动机发电机，其特征在于，
所述第1转速(Na)相当于所述发动机(1)完成第1次压缩冲程时的发动机转速，所述第2转速(Nb)相当于所述发动机(1)能完全***时的发动机转速。
4.根据权利要求2或3所述的发动机发电机，其特征在于，具有：
供电电路(40)，经由开闭开关(42)连接所述蓄电池(5)和所述发电部(2)；
所述电力供给控制部(33)，当由所述转速检测部(46)检测出的发动机转速达到所述第2转速(Nb)以上时，断开所述开闭开关(42)来切断所述供电电路(40)。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的发动机发电机，其特征在于，
电力转换电路(31)，发动机启动时将由所述蓄电池(5)供给的直流电力转换成交流电力；
所述接线切换部(25)包括，设置在所述发电部(2)和所述电力转换电路(31)之间的开关电路(25)。
6.根据权利要求5所述的发动机发电机，其特征在于，
所述三相的绕组(24)，具有：一端部经由第1端子(241)、第2端子(242)和第3端子(243)分别与所述电力转换电路(31)连接的第1绕组(24U)、第2绕组(24V)和第3绕组(24W)，所述第1绕组(24U)、所述第2绕组(24V)和所述第3绕组(24W)的另一端部分别经由第4端子(244)、第5端子(245)和第6端子(246)与所述开关电路(25)连接；
所述开关电路(25)，具有：一端与所述第4端子(244)连接，另一端与所述第2端子(242)连接的第1开关(251)、一端与所述第5端子(245)连接，另一端与所述第3端子(243)连接的第2开关(252)、一端与所述第6端子(246)连接，另一端与所述第1端子(241)连接的第3开关(253)、一端分别与所述第4端子(244)、所述第5端子(245)和所述第6端子(246)连接，另一端通过中性点(257)相互连接的第4开关(254)、第5开关(255)和第6开关(256)。
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