專利名稱：安裝有曲柄臂的線性分段起動機發(fā)電機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及與起動相關的電動機或諸如內(nèi)燃機的往復式發(fā)動機(reciprocating engine)，以及通過往復式發(fā)動機的運動產(chǎn)生電能的發(fā)電機；本發(fā)明特別涉及用于內(nèi)燃機的集成式起動機電動機發(fā)電機(startermotor generator)，并且特別涉及安裝有曲柄的起動機/電動機/發(fā)電機。
背景技術：
內(nèi)燃機不能自起動，因此要提供輔助以便發(fā)動機能夠起動并隨后繼續(xù)操作。由于一些內(nèi)燃機需要能量的供給以便繼續(xù)操作(例如產(chǎn)生點火火花)以及運轉(zhuǎn)其他輔助設備 (例如電燈、計算機、無線電設備、時鐘、導航系統(tǒng)等)，各設備(例如發(fā)電機、交流發(fā)電機) 設置有發(fā)動機以便產(chǎn)生這樣的能量。如圖IA所示，多年以來，起動機/發(fā)電機系統(tǒng)是用于起動發(fā)動機的獨立的起動機電動機和產(chǎn)生電能以便運轉(zhuǎn)電力設備和給電池充電的交流發(fā)電機/發(fā)電機。起動機電動機通過傳動裝置機械耦合到飛輪。因此，當發(fā)動機要起動時(例如通過轉(zhuǎn)動點火鑰匙來“起動”)，電池耦合到起動機電動機。飛輪引起的起動機電動機的轉(zhuǎn)動順次引起曲軸轉(zhuǎn)動，從而在發(fā)動機內(nèi)產(chǎn)生起動燃燒過程的條件。在起動過程中，還操作離合器以便使飛輪從變速箱(gear box)脫離，從而起動機電動機所提供的轉(zhuǎn)動能量不傳遞到變速箱下游的傳動系(powertrain)部分。交流發(fā)電機可操作地通過電路帶(circuitous belt)耦合到曲軸。當發(fā)動機運行時，曲軸的轉(zhuǎn)動運動引起帶在電路路徑中運行。帶的連續(xù)電路運動順次引起交流發(fā)電機操作并且產(chǎn)生電能。通常，設置整流電路和調(diào)節(jié)電路，從而交流發(fā)電機的輸出是直流電壓，并且電壓輸出在理想的直流電壓范圍內(nèi)。近年來，已經(jīng)致力于集成起動機-發(fā)電機(ISG)，例如圖IB中所示。在該系統(tǒng)中， 為起動機電動機和發(fā)電機設置單一的設備——起動機/交流發(fā)電機。該起動機/交流發(fā)電機利用非常類似于上文中參考圖IA所描述的電路帶機械耦合到曲軸。當要啟動發(fā)動機時，起動機/交流發(fā)電機被配置并操作以便作為電動機。換言之， 電池電耦合到起動機/交流發(fā)電機從而起動機/交流發(fā)電機作為電動機轉(zhuǎn)動。通過帶的運動，該轉(zhuǎn)動被順次傳遞到曲軸，從而產(chǎn)生不利于發(fā)動機起動的條件。離合器也被操作從而將飛輪從變速箱分離，如上所述。發(fā)動機起動之后，起動機/交流發(fā)電機被重新配置，從而其隨后作為交流發(fā)電機操作。由于考慮到帶隨著時間伸長并且打滑，因此與起動機電動機機械耦合到飛輪的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的起動效率較低或可靠性較差?，F(xiàn)在參考圖1C，顯示了另一個ISG，其中起動機/交流發(fā)電機機械耦合到飛輪并由此通過離合器耦合到發(fā)動機的曲軸。如上所述，在起動機/交流發(fā)電機和變速箱之間設置另一個離合器，以便隔離傳動系的其他部分(例如變速箱、輪箱(wheels)等)與起動機/ 交流發(fā)電機。當要起動發(fā)動機時，起動機/交流發(fā)電機被配置和操作以便作為電動機。換言之，電池電耦合到起動機/交流發(fā)電機從而使起動機/交流發(fā)電機和飛輪轉(zhuǎn)動。飛輪的該轉(zhuǎn)動引起曲軸轉(zhuǎn)動，相應地產(chǎn)生不利于發(fā)動機起動的條件。發(fā)動機起動之后，起動機/交流發(fā)電機被重新配置，從而其隨后作為交流發(fā)電機而操作。這樣的ISG還可以被配置為產(chǎn)生混合發(fā)動機，從而起動機/發(fā)電機可用于向傳動系提供額外的動力。由于起動機/交流發(fā)電機和額外的離合器設置在飛輪和變速箱之間，因此這在結(jié)果上增大了發(fā)動機的長度。長度的這種增大影響汽車的布局和設計，從而能夠適應增大的長度。這些顧慮對于前輪驅(qū)動的汽車特別重要，因為在前輪驅(qū)動的汽車中發(fā)動機通常是橫向安裝的。在美國公開號2009/0091137中公開了一種配備發(fā)動機的發(fā)電機，其中發(fā)電機位于發(fā)動機外部并耦合或安裝到發(fā)動機的曲柄軸箱。發(fā)電機包括作為電動機轉(zhuǎn)子的飛輪和相對于曲柄軸箱固定的定子。發(fā)電機的飛輪可操作地耦合到曲軸，從而曲軸的運動引起發(fā)電機的飛輪轉(zhuǎn)動。在美國公開號2004/0084978中公開了一種永磁發(fā)電機以及制造永磁發(fā)電機的方法。該永磁發(fā)電機包括碗形飛輪、多個磁體、樹脂以及發(fā)電機線圈，所述磁體安裝在飛輪的內(nèi)周表面上，所述樹脂環(huán)繞每個單獨的磁體而填充，用于將磁體牢固地固定到飛輪上以作為飛輪的整體部件，所述發(fā)電機線圈設置在碗形飛輪內(nèi)與磁體相對，用于在通過與磁體的配合所產(chǎn)生的電磁感應的作用下產(chǎn)生電力。在使用中，位于中心的飛輪的輪軸或輪轂可操作地耦合到轉(zhuǎn)子或可轉(zhuǎn)動軸(例如內(nèi)燃機的曲軸)。通過這種方式轉(zhuǎn)子/軸的轉(zhuǎn)動引起飛輪轉(zhuǎn)動，從而像傳統(tǒng)的電動機發(fā)電機裝置一樣產(chǎn)生電力。希望提供一種用于諸如內(nèi)燃機的往復式發(fā)動機的新型起動機/電動機/發(fā)電機以及與其相關的方法。特別希望提供一種安裝有曲柄臂(crank-web)并且被線性分段 (segmented)的起動機/電動機/發(fā)電機。還希望提供一種能夠在往復式發(fā)動機處于運轉(zhuǎn)中的同時提供扭矩供給的起動機/電動機/發(fā)電機。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總體上涉及一種起動機/發(fā)電機或者起動往復式發(fā)動機和/或利用所述發(fā)動機產(chǎn)生電能的設備。所述起動機/發(fā)電機包括建立磁通量的多個磁性元件，每個磁性元件連接到曲軸的表面從而當曲軸轉(zhuǎn)動時所述元件在指定的路徑中運動；多個定子元件，所述定子元件設置且配置在發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定；以及控制電路，所述控制電路被配置且設置為控制每個定子元件的功能。在一種模式中，控制定子元件從而由定子元件引起的磁性元件的運動導致在各定子元件中產(chǎn)生電能，并且從而在另一種模式中，每個定子元件/磁性元件組合操作所述電動機/ 發(fā)電機以便作為電動機。根據(jù)本文的進一步描述，本發(fā)明的其他方面提供包含這樣的起動機電動機的往復式發(fā)動機以及與其相關的方法。更特別地，涉及一種用于往復式發(fā)動機的起動往復式發(fā)動機和/或利用所述發(fā)動機產(chǎn)生電能的起動機/發(fā)電機。所述起動機/發(fā)電機包括建立磁通場(magnetic flex field)的多個磁性元件。多個磁性元件的每一個連接到用于往復式發(fā)動機的曲軸的表面從而響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中運動。更特別地，曲軸的表面是曲軸的配重的表面。所述起動機/發(fā)電機還包括多個定子元件，其設置且配置在往復式發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定。所述起動機/發(fā)電機還包括控制電路，其被配置且設置為控制每個定子元件的功能，從而在一種模式中，控制相應的定子元件從而由相應的定子元件引起的相應的磁性元件的運動導致在各定子元件中產(chǎn)生電能，并且從而在另一種模式中，每個定子元件/磁性元件組合操作所述電動機/發(fā)電機以便作為電動機。在其他實施方案中，多個磁性元件固定到曲軸的結(jié)構(gòu)上，從而磁性元件響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中轉(zhuǎn)動。在其他實施方案中，磁性元件是永磁體。在其他實施方案中，多個定子元件的每一個均設置在發(fā)動機內(nèi)，從而相應的磁性元件轉(zhuǎn)動通過相應的定子元件的表面。在其他實施方案中，每個定子元件包括多個鐵芯和多個導線線圈(wire coils)或?qū)Ь€繞組，每個線圈或繞組繞各自的鐵芯卷繞，并且其中所述控制電路可操作地耦合到每個導線線圈。在其他實施方案中，每個定子元件包括用于從定子元件吸收熱能的冷卻機構(gòu)。更特別地，所述冷卻機構(gòu)是熱耦合到鐵芯的通道或通路(gallery)以及流過該通道的冷卻介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種往復式發(fā)動機，包括曲軸，所述曲軸具有繞曲軸的中心線在指定的路徑中轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)；以及起動機/發(fā)電機，所述起動機/發(fā)電機可操作地耦合到曲軸從而在一種操作模式中所述起動機/發(fā)電機引起曲軸轉(zhuǎn)動，并且在第二操作模式中曲軸的轉(zhuǎn)動引起起動機/發(fā)電機輸出電能。所述起動機/發(fā)電機包括多個磁性元件、多個定子元件和控制電路。多個磁性元件的每一個建立磁通場。多個磁性元件的每一個連接到曲軸結(jié)構(gòu)的表面從而響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中運動。多個定子元件被設置且配置在所述往復式發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定。控制電路被配置且設置為控制每個定子元件的功能，從而在所述一種操作模式中，每個定子元件/ 磁性元件組合操作從而所述起動機/發(fā)電機作為轉(zhuǎn)動所述曲軸的電動機而操作，并且從而在所述第二操作模式中，控制相應的定子元件以便相應的定子元件引起的相應的磁性元件的運動導致起動機/發(fā)電機產(chǎn)生電能。在其他實施方案中，所述多個磁性元件是永磁體，并且固定磁性元件的曲軸的結(jié)構(gòu)是曲軸配重結(jié)構(gòu)。在更特別的實施方案中，利用本領域技術人員已知的并且適合于預期應用的多種技術中的任一種將磁性元件固定到每個曲軸配重。在其他實施方案中，永磁體是由稀土元素合金制成的稀土磁體。在其他實施方案中，多個定子元件的每一個均固定設置在所述往復式發(fā)動機內(nèi)， 從而相應的磁性元件轉(zhuǎn)動通過相應的定子元件的表面。在更特別的實施方案中，每個定子元件包括多個鐵芯和多個導線線圈，每個線圈繞各自的鐵芯卷繞，并且其中控制電路可操作地耦合到每個導線線圈。在其他更特別的實施方案中，對于每個相應的磁性元件具有一個定子元件，更特別地，對于每個相應的磁性元件具有兩個定子元件或一對定子元件。在往復式發(fā)動機是具有八個曲軸配重的四缸發(fā)動機的示例性實施方案中，存在八個配重。因此，起動機/發(fā)電機將包括八個磁性元件，每個磁性元件固定到配重和八個定子元件上，一對定子元件用于一對配重/磁性元件。在更特別的實施方案中，控制電路被配置為每對定子元件和相應的磁性元件被獨立控制。
在其他實施方案中，每個定子元件包括用于從定子元件吸收熱能的冷卻機構(gòu)。更特別地，所述冷卻機構(gòu)是熱耦合到每個鐵芯的通道和流過該通道的冷卻介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供控制往復式發(fā)動機的起動以及/或者利用所述往復式發(fā)動機產(chǎn)生電力的方法。在一個實施方案中，提供一種控制往復式發(fā)動機的起動的方法，所述往復式發(fā)動機具有曲軸，所述曲軸包括繞曲軸的中心線在指定的路徑中轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)。所述方法包括提供起動機/發(fā)電機，所述起動機/發(fā)電機可操作地耦合到曲軸，其中所述起動機/發(fā)電機包括多個定子元件以及建立磁通場的多個磁性元件，多個磁性元件的每一個連接到曲軸結(jié)構(gòu)的表面從而響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中運動，所述定子元件設置且配置在所述往復式發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定。所述方法還包括控制每個定子元件的功能，從而每個定子元件/磁性元件組合操作以便所述電動機/發(fā)電機作為轉(zhuǎn)動所述曲軸的起動機電動機而操作，從而在所述往復式發(fā)動機內(nèi)建立發(fā)動機起動條件。在另一個實施方案中，提供一種通過往復式發(fā)動機產(chǎn)生電力的方法，所述往復式發(fā)動機具有曲軸，所述曲軸包括繞曲軸的中心線在指定的路徑中轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)。所述方法包括提供起動機/發(fā)電機，所述起動機/發(fā)電機可操作地耦合到曲軸，其中所述起動機/發(fā)電機包括多個定子元件以及建立磁通場的多個磁性元件，多個磁性元件的每一個連接到曲軸結(jié)構(gòu)的表面從而響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中運動，所述定子元件設置且配置在所述往復式發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定。 所述方法還包括控制每個定子元件的功能，從而由相應的定子元件引起的相應的磁性元件的運動導致在各定子元件或起動機/發(fā)電機中產(chǎn)生電能。在其他實施方案中，提供一種控制往復式發(fā)動機的起動或者利用所述往復式發(fā)動機產(chǎn)生電力的方法，所述往復式發(fā)動機具有曲軸，所述曲軸包括繞曲軸的中心線在指定的路徑中轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)。所述方法包括提供起動機/發(fā)電機，所述起動機/發(fā)電機可操作地耦合到曲軸，其中所述起動機/發(fā)電機包括多個定子元件以及建立磁通場的多個磁性元件， 多個磁性元件的每一個連接到曲軸結(jié)構(gòu)的表面從而響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中運動， 所述定子元件設置且配置在所述往復式發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定。所述方法還包括控制每個定子元件的功能，從而在一種操作模式中，所述起動機/發(fā)電機引起曲軸轉(zhuǎn)動從而起動發(fā)動機，并且在第二操作模式中， 曲軸的轉(zhuǎn)動導致所述起動機/發(fā)電機輸出電能。在其他實施方案中，在所述一種操作模式中，所述控制包括控制每個定子元件的功能，從而每個定子元件/磁性元件組合操作以便所述電動機/發(fā)電機作為轉(zhuǎn)動所述曲軸的起動機電動機而操作，從而在所述往復式發(fā)動機內(nèi)建立發(fā)動機起動條件。另外，在所述第二操作模式中，所述控制包括控制每個定子元件的功能，從而控制相應的定子元件以便由相應的定子元件引起的相應的磁性元件的運動導致在各定子元件中產(chǎn)生電能。下面討論本發(fā)明的其他方面和實施方案。定義參考以下定義可以更清楚地理解本發(fā)明在說明書和權(quán)利要求中，除非上下文另外明確指出，單數(shù)形式的名詞包括復數(shù)的含義。在本文中，術語“包括”或“包含”用于表示成分、方法、設備、裝置和系統(tǒng)包含所述的元件，但是不排除其他元件。當使用“主要由……構(gòu)成”來限定成分、設備、裝置、系統(tǒng)和方法時，表示排除對于該組合具有任何實質(zhì)性意義的其他元件。這些過渡術語中的每一個所限定的實施方案都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。USP應理解為表示美國專利號，即美國專利和商標局授權(quán)的美國專利。美國公開號應理解為表示美國專利申請公開號，即美國專利和商標局公開的美國專利申請。


為了更全面地理解本發(fā)明的特性和預期目的，對結(jié)合附圖的以下詳細描述進行參考，在附圖中，貫穿多幅視圖的相同的附圖標記表示相應的部件，其中圖IA-C是顯示各種傳統(tǒng)的起動機/發(fā)電機系統(tǒng)的視圖；圖2是具有本發(fā)明的起動機/發(fā)電機系統(tǒng)的往復式發(fā)動機的視圖。圖3是控制本發(fā)明的起動機/發(fā)電機的功能的控制系統(tǒng)的示意性方框圖。圖4是當配置有本發(fā)明的起動機/發(fā)電機時，發(fā)動機的曲軸和連桿的立體圖。圖5是當配置有本發(fā)明的起動機/發(fā)電機時，發(fā)動機的曲軸和連桿的另一個立體圖，其還顯示了示例性的磁極設置。圖6是具有不同數(shù)量的配重的另一個發(fā)動機的另一個曲軸和連桿的立體圖。圖7是具有模塊化磁極驅(qū)動單元的配重和定子元件的組合的單極立體圖(包括局部剖視圖)。圖8是用于定子元件的定子的立體圖。圖9是添加了繞組或線圈的圖8的定子的立體圖。圖10是定子元件的立體圖，其中局部剖視圖顯示了冷卻通路。圖11是定子元件的另一個立體圖，其中局部剖視圖顯示了冷卻通路以及冷卻劑入口和出口管道。圖12是顯示使用本發(fā)明的起動機/發(fā)電機作為電動機在低轉(zhuǎn)速下的扭矩供給的曲線圖。圖IA-C中的附圖標記說明10交流發(fā)電機20帶30起動機40 發(fā)動機50 飛輪60離合器70變速箱80起動機/交流發(fā)電機。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考附圖的各幅圖片，其中相同的附圖標記表示相同的部件，圖2中顯示了本發(fā)明的往復式發(fā)動機100的視圖，其也包括本發(fā)明的起動機/發(fā)電機系統(tǒng)200。這種往復式發(fā)動機還包括曲軸110、可移動地容納在汽缸體的汽缸中的活塞140、以及可操作地耦合到曲軸從而由發(fā)動機產(chǎn)生的動力(馬力、扭矩)提供到傳動系(例如汽車/卡車的輪箱、變速箱等)的飛輪130。本發(fā)明的起動機/發(fā)電機200包含無刷直流電機，其中磁極安裝(例如表面安裝) 在轉(zhuǎn)子上。本發(fā)明的起動機/發(fā)電機200將這種直流電機的轉(zhuǎn)子和定子特征分割為多個段， 并沿著公共軸，即曲軸的長軸線性偏移這些段。更具體而言，通過將磁性元件或永磁體安裝或固定到曲軸上并且將定子元件定位在當曲軸轉(zhuǎn)動時磁性元件或永磁體所占據(jù)的路徑附近，發(fā)動機的曲軸還適合作為這種直流電機的轉(zhuǎn)子。利用本領域技術人員已知的一些技術， 包括感測轉(zhuǎn)子位置、反電動勢(back EMF)的技術，可以在各段之間獲得電流反向(current reversals)，該反電動勢由通過定子線圈的磁體或者由切換的連續(xù)線圈所感應產(chǎn)生。下面將進一步詳細描述，這樣的起動機/發(fā)電機系統(tǒng)200包括例如永磁體的多個磁性元件210以及多個定子元件，一個磁性元件用于曲軸的一個特定結(jié)構(gòu)特征(例如配重)，磁性元件將要固定于所述結(jié)構(gòu)特征，并且一個定子元件用于一個磁性元件。在更特別的實施方案中，兩個定子元件和兩個磁性元件形成一起操作的磁極轉(zhuǎn)子/定子組件。定子元件220優(yōu)選地安裝在發(fā)動機內(nèi)，從而定子元件相對于運動的磁性元件保持固定。在特定的示例性實施方案中，連接到汽缸體的傳統(tǒng)的梯狀框架(ladder frame)或底座的結(jié)構(gòu)適于支撐每個定子元件220。例如，傳統(tǒng)的梯狀框架適于包括用于固定定子元件 220的額外的臂或橫梁。與傳統(tǒng)的起動機/發(fā)電機系統(tǒng)相比，包含在往復式發(fā)動機100中的這種起動機/ 發(fā)電機系統(tǒng)200具有多個有利的效果。由于本發(fā)明的起動機/發(fā)電機系統(tǒng)200集成在往復式發(fā)動機內(nèi)，因此發(fā)動機長度不變，在圖IC所示的發(fā)動機結(jié)構(gòu)中就是如此。由于這種集成， 可以排除圖IA的交流發(fā)電機或圖IB的起動機/交流發(fā)電機的操作所需的結(jié)構(gòu)元件，從而減小車輛重量。該系統(tǒng)還適于為起動/停止能力提供用于重新起動的發(fā)動機停止位置的優(yōu)化控制，這能夠節(jié)約燃料。由于控制電路采用無刷設計，因此有望減少維護需求外，由于起動機/發(fā)電機與曲軸操作集成，因此在操作過程中也可以利用起動機/發(fā)電機的電動機特征向曲軸提供額外的動力，從而提供低轉(zhuǎn)速下的扭矩供給，以便增強發(fā)動機的性能?，F(xiàn)在參考圖3，顯示了控制本發(fā)明的起動機/發(fā)電機200的各種功能的控制系統(tǒng) 300的示意性方框圖。應參考圖2，兩幅圖中采用的相同特征具有共同的附圖標記。該控制系統(tǒng)300包括控制器310，控制器接收輸入、數(shù)據(jù)和指令并且提供控制起動機/發(fā)電機的各種功能的操作的輸出。在特定實施方案中，控制器310包含微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器、或者專用集成電路(ASIC)，其包括指令、標準和適當?shù)拇a段，其評價輸入、數(shù)據(jù)和指令并控制起動機/發(fā)電機的不同操作模式以及特定操作模式過程中起動機/發(fā)電機的操作。當起動機/發(fā)電機200被操作以便作為起動機電動機時，控制器310以適當?shù)姆绞脚渲们铱刂朴糜谕鶑褪桨l(fā)動機100的所有定子元件220，從而每個相應的磁性元件的定子元件引起曲軸繞其中心線轉(zhuǎn)動，并相應地導致活塞140與其連接，以便在汽缸中上下運動。更具體而言，定子元件通過控制器選擇性地連接到電池302，隨后定子元件以適當?shù)姆绞接呻姵亟o予電流和電壓，以便引起曲軸的轉(zhuǎn)動。應注意，設置能夠感測轉(zhuǎn)動磁體、曲軸配重或曲軸的其他特征的位置的電子感測或驅(qū)動單元或者位置傳感器304 (例如霍爾效應器件)，其能夠用于識別每個配重的轉(zhuǎn)動磁體的位置?？刂破?10利用該位置來選擇性地接通或斷開至每個定子元件220的電流，例
10如通過使用MOSFET晶體管。在本發(fā)明中使用電子開關，因為在優(yōu)選實施方案中起動機/發(fā)電機200是無刷型的。如本領域技術人員所知，當曲軸轉(zhuǎn)動以起動內(nèi)燃機時，在適當?shù)臅r機適當?shù)娜剂?空氣混合物被引入汽缸中，從而可以在汽缸中對燃料-空氣混合物進行點火，以便開始燃燒過程以及后續(xù)的發(fā)動機的自操作。當起動機/發(fā)電機200被操作以便作為提供扭矩供給的電動機時，控制器310以適當?shù)姆绞脚渲煤涂刂朴糜谕鶑褪桨l(fā)動機100的所有定子元件220，從而每個相應的磁性元件的定子元件將向轉(zhuǎn)動曲軸提供除了由活塞140在汽缸中上下運動的燃燒過程所提供的動力以外的額外的動力。更具體而言，定子元件通過控制器而選擇性地連接到電池302， 隨后定子元件由電池給予電流和電壓，以便向曲軸提供額外的動力。圖12中提供的扭矩相對于發(fā)動機速度的曲線圖顯示了這種扭矩供給效應。當滿足采取該動作的預定條件時，控制器310將導致產(chǎn)生這樣的額外的動力。在滿足采取該動作的其他條件之后，控制器310還將終止提供該額外的動力。當起動機/發(fā)電機被操作以便作為發(fā)電機時，控制器配置和控制所有定子元件 220，從而當磁性元件通過定子元件時，每個磁性元件/定子元件產(chǎn)生電能。所產(chǎn)生的電能被輸出到包括電池的電力系統(tǒng)320(對電池充電)。提供電能的操作將持續(xù)，直到發(fā)動機被關閉或者所采取的其他動作要求終止電力的產(chǎn)生(例如將起動機/發(fā)電機重新配置為用于扭矩供給的電動機)?，F(xiàn)在參考圖4，其中顯示了當配置有本發(fā)明的起動機/發(fā)電機200時，發(fā)動機的曲軸110和連桿145的立體圖。所示實施方案描繪了四缸內(nèi)燃機，其中曲軸110被配置為包括八個配重120。所示的實施方案不是限制性的。例如，該四缸發(fā)動機也可以配置有四個配重，如圖6所示。配重的數(shù)量取決于包括發(fā)動機的汽缸數(shù)量以及配置(例如斜置式、直列式、V型)的多個因素。磁性元件210或永磁體被連接為沿著配重的端面延伸。永磁體可以是單極或表現(xiàn)相同磁極的雙極。在特定實施方案中，再次參考圖5，永磁體被設置為北極和南極在八個配重之間均等分布。應認識到磁極的上述數(shù)量和分布是示例性的，并且是本領域技術人員根據(jù)本文的公開和教導容易建立的。在更特別的實施方案中，永磁體優(yōu)選地是稀土磁體，即稀土元素合金制成的永磁體。在示例性實施方案中，稀土磁體是釹磁體或釤-鈷磁體。這種稀土磁體還經(jīng)常被電鍍或涂敷以防止折斷或碎裂。可以通過本領域技術人員已知的包括使用粘合劑的多種技術中的任一項將這些磁體固定到表面或體上?，F(xiàn)在參考圖7至11，其中顯示了具有模塊化磁極驅(qū)動單元的配重和定子元件的組合的單極立體圖(包括局部剖視圖，圖7)；用于定子元件的定子的立體圖(圖8)；添加了繞組或線圈的圖8的定子的立體圖(圖9)；定子元件的立體圖，其中局部剖視圖顯示了冷卻通路(圖10)；以及定子元件另一個立體圖，其中局部剖視圖顯示了冷卻通路以及冷卻劑入口和出口管道(圖11)。在圖7所示的特定實施方案中，設置配重上的磁性元件以及定子元件，從而兩個磁性元件和兩個定子元件被設置為形成單極，并且兩個定子元件的電力輸出線耦合到模塊化磁極驅(qū)動單元250。在示例性實施方案中，模塊化磁極驅(qū)動器單元包括動力電子元件
11(powerelectronics)和用于控制定子的操作的控制器。如圖8和9所示，每個定子元件220的定子221是弓形結(jié)構(gòu)，弓形結(jié)構(gòu)具有兩個環(huán)形段和在其間延伸并彼此分離的徑向部分223。定子221由適合預期應用的材料形成。例如，定子材料是鐵材料。在更特別的實施方案中，繞定子221的每個內(nèi)部徑向段或鐵芯纏繞導線(例如銅導線)，以便形成導線繞組或線圈225。在更特別的實施方案中，每個定子221包括多個鐵芯和多個導線線圈或繞組，每個線圈或繞組繞各自的鐵芯卷繞。這些導線繞組或線圈被設置為形成集中繞組(concentrated windings)。與分布式繞組(distributed windings)相比，集中繞組的優(yōu)點是與具有相同磁通量的分布式繞組相比集中繞組提供更高的感應系數(shù) (inductance)以及減小了的銅體積。在進一步的實施方案中，定子元件還包括例如以定子的內(nèi)部體積被密閉性地密封或形成封閉體積的方式固定到定子221的側(cè)面元件227。通過這種方式，定子元件220可以被部分或完全浸沒在發(fā)動機的油盤(oil pan)或曲柄箱中包含的油中。此外，如圖10和11所示，每個定子元件220還被配置為包括流體耦合到冷卻劑入口管道MOa和冷卻劑出口管道MOb的冷卻劑通道或通路M2。冷卻劑通道或通路242與定子221熱接觸，從而產(chǎn)生的熱能被傳輸?shù)嚼鋮s劑。冷卻劑通道或通路242還優(yōu)選地與導線繞組225電絕緣。冷卻劑流入冷卻劑入口管道MOa中以及通路242中，并從通路242通過出口管道流出。在進一步的實施方案中，在冷卻劑通過通路242返回之前，冷卻劑通過熱交換器以便將冷卻劑所獲得的熱能耗散。在另外的實施方案中，設置泵以便以所需流速控制通過通路M2的流動。設置過濾器以便濾出流動冷卻劑中的任何污染物也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在更特別的實施方案中，冷卻劑是油，在更特殊的實施方案中，冷卻劑是機油(engine oil) ο雖然已經(jīng)使用特定的術語描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是這樣的描述僅出于說明的目的，應當理解可以進行修改和變化而不背離權(quán)利要求的精神和范圍。通過引用而包含通過全文引用的方式，在此公開的所有專利、公開的專利申請和其他參考文獻均通過引用而明確包含于本文中。等效方式僅使用常規(guī)實驗方法，本領域技術人員就能認識或能夠確定在此描述的本發(fā)明的特定實施方案的許多等效方式。這些等效方式將被包含在權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種用于往復式發(fā)動機的起動機/發(fā)電機，包括建立磁通場的多個磁性元件，多個磁性元件的每一個連接到用于往復式發(fā)動機的曲軸的表面從而響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中運動；多個定子元件，所述定子元件設置且配置在往復式發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定；以及控制電路，所述控制電路被配置且設置為控制每個定子元件的功能，從而在一種模式中，控制相應的定子元件以便由相應的定子元件引起的相應的磁性元件的運動導致在各定子元件中產(chǎn)生電能，并且在另一種模式中，每個定子元件/磁性元件組合操作所述電動機/ 發(fā)電機以便作為電動機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于往復式發(fā)動機的起動機/發(fā)電機，其中所述多個磁性元件是永磁體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于往復式發(fā)動機的起動機/發(fā)電機，其中所述多個磁性元件固定到曲軸的結(jié)構(gòu)上，從而所述磁性元件響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中轉(zhuǎn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于往復式發(fā)動機的起動機/發(fā)電機，其中多個定子元件的每一個均設置在發(fā)動機內(nèi)，從而相應的磁性元件轉(zhuǎn)動通過相應的定子元件的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于往復式發(fā)動機的起動機/發(fā)電機，其中每個定子元件包括多個鐵芯和多個導線線圈，每個線圈繞各自的鐵芯卷繞，并且其中所述控制電路能夠操作地耦合到每個導線線圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于往復式發(fā)動機的起動機/發(fā)電機，其中每個定子元件包括用于從所述定子元件吸收熱能的冷卻機構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于往復式發(fā)動機的起動機/發(fā)電機，其中所述冷卻機構(gòu)是熱耦合到每個鐵芯的通道和流過該通道的冷卻介質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于往復式發(fā)動機的起動機/發(fā)電機，其中曲軸的表面是曲軸的配重的表面。
9.一種往復式發(fā)動機，包括曲軸，所述曲軸具有繞曲軸的中心線在指定的路徑中轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)；以及起動機/發(fā)電機，所述起動機/發(fā)電機能夠操作地耦合到曲軸從而在一種操作模式中所述起動機/發(fā)電機引起曲軸轉(zhuǎn)動，并且在第二操作模式中曲軸的轉(zhuǎn)動引起起動機發(fā)電機輸出電能，其中所述起動機發(fā)電機包括建立磁通場的多個磁性元件，多個磁性元件的每一個連接到曲軸結(jié)構(gòu)的表面從而響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中運動；多個定子元件，所述定子元件設置且配置在所述往復式發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定；以及控制電路，所述控制電路被配置且設置為控制每個定子元件的功能，從而在所述一種操作模式中，每個定子元件/磁性元件組合操作以便所述電動機/發(fā)電機作為轉(zhuǎn)動所述曲軸的電動機而操作，并且在所述第二操作模式中，控制相應的定子元件以便由相應的定子元件引起的相應的磁性元件的運動導致在各定子元件中產(chǎn)生電能。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的往復式發(fā)動機，其中所述多個磁性元件是永磁體。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的往復式發(fā)動機，其中曲軸的所述結(jié)構(gòu)是配重結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的往復式發(fā)動機，其中多個定子元件的每一個均固定地設置在所述往復式發(fā)動機內(nèi)，從而相應的磁性元件轉(zhuǎn)動通過相應的定子元件的表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的往復式發(fā)動機，其中每個定子元件包括多個鐵芯和多個導線線圈，每個線圈繞各自的鐵芯卷繞，并且其中控制電路能夠操作地耦合到每個導線線圈。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的往復式發(fā)動機，其中每個定子元件包括用于從定子元件吸收熱能的冷卻機構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的往復式發(fā)動機，其中所述冷卻機構(gòu)是熱耦合到每個鐵芯的通道和流過該通道的冷卻介質(zhì)。
16.一種控制起動往復式發(fā)動機的方法，所述往復式發(fā)動機具有曲軸，所述曲軸具有繞曲軸的中心線在指定的路徑中轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，所述方法包括以下步驟提供起動機/發(fā)電機，所述起動機/發(fā)電機能夠操作地耦合到曲軸，其中所述起動機/ 發(fā)電機包括多個定子元件以及建立磁通場的多個磁性元件，多個磁性元件的每一個連接到曲軸結(jié)構(gòu)的表面從而響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中運動，所述定子元件設置且配置在所述往復式發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定；并且控制每個定子元件的功能，從而每個定子元件/磁性元件組合操作以便所述電動機/ 發(fā)電機作為轉(zhuǎn)動所述曲軸的起動機電動機而操作，從而在所述往復式發(fā)動機內(nèi)建立發(fā)動機起動條件。
17.—種通過往復式發(fā)動機產(chǎn)生電力的方法，所述往復式發(fā)動機具有曲軸，所述曲軸具有繞曲軸的中心線在指定的路徑中轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，所述方法包括以下步驟提供起動機/發(fā)電機，所述起動機/發(fā)電機能夠操作地耦合到曲軸，其中所述起動機/ 發(fā)電機包括多個定子元件以及建立磁通場的多個磁性元件，多個磁性元件的每一個連接到曲軸結(jié)構(gòu)的表面從而響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中運動，所述定子元件設置且配置在所述往復式發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定；并且控制每個定子元件的功能，從而控制相應的定子元件以便由相應的定子元件引起的相應的磁性元件的運動導致在各定子元件中產(chǎn)生電能。
18.—種控制往復式發(fā)動機的起動或者利用所述往復式發(fā)動機產(chǎn)生電力的方法，所述往復式發(fā)動機具有曲軸，所述曲軸具有繞曲軸的中心線在指定的路徑中轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，所述方法包括以下步驟提供起動機/發(fā)電機，所述起動機/發(fā)電機能夠操作地耦合到曲軸，其中所述起動機/ 發(fā)電機包括多個定子元件以及建立磁通場的多個磁性元件，多個磁性元件的每一個連接到曲軸結(jié)構(gòu)的表面從而響應曲軸的轉(zhuǎn)動在指定的路徑中運動，所述定子元件設置且配置在所述往復式發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定；并且控制每個定子元件的功能，從而在一種操作模式中，所述起動機/發(fā)電機引起曲軸轉(zhuǎn)動從而起動發(fā)動機，并且在第二操作模式中，曲軸的轉(zhuǎn)動導致所述起動機/發(fā)電機輸出電能。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的控制往復式發(fā)動機的起動或者利用所述往復式發(fā)動機產(chǎn)生電能的方法，其中在所述一種操作模式中，所述控制包括控制每個定子元件的功能，從而每個定子元件/ 磁性元件組合操作以便所述電動機/發(fā)電機作為轉(zhuǎn)動所述曲軸的起動機電動機而操作，從而在所述往復式發(fā)動機內(nèi)建立發(fā)動機起動條件；并且在所述第二操作模式中，所述控制包括控制每個定子元件的功能，從而控制相應的定子元件以便由相應的定子元件引起的相應的磁性元件的運動導致在各定子元件中產(chǎn)生電能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種安裝有曲柄臂的線性分段起動機發(fā)電機系統(tǒng)。所涉及的起動機/發(fā)電機用來起動往復式發(fā)動機或利用所述發(fā)動機產(chǎn)生電能。所述起動機/發(fā)電機包括建立磁通量的多個磁性元件，每個磁性元件連接到曲軸的表面從而在曲軸轉(zhuǎn)動時所述元件在指定的路徑中運動；多個定子元件，所述定子元件設置在發(fā)動機內(nèi)以便當磁性元件在指定的路徑中運動時相對于相應的磁性元件保持固定；以及控制電路，所述控制電路被配置且設置為控制每個定子元件的功能。在一種模式中，控制定子元件從而由定子元件引起的磁性元件的運動導致在各定子元件中產(chǎn)生電能，并且在另一種模式中，每個定子元件/磁性元件組合操作所述電動機/發(fā)電機以便作為電動機。
文檔編號H02K33/18GK102377312SQ20101057725
公開日2012年3月14日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者N·恩吉寧 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社, 現(xiàn)代自動車美國技術研究所, 起亞自動車株式會社