EP0876554B2

Starter/generator for an internal combustion engine, in particular a vehicle engine

Abstract

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EP0876554B2, drawing sheet 1
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Expired 31 August 2016, 10.1 years ago.

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19 claims: 19 independent, 0 dependent

  1. 1
    A starter/generator for an internal combustion engine (1) of a motor vehicle, with - an energy storage unit (11) located in a low-voltage on-board power system- an electric rotary field machine (4) which executes the starter and generator function, whereby the rotor (9) of the electric machine (4) is coupled in a torqueproof manner without the insertion of a clutch with the crankshaft of the internal combustion engine (1), so that the electric machine (4) permanently rotates at the same speed as the internal combustion engine (1), and whereby the electric machine (4) starts the internal combustion engine (1) from a standing start by convergence;and- at least one inverter (17) which generates the required voltages and/or currents for the magnetic fields of the electric machine (4) at a variable frequency, amplitude and/or phasecharacterized in that- the generation of the voltages and/or currents by sinus-evaluated pulse modulation is achieved with a clock frequency higher than 10 kHz- the inverter (17) comprises an intermediate circuit with an increased voltage level in relation to the low-voltage on-board power system- the inverter (17) is equipped in the intermediate circuit with a first energy storage unit (19) for providing voltage with the necessary flank steepness required for clocking, and with a second energy storage unit (24) with a higher storage capacity for storing energy required for the starter operation- whereby both the energy removal from the intermediate circuit while the electric machine (4) is in starter mode and the energy feed into the intermediate circuit in generator mode is conducted at an increased voltage level Démarreur/alternateur pour un moteur à combustion (1) d'un véhicule automobile, ayant - un accumulateur d'énergie (11) situé dans un réseau de bord basse tension ;- une machine à champ tournant électrique (4), qui assure la fonction de démarreur et d'alternateur, le rotor (9) de la machine électrique (4) étant couplé, bloqué en rotation, sans intercalation d'un embrayage, au vilebrequin du moteur à combustion (1), de sorte que la machine électrique (4) tourne en permanence au même régime que le moteur à combustion (1), et la machine électrique (4) lançant le moteur à combustion (1) par marche solidaire à partir de l'arrêt ;et- au moins un onduleur (17), qui produit les tensions et/ou courants de fréquence, d'amplitude et/ou de phase variables, qui sont nécessaires pour les champs magnétiques de la machine électrique (4) ;caractérisé en ce que- la production des tensions et/ou des courants est effectuée par une modulation d'amplitude, évaluée au plan sinusoïdal, avec une fréquence d'horloge supérieure à 10 kHz ;- l'onduleur (17) présente un circuit intermédiaire avec un niveau de tension accru par rapport au réseau de bord basse tension ;- l'onduleur (17) est équipé, dans le circuit intermédiaire, d'un premier accumulateur d'énergie (19) pour la fourniture de tension avec la pente de flancs nécessaire pour le cadencement, et d'un deuxième accumulateur d'énergie (24) ayant une capacité de stockage supérieure pour le stockage de l'énergie pour le mode démarreur ;- le prélèvement d'énergie à partir du circuit intermédiaire dans le mode démarreur de la machine électrique (4), ainsi que l'alimentation en énergie destinée au circuit intermédiaire dans le mode alternateur intervenant au niveau de tension accru. Starter/Generator für einen Verbrennungsmotor (1) eines Kraftfahrzeugs, mit - einem in einem Niederspannungsbordnetz liegenden Energiespeicher (11);- einer elektrischen Drehfeldmaschine (4), welche die Starter- und Generatorfunktion ausübt, wobei der Läufer (9) der elekrischen Maschine (4) drehfest ohne Zwischenschaltung einer Kupplung mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (1) gekoppelt ist, so daß die elektrische Maschine (4) permanent mit gleicher Drehzahl wie der Verbrennungsmotor (1) dreht, und wobei die elektrische Maschine (4) den Verbrennungsmotor (1) durch Zusammenlauf aus dem Stand startet;und- wenigstens einem Wechselrichter (17), der die für die magnetischen Felder der elektrischen Maschine (4) benötigten Spannungen und/oder Ströme variabler Frequenz, Amplitude und/oder Phase erzeugt;dadurch gekennzeichnet, daß- die Erzeugung der Spannungen und/oder Ströme durch sinusbewertete Pulsmodulation mit einer Taktfrequenz größer 10 kHz erfolgt;- der Wechselrichter (17) einen Zwischenkreis mit einem gegenüber dem Niederspannungsbordnetz erhöhten Spannungsniveau aufweist;- der Wechselrichter (17) im Zwischenkreis mit einem ersten Energiespeicher (19) zum Bereitstellen von Spannung mit der für das Takten notwendigen Flankensteilheit und mit einem zweiten Energiespeicher (24) größerer Speicherkapazität zum Speichern von Energie für den Starterbetrieb ausgerüstet ist;- wobei sowohl die Energieentnahme aus dem Zwischenkreis im Starterbetrieb der elektrischen Maschine (4) als auch die Energieeinspeisung in den Zwischenkreis im Generatorbetrieb auf dem erhöhten Spannungsniveau erfolgt.
  2. 2
    A starter/generator according to claim 1, in which the electric machine (4) is an asynchronous machine, synchronous machine or a reluctance machine. Démarreur/alternateur selon la revendication 1, dans lequel la machine électrique (4) est une machine asynchrone, une machine synchrone ou une machine à réluctance. Starter/Generator nach Anspruch 1, bei welchem die elektrische Maschine (4) eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine ist.
  3. 3
    A starter/generator according to either of claims 1 or 2, whereby a rotary field-generated active unit (stator 8) of the electric machine (4) comprises at least eight poles (39). Démarreur/alternateur selon la revendication 1 ou 2, une unité active (stator 8), produisant un champ tournant de la machine électrique (4), présentant au moins huit pôles (39). Starter/Generator nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine drehfelderzeugende Wirkeinheit (Ständer 8) der elektrischen Maschine (4) wenigstens acht Pole (39) aufweist.
  4. 4
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the electric machine (4) has a high maximum pole frequency, in particular between 300 and 1,600 kHz and above. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (4) a une fréquence d'inversion de polarité maximale, en particulier entre 300 et 1 600 Hz et plus. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) eine hohe maximale Polwechselfrequenz, insbesondere zwischen 300 und 1600 Hz und mehr, hat.
  5. 5
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the stator (8) of the electric machine (4) comprises thin stator sheets, in particular with a thickness of 0.35 mm or less, and/or the stator sheets are made of a material with low reverse magnetisation losses, in particular, less than 1 Watt/kilogram at 50 Hz and one Tesla. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel le stator (8) de la machine électrique (4) présente de minces tôles statoriques, en particulier avec une épaisseur de 0,35 mm ou moins, et/ou dans lequel les tôles statoriques sont fabriquées à partir d'un matériau avec de faibles pertes par inversion magnétique, en particulier inférieures à 1 watt/kilogramme pour 50 Hz et un tesla. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Ständer (8) der elektrischen Maschine (4) dünne Ständerbleche, insbesondere mit einer Dicke von 0,35 mm oder weniger, aufweist und/oder die Ständerbleche aus einem Material mit niedrigen Ummagnetisierungsverlusten, insbesondere kleiner als 1 Watt/Kilogramm bei 50 Hz und einem Tesla, gefertigt sind.
  6. 6
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the electric machine (4) comprises coil ends which have an axial protrusion of between 5 mm and 25 mm for each side of the stator (8) of the electric machine (4). Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (4) présente des têtes de bobine qui ont une saillie axiale entre 5 mm et 25 mm pour chaque côté du stator (8) de la machine électrique (4). Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) Wickelköpfe aufweist, die einen axialen Überstand zwischen 5mm und 25mm pro Seite des Ständers (8) der elektrischen Maschine (4) haben.
  7. 7
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the air gap between the rotor (9) and the stator (8) of the electric machine (4) is between 0.5 mm and 1.5 mm. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel l'entrefer entre le rotor (9) et le stator (8) de la machine électrique (4) est compris entre 0,5 mm et 1,5 mm. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Luftspalt zwischen Läufer (9) und Ständer (8) der elektrischen Maschine (4) zwischen 0,5mm und 1,5mm beträgt.
  8. 8
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the rear thickness of the stator (8) of the electric machine is between 15 mm and 30 mm. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur dorsale du stator (8) de la machine électrique est comprise entre 15 mm et 30 mm. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rückendicke des Ständers (8) der elektrischen Maschine zwischen 15mm und 30mm beträgt.
  9. 9
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the electric machine (4) comprises inner gas/fluid cooling, in particular a spray fluid cooling (12), whereby the feed of the cooling gas/fluid is achieved in par6ticular in dependence on the power loss and/or the speed. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (4) présente un refroidissement intérieur par liquide, en particulier un refroidissement par liquide pulvérisé (12), l'amenée du fluide de refroidissement s'effectuant en particulier en fonction de la dissipation de puissance et/ou du régime. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) eine innere Fluidkühlung, insbesondere eine Sprühflüssigkeitskühlung (12), aufweist, wobei die Zufuhr des Kühlfluids insbesondere verlustleistungs- und/oder drehzahlabhängig erfolgt.
  10. 10
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the electric machine (4) operates strongly in the range of magnetic saturation, in particular with a current density (at max. torque) of at least 400 to 1,000 A/cm air gap length in the circumferential direction. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (4) fonctionne fortement dans la plage de la saturation magnétique, en particulier pour une densité linéique (pour un couple maxi.) d'au moins 400 à 1 000 A/cm de longueur d'entrefer dans le sens circonférentiel. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) stark im Bereich magnetischer Sättigung arbeitet, insbesondere bei einem Strombelag (bei max. Drehmoment) von wenigstens 400 bis 1000 A/cm Luftspaltlänge in Umfangsrichtung.
  11. 11
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the electric machine (4) comprises a high torque density - in relation to the maximum torque in particular, higher than 0.01 Nm/cm3. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (4) présente une densité de couple élevée - rapportée au couple maximal - en particulier supérieure à 0,01 Nm/cm3. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) eine hohe Drehmomentdichte - bezogen auf das maximale Drehmoment - aufweist, insbesondere größer als 0,01 Nm/cm3.
  12. 12
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which electronic switches (43, 37, 50) of the inverter (17) are gas/fluid-cooled, in particular, cooled in a simmering bath. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel des commutateurs électroniques (43, 47, 50) de l'onduleur (17) sont refroidis par fluide, en particulier refroidis par bain à ébullition. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem elektronische Schalter (43, 47, 50) des Wechselrichters (17) fluidgekühlt, insbesondere siedebadgekühlt, sind.
  13. 13
    A starter/generator according to anyone of the above claims, in which several electronic switches (43) of the inverter (17), in particular, between 2 and 20 and more, are switched in parallel. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel plusieurs commutateurs électroniques (43) de l'onduleur (17), en particulier 2 à 20 et plus, sont montés en parallèle. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mehrere elektronische Schalter (43) des Wechselrichters (17), insbesondere 2 bis 20 und mehr, parallel geschaltet sind.
  14. 14
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the inverter (17) comprises as switches (43, 37, 50) semiconductor switches, in particular rapid semiconductor switches, such as field effect transistors, bi-polar transistors and/or bi-polar transistors with insulated gate connection (IGBTs). Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel l'onduleur (17) comprend, en tant que commutateurs (43, 47, 50), des commutateurs à semi-conducteurs, en particulier des semi-conducteurs rapides, tels que des transistors à effet de champ, des transistors bipolaires et/ou des transistors bipolaires avec grille isolée (IGBT). Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Wechselrichter (17) als Schalter (43, 47, 50) Halbleiterschalter, insbesondere schnelle Halbleiterschalter, wie Feldeffekttransistoren, bipolare Transistoren und/oder bipolare Transistoren mit isoliertem Gateanschluß (IGBTs) umfaßt.
  15. 15
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which from the intermediate circuit, auxiliary machines, such as air conditioning machines (29), servo drives (30) and pumps are electrically driven at a high voltage level. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel, à partir du circuit intermédiaire, des machines auxiliaires, telles que des appareils de climatisation (29), des servomoteurs (30), des pompes, sont entraînées électriquement à un niveau de tension élevé. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem aus dem Zwischenkreis Hilfsmaschinen, wie Klimamaschinen (29), Servoantriebe (30), Pumpen, elektrisch auf einem hohen Spannungsniveau angetrieben werden.
  16. 16
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the electric machine (4) is also used as a generator for heating purposes. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (4) sert également d'alternateur pour des tâches de chauffage. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) auch als Generator für Heizzwecke dient.
  17. 17
    A starter/generator according to any one of the above claims, which is part of a drive system with an automatic start-stop control of the internal combustion engine (1). Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, qui fait partie d'un système d'entraînement avec une commande marche-arrêt automatique du moteur à combustion (1). Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher Teil eines Antriebssystems mit einer automatischen Start-Stop-Steuerung des Verbrennungsmotors (1) ist.
  18. 18
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the electric machine (4) can generate or support an acceleration and/or braking of the drive shaft, in particular in order to accelerate or brake a vehicle and/or for anti-slip regulation purposes, in order to reduce the skid of a drive wheel by braking the internal combustion engine and/or at least one drive wheel. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (4) peut susciter ou assister une accélération et/ou une décélération de l'arbre de commande, en particulier pour accélérer ou décélérer et/ou pour réduire le patinage d'une roue motrice dans le cadre d'une régulation antipatinage par freinage du moteur à combustion et/ou moins d'une roue motrice. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) ein Beschleunigen und/oder Abbremsen der Triebwelle herbeiführen oder unterstützen kann, insbesondere um ein Fahrzeug zu beschleunigen bzw. abzubremsen und/oder um im Rahmen einer Anti-Schlupf-Regelung durch Bremsen des Verbrennungsmotors und/oder wenigstens eines Antriebsrades den Schlupf eines Antriebsrades zu verringern.
  19. 19
    A starter/generator according to any one of the above claims, in which the electric machine (4) is aloe used to reduce uneven rotation formations by generating a rapidly alternating counterphase torque. Démarreur/alternateur selon une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (4) sert en outre à réduire des irrégularités de rotation par le fait qu'elle produit un couple en opposition de phase à alternances rapides. Starter/Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Maschine (4) außerdem der Verringerung von Drehungleichförmigkeiten dient, indem sie ein schnell alternierendes gegenphasiges Drehmoment erzeugt.
Independent claims19