CN206903797U - 一种小型发动机电启动及发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种小型发动机电启动及发电装置，包括飞轮组件、定子线圈组件、点火线圈组件、发动机曲轴、启动开关以及电瓶，所述飞轮组件安装在发动机曲轴上，飞轮组件的转动能够带动发动机曲轴转动，在飞轮壳体的外侧圆周边上设置有永磁体，在飞轮壳体的内侧圆周边上均匀设有多对转子凸极，本实用新型的飞轮壳体内侧不使用永磁体，避免了发动机高温导致的永磁体退磁和性能下降；所述定子线圈组件包括定子线圈绕组和控制电路板，在控制电路板的控制下使本实用新型同时具有电启动和发电功能，从而较大程度地减少了装置的体积和重量；本装置的启动模式具有低速大扭矩的特性，启动时的峰值电流明显低于传统模式，有利于进一步降低生产成本。

Description

一种小型发动机电启动及发电装置

技术领域

本实用新型涉及机械设计及制造技术领域，具体涉及一种小型发动机电启动及发电装置。

背景技术

现有的小型汽油发动机(包括摩托车发动机)使用的电启动及发电装置通常采用在飞轮壳体外圆周上安装齿轮圈，直流电机通过离合器带动齿轮圈使安装在曲轴上的飞轮转动，达到一定速度后发动机进入自行运转；在飞轮内侧安装有永磁体，对应的发动机箱体上安装有定子线圈，当发动机启动后且达到工作转速时发电给电瓶充电和输出直流电压。

使用现有的电启动和发电装置具有如下缺点：

1、体积和重量较大，成本高；

2、飞轮内侧安装的永磁体离发动机箱体很近且散热不好，在高温下容易退磁和性能下降，导致发电输出能力降低；

3、由于电启动时峰值电流大，因此要求启动电瓶容量大。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种小型发动机电启动及发电装置，该装置能够有效避免发动机高温导致永磁体性能下降的问题，并且该装置体积小、重量轻、成本低。

为实现以上目的，本实用新型采用如下技术方案：一种小型发动机电启动及发电装置，包括飞轮组件、定子线圈组件、点火线圈组件、发动机曲轴、启动开关以及电瓶；其中，

所述飞轮组件安装在所述发动机曲轴上，所述飞轮组件的转动能够带动发动机曲轴转动，所述飞轮组件包括飞轮壳体，在所述飞轮壳体的外侧圆周边上设置有永磁体，所述永磁体用于指示点火位置并提供点火能量，在所述飞轮壳体的内侧圆周边上均匀设有多对转子凸极；

所述定子线圈组件安装在发动机箱体上，所述定子线圈组件包括定子铁芯、定子线圈绕组、控制电路板和转子凸极位置传感器，所述定子铁芯与所述转子凸极成径向同心且轴向重合设置。

所述点火线圈组件安装在发动机箱体上，且所述点火线圈组件的安装位置与所述永磁体所在位置相邻对应，所述点火线圈组件包括定子线圈、点火电路、高压线圈及高压线，所述定子线圈和高压线圈均与所述点火电路电连接，所述高压线圈还通过所述高压线与发动机火花塞电连接。

优选地，所述小型发动机电启动及发电装置还包括飞轮挡风罩，所述飞轮挡风罩安装在发动机箱体上，所述飞轮组件、定子线圈组件、点火线圈组件、发动机曲轴和启动开关均被封闭在所述飞轮挡风罩内。

优选地，所述定子线圈绕组和转子凸极位置传感器分别与所述控制电路板电连接。

优选地，所述控制电路板包括一单片机，所述单片机具有至少3路输入接口、至少4路PWM输出接口和多通道AD转换接口，所述转子凸极位置传感器采集转子凸极的位置信息，并将该信息通过所述控制电路板传送给单片机，所述单片机根据该位置信息判断出发动机的运行阶段，并在正常运行模式(电启动阶段和发电阶段)时开启PWM。

优选地，在发动机电启动阶段，所述转子凸极位置传感器采集所述转子凸极的位置信息，并将该信息传送给所述控制电路板上的单片机，所述单片机根据收到的转子凸极位置信息来控制切换所述定子线圈绕组的电流，使所述飞轮组件连续地转动。

优选地，在发动机电启动阶段，所述飞轮组件连续地转动使得飞轮组件上的永磁体与所述点火线圈组件自带的定子线圈发生相对运动，切割磁力线而产生电流，并在所述点火电路的作用下使高压线圈产生高压，产生的高压通过所述高压线传送至火花塞放电，发动机气缸内的气体被点燃后做功推动活塞运动，完成发动机电启动过程。

优选地，在发动机发电阶段，所述单片机根据读取AD转换接口采样值来调整PWM1-PWM4输出占空比，并在不同时刻控制相应的定子线圈绕组通电，在发动机带动飞轮旋转的情况下，在转子凸极转动离开定子铁芯凸极时给该定子铁芯凸极所在相线圈绕组通电，并在转子凸极和定子铁芯凸极完全错开时停止通电，这将会产生阻转转矩，同时定子线圈绕组在停止通电后将产生大于通电电能的感应电能，所述定子线圈绕组将产生的感应电能通过所述控制电路板为电瓶充电和输出直流电压。

优选地，所述单片机根据转子凸极位置传感器所采集的信息来判断发动机的运行阶段，具体判断步骤为：

S1、所述小型发动机电启动及发电装置是否启动；

S2、当该装置启动后，所述转子凸极位置传感器所采集的信息传送至单片机的输入接口INA、INB、INC中，所述单片机读取输入接口INA、INB、INC的任意一个信号的周期来计算出实际转速，并将该实际转速与启动最高转速RPM1和发电最低转速RPM2相比较；

S3、当实际转速小于启动最高转速RPM1时，则此时发动机处于启动阶段；当实际转速大于发电最低转速RPM2时，则此时发动机处于发电阶段；当实际转速大于启动最高转速RPM1且小于发电最低转速RPM2时，则此时发动机处于等待阶段。

优选地，所述单片机在运行过程中，PWM中断处理步骤为：

S1、判断发动机的运行阶段；

S2、如果是启动阶段，所述单片机根据发动机实际转速查表获得PWM1-PWM4的占空比值，并根据读到的INA、INB、INC的电平信息来确定PWM1-PWM3一路有效输出，最后退出中断处理；

S3、如果是发电阶段，所述单片机将读取到的AD转换接口采样值AD-DC1，AD-DC2分别与DC1额定值和DC2额定值作比较，并根据比较结果来调整PWM1-PWM4输出占空比，具体步骤如下：

S31、如果采样值AD-DC1小于DC1额定值，将PWM1-PWM3输出占空比增大；

S32、如果采样值AD-DC1大于DC1额定值，将PWM1-PWM3输出占空比减小；

S33、如果采样值AD-DC2小于DC2额定值，将PWM4输出占空比增大；

S34、如果采样值AD-DC2大于DC2额定值，将PWM4输出占空比减小；

最后，所述单片机根据读到的INA、INB、INC的电平信息来确定PWM1-PWM3一路有效输出，并退出中断处理。

本实用新型采用以上技术方案，所述发动机电启动及发电装置包括飞轮组件、定子线圈组件、点火线圈组件、发动机曲轴、启动开关以及电瓶，所述飞轮组件安装在所述发动机曲轴上，所述飞轮组件的转动能够带动发动机曲轴转动，在所述飞轮壳体的外侧圆周边上设置有永磁体，在所述飞轮壳体的内侧圆周边上均匀设有多对转子凸极，本实用新型的飞轮壳体内侧不使用永磁体，避免了发动机高温导致的永磁体退磁和性能下降；不使用齿轮圈简化了飞轮的加工工序，与马达和齿轮圈启动模式相比，本实用新型同时具有电启动和发电功能，从而较大程度地减少了装置的体积和重量；本装置的启动模式具有低速大扭矩的特性，启动时的峰值电流明显低于传统模式，有利于进一步降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型发动机电启动及发电装置的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的电路示意图；

图3是本实用新型之定子线圈组件的正面结构示意图；

图4是本实用新型实施例电启动时A相对准转子凸极时的位置检测信号和顺时针旋转的线圈通电时序图；

图5是本实用新型实施例发电时A相对准转子凸极时的位置检测信号和顺时针旋转的线圈通电时序图；

图6是本实用新型实施例之单片机主循环控制流程图；

图7是本实用新型实施例PWM中断控制流程图。

图中：1、飞轮组件；2、定子线圈组件；3、点火线圈组件；4、发动机曲轴；5、启动开关；6、电瓶；7、飞轮壳体；8、永磁体；9、转子凸极；10、定子铁芯；11、定子线圈绕组；12、控制电路板；13、转子凸极位置传感器；14、飞轮挡风罩。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种小型发动机电启动及发电装置，包括飞轮组件1、定子线圈组件2、点火线圈组件3、发动机曲轴4、启动开关5以及电瓶6；其中，

所述飞轮组件1安装在所述发动机曲轴4上，所述飞轮组件1的转动能够带动发动机曲轴4转动，所述飞轮组件1包括飞轮壳体7，在所述飞轮壳体7的外侧圆周边上设置有永磁体8，所述永磁体8用于指示点火位置并提供点火能量，在所述飞轮壳体7的内侧圆周边上均匀设有多对转子凸极9；

所述定子线圈组件2安装在发动机箱体上，所述定子线圈组件2包括定子铁芯10、定子线圈绕组11、控制电路板12和转子凸极位置传感器13，所述定子铁芯10与所述转子凸极9成径向同心且轴向重合设置；

所述点火线圈组件3安装在发动机箱体上，且所述点火线圈组件3的安装位置与所述永磁体8所在位置相邻对应，所述点火线圈组件3包括定子线圈、点火电路、高压线圈及高压线，所述定子线圈和高压线圈均与所述点火电路电连接，所述高压线圈还通过所述高压线与发动机火花塞电连接。

进一步地，所述控制电路板12分别通过引线与所述电瓶6和启动开关5连接，所述启动开关5将控制电路板12上的两个端子短接来实现为控制电路板12供电，启动开关5接通时，控制电路板12开始工作，断开时控制电路板12停止工作。

需要补充的是，该装置还包括飞轮挡风罩14，所述飞轮挡风罩14安装在发动机箱体上，所述飞轮组件1、定子线圈组件2、点火线圈组件3、发动机曲轴4和启动开关5均被封闭在所述飞轮挡风罩14内。

可以理解的是，所述定子线圈绕组11和转子凸极位置传感器13分别与所述控制电路板12电连接。

作为本实用新型一种优选的实施例，该小型发动机电启动及发电装置为三相，每一相定子线圈绕组11对应一个转子凸极位置传感器13，该转子凸极位置传感器13为霍尔式位置传感器或者光电式位置传感器，配合转子凸极9上的小块片状永磁体或光电挡板获取转子凸极的位置信息；所述控制电路板12包括一型号为PIC16F1574单片机，所述单片机具有3路输入接口、4路PWM输出接口、10位多通道AD转换接口和一路START启动信号，启动信号设置为通电即启动，该单片机与外设电路的连接方式如附图2所示，其中，L-A、L-B、L-C为定子线圈的三相绕组，L1为高频扼流线圈，所述转子凸极位置传感器13采集转子凸极9的位置信息，并将该信息通过3路输入接口传送给单片机，单片机确定给定子线圈绕组11的某一相通电，使该相绕组的多个铁芯凸极产生磁场，磁场与临近的转子凸极9产生磁拉力促使飞轮转动，单片机根据转子凸极9的位置适时切换各绕组的电流，使飞轮组件1连续地转动。

如图3至图5所示，图中a、b、c分别为单片机输入接口INA、INB、INC读取到的转子凸极位置传感器13采集的电压信息，单片机根据电压信息能够确定在启动和发电时对PWM1-PWM3中的一路输出作为有效输出，使该相通电；A、B、C为每一相绕组是否通电的电压信息，该信息也代表PWM1-3是否有效。启动阶段转子凸极位置传感器13检测出此时转子凸极9与定子铁芯10凸极的相对位置，给正好处于非对准的定子铁芯10凸极所在相通电。在A相绕组定子铁芯10凸极对准转子凸极9时，b跳变为高电平，B相和C相绕组定子铁芯10凸极都可以通过通电使飞轮组件1旋转，所不同的是，B相通电为顺时针旋转，C相通电为逆时针旋转，由于本实施例中发动机需要顺时针运转，因而在A相对准时为B相通电，B相通电后产生的磁场拉力促使飞轮转动到转子凸极9对准B相定子铁芯10凸极，b变为低电平，B相通电停止。后续通电顺序如图4所示。

所述飞轮组件1连续地转动使得飞轮组件1上的永磁体8与所述点火线圈组件3自带的定子线圈发生相对运动，切割磁力线而产生电流，并在所述点火电路的作用下使高压线圈产生高压，产生的高压通过所述高压线传送至火花塞放电，发动机气缸内的气体被点燃后做功推动活塞运动，完成发动机电启动过程。

当发动机转速超过启动最高转速能够自行运转时，控制电路板12关闭驱动电流，等待发动机转速进一步提高。当达到发电模式的工作转速时，单片机根据转子凸极位置传感器13检测出此时转子凸极9与定子铁芯10凸极的相对位置，给正好处于对准的定子铁芯10凸极所在相通电，在A相绕组定子铁芯10凸极对准转子凸极9时，b跳变高电平，A相通电，发动机曲轴4带动飞轮旋转，达到B相绕组定子铁芯10凸极对准转子凸极9时，b变为低电平，A相停止通电。后续通电顺序如图5所示。

在发动机发电阶段，所述单片机根据读取AD转换接口采样值来调整PWM1-PWM4输出占空比，其中，调整PWM1、PWM2、PWM3能够分别控制A、B、C相电流，当该相通电时，电流大小受占空比PWM1、PWM2、PWM3的调节，PWM4控制降压电路使输出电压不超过电瓶6最高电压，在发电时提供稳压输出，避免电瓶6损坏。

如图6所示，所述单片机主循环控制流程图的具体执行步骤为：

S1、所述小型发动机电启动及发电装置是否启动；

S2、当该装置启动后，所述转子凸极位置传感器13所采集的信息传送至单片机的输入接口INA、INB、INC中，所述单片机读取输入接口INA、INB、INC的任意一个信号的周期来计算出实际转速，并将该实际转速与启动最高转速RPM1和发电最低转速RPM2相比较；

S3、当实际转速小于启动最高转速RPM1时，则此时发动机处于启动阶段，开启PWM；当实际转速大于发电最低转速RPM2时，则此时发动机处于发电阶段，开启PWM；当实际转速大于启动最高转速RPM1且小于发电最低转速RPM2时，则此时发动机处于等待阶段，关闭PWM。

如图7所示，所述单片机在运行过程中，PWM中断处理步骤为：

S1、判断出发动机的运行阶段；

S2、如果是启动阶段，所述单片机根据发动机实际转速查表获得PWM1-PWM4的占空比值，并根据读到的INA、INB、INC的电平信息来确定PWM1-PWM3一路有效输出，最后退出中断处理；

S3、如果是发电阶段，所述单片机将读取到的AD转换接口采样值AD-DC1，AD-DC2分别与DC1额定值和DC2额定值作比较，并根据比较结果来调整PWM1-PWM4输出占空比，具体步骤如下：

S31、如果采样值AD-DC1小于DC1额定值，将PWM1-PWM3输出占空比增大；

S32、如果采样值AD-DC1大于DC1额定值，将PWM1-PWM3输出占空比减小；

S33、如果采样值AD-DC2小于DC2额定值，将PWM4输出占空比增大；

S34、如果采样值AD-DC2大于DC2额定值，将PWM4输出占空比减小；

最后，所述单片机根据读到的INA、INB、INC的电平信息来确定PWM1-PWM3一路有效输出，并退出中断处理。

本实用新型的飞轮壳体7内侧不使用永磁体，避免了发动机高温导致的永磁体退磁和性能下降；所述定子线圈组件2包括定子线圈绕组11和控制电路板12，在控制电路板12的控制下使本实用新型同时具有电启动和发电功能，从而较大程度地减少了装置的体积和重量；本装置的启动模式具有低速大扭矩的特性，启动时的峰值电流明显低于传统模式，有利于进一步降低生产成本。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种小型发动机电启动及发电装置，其特征在于，包括飞轮组件、定子线圈组件、点火线圈组件、发动机曲轴、启动开关以及电瓶；其中，

所述飞轮组件安装在所述发动机曲轴上，所述飞轮组件的转动能够带动发动机曲轴转动，所述飞轮组件包括飞轮壳体，在所述飞轮壳体的外侧圆周边上设置有永磁体，所述永磁体用于指示点火位置并提供点火能量，在所述飞轮壳体的内侧圆周边上均匀设有多对转子凸极；

所述定子线圈组件安装在发动机箱体上，所述定子线圈组件包括定子铁芯、定子线圈绕组、控制电路板和转子凸极位置传感器，所述定子铁芯与所述转子凸极成径向同心且轴向重合设置。

2.根据权利要求1所述的小型发动机电启动及发电装置，其特征在于，所述定子线圈绕组和转子凸极位置传感器分别与所述控制电路板电连接。

3.根据权利要求2所述的小型发动机电启动及发电装置，其特征在于，所述控制电路板包括一单片机，所述单片机具有至少3路输入接口、至少4路PWM输出接口和多通道AD转换接口，所述转子凸极位置传感器采集转子凸极的位置信息，并将该信息通过所述控制电路板传送给单片机，所述单片机根据该位置信息判断出发动机的运行阶段，并在正常运行模式时开启PWM。

4.根据权利要求3所述的小型发动机电启动及发电装置，其特征在于，在发动机电启动阶段，所述转子凸极位置传感器采集所述转子凸极的位置信息，并将该信息传送给所述控制电路板上的单片机，所述单片机根据收到的转子凸极位置信息来控制切换所述定子线圈绕组的电流，使所述飞轮组件连续地转动。

5.根据权利要求3所述的小型发动机电启动及发电装置，其特征在于，在发动机发电阶段，所述单片机根据读取AD转换接口采样值来调整PWM1-PWM4输出占空比，并在不同时刻控制相应的定子线圈绕组通电，所述定子线圈绕组将产生的感应电能通过所述控制电路板为电瓶充电和输出直流电压。

6.根据权利要求3所述的小型发动机电启动及发电装置，其特征在于，所述转子凸极位置传感器为霍尔式位置传感器或者光电式位置传感器。

7.根据权利要求3所述的小型发动机电启动及发电装置，其特征在于，所述单片机的型号为PIC16F1574。