發動機和電動發電機的混合動力系統的製作方法

2023-12-10 22:23:47 2

發動機和電動發電機的混合動力系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種發動機和電動發電機的混合動力系統，其對應於與一對旋轉軸部分別連接的被驅動設備、驅動設備而獲得最佳運轉狀態。混合動力系統構成為，具有：發動機，其設置曲軸的輸出軸部，並且設置曲軸的電動發電機連接軸部，輸出軸部能夠與外部的被驅動設備連接；電動發電機，其將定子以及電動發電機連接軸部連結，具有轉子；外部設備連接軸部，其與轉子連接；離合器單元，其設置在電動發電機連接軸部和轉子之間；蓄電單元，其儲存通過電動發電機產生的電力，並且將電力供給至電動發電機；以及控制單元，其切換為將電動發電機作為發電機進行運轉的充電功能、和作為發動機進行運轉的電動機功能，並且對離合器單元的連接或切斷進行切換。
【專利說明】發動機和電動發電機的混合動力系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種發動機和電動發電機的混合動力系統，特別涉及對應於與一對旋 轉軸部分別連接的被驅動設備、驅動設備而獲得最佳運轉狀態的技術。

【背景技術】
[0002] 例如，作為汽車的行駛用動力源，已知一種組合有發動機和電動發電機而成的混 合動力系統的結構。
[0003] 上述的混合動力系統，例如在減速時，利用通過電動發電機再生發電的電力，對電 池進行充電，在加速時等將該電力用於驅動等，從而抑制車輛的燃料消耗。
[0004] 作為與上述的發動機-電氣混合動力車輛相關的現有技術，例如在專利文獻1中 記載有：將發動機、電動機、變速器依次連結，並且，在發動機和電動機之間、以及電動機和 變速器之間分別設置離合器。
[0005] 另外，在專利文獻2中記載有：將發動機、傳動裝置、電動機依次連結，並且，在傳 動裝置的內部設置單向超越離合器，該單向超越離合器用於即使在發動機處於停止狀態下 也能夠進行電動機行駛。
[0006] 專利文獻1 :日本實開昭58-9820號公報 [0007] 專利文獻2 :日本特開平5-305822號公報


【發明內容】

[0008] 在上述的現有技術中，混合動力系統原則上是專用於車輛行駛的動力單元，經由 動力傳遞裝置驅動車輪，或者，僅具有通過來自車輪的驅動而進行再生發電的功能，沒有假 定例如驅動多個被驅動設備這樣的利用方法。
[0009] 另一方面，期望發動機和電動發電機的混合動力系統不限於車輛而廣泛地應用於 工業等而具有通用性，能夠更高效地驅動由現有通用發動機進行驅動的多個被驅動設備。 [0010] 另外，也期望利用上述的混合動力系統，通過所搭載的發動機以外的外部動力進 行發電利用。
[0011] 本發明的課題在於提供一種對應於與一對旋轉軸部分別連接的被驅動設備、驅動 設備而獲得最佳運轉狀態的發動機和電動發電機的混合動力系統。
[0012] 本發明通過如下所述的解決方法，解決上述課題。
[0013] 技術方案1所涉及的發明為發動機和電動發電機的混合動力系統,其具有：發動 機，其在曲軸箱的一側端部設置曲軸的輸出軸部，並且，在另一側端部設置所述曲軸的電動 發電機連接軸部，所述輸出軸部能夠與外部的被驅動設備連接；電動發電機，其具有相對於 所述曲軸箱固定的定子、以及與所述電動發電機連接軸部連結而相對於所述定子旋轉的轉 子；外部設備連接軸部，其與所述轉子連接，設置在所述電動發電機的與所述發動機側相反 一側的端部，能夠與外部的被驅動設備或驅動設備連接；離合器單元，其設置在所述發動機 的所述電動發電機連接軸部和所述轉子之間；蓄電單元，其儲存通過所述電動發電機產生 的電力，並且將儲存的電力供給至所述電動發電機；以及控制單元，其對將所述電動發電機 作為發電機進行運轉的發電模式、和作為電動機進行運轉的電動機模式進行切換，並且，對 所述離合器單元的連接或切斷進行切換。
[0014] 由此，通過對電動發電機的作為發電機的功能和作為電動機的功能進行切換，並 且對離合器單元的連接、切斷進行切換，從而能夠對應於與曲軸的輸出軸部及電動發電機 的外部設備連接軸部分別連接的設備的種類，設定最佳運轉狀態。
[0015] 技術方案2所涉及的發明是技術方案1所記載的發動機和電動發電機的混合動力 系統，其特徵在於，所述電動發電機是軸向間隙型的電動發電機，所述轉子形成為圓盤狀， 並且所述定子與所述轉子在軸向上相對地配置。
[0016] 由此，能夠縮短電動發電機的軸向尺寸，縮短混合動力系統的全長，提高向設備的 搭載性。
[0017] 技術方案3所涉及的發明是技術方案1或者技術方案2所記載的發動機和電動發 電機的混合動力，其特徵在於，所述控制單元執行起動運轉模式，在該起動運轉模式中，將 所述離合器單元連接，並且將所述電動發電機作為電動機進行運轉，將所述發動機起動。
[0018] 由此，相對於人工利用反衝起動裝置等進行發動機的起動的情況，實現省力化，另 夕卜，不必設置起動專用的起動電動機，因此能夠簡化結構。
[0019] 技術方案4所涉及的發明，是技術方案1至技術方案3中任一項所記載的發動機 和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於，所述控制單元執行發電運轉模式，在該發電運 轉模式中，將所述離合器單元連接，並且，將所述電動發電機作為發電機進行運轉，通過所 述發動機的輸出進行發電。
[0020] 由此，能夠與普通的發動機驅動發電機相同地利用混合動力系統。
[0021] 技術方案5所涉及的發明，是技術方案4所記載的發動機和電動發電機的混合動 力系統，其特徵在於，在所述發電運轉模式中，對與所述曲軸的所述輸出軸部連接的被驅動 設備進行驅動。
[0022] 由此，能夠將發動機輸出中的用於發電以外的剩餘輸出，用於外部的被驅動設備 的驅動，能夠提1?便利性。
[0023] 技術方案6所涉及的發明，是技術方案1至技術方案5中任一項所記載的發動機 和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於，所述控制單元執行電動機輔助運轉模式，在該 電動機輔助運轉模式中，將所述離合器單元連接，並且將所述電動發電機作為發動機進行 運轉，對所述發動機的輸出進行輔助。
[0024] 由此，能夠在外部的被驅動設備暫時需要大輸出的情況下進行應對而不增大發動 機的排氣量等。
[0025] 另外，在所需的輸出同等的情況下，能夠實現發動機的小排氣量化、低轉速化等， 能夠降低燃料消耗。
[0026] 技術方案7所涉及的發明，是技術方案1至技術方案6中任一項所記載的發動機 和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於，所述控制單元執行電動機驅動運轉模式，在該 電動機驅動運轉模式中，將所述離合器單元切斷，並且所述電動發電機作為電動機進行運 轉，僅通過電動機，對與所述外部設備連接軸部連接的被驅動設備進行驅動。
[0027] 由此，在能夠僅利用電動機輸出進行被驅動設備的驅動的情況下，可以不起動發 動機而進行運轉，能夠提高靜音性等。
[0028] 另外，由於能夠對電動發電機進行正轉、逆轉的切換，因此，例如如在作為車輛的 行駛用動力而利用的情況下進行後退時這種要求臨時反轉的情況下，不必設置反轉用的齒 輪列等機構，能夠簡化裝置的結構。
[0029] 技術方案8所涉及的發明，是技術方案1至技術方案7中任一項所記載的發動機 和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於，所述控制單元執行被驅動發電模式，在該被驅 動發電模式中，將所述離合器單元切斷，並且所述電動發電機作為發電機進行運轉，通過來 自與所述外部設備連接軸部連接的驅動設備的輸入，進行發電。
[0030] 由此，能夠通過來自外部的驅動而進行發電，此時由於不必使發動機空轉，因此能 夠降低摩擦，提高發電效率。
[0031] 技術方案9所涉及的發明，是技術方案1至技術方案8中任一項所記載的發動機 和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於，所述控制單元執行同時輔助發電模式，在該同 時輔助發電模式中，將所述離合器單元連接，並且所述電動發電機的所述定子的一部分的 線圈以及所述轉子作為發電機進行運轉，所述定子的其他部分的線圈及所述轉子作為電動 機進行運轉。
[0032] 由此，能夠同時地進行發電和電動機輔助，以大輸出驅動外部設備，並且也能夠作 為AC電源進行利用。
[0033] 發明的效果
[0034] 如以上說明所示，根據本發明，能夠提供一種對應於與一對旋轉軸部分別連接的 被驅動設備、驅動設備而獲得最佳運轉狀態的發動機和電動發電機的混合動力系統。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035] 圖1是表示使用了本發明的發動機和電動發電機的混合動力系統的實施例的結 構的示意圖。
[0036] 標號的說明
[0037] 1混合動力系統
[0038] 100發動機 110輸出軸部
[0039] 200電動發電機 210旋轉軸部
[0040] 220轉子 230第1定子
[0041] 240第2定子 250電磁離合器
[0042] 310 電池 320 AC-DC 變換器
[0043] 330逆變器 340離合器繼電器
[0044] 350控制裝置

【具體實施方式】
[0045] 本發明的課題為，提供一種對應於與一對旋轉軸部分別連接的被驅動設備、驅動 設備而獲得最佳運行狀態的發動機和電動發電機的混合動力系統，該課題通過下述方法而 解決：在發動機及電動發電機的轉子上分別設置輸出軸，在發動機和電動發電機之間設置 電磁離合器，並且設置控制裝置，該控制裝置對將電動發電機作為發電機利用的情況和作 為電動機利用的情況進行切換，且對電磁離合器的連接、切斷進行切換。
[0046] 【實施例】
[0047] 下面，針對使用了本發明的發動機和電動發電機的混合動力系統的實施例進行說 明。
[0048] 圖1是表示實施例的發動機和電動發電機的混合動力系統的結構的示意圖。
[0049] 在圖1中，實線箭頭表示電力的流向，虛線箭頭表示控制信號的流向。
[0050] 混合動力系統1構成為，具有發動機100、電動發電機200、電池310、AC-DC變換器 320、逆變器330、離合器繼電器340、控制裝置350等。
[0051] 發動機100例如是在工業等中使用的通用發動機，例如是4衝程單氣缸0HC的汽 油發動機。
[0052] 發動機100具有曲軸箱，其收容作為輸出軸的曲軸的主要部分。
[0053] 作為曲軸的一側端部的輸出軸部110,從曲軸箱的與電動發電機200相反一側的 端部凸出而設置。
[0054] 在輸出軸部110上連接由發動機100驅動的外部的被驅動設備(第1組設備)。輸 出軸部110具有被優化或規格化的形狀，以使得可以與外部的被驅動設備連接而可傳遞輸 出。作為外部的被驅動設備，可以舉出工業設備、農業設備、建設機械，例如具體地說，可以 舉出外設的發電機、泵、車輛的行駛裝置、油壓裝置、壓縮機、割草機、高壓清洗機、除雪機、 平板車、混凝土切割機等。
[0055] 曲軸的另一側端部（電動發電機連接軸部)與電動發電機200的電磁離合器250連 接。
[0056] 電動發電機200是可以由外部進行驅動並發電的發電機、以及被供給電力而產生 驅動力的作為AC電動機而利用的旋轉電機。
[0057] 電動發電機200構成為，具有旋轉軸部210、轉子220、第1定子230、第2定子240、 電磁離合器250等。
[0058] 旋轉軸部210與發動機100的曲軸同心地配置。
[0059] 旋轉軸部210的一側端部經由電磁離合器250與曲軸連接。
[0060] 旋轉軸部210的另一側端部從電動發電機200的與發動機100側相反一側的端部 凸出，該部分作為與外部設備(第2組設備）連接的外部設備連接軸部起作用。外部設備可 以是被驅動設備，也可以是驅動設備。旋轉軸部210具有被優化或規格化的形狀，以可以與 外部設備連接並傳遞輸出/輸入。作為外部的驅動設備，例如可以使用水車、風車、外部發 動機和電動機等原動機等。
[0061] 轉子220固定在旋轉軸部210上，是向外徑側以凸緣狀伸出而形成的圓盤狀的部 件。
[0062] 轉子220由強磁性體形成，按照規定的圖案實施N-S充磁。
[0063] 第1定子230與轉子220的發動機100側的面部隔著規定的間隔相對地配置。
[0064] 第1定子230,將在鐵芯上卷繞繞組而成的多個線圈沿周向排列而構成。
[0065] 第2定子240與轉子220的發動機100側相反一側的面部隔著規定的間隔相對地 配置。
[0066] 第2定子240,將在鐵芯上卷繞而成繞組的多個線圈沿周向排列而構成。
[0067] 第1定子230、第2定子240固定在固定於發動機100的曲軸箱上的定子殼體上， 從而相對於曲軸箱固定。
[0068] 電磁離合器250對發動機100的曲軸和旋轉軸部210之間的連接或切斷進行切 換。
[0069] 電磁離合器250具有通過從離合器繼電器340供給電力，從而產生磁通的線圈，利 用其電磁力，對安裝在強磁性體上的摩擦部件進行吸引並壓接，成為可以傳遞動力的連接 狀態。另外，如果將向線圈供給的電力切斷，則摩擦部件通過復位彈簧等預緊單元而離開， 成為動力傳遞被切斷的切斷狀態。
[0070] 電池310通過電動發電機200發出的電力被充電(蓄電)，並且，在電動發電機200 作為電動機進行運轉時，供給驅動用的電力。
[0071] 電池 310例如是鋰離子電池、鎳氫電池等2次電池。
[0072] AC-DC變換器320在電動發電機200作為發電機使用時，將第1定子230、第2定 子240所產生的交流電力變換為直流並供給至電池310。
[0073] 逆變器320在將電動發電機200作為AC電動機進行驅動時，將從電池310供給的 直流變換為交流，供給至第1定子230、第2定子240的線圈。
[0074] 離合器繼電器340是對電磁離合器250的通電（離合器連接)、非通電(離合器切 斷）進行切換的繼電器。
[0075] 控制裝置350統一地控制AC-DC變換器320、逆變器330、離合器繼電器340，執行 以下說明的各種運轉模式。
[0076] 下面，對各運轉模式進行說明。
[0077] 〈起動運轉模式〉
[0078] 控制裝置350通過將電磁離合器250連接，並且將電動發電機200作為電動機進 行運轉，從而進行發動機100的起動。
[0079] 該起動運轉模式通過用戶操作未圖示的發動機起動操作部(例如起動按鈕等）而 開始，在發動機起動後，通過結束髮動機起動操作部的操作而結束。
[0080] 另外，也可以例如根據曲軸的旋轉速度等，對發動機100的完全爆燃(起動結束)進 行檢測，自動地結束起動運轉模式。
[0081] 根據該起動運轉模式，相對於人工利用反衝起動裝置等進行發動機100的起動的 情況，實現省力化，另外，由於不必為了起動專用而設置起動電動機，因此能夠簡化結構。另 夕卜，由於起動時不發生齒輪嚙合音等噪音，因此能夠實現靜音起動。
[0082] 〈發電運轉模式〉
[0083] 控制裝置350在發動機100的運轉中，通過將電磁離合器250連接，並且將電動發 電機200作為發電機進行運轉，從而進行發電。
[0084] 由此，能夠將混合動力系統1與普通的發動機驅動發電機相同地利用。
[0085] 此時，能夠同時進行與發動機100的輸出軸部110連接的外部的被驅動設備的驅 動。
[0086] 根據該發電運轉模式，能夠將發動機輸出中的用於發電以外的剩餘輸出，用於外 部的被驅動設備的驅動，能夠提高便利性。
[0087] 〈電動機輔助運轉模式〉
[0088] 控制裝置350,通過在發動機100的運轉中將電磁離合器250連接，並且將電動發 電機200作為電動機進行運轉，從而對通過發動機100的輸出實現的外部的被驅動設備的 驅動進行輔助。
[0089] 根據該發動機輔助運轉模式，能夠在外部的被驅動設備暫時需要大輸出的情況 下，不增大發動機的排氣量等而進行應對。
[0090] 另外，在所需的輸出相同的情況下，能夠實現發動機的小排氣量化、低轉速化等， 能夠降低燃料消耗。
[0091] 〈電動機驅動運轉模式〉
[0092] 控制裝置350,通過在發動機100的停止中將電磁離合器250切斷，並且將電動發 電機200作為電動機進行運轉，從而僅通過電動發電機200的輸出，進行與旋轉軸部210連 接的外部的被驅動設備的驅動。
[0093] 根據該電動機驅動運轉模式，在能夠僅利用電動發電機200的輸出進行被驅動設 備的驅動的情況下，能夠不起動發動機100而進行運轉，能夠提高靜音性等。
[0094] 另外，電動發電機200能夠進行正轉、反轉的切換，因此例如在作為車輛的行駛用 動力而利用的情況下進行後退時這種暫時要求反轉的情況下，不必設置反轉用的齒輪列等 機構，能夠簡化裝置的結構。
[0095] 另外，上述的電動機驅動運轉模式也可以在發動機100的運轉中執行。
[0096] 在該情況下，發動機100能夠與電動發電機200獨立地驅動其他的被驅動設備。 [0097]〈被驅動發電模式〉
[0098] 控制裝置350通過在發動機100的停止中將電磁離合器250切斷，並且將電動發 電機200作為發電機進行運轉，從而通過與旋轉軸部210連接的外部的驅動設備的動力進 行發電。
[0099] 作為外部的驅動設備，例如可以利用水車、風車、外部的發動機和電動機等原動機 等。另外，在搭載在車輛上的情況下，也能夠進行再生發電。
[0100] 根據該被驅動發電模式，能夠通過來自外部的驅動而進行發電，此時不必使發動 機空轉，因此能夠降低摩擦，提高發電效率。
[0101] 另外，上述的電動機驅動運轉模式也可以在發動機1〇〇的運轉中執行。
[0102] 在該情況下，發動機100能夠與電動發電機200獨立地驅動其他的被驅動設備。
[0103] 〈同時輔助發電模式〉
[0104] 控制裝置350通過在發動機100的運轉中將電磁離合器250連接，並且將電動發 電機200的一部分的定子線圈作為發電機而利用，將其他部分的定子線圈作為電動機而利 用，從而能夠利用發動機100的輸出以及電動發電機200的作為電動機的輸出，對外部的被 驅動設備進行驅動，並且進行發電。
[0105] 例如，能夠將轉子220及第1定子230作為發電機進行利用，將轉子220及第2定 子240作為電動機進行利用。
[0106] 根據該同時輔助發電模式，能夠同時進行發電和電動機輔助，能夠以大輸出驅動 外部設備，並且也可以作為AC電源進行利用。
[0107] 如以上說明所示，根據本實施例，通過對電動發電機200的作為發電機的功能和 作為電動機的功能進行切換，並且，對電磁離合器250的連接、切斷進行切換，從而能夠對 應於與發動機100的輸出軸部110及電動發電機200的旋轉軸部210分別連接的設備的種 類，設定最佳運行狀態。
[0108] 另外，通過使電動發電機200為軸向間隙型，從而能夠縮短電動發電機200的軸向 尺寸，將混合動力系統1的全長縮短，提高向設備的搭載性。
[0109] (變形例）
[0110] 本發明不限於以上說明的實施例，能夠進行各種變形和變更，他們均包含在本發 明的技術範圍內。
[0111] 發動機和電動發電機的混合動力系統的結構不限於上述的實施例，能夠適當地進 行變更。
[0112] 例如，在實施例中是作為蓄電單元而利用二次電池的結構，但也可以取代二次電 池，例如利用電容器等其他蓄電單元。另外，2次電池的種類也並不特別地限定。
[0113] 另外，外部的驅動設備、被驅動設備也並不特別地限定。
【權利要求】
1. 一種發動機和電動發電機的混合動力系統，其具有： 發動機，其在曲軸箱的一側端部設置曲軸的輸出軸部，並且，在另一側端部設置所述曲 軸的電動發電機連接軸部，所述輸出軸部能夠與外部的被驅動設備連接； 電動發電機，其具有相對於所述曲軸箱固定的定子、以及與所述電動發電機連接軸部 連結而相對於所述定子旋轉的轉子； 外部設備連接軸部，其與所述轉子連接，設置在所述電動發電機的與所述發動機側相 反一側的端部，能夠與外部的被驅動設備或驅動設備連接； 離合器單元，其設置在所述發動機的所述電動發電機連接軸部和所述轉子之間； 蓄電單元，其儲存通過所述電動發電機產生的電力，並且將儲存的電力供給至所述電 動發電機；以及 控制單元，其對將所述電動發電機作為發電機進行運轉的發電模式、和作為電動機進 行運轉的電動機模式進行切換，並且，對所述離合器單元的連接或切斷進行切換。
2. 根據權利要求1所述的發動機和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於， 所述電動發電機是軸向間隙型的電動發電機，所述轉子形成為圓盤狀，並且所述定子 與所述轉子在軸向上相對地配置。
3. 根據權利要求1或2所述的發動機和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於， 所述控制單元執行起動運轉模式，在該起動運轉模式中，將所述離合器單元連接，並且 將所述電動發電機作為電動機進行運轉，將所述發動機起動。
4. 根據權利要求1或2所述的發動機和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於， 所述控制單元執行發電運轉模式，在該發電運轉模式中，將所述離合器單元連接，並 且，將所述電動發電機作為發電機進行運轉，通過所述發動機的輸出進行發電。
5. 根據權利要求4所述的發動機和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於， 在所述發電運轉模式中，對與所述曲軸的所述輸出軸部連接的被驅動設備進行驅動。
6. 根據權利要求1或2所述的發動機和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於， 所述控制單元執行電動機輔助運轉模式，在該電動機輔助運轉模式中，將所述離合器 單元連接，並且將所述電動發電機作為電動機進行運轉，對所述發動機的輸出進行輔助。
7. 根據權利要求1或2所述的發動機和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於， 所述控制單元執行電動機驅動運轉模式，在該電動機驅動運轉模式中，將所述離合器 單元切斷，並且將所述電動發電機作為電動機進行運轉，僅通過電動機對與所述外部設備 連接軸部連接的被驅動設備進行驅動。
8. 根據權利要求1或2所述的發動機和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於， 所述控制單元執行被驅動發電模式，在該被驅動發電模式中，將所述離合器單元切斷， 並且將所述電動發電機作為發電機進行運轉，通過來自與所述外部設備連接軸部連接的驅 動設備的輸入，進行發電。
9. 根據權利要求1或2所述的發動機和電動發電機的混合動力系統，其特徵在於， 所述控制單元執行同時輔助發電模式，在該同時輔助發電模式中，將所述離合器單元 連接，並且將所述電動發電機的所述定子的一部分的線圈以及所述轉子作為發電機進行運 轉，將所述定子的其他部分的線圈及所述轉子作為電動機進行運轉。
【文檔編號】F02B63/04GK104057812SQ201410105575
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年3月20日 優先權日:2013年3月21日
【發明者】古屋彰, 柿崎敬一, 廣田健太郎, 田島茂樹, 窪田陽介 申請人:富士重工業株式會社