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    • 专利摘要:
    一種電磁變速馬達，係包含具有複數個永磁結構的轉子、與該轉子同軸設置並具有定子齒及定子槽的定子、以及與該轉子及該定子同軸設置並位於該轉子及該定子間的變速模組，其中，該變速模組的極數係不大於該定子槽的槽數。藉此，電磁變速馬達的定子和變速模組即可完全整合，亦可使變速模組的間隙完全吻合於定子的定子槽。而本案的結構設計不但能簡化元件數量，亦能強化結構，進而有效降低製造廠商整體的成本。
    公开号:TW201301717A
    申请号:TW101105765
    申请日:2012-02-22
    公开日:2013-01-01
    发明作者:Ming-Tsan Peng；Flack Tim
    申请人:Ind Tech Res Inst；
    IPC主号:H02K51-00
    专利说明:
    電磁變速馬達
    本案係關於一種電磁變速馬達，尤指一種令變速模組的極數不大於定子槽的槽數的電磁變速馬達。
    所謂的電磁變速馬達係利用馬達氣隙間磁場的調變來産生轉子的變速效果，而變速模組係用以提供磁場調變的功效。
    參照第1圖所繪示的電磁變速馬達1，即可清楚瞭解到習知的電磁變速馬達的設計。如第1圖所示，電磁變速馬達1係包括轉子10、變速模組11、定子12、及繞組13，其中，轉子10係具有永磁結構100，定子12係形成定子齒120及定子槽121，而定子12和變速模組11係為分離設置的固定形式。隨著不同的需求，定子12和變速模組11也可設計成一體成型的形式。
    然而，由第1圖繪示的結構示意圖可知，變速模組11和定子12的定子齒120並不能在幾何形狀上契合，故變速模組11的氣隙和定子槽121會隨著設置角度的變化產生不同的間隔距離和錯開情形，而這即產生了定子漏感的缺失，同時一併影響到電磁變速馬達整體的功率和力矩輸出。另外，即便在將定子12和變速模組11設計為一體成型的型態中，也因為變速模組11和定子12無法於幾何形狀上契合的緣故存在著製造不易的問題，亦會伴隨著結構較脆弱，與不易將繞組13置入定子槽121中的製程困擾。
    是以，如何提供一種能具有於幾何形狀上完全契合的變速模組和定子的電磁變速馬達設計，遂為目前業界亟待解決的課題。
    鑒於習知技術的缺失，本案的主要目的係在於提供一種能讓變速模組和定子於幾何形狀上完全契合的電磁變速馬達。
    為了達到上述目的及其他目的，本案係提供一種電磁變速馬達，係包含：轉子，係具有複數個永磁結構；定子，係與該轉子同軸設置，並具有定子齒及定子槽；以及變速模組，係與該轉子及定子同軸設置，並位於該轉子及該定子間，其中，該變速模組的極數係小於或等於該定子槽的槽數，且該定子的磁對數與該轉子的磁對數的比例，係為1：n或n：1，而n係大於1。
    於本案的一具體實施型態中，變速模組及定子係符合“2(m)(npb)=|GR±1|”的設計公式。其中，m係為相數，npb係為每個相位區中之槽數(number of slots per phase band)，GR為變速比，變速比等於轉子的極數除以定子的極數，p1、p2係各為轉子和定子的極對數。
    其次，本發明還提供一種電磁變速馬達，係包含轉子、定子、以及變速模組，其中，該轉子係具有永磁結構；該定子係與該轉子同軸設置，並具有定子齒及定子槽；該變速模組係與該轉子及該定子同軸設置，並位於該轉子及該定子間，其中，該變速模組之數量係為該變速模組之周期群組之整數倍。
    於一實例例中，該變速模組之周期群組係為該轉子之極對數加/減該定子之極對數之絕對值。
    於另一實例例中，該變速模組之數量係為該轉子之極對數加/減該定子之極對數之絕對值。
    相較於習知技術，由於本案提供的電磁變速馬達係具有結構相等的變速模組與定子槽(定子齒)，所以不但能將變速模組的設置位置完全對齊於定子齒的設置位置，也能進一步將變速模組整合於定子齒上，藉此達成幾何形狀上的完全契合，有效地避免定子漏感、結構強度不足、及組裝不易等困擾。
    以下係藉由特定的具體實施型態說明本案之實施方式，熟悉此技術之人士，係可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本案之其他優點與功效。而本案亦可藉由其他不同的具體實施型態加以施行或應用。
    第2A、2B及2C圖所繪示的結構示意圖，係用以提供本案的電磁變速馬達的具體架構。如圖所示，電磁變速馬達2係包括轉子20、變速模組21、以及定子22。
    轉子20係具有複數個永磁結構200。定子22係與轉子20同軸設置，並具有定子齒220及定子槽221。變速模組21係與轉子20及定子22同軸設置，並位於轉子20及定子22間。而本案主要的技術重點，係在於將變速模組21的極數設計為小於或等於定子槽221的槽數。
    於將變速模組21的極數設計為等於定子槽221的槽數的實施態樣，可參照本案繪示的第2A及2B圖，而於此態樣中，由於定子槽221的槽數與定子齒220的齒數係為相同，故定子齒220的齒數也會與變速模組21的極數相同。而第2C圖所示的實施態樣，即在於說明可選擇性地將變速模組21的極數設計為小於定子槽221的槽數的形式，具體來說，第2C圖繪示的變速模組21的極數係只有第2A、2B圖所示的一半，同時，於第2C圖中變速模組21係選擇以間隔分配的態樣來將變速模組21整合於定子齒220，當然，第2C圖中變速模組21亦可選擇以具有間隙的形式對齊於定子齒220上。
    具體來說，電磁變速馬達2係可設計為軸向磁通式馬達、徑向磁通式馬達或線性馬達而用BLDC、BLAC或和永磁同步馬達類似的驅動方法驅動，並得反之將機械能轉成電能而應用為發電機，而變速模組21與定子22也可設計為一體成型或分離設置者。於第2A圖所示的分離設置的情形，變速模組21與定子22之間係可形成有氣隙。當然，變速模組21與定子22也可設計為一體成型者，即如第2B圖所示將變速模組21與定子22間的氣隙消除，同時將變速模組21整合於定子22上。而當變速模組21與定子22間的氣隙被消除時，繞組(未圖示)也可從定子齒220向上纏繞到變速模組21，進而提昇整體功率。當然，繞組係可藉由單層(single-layer)或多層(multi-layer)的方式予以設置。
    再者，定子22的定子齒220的弧度，係可設計為等同於轉子20的永磁結構200的弧度，當然，定子齒220的弧度也可視轉子20上的永磁結構200的極數而定，例如於定子齒220弧度比例較大的情形中，因為轉子20上的永磁結構200所産生正、反磁極可相互抵消，所以可減少定子22上磁飽合的現象，進而增加扭力密度。另，定子22的磁對數相對於轉子20的磁對數的比例，係可設計為1：n或n：1，而n係大於1。實際實施時，本案較常以n>2，或n<2但接近2來進行設計，亦即n不會接近1。
    其次，在本案的設計中，變速模組21及定子22係可符合“2(m)(npb)=∣GR±1∣”的設計公式，其中，m係為定子22的相數，npb係為定子22每個相位區中之槽數，GR係為變速比，變速比等於轉子20的極對數除以定子22的極對數，p1、p2係各為轉子20和定子22的極對數，而由於轉子20或定子22的極對數為轉子20或定子22的極數除以2，故變速比也可等於轉子20的極數除以定子22的極數。
    於一實施型態中，當變速比為GR，轉子極對數為p1，定子極對數為p2時，可得到GR=p1/p2。假設變速模組有N極，電磁變速馬達中N=∣p1±p2∣。再假設定子22之定子槽221的數量為Ns，相數為m，定子22之極對數為p2，且每個相位區中有npb個定子槽221，則可得到Ns=2(m)(npb)(p2)。為了讓變速模組21的極數和定子槽221的數量相同，如第2A、2B圖所示，即可令N=∣p1±p2∣=2(m)(npb)(p2)=Ns。在代入GR=p1/p2後，遂可歸納出本案的第一個設計公式“2(m)(npb)(p)=∣GR±1∣”。
    套用此設計公式後，於變速比(GR)=5，定子的極對數(p2)=4，轉子的極對數(p1)=20，變速模組之極數(N)=24的情形中，一個具有完整節距(fully-pitched)的八極三相馬達，即可形成24個定子槽，因此，定子22和變速模組21係可於幾何結構上完全地對齊與整合。當然，於一個不同的實施例中p1除了可以大於p2，p1也可以小於p2。
    再一併連同第2A、2B、2C圖來參閱第3圖所繪示的放大示意圖進而瞭解前述的變速模組21的其它設計型態。如圖所示，變速模組21係可包括能直接固定於定子齒220上的固定元件210，及相對於該固定元件210能位移自如的可動元件211，亦即變速模組21可由固定元件210及可動元件211所組成，藉此提供較佳的使用彈性。當然，變速模組21也可設計成具有多個可動元件211。例如，變速模組21的極數可以變成二倍，即變成2N，再配合定子極對數的變化(由p1變成p1’)，以符合電磁變速馬達|p1’±p2|=2N的公式，可以進而造成變速比由p2/p1變成p2/p1’的效果。
    以下茲將第2A、2B、2C圖併同第4圖所繪示的放大示意圖，以說明前述的定子22的其它設計型態。由圖示可知，在一般的情形下，定子齒220的弧度係可等於定子槽221的弧度，但為了提供不同的實施特性，定子齒220的弧度也可設計為大於定子槽221的弧度。
    再者，本案提供的電磁變速馬達亦可不使用前述的設計公式來進行設計。
    參照第5A、5B圖所繪示的電磁變速馬達5，轉子50係具有複數個永磁結構，定子52係與轉子50同軸設置，並具有9個定子齒520及定子槽521，變速模組51係與轉子50及定子52同軸設置，並設置於轉子50及定子52間，且具有相同於定子槽521的槽數的極數。而定子52與變速模組51係可設計為分離設置(如第5A圖)或一體成型(如第5B圖)的實施型態。
    而電磁變速馬達5的繞組(未圖示)的繞線方式可參照第5C圖所揭示的繞線表，亦即，將第5A、5B中標示的定子槽521的編號，搭配第5C圖的教示，即可將設置於定子上的繞組(未圖示)形成雙層繞組，而定子52一樣可達到8極，也就是極對數p2=4。另外，因電磁變速馬達5的變速模組51共有26極，而轉子50極對數可為13，故，可達到13/4的變速比。
    另外亦請參照第6A至6C圖，以瞭解本案的電磁變速馬達還可符合“|(R/2)±P1|=Ns”之設計公式。需先提出說明的是，此設計公式得應用在將LRK(Lucas,Retzbach and Khfuss)馬達的定子及其繞組的繞線方式，應用為本案的電磁變速馬達的定子時，其中，R為LRK馬達的轉子(磁)極數，Ns為LRK馬達的定子的繞線臂數量(即定子槽的槽數)，而P1為本案的電磁變速馬達的轉子之極對數。當然，繞組(未圖示)的繞線方式除了可用LRK(Lucas,Retzbach and Khfuss)馬達的繞線方式外，也可用D-LRK(distributed LRK)馬達的繞線方式，以形成分段相位驅動(Split phase)馬達。
    具體來說，本案的電磁變速馬達6也包括具有複數個永磁結構600的轉子60，與轉子60同軸設置並具有定子齒620及定子槽621的定子62，以及與轉子60及定子62同軸設置並位於轉子60及定子62間的變速模組61，且定子槽621的數量係與變速模組61的極數相同，且定子62的磁對數與轉子60的磁對數的比例，係為1：n或n：1，而n係大於1。
    而定子62中的繞組(未圖示)的繞線方式，係得以參考第6C圖所揭示的繞線表(winding chart)，亦即將第6A及6B圖中標示的A、a、B、b、C、c搭配第6C圖所揭示的繞線表。
    具體來說，第6A、6B圖中所示的A、B、C，係分別表示第一相位、第二相位、及第三相位於定子齒620上為順時針的繞線方式，而a、b、c則個別表示與第一相位反相、與第二相位反相、及與第三相位於定子齒620上為逆時針的繞線方式。再而，藉第6C圖所示者初步瞭解傳統的LRK馬達設計的定子繞線方式。在LRK馬達設計(即未採用如同本案的變速模組)上，若轉子的極數(即# of magnet poles)設定為4，定子的定子槽621(即繞線臂，Number of stator arms)的數量設定為9，且其採用“ABaCAcBCb”的方式進行繞組的繞線程序時，係可得到2:1的傳統變速比。
    實際構成如同本案第6A、6B圖所示之令變速模組61能完全整合於定子齒620之結構設計時，由於定子62的定子槽621或定子齒620的數量，在此係例示為12，故設計人員能選擇第6C圖中Number of stator arms為12與# of magnet poles為14，並以對應的繞線方式對定子62進行繞組的繞線，即Ns=12，R=14。此時，由於變速模組61的極數係等於定子槽621的槽數，故變速模組61的極數亦等於12，也就是Ns=12亦能代表變速模組61的極數。而參照設計公式“|(R/2)±P1|=Ns”更可進一步可知，轉子60的極對數P1需要為19，因此，設計人員遂能據此將本案的轉子60的永磁結構600規劃成38個，俾完成本案的電磁變速馬達的配置。
    另外，如第7A圖所示者，係本發明另一實施例之電磁變速馬達。如圖所示，電磁變速馬達7係具備轉子70、變速模組71及定子72。
    轉子70係具有永磁結構700；定子72係與轉子70同軸設置，並具有定子齒720及定子槽721；變速模組71係與轉子70及定子72同軸設置，並位於轉子70及定子72間。需說明者，轉子70、變速模組71與定子72之細部結構特徵，係與前述實施例相似，故不再贅述。
    然而，本實施例與前述實施例主要之差異在於，變速模組71之數量係為定子齒720之數量之整數倍，且變速模組71之極對數，係為轉子70之極對數加/減定子72之極對數之絕對值。舉例言之，若變速模組71之極對數為N，轉子70之極對數為R，定子72之極對數為S，則N=|R±S|。
    於本實施例中，變速模組71與定子72係可為分離設置者，即如第7A圖所示。當然，變速模組71與定子72亦可設計為一體成型者。再者，變速模組71之數量亦可予以調整，亦即設計成同樣包括固定元件，及相對於固定元件位移自如之可動元件之形式，而固定元件係可與定子72一體成型，其概念可參照第3圖。
    將第7A圖併同第7B圖(第7A圖之局部份放大示意圖)可進一步得知，於此實施例中，變速模組71係形成為平均分佈之型式。詳言之，如第7B圖所示，變速模組71a、71b、71c、71d之間隔角度係為θ0，變速模組71之周期群組為N，變速模組71之數目為Ns，定子72之極對數為S，轉子70之極對數為R，則Ns=qN(q係例如為1、2、3之整數)，N=|S±R|。且假設q=1，則0≦θ0≦2π/N。又假設q>1，則0≦θ1+.....+θ (q-1) ≦2π/N。而複數個周期群組N之間係為平均分佈之型式(如第7B圖所示，θ0為固定)，但個別周期群組N內部之個別變速模組間可為平均分佈，亦可無須為平均分佈。
    於另一實施例中，令變速模組之周期群組為N，變速模組之數目為Ns，定子之極對數為S，轉子之極對數為R，則Ns=qN(q係例如為1、2、3之整數)，而與前述實施例不同者，變速模組之數目Ns=|S±R|。且假設q=1，則0≦θ0≦2π/N。又假設q>1，則0≦θ1+.....+θ (q-1) ≦2π/N。
    再者，若將固定元件及可動元件之概念應用第7B圖，則第7B圖可變化為如第7C圖所示，即Ns=2N，變速模組71a分為固定元件71a1及可動元件71a2，變速模組71b分為固定元件71b1及可動元件71b2，同樣的是，固定元件71a1及固定元件71b1之間隔角度係為θ0。
    因此，當電磁變速馬達7應用於驅動電動車之情境時，若使用者處於上坡起步此類運作情境時，可選擇透過相關的控制裝置將變速模組71之可動元件移動一個角度，如移動±θ，則可大幅減小阻力，協助起步。另外，當使用者欲減緩車速或停車時，也可以選擇將變速模組71之可動元件移動一個角度，以藉由電磁變速馬達7本身的阻力提供協助。
    綜上所述，本案提供的電磁變速馬達係能符合特定的設計公式，進而使電磁變速馬達的定子和變速模組可以選擇性地於幾何結構上完全整合在一起。而相較於習知技術，由於本案能令變速模組於幾何學上完全吻合於定子，故可進一步簡化電磁變速馬達的製程，精簡馬達元件的數量，同時還可令電磁變速馬達的結構變得更加堅固，並讓繞組更容易地被置入，換言之，本案係可大幅降低製造廠商整體的製造成本。
    惟，上述實施型態僅例示性說明本案之原理及其功效，而非用於限制本案。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本案之精神及範疇下，對上述實施型態進行修飾與改變。因此，本案之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
    1、2、5、6、7．．．電磁變速馬達
    10、20、50、60、70．．．轉子
    100、200、600、700．．．永磁結構
    11、21、51、61、71、71a、71b、71c、71d．．．變速模組
    12、22、52、62、72．．．定子
    120、220、520、620、720．．．定子齒
    121、221、521、621、721．．．定子槽
    13．．．繞組
    210、71a1、71b1．．．固定元件
    211、71a2、71b2．．．可動元件
    第1圖係為習知的電磁變速馬達的結構示意圖；
    第2A、2B、2C圖係為本案的電磁變速馬達的一結構示意圖；
    第3圖係為第2A及2B圖揭示的電磁變速馬達的一部份放大結構示意圖；
    第4圖係為第2A及2B圖揭示的電磁變速馬達的另一部份放大結構示意圖；
    第5A及5B圖係為本案的電磁變速馬達的另一結構示意圖；
    第5C圖係為能使用於第5A及5B圖的電磁變速馬達的定子繞線表；
    第6A及6B圖係為本案的電磁變速馬達的又一結構示意圖；
    第6C圖係為能使用於第6A及6B圖的電磁變速馬達的定子繞線表；
    第7A圖係為本案的電磁變速馬達的另一結構示意圖；
    第7B圖係為第7A圖之局部放大圖；以及
    第7C圖係為第7B圖之一變化示意圖。
    2．．．電磁變速馬達
    20．．．轉子
    200．．．永磁結構
    21．．．變速模組
    22．．．定子
    220．．．定子齒
    221．．．定子槽
    权利要求:
    Claims (17)
    [1] 一種電磁變速馬達，係包含：轉子，係具有永磁結構；定子，係與該轉子同軸設置，並具有定子齒及定子槽；以及變速模組，係與該轉子及該定子同軸設置，並位於該轉子及該定子間，其中，該變速模組的極數係小於或等於該定子槽的槽數，且該定子的磁對數與該轉子的磁對數的比例，係為1：n或n：1，而n係大於1。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之電磁變速馬達，其中，該變速模組及該定子係符合2(m)(npb)=|GR±1|之設計公式，而m係為相數，npb係為位於每個相位區中該定子槽之槽數，GR係為變速比，變速比為該轉子的極數除以該定子的極數。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之電磁變速馬達，其中，該定子係採用分段相位驅動(Split phase)馬達之設計，而該電磁變速馬達係符合|(R/2)±P1|=Ns之設計公式，R為分段相位驅動馬達設計的轉子極數，P1為該轉子的極對數，Ns為該變速模組之極數及該定子的定子槽的槽數。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之電磁變速馬達，其中，該變速模組與該定子係為一體成型或分離設置者。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之電磁變速馬達，其中，該變速模組係包括固定元件，及相對於該固定元件位移自如的可動元件。
    [6] 如申請專利範圍第5項所述之電磁變速馬達，其中，該固定元件與該定子係為一體成型者。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述之電磁變速馬達，其中，該電磁變速馬達係設計為軸向磁通式馬達、徑向磁通式馬達、或線性馬達。
    [8] 如申請專利範圍第1項所述之電磁變速馬達，其中，該定子齒的弧度係大於該定子槽的弧度。
    [9] 如申請專利範圍第1項所述之電磁變速馬達，其中，該定子齒的弧度係等於該永磁結構的弧度。
    [10] 如申請專利範圍第1項所述之電磁變速馬達，其中，該電磁變速馬達係應用為發電機。
    [11] 一種電磁變速馬達，係包含：轉子，係具有永磁結構；定子，係與該轉子同軸設置，並具有定子齒及定子槽；以及變速模組，係與該轉子及該定子同軸設置，並位於該轉子及該定子間，其中，該變速模組之數量係為該變速模組之周期群組之整數倍。
    [12] 如申請專利範圍第11項所述之電磁變速馬達，其中，該變速模組之周期群組係為該轉子之極對數加/減該定子之極對數之絕對值。
    [13] 如申請專利範圍第11項所述之電磁變速馬達，其中，該變速模組之數量係為該轉子之極對數加/減該定子之極對數之絕對值。
    [14] 如申請專利範圍第11項所述之電磁變速馬達，其中，該變速模組與該定子係為一體成型或分離設置者。
    [15] 如申請專利範圍第11項所述之電磁變速馬達，其中，該變速模組係包括固定元件，及相對於該固定元件位移自如的可動元件。
    [16] 如申請專利範圍第13項所述之電磁變速馬達，其中，該固定元件與該定子係為一體成型者。
    [17] 如申請專利範圍第11項所述之電磁變速馬達，其中，該變速模組係形成為平均分佈之型式。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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