專利名稱：電磁變速馬達的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電磁變速馬達，尤其是涉及一種令變速模塊的極數不大于定子槽的槽數的電磁變速馬達。
背景技術：
所謂的電磁變速馬達是利用馬達氣隙間磁場的調變來產生轉子的變速效果，而變速模塊用以提供磁場調變的功效。參照圖I所繪示的電磁變速馬達1，即可清楚了解到現有的電磁變速馬達的設計。如圖I所示，電磁變速馬達I包括轉子10、變速模塊11、定子12、及繞組13，其中，轉子10具有永磁結構100,定子12形成定子齒120及定子槽121,而定子12和變速模塊11為分離設置的固定形式。隨著不同的需求，定子12和變速模塊11也可設計成一體成型的形式。 然而，由圖I繪示的結構示意圖可知，變速模塊11和定子12的定子齒120并不能在幾何形狀上契合，故變速模塊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，同時一并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和變速模塊11設計為一體成型的型態中，也因為變速模塊11和定子12無法于幾何形狀上契合的緣故存在著制造不易的問題，也會伴隨著結構較脆弱，與不易將繞組13置入定子槽121中的制作工藝困擾。因此，如何提供一種能具有于幾何形狀上完全契合的變速模塊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。
發明內容
鑒于現有技術的缺失，本發明的主要目的在于提供一種能讓變速模塊和定子于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它目的，本發明提供一種電磁變速馬達，其包含轉子，其具有多個永磁結構；定子，其與該轉子同軸設置，并具有定子齒及定子槽；以及變速模塊，其與該轉子及定子同軸設置，并位于該轉子及該定子間，其中，該變速模塊的極數小于或等于該定子槽的槽數，且該定子的磁對數與該轉子的磁對數的比例，為I :n或n:l，而η大于
Io在本發明的一具體實施例中，變速模塊及定子符合“2 (m) (npb)=|GR±l|”的設計公式。其中，m為相數,npb為每個相位區中的槽數(number of slots per phase band),GR為變速比，變速比等于轉子的極數除以定子的極數，pl、p2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，其包含轉子、定子、以及變速模塊，其中，該轉子具有永磁結構；該定子與該轉子同軸設置，并具有定子齒及定子槽；該變速模塊與該轉子及該定子同軸設置，并位于該轉子及該定子間，其中，該變速模塊的數量為該變速模塊的周期群組的整數倍。在一實例中，該變速模塊的周期群組為該轉子的極對數加/減該定子的極對數的絕對值。在另ー實例中，該變速模塊的數量為該轉子的極對數加/減該定子的極對數的絕對值。相比較于現有技術，本發明借由馬達定子極對數的切換并配合變速模塊的切換，即可達成變速比的改變。而由于本發明提供的電磁變速馬達具有結構相等的變速模塊與定子槽(定子齒)，所以不但能將變速模塊的設置位置完全對齊于定子齒的設置位置，也能進一步將變速模塊整合于定子齒上，借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。
圖I為現有的電磁變速馬達的結構示意圖；圖2A、圖2B、圖2C為本發明的電磁變速馬達的ー結構示意圖； 圖3為圖2A及圖2B掲示的電磁變速馬達的一部分放大結構示意圖；圖4為圖2A及圖2B掲示的電磁變速馬達的另一部分放大結構示意圖；圖5A及圖5B為本發明的電磁變速馬達的另一結構不意圖；圖5 C為能使用于圖5A及圖5B的電磁變速馬達的定子繞線表圖；圖6A及圖6B為本發明的電磁變速馬達的又ー結構示意圖；圖6 C為能使用于圖6A及圖6B的電磁變速馬達的定子繞線表圖；圖7A為本發明的電磁變速馬達的另ー結構示意圖；圖7B為圖7A的局部放大圖；以及圖7C為圖7B的一變化示意圖。主要組件符號說明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ll、21、51、61、71、71a、71b、71c、71d 變速模塊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、7 Ial、7 Ib I 固定組件211、71a2、71b2 可動組件。
具體實施例方式以下借由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士，可借由本說明書所掲示的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效。而本發明也可借由其它不同的具體實施例加以施行或應用。圖2A、圖2B及圖2C所繪示的結構示意圖，其用以提供本發明的電磁變速馬達的具體架構。如圖所示，電磁變速馬達2包括轉子20、變速模塊21、以及定子22。
轉子20具有多個永磁結構200。定子22與轉子20同軸設置，并具有定子齒220及定子槽221。變速模塊21與轉子20及定子22同軸設置，并位于轉子20及定子22間。而本發明主要的技術重點，在于將變速模塊21的極數設計為小于或等于定子槽221的槽數。于將變速模塊21的極數設計為等于定子槽221的槽數的實施方式，可參照本發明繪示的圖2A及圖2B，而于此實施例中，由于定子槽221的槽數與定子齒220的齒數為相同，故定子齒220的齒數也會與變速模塊21的極數相同。而圖2C所示的實施方式，即在于說明可選擇性地將變速模塊21的極數設計為小于定子槽221的槽數的形式，具體來說，圖2C繪示的變速模塊21的極數只有圖2A、圖2B所示的一半，同時，于圖2C中變速模塊21選擇以間隔分配的態樣來將變速模塊21整合于定子齒220，當然，圖2C中變速模塊21也可選擇以具有間隙的形式對齊于定子齒220上。具體來說，電磁變速馬達2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，并得反之將機械能轉成電能而應用為發電機，而變速模塊21與定子22也可設計為一體成型或分離設置。于圖2A所示的分離設置的情形，變速模塊21與定子22之間可形成有氣隙。當然，變速模塊21與定子22也可設計為一體成型，即如圖2B所示將變速模塊21與定子22間的氣隙消除，同時將變速模塊21整合于定子22上。而當變速模塊21與定子22間的氣隙被消除時，繞組(未圖標)也可從定子齒220向上纏繞到變速模塊21，進而提升整體功率。當然，繞組可借由單層(single-layer)或多層(multi-layer)的方式予以設置。此外，定子22的定子齒220的弧度，可設計為等同于轉子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，例如于定子齒220弧度比例較大的情形中，因為轉子20上的永磁結構200所產生正、反磁極可相互抵消，所以可減少定子22上磁飽合的現象，進而增加扭カ密度。另，定子22的磁對數相對于轉子20的磁對數的比例，可設計為I :n或η :1，而η大于I。實際實施時，本發明較常以η>2，或η<2但接近2來進行設計，也就是η不會接近I。其次，在本發明的設計中，變速模塊21及定子22可符合“2 (m) (npb) = | GR± 11 ”的設計公式，其中，m為定子22的相數，npb為定子22每個相位區中的槽數，GR為變速比，變速比等于轉子20的極對數除以定子22的極對數，pU p2各為轉子20和定子22的極對數，而由于轉子20或定子22的極對數為轉子20或定子22的極數除以2，故變速比也可等于轉子20的極數除以定子22的極數。在一實施例中，當變速比為GR，轉子極對數為pl，定子極對數為p2吋，可得到GR=pl/p2。假設變速模塊有N極，電磁變速馬達中N= I pl±p2 I。再假設定子22的定子槽221的數量為Ns，相數為m，定子22的極對數為p2，且每個相位區中有npb個定子槽221，則可得到Ns=2(m) (npb) (p2)。為了讓變速模塊21的極數和定子槽221的數量相同，如圖2A、圖2B所示，即可令N= I pl 土p2 I =2 (m) (npb) (p2) =Ns。在代入GR=pl/p2后,遂可歸納出本發明的第一個設計公式“ 2(m) (npb) (P)= I GR+I I”。套用此設計公式后，于變速比(GR) =5，定子的極對數(p2) =4，轉子的極對數(pl)=20,變速模塊的極數(N) =24的情形中，ー個具有完整節距(fully-pitched)的八極三相馬達，即可形成24個定子槽，因此，定子22和變速模塊21可于幾何結構上完全地對齊與整合。當然，于ー個不同的實施例中pl除了可以大于p2, pl也可以小于p2。
再一并連同圖2A、圖2B、圖2C來參閱圖3所繪示的放大示意圖進而了解前述的變速模塊21的其它設計型態。如圖所示，變速模塊21可包括能直接固定于定子齒220上的固定組件210，及相對于該固定組件210能位移自如的可動組件211，也就是變速模塊21可由固定組件210及可動組件211所組成，借此提供較佳的使用彈性。當然，變速模塊21也可設計成具有多個可動組件211。例如，變速模塊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Pl變成ρΓ )，以符合電磁變速馬達|ρΓ 土ρ2|=2Ν的公式，可以進而造成變速比由p2/pl變成p2/pl’的效果。以下茲將圖2Α、圖2Β、圖2C并同圖4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。由圖標可知，在一般的情形下，定子齒220的弧度可等于定子槽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于定子槽221的弧度。
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此外，本發明提供的電磁變速馬達也可不使用前述的設計公式來進行設計。參照圖5Α、圖5Β所繪示的電磁變速馬達5，轉子50具有多個永磁結構，定子52與·轉子50同軸設置，并具有9個定子齒520及定子槽521，變速模塊51與轉子50及定子52同軸設置，并設置于轉子50及定子52間，且具有相同于定子槽521的槽數的極數。而定子52與變速模塊51可設計為分離設置(如圖5Α)或一體成型(如圖5Β)的實施例。而電磁變速馬達5的繞組(未圖標)的繞線方式可參照圖5C所揭示的繞線表，也就是，將圖5Α、圖5Β中標示的定子槽521的編號，搭配圖5C的教示，即可將設置于定子上的繞組(未圖標)形成雙層繞組，而定子52 —樣可達到8極，也就是極對數ρ2=4。另外，因電磁變速馬達5的變速模塊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。另外也請參照圖6Α至圖6C，以了解本發明的電磁變速馬達還可符合“I (R/2) 土Pl|=Ns”的設計公式。需先提出說明的是，此設計公式得應用在將LRK(Lucas, Retzbach and Kiihfuss)馬達的定子及其繞組的繞線方式,應用為本發明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Pl為本發明的電磁變速馬達的轉子的極對數。當然，繞組(未圖標)的繞線方式除了可用LRK(Lucas, Retzbach and Kiihfuss)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，本發明的電磁變速馬達6也包括具有多個永磁結構600的轉子60，與轉子60同軸設置并具有定子齒620及定子槽621的定子62，以及與轉子60及定子62同軸設置并位于轉子60及定子62間的變速模塊61，且定子槽621的數量與變速模塊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，為I :n或n:l，而η大于I。而定子62中的繞組(未圖標)的繞線方式，得以參考圖6 C所揭示的繞線表(winding chart),也就是將圖6A及圖6B中標示的A、a、B、b、C、c搭配圖6 C所揭示的繞線表。具體來說，圖6A、圖6B中所示的A、B、C，分別表示第一相位、第二相位、及第三相位于定子齒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、及與第三相位于定子齒620上為逆時針的繞線方式。再而，借圖6C所示，初步了解傳統的LRK馬達設計的定子繞線方式。在LRK馬達設計(即未采用如同本發明的變速模塊)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 ofstator arms)的數量設定為9，且其采用“ABaCAcBCb”的方式進行繞組的繞線程序時，可得到2:1的傳統變速比。實際構成如同本發明圖6A、圖6B所不的令變速模塊61能完全整合于定子齒620的結構設計時，由于定子62的定子槽621或定子齒620的數量，在此例示為12，故設計人員能選擇圖6C中Number of stator arms為12與#ofmagnet poles為14,并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，由于變速模塊61的極數等于定子槽621的槽數，故變速模塊61的極數也等于12，也就是Ns=12也能代表變速模塊61的極數。而參照設計公式“ I (R/2) 土Pl I =Ns”更可進一歩可知，轉子60的極對數Pl需要為19，因此，設計人員遂能據此將本發明的轉子60的永磁結構600規劃成38個，以完成本發明的電磁變速馬達的配置。另外,如圖7A所示,為本發明另ー實施例的電磁變速馬達。如圖所示，電磁變速馬達7具備轉子70、變速模塊71及定子72。轉子70具有永磁結構700 ;定子72與轉子70同軸設置，并具有定子齒720及定 子槽721 ;變速模塊71與轉子70及定子72同軸設置，并位于轉子70及定子72間。需說明的，轉子70、變速模塊71與定子72的細部結構特征，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的差異在于，變速模塊71的數量為定子齒720的數量的整數倍，且變速模塊71的極對數，為轉子70的極對數加/減定子72的極對數的絕對值。舉例言之，若變速模塊71的極對數為N，轉子70的極對數為R，定子72的極對數為 S，則 N= I R土 S|。在本實施例中，變速模塊71與定子72可為分離設置，即如圖7A所示。當然，變速模塊71與定子72也可設計為一體成型。此外，變速模塊71的數量也可予以調整，也就是設計成同樣包括固定組件，及相對于固定組件位移自如的可動組件的形式，而固定組件可與定子72 —體成型，其概念可參照圖3。將圖7A并同圖7B (圖7A的局部分放大示意圖)可進ー步得知，于此實施例中，變速模塊71形成為平均分布的型式。詳言之，如圖7B所示，變速模塊71a、71b、71c、71d的間隔角度為θ O，變速模塊71的周期群組為N，變速模塊71的數目為Ns，定子72的極對數為S，轉子70的極對數為R，則Ns=qN (q例如為1、2、3的整數)，N=| S土R|。且假設q=l，則O ^ Θ。き2 /N。又假設q>l，則OきΘ 1+……+ Θ —き2 /N。而多個周期群組N之間為平均分布的型式(如圖7B所示，Qtl為固定)，但個別周期群組N內部的個別變速模塊間可為平均分布，也可無須為平均分布。在另ー實施例中，令變速模塊的周期群組為N，變速模塊的數目為Ns，定子的極對數為S，轉子的極對數為R，則Ns=qN (q例如為1、2、3的整數)，而與前述實施例不同的地方，變速模塊的數目Ns=IS土R|。且假設q=l，則0きΘ。き2π/Ν。又假設q>l，則O 含 Θ ^.....+ Θ (。ベ)g 2 Ji /N0此外，若將固定組件及可動組件的概念應用圖7B，則圖7B可變化為如圖7C所示，即Ns=2N，變速模塊71a分為固定組件7Ial及可動組件71a2，變速模塊71b分為固定組件71bl及可動組件71b2，同樣的是，固定組件71al及固定組件71bl的間隔角度為Θ QO因此，當電磁變速馬達7應用于驅動電動車的情境時，若使用者處于上坡起步此類運作情境時，可選擇通過相關的控制裝置將變速模塊71的可動組件移動ー個角度，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塊71的可動組件移動一個角度，以借由電磁變速馬達7本身的阻力提供協助。整體而言，本發明的技術內涵在于「變速比可改變」，借由馬達定子極對數的切換(例如使用功率組件)，并配合變速模塊的切換，即可達成變速比的改變(變速比=轉子極數/定子極數)。綜上所述，本發明提供的電磁變速馬達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塊可以選擇性地于幾何結構上完全整合在一起。而相較于現有技術，由于本發明能令變速模塊于幾何學上完全吻合于定子，故可進一步簡化電磁變速馬達的制作工藝，精簡馬達組件的數量，同時還可令電磁變速馬達的結構變得更加堅固，并讓繞組更容易地被置入，換言之，本發明可大幅降低制造廠商整體的制造成本。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟 悉此項技術的人士均可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明的權利保護范圍，應如權利要求書所列。
權利要求
1.ー種電磁變速馬達，其包含 轉子，其具有永磁結構； 定子，其與該轉子同軸設置，并具有定子齒及定子槽；以及 變速模塊，其與該轉子及該定子同軸設置，并位于該轉子及該定子間，其中，該變速模塊的極數小于或等于該定子槽的槽數，且該定子的磁對數與該轉子的磁對數的比例，為I:η或η :1，而η大于I。
2.根據權利要求I所述的電磁變速馬達，其特征在于，該變速模塊及該定子符合2Cm)(npb)=|GR±l的設計公式，而m為相數，npb為位于每個相位區中該定子槽的槽數，GR為變速比，變速比為該轉子的極數除以該定子的極數。
3.根據權利要求I所述的電磁變速馬達，其特征在于，該定子采用分段相位驅動(Split phase)馬達的設計，而該電磁變速馬達符合I (R/2) 土Pl | =Ns的設計公式，R為分段相位驅動馬達設計的轉子極數，Pl為該轉子的極對數，Ns為該變速模塊的極數及該定子的定子槽的槽數。
4.根據權利要求I所述的電磁變速馬達，其特征在于，該變速模塊與該定子為一體成型或分離設置。
5.根據權利要求I所述的電磁變速馬達，其特征在于，該變速模塊包括固定組件，及相對于該固定組件位移自如的可動組件。
6.根據權利要求5所述的電磁變速馬達，其特征在干，該固定組件與該定子為一體成型。
7.根據權利要求I所述的電磁變速馬達，其特征在于，該電磁變速馬達設計為軸向磁通式馬達、徑向磁通式馬達、或線性馬達。
8.根據權利要求I所述的電磁變速馬達，其特征在于，該定子齒的弧度大于該定子槽的弧度。
9.根據權利要求I所述的電磁變速馬達，其特征在于，該定子齒的弧度等于該永磁結構的弧度。
10.根據權利要求I所述的電磁變速馬達，其特征在于，該電磁變速馬達應用為發電機。
11.ー種電磁變速馬達，其包含 轉子，其具有永磁結構； 定子，其與該轉子同軸設置，并具有定子齒及定子槽；以及 變速模塊，其與該轉子及該定子同軸設置，并位于該轉子及該定子間，其中，該變速模塊的數量為該變速模塊的周期群組的整數倍。
12.根據權利要求11所述的電磁變速馬達，其特征在于，該變速模塊的周期群組為該轉子的極對數加/減該定子的極對數的絕對值。
13.根據權利要求11所述的電磁變速馬達，其特征在于，該變速模塊的數量為該轉子的極對數加/減該定子的極對數的絕對值。
14.根據權利要求11所述的電磁變速馬達，其特征在于，該變速模塊與該定子為一體成型或分離設置。
15.根據權利要求11所述的電磁變速馬達，其特征在于，該變速模塊包括固定組件，及相對于該固定組件位移自如的可動組件。
16.根據權利要求13所述的電磁變速馬達，其特征在于，該固定組件與該定子為一體成型。
17.根據權利要求11所述的電磁變速馬達，其特征在于，該變速模塊形成為平均分布的型式。
全文摘要
本發明公開一種電磁變速馬達，其包含具有多個永磁結構的轉子、與該轉子同軸設置并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并位于該轉子及該定子間的變速模塊，其中，該變速模塊的極數不大于該定子槽的槽數。借此，電磁變速馬達的定子和變速模塊即可完全整合，也可使變速模塊的間隙完全吻合于定子的定子槽。而本發明的結構設計不但能簡化組件數量，也能強化結構，進而有效降低制造廠商整體的成本。
文檔編號H02K1/27GK102842973SQ20121014134
公開日2012年12月26日 申請日期2012年5月9日 優先權日2011年6月21日
發明者彭明燦, 提母.福來克 申請人:財團法人工業技術研究院