CN102237752B - 磁性变速组件及其分段相位驱动马达 - Google Patents

磁性变速组件及其分段相位驱动马达 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种磁性变速组件及其分段相位驱动马达，该磁性变速组件适于与电动机或发电机整合。磁性变速组件具有转子、定子及导磁元件。转子与定子同轴套设并分别具有R个及ST1个极对数。导磁元件位于转子与定子之间并具有导磁体。当导磁元件被致动时，导磁元件选择性地使PN1个或PN2个导磁体对应于转子与定子之间。与转子及定子对应的导磁体即与R个及ST1个极对数的磁场作用而产生预定变速比。磁性变速组件与电动马达作内部整合，即可提升驱动功率密度。

Description

磁性变速组件及其分段相位驱动马达
技术领域
本发明涉及一种变速组件(transmission assembly)，特别是涉及一种磁性变速组件。
背景技术
变速器应用于动力传输，除了能将动力进行中继与传送外，另具有将动力源的转速减速或增速的功能。应用于传统汽车引擎的变速组件有机械式的变速箱及油压式变速箱。应用于电动车或油电混合车的则有磁性变速器。
变速马达的技术可见于西元1976年9月14日公告的美国第3,980,937号专利Fractional Horsepower Gear Motor，其将马达所输出的动力经过机械式齿轮组以达到扭力转换及变速效果。
另于西元1998年10月20日公告的美国第5,825,111号专利Single-phaseinduction motot 4/6 pole common winding connection with magnetic motiveforce symmetrically distributed及西元2009年10月6日公告的美国第7,598,648号专利2/6 pole single-phase induction motor having shared windings，揭露利用改变感应马达定子的极数的方式来达成变速的目的。
磁性变速器的相关技术也可见于由K.Atallah及D.Howe于国际电机电子工程师学会期刊在西元2001年7月发表的文章A Novel High-PerformanceMagnetic Gear(IEEE Transactions on Magnetics，Vol.37，No.4，July，2001)。
前述机械式变速器有噪音大与重量重的缺点，而一般磁性变速器虽可减少振动与噪音，但也不能减少重量。此外，在电动车的应用上，电动马达须配合不同的行车扭力及行驶速度的需求，也须兼顾高效率运转的要求，故常将马达与变速器搭配，在此种搭配模式下，马达与变速器整体的驱动功率密度通常不易提高(因马达与变速器的总重量重)。
发明内容
基于上述问题，本发明提出一种磁性变速组件，其易与电动机(如电动马达)或发电机做内部整合而具有重量轻的特色，故能提高驱动功率密度。
依据一实施例，一种磁性变速组件包含转子、定子及导磁元件。转子与定子同轴套设，转子具有多个磁极并具有R个极对数。定子具有多个磁极及ST1个极对数。导磁元件位于转子与定子之间并具有多个导磁体。当导磁元件被致动时，导磁元件选择性地使PN1个或PN2个该些导磁体对应于转子与定子之间，其中，PN1-3≤R+ST1≤PN1+3，PN2-3≤R+ST1≤PN2+3。
依据导磁元件的一实施例，前述导磁元件包含第一环及第二环，第一环与第二环轴向连接，第一环具有PN1个导磁子块，第二环具有PN2个导磁子块，当导磁元件被轴向致动时，导磁元件选择性地使第一环或第二环被移至转子与定子之间。
依据导磁元件的第二实施例，前述导磁元件包含第一环及第二环，第一环位于第二环的径向外侧且第一环与第二环配置于定子与转子之间，当导磁元件被致动时，第一环与第二环相对位移于第一位置与第二位置之间，当第一环与第二环位于第一位置时，导磁元件具有PN1个该导磁体，当第一环与第二环位于第二位置时，导磁元件具有PN2个该导磁体。
依据另一实施例，定子包含多个感应线圈及极数调变电路，感应线圈被导电时形成磁极，而极数调变电路选择性地切换感应线圈于前述ST1个极对数及一ST2个极对数之间。其中，PN2-3≤R+ST2≤PN2+3。
依据又一实施例，磁性变速组件包含转子、定子及导磁元件。转子具有多个磁极，转子的磁极具有R个极对数。定子与转子同轴套设，定子并具有多个磁极，定子的磁极具有ST1个极对数。导磁元件被配置于转子与定子之间并具有PN1个导磁子块，PN1个导磁子块对应配置于转子与定子之间，其中，PN1-3≤R+ST1≤PN1+3。
前述导磁元件配置于定子与转子之间，通过导磁元件可选择性地变动导磁体数量(意即其磁隙数量也变动)的设计，即可在定子与转子间产生不同的变速比(定子转速比转子转速)。其次，在另一实施例中，定子的磁对数也具有可变换的设计，如此一来，搭配导磁元件与转子，也能达到产生不同变速比的目的。前述的导磁元件、定子及转子均可为中空环形的设计，使得整个磁性变速组件的体积及重量都相当小，并能够易于与电动马达做内部整合，得到较高的驱动功率密度(瓦/公斤，W/Kg或瓦/体积，W/m3)。
有关本发明的特征与实作，兹配合附图及实施例说明如下。
附图说明
图1为本发明磁性变速组件第一实施例的立体结构示意图；
图2为本发明磁性变速组件第一实施例的立体分解示意图；
图3为本发明磁性变速组件第一实施例的定子的磁对数示意图；
图4A为本发明磁性变速组件第一实施例的导磁元件的剖面示意图；
图4B为图4A的导磁元件第一实施例的局部放大剖面示意图；
图4C为图4A的导磁元件的第一实施例另一局部放大剖面示意图；
图5A为本发明磁性变速组件的定子的另一实施例的绕线示意图；
图5B为图5A的定子的另一实施例的动作示意图；
图6为图5A及图5B极对数切换的示意图；
图7A、图7B及图7C为本发明磁性变速组件的导磁元件的第二实施例示意图；
图8为本发明磁性变速组件的导磁元件的第三实施例示意图；
图9为本发明磁性变速组件第二实施例的立体分解示意图；
图10A为本发明磁性变速组件的导磁元件的第四实施例示意图；
图10B及图10C分别为图10A在10B-10B位置的局部剖面示意图及状态示意图；
图11A为本发明磁性变速组件的导磁元件的第四实施例示意图；
图11B及图11C分别为图11A在11B-11B位置的局部剖面示意图及状态示意图；
图11D为图11B的另一状态示意图；
图12为本发明应用于分段相位驱动马达的结构示意图。
主要元件符号说明
20转子
30定子
300绕线臂
32a，32b凸块
34a，34b，34c，34d感应线圈
35a，35b线圈组
36极数调变电路
360，362切换开关
40，50，60，70，80，90，99导磁元件
42，52，62，82，92第一环
420，422，440，442导磁子块
429，449弧段
44，54，64，84，94第二环
46a，46b导磁体
48a，48b，48c，48d磁隙
53，55，57，59导磁子块
51a，51b，51c，51d导磁体
56，96第三环
58第四环
63，65，72导磁子块
66a，66b，66c，74a，74b电绝缘元件
820，840，920，940，960导磁子块
88致动元件
990空隙
具体实施方式
首先，请同时参阅图1及图2，其分别为依据本发明一实施例的立体结构示意图及立体分解图。图中可以见悉，磁性变速组件包含转子20、定子30及导磁元件40(也可称为导磁变速元件)。磁性变速组件可适于与电动机(如电动马达)或发电机进行整合。例如若与电动车的电动马达进行整合，由马达驱动器输出电力予磁性变速组件，则磁性变速组件即能从转子处产生旋转动力，同时，由马达驱动器适当地控制磁性变速组件的变速比，磁性变速组件即能输出不同的功率(功率＝驱出扭力×转速)。由于此磁性变速组件同时包含了电动机与变速器的功能，整体体积及重量较低，因而能得到较高的驱动功率密度。此处的驱动功率密度可以是但不限于输出功率除以体积，或者是输出功率除以重量(即(输出扭力×转速)/体积、或(输出扭力×转速)/重量)。
其次，若是将磁性变速组件应用于电动机中，则可由转子20承接旋转动力，定子30的线圈(容后详述)即可输出经磁场切割所产生的电力。此电力可经过整流及稳压电路后输出。由于磁性变速组件可以经由控制而产生变速比，故当输入的旋转动力有较大的变动，或者欲得到较佳的系统转换效率，可以由控制器调整磁性变速组件的变速比来达成。
请续参阅图1及图2，定子30可为固定磁铁或感应磁铁(或称电磁铁)，在本实施例中以感应磁铁为例。定子30的内侧环形配置有多个凸块32a，32b。各凸块32a，32b缠绕有感应线圈(容后详述)，感应线圈被通电时，即可形成磁极。以附图的实施例为例，定子30具有48个凸块32a，32b，每个凸块32a，32b被通电后即可形成一磁极对。在此例中，共有四相(4phases)，每一相即有12个极对数(20Pole Pairs)。请同时参照图3，其为依据本发明一实施例的定子30的磁对数示意图。图中可以看出，相邻的磁极为相反极性(磁北极N与磁南极S)。二个相邻相反极性的磁极为一磁对(例如附图的S1，N1为一磁对)。从图中可以看出共有12个极对数，此极对数仅为一实施态样，本发明并不限于此磁对数，以下以ST1个极对数表示。
转子20可为固定磁铁或感应磁铁，在本实施例中，转子20以固定磁铁为例进行说明。转子20具有多个磁极并具有R个极对数，在本实施例中，转子20以具有20个极对数为例。定子30与转子20同轴配置(同轴套设)，且在此实施例中，转子20配置于定子30的径向内侧，但并不以此为限。也可将定子30配置于转子20的径向内侧，仍能达到本发明的目的。其次，转子20的磁极(磁力线)的方向朝向定子30的磁极(磁力线)的方向。
导磁元件40可以是薄片钢(laminated steel)，其材料可以是软磁材料(SoftMagnetic Composite，SMC)，以减少涡电流(Eddy Current)及铁损。
请再参阅图1及图2，导磁元件40包含第一环42及第二环44。第一环42位于第二环44的径向外侧，且第一环42与第二环44配置于定子30与转子20之间。第一环42与第二环44可相互接触或相距一间隙(图是采相距一间隙方式实施)。第一环42具有多个导磁子块420，422。第二环44也具有多个导磁子块440，442。当第一环42位于第二环44的径向外侧时，导磁子块420，422，440，442即可形成多个导磁体(容后详述)。当第一环42或/与第二环44被致动时，两者可相对运动(相对转动)于第一位置及第二位置之间，此时，导磁体的数量也会随之变化，如下说明。
请参考图4A。图4A为依据本发明一实施例的导磁元件第一实施例的剖面示意图。此剖面示意图为图2中的第一环42套于第二环44径向外侧后，依垂直于轴向的平面为切面所为的剖面示意图。为了便于说明第一环42与第二环44的相对转动的动作，兹再将图4A中标示为429及449的弧段于图4B进行放大。弧段429，449所夹的弧角为45度，故整个第一环42与第二环44则共有8个弧段429，449。图4B为第一环42与第二环44位于第一位置的状态的局部放大剖面示意图。图4C则为第一环42与第二环44位于第二位置的状态的局部放大剖面示意图。
从图4B中可以见悉，第一环42的导磁子块420与第二环44的导磁子块440呈相连状态(或重叠)并形成导磁体46a。同样地，第一环42的导磁子块422与第二环44的导磁子块442呈相连状态并形成导磁体46b。而在导磁体46a，46b之间即具有三个磁隙48a，48b，48c。由于整个第一环42与第二环44具有相同的8个弧段429，449，故整个第一环42与第二环44则会有24个磁隙48a，48b，48c(3×8＝24，亦即具有24个导磁体46a，46b)。
续请参阅图4C，此为第一环42与第二环44位于第二位置的状态的局部放大剖面示意图。第一环42的导磁子块420与第二环44的导磁子块440呈相连状态并形成导磁体46a。同样地，第一环42的导磁子块422与第二环44的导磁子块442呈相连状态并形成导磁体46b。从图中可以看出，弧段429，449内有四个磁隙48a，48b，48c，48d，也具有四个导磁体46a，46b。是以，整个第一环42与第二环44则会有32个(4×8＝32)磁隙48a，48b，48c，48d。
前述导磁子块420，440呈相连状态指距离相近，而非仅指相接触的状态，距离相近也可为导磁子块420，440两者不相接触但在径向上重叠，或者导磁子块420，440不相接触且径向上或圆周方向上有一间距。申言之，若导磁子块420，440未相接触，则导磁子块420，440之间有二个距离，其一为径向距离，其二为沿圆周方向的距离。就前者的径向距离而言，经实验，若该径向距离在5毫米(mm)以内，均能达到形成单一导磁体46a的效果。当然此距离也与定子30磁力线的强度有关，若磁力线强度愈强，此距离可以愈大。也就是说，此径向距离可视磁性变速组件本身的大小及磁力线强度做改变。
就前述后者的圆周方向的距离(弧长)也可表述为导磁子块420，440边界对应到圆心(定子圆心)的夹角，例如以图4B为例，导磁子块420的左侧边与导磁子块440的右侧边的夹角。为能进一步定义此夹角或弧长，兹将导磁子块420的左侧边与导磁子块440的右侧边的距离所形成的空间定义为气缝。由于磁性变速组件在运作时，每个磁隙48a，48b，48c(图4B)会产生一个磁极(以下称磁隙磁极)，当导磁子块420，440间具有气缝时，此气缝也会具有磁极(以下称气缝磁极)，为能让导磁子块420，440形成前导磁体46a的效果，此气缝磁极的磁场强度较佳者为小于气隙磁极的磁场强度的百分之二十(20％)。再经由此气缝磁极的磁场强度所回推而得的该弧长或该夹角则为较佳的圆周方向的间距。
导磁子块420，422，440，442的材料可选用任何可导磁的材料，例如铁基的材料或软铁。前述第一环42与第二环44的相对运动的驱动方式可采用机械式或电磁式方式驱动。而驱动时，可单独驱动第一环42或第二环44，或者是第一环42与第二环44同时驱动，只要能使得第一环42与第二环44的相对位置能位移于第一位置与第二位置之间即可。
综合图4B与图4C的说明可知，当导磁元件40被致动时，第一环42与第二环44相对运动于第一位置(如图4B的位置)与第二位置(如图4C的位置)之间，当第一环42与第二环44位于第一位置时，导磁元件40具有24个(以下称PN1个)导磁体46a，46b，当第一环42与第二环44位于第二位置时，导磁元件40具有32个(以下称PN2个)导磁体46a，46b。
导磁元件40通过第一环42与第二环44可相对运动的设计，导磁元件40可选择性地使PN1个或PN2个导磁体46a，46b对应于转子20与定子30之间。通过PN1个或PN2个导磁体46a，46b配合转子20的磁场与定子30的磁场，即可产生一个增减速(变速)的效果。此增减速比可由下述计算公式(1)而得：
G = mp | mp + kn | 式(1)
其中，G为变速比(即增减速比)，m，k为简谐波(harmonics)级数，p为转子20的极对数(pole pairs)、n为导磁体46a，46b的数目(number of steel pieces)。于主简谐波(fundamental harmonics)状态下，m＝-k＝1，而本实施例中，转子20的极对数为20，以第一环42与第二环44位于第一位置为例，导磁体46a，46b的数量为24，套入上列公式，可得G＝(1×20)/(1×24-1×20)＝5，即定子的转速比上转子的转速为5∶1。若以第一环42与第二环44位于第二位置为例，导磁体46a，46b的数量为32，套入上列公式，可得G＝(1×20)/(1×32-1×20)＝1.6，即定子30的转速比上转子20的转速为1.6∶1。
由此可知，通过导磁元件40、定子30与转子20的适当配置与设计，即可使得磁性变速组件具有变速的效果。
其次，为了能进一步提升变速比的稳定性，经实验可得定子30的极对数ST1、转子20的极对数R、及导磁元件40的导磁体46a，46b的数量PN1，PN2维持在下述关系，将可得到稳定的变速比与驱动力：
PN1-3≤R+ST1≤PN1+3式(2)
PN2-3≤R+ST1≤PN2+3式(3)
以本实施例为例，导磁元件40位于第二位置时，恰满足式(3)PN2-3≤R+ST1≤PN2+3。而导磁元件40位于第一位置时，则虽未能满足式(2)PN1-3≤R+ST1≤PN1+3，但仍属能变速的要求。而在本实施例中，若欲同时满足式(2)与式(3)，则可以利用修改导磁元件40的导磁子块420，422，440，442的设计，使得能满足式(2)即可，例如，若ST1为12，而PN1与PN2分别为35及29即同时满足上式(2)与(3)。
在本实施例中，若不变更导磁元件40的设计，欲同时满足式(2)与式(3)(但式(3)须做些微变动，容后详述)，则可使用图5A及图5B的定子30的实施例。图5A为依据本发明磁性变速组件的定子30的另一实施例的绕线示意图。图5B为图5A的定子30的另一实施例的动作示意图。
从图中可以见悉，定子30的另一实施例包含多个感应线圈34a，34b，34c，34d及极数调变电路36。感应线圈34a，34b，34c，34d分别绕于凸块32a，32b。在图5A及图5B中仅绘制三个磁极对(N1，N2，N3，S1，S2，S3)的感应线圈34a，34b，34c，34d，但并不表示定子30仅包含感应线圈34a，34b，34c，34d。极数调变电路36包含二个切换开关360，362。当切换开关360，362位于图5A的状态并通入电源时，各感应线圈34a，34b，34c，34d所形成的磁极即如图3所示的极性，意即定子30共具有12个极对数。当切换开关360，362位于图5B的状态并通入电源时，原形成N1，S3的感应线圈34c，34d因反向通入电源，故所形成的磁极即会相反(即N1变为磁南极，S3变为磁北极)，请参阅图6，其为图5A及图5B极对数切换的示意图。
图中可以见悉，虚线框中所表示的即为切换开关360，362位于图5B时，所形成的磁极极性的示意图。图中N1，N4，N7，N10在图5A中为磁北极，S3，S6，S9，S12在图5A中为磁南极，此时定子30共具有12个(以下称ST1个)极对数(即N1，S1，N2，S3...N12，S12)，但是在图5B中，因为切换开关360，362及电路的巧妙设置，使得N1，N4，N7，N10通电后变为磁南极，而S3，S6，S9，S12则变为磁北极，其余维持不变，是以定子30共具有4个(以下称ST2个)极对数(如虚线框N1’，S1’，N2’，S2’，N3’，S3’，N4’，S4’所示)。换句话说，当感应线圈34a，34b，34c，34d被切换至ST1个极对数时，相邻的感应线圈34a，34b，34c，34d的极性(磁极性)相反，当感应线圈34a，34b，34c，34d被切换至ST2个极对数时，感应线圈34a，34b，34c，34d被群组为多个线圈组35a，35b，且相邻的线圈组35a，35b的极性相反。在此实施例中，每一线圈组35a，35b包含三个依序相邻的感应线圈34a，34b，34c，34d。此处的依序相邻为相连接的，例如图5B中的S1，N1，S2即属依序相邻的感应线圈34a，34b，34c，34d。
综上说明，定子30通过极数调变电路36而能选择性地切换感应线圈34a，34b，34c，34d于12个(ST1个)极对数及4个(ST2个)极对数之间。将图5A的定子30实施例与导磁元件40导磁体数量的切换整合后，即可得到如下表的变速比(定子转数：转子转速)，并满足上述式(2)与下式(4)。
PN2-3≤R+ST2≤PN2+3式(4)
Figure BDA0000049545880000091
极数调变电路36虽仅以图5A为实施例之一，但并不以此为限。经过适当电路及开关设计，可以使定子30的极对数有不同比例的增减。除此之外，定子30的绕线方式也可以用更为复杂且多样的设计，例如采用一个绕线表(winding chart)的方式，以得到更多样的极对数需求，此绕线方式可以是但不限于LRK(Lucas，Retzbach and Kühfuss)绕线方式、或D-LRK(distributed LRK)绕线方式、或ABC绕线方式，关于此应用，容后详述。
关于前述图4A导磁元件40的其他实施方式，可见于图7A、图7B、及图7C。图7A及图7B、及图7C的导磁元件50(第二实施例)为类似图4B的示意方式。图中可以见悉，导磁元件50包含第一环52、第二环54、第三环56及第四环58。第一环52、第二环54、第三环56及第四环58径向叠置并分别具有导磁子块53，55，57，59(也可分别称第一、第二、第三、第四导磁子块)。当导磁元件50位于图7A的位置时(第一位置)，导磁子块53，55，57，59间有相连接关系，使得在此弧段中即具有两个导磁体51a，51b及两个磁隙(磁隙即为导磁体在圆周方向上所分隔出来的空隙)。当导磁元件50位于图7B的位置时(第二位置)，导磁子块53，55，57，59间则相互分离，使得在此弧段中即具有四个导磁体51a，51b，51c，51d及四个磁隙。此外，当导磁元件50位于如图7C所示位置时(也可称为第三位置)，其导磁子块53，55，57，59呈在径向完全重叠的状态，此时，导磁元件50即具有两个导磁体51a，51b及两个磁隙，所导磁元件50在图7A及图7C的位置时，虽然所得到的导磁体51a，51b的数量相同，但其磁通量不同，因此，所能传递的扭力也随之变化，因此，导磁元件50可以经由适当的设计及控制，即可改变其变速比，也可改变其所传递的扭力。
从上述图4A与图7A的导磁元件40，50同样采用多个环状(圆筒状)的导磁环(即前述第一环42，52等)径向叠置，导磁环的数量可依实际设计的需求而变动，意即可以有三个或五个导磁环的结合设计，但并不限于此数量。导磁环中的导磁子块的尺寸、排列及数量也可经由适当地设计而能产生不同数量的磁隙，用于得到所需的变数比。
续参阅图8，其为依据本发明磁性变速组件的导磁元件的第三实施例示意图。此导磁元件60包含第一环62与第二环64。第一环62与第二环64轴向连接。导磁元件60配置于前述定子30与转子20之间。第一环62与第二环64可在定子30与转子20间轴向移动，使得在同一时间内，仅会有第一环62及第二环64其中之一被夹置于定子30与转子20内。易言之，当导磁元件60被轴向致动时，导磁元件60选择性地使第一环62或第二环64移至转子20与定子30之间。前述被夹置的第一环62或第二环64方能与定子30与转子20的磁场产生作用，而具有特定变速比。前述第一环62导磁子块63的数量(例如PN1个导磁子块)相异于第二环64导磁子块65的数量(例如PN2个导磁子块)。在图8实施例中，第一环62导磁子块63的数量为32，而第二环64导磁子块65的数量为24，即为适于置换图1实施例中的导磁元件40。在本实施例中的每一导磁子块63，65即个别形成并等效于图4B与图4C中的导磁体46a，46b。
如上所述，第一环62及第二环64同轴连接，请再参阅图8，第一环62及第二环64通过一电绝缘元件66a而同轴连接。同时在第一环62与第二环64的二个外侧端也分别具有电绝缘元件66b，66c。电绝缘元件66a，66b，66c用以固定第二环64的导磁子块65及第一环62的导磁子块63。
再者，请续参阅图9，其为依据本发明磁性变速组件第二实施例的立体分解示意图。从图中可以得知，磁性变速组件包含转子20、定子30及导磁元件70。转子20具有多个磁极，转子20的磁极具有R个极对数。定子30与转子20同轴套设，定子30并具有多个磁极，定子30的磁极具有ST1个极对数。导磁元件70被配置于转子20与定子30之间并具有PN1个导磁子块72(也可称导磁体)，PN1个导磁子块72对应配置于转子20与定子30之间，其中，PN1-3≤R+ST1≤PN1+3。因此，当R为20、PN1为32而ST1为12时，此磁性变速组件的加减速比即为1.6∶1(依据上述式(1))。
其次，从图9可以见悉，导磁子块72的两端由电绝缘元件74a，74b而固定，因此，导磁子块72因切割定子30与转子20磁场而感应的电流将会被限制于每个导磁子块72内而不致泄漏。
依据图9的实施例，每一导磁元件70、定子30及转子20均为中空环形的设计，使得整个磁性变速组件的体积及重量都相当小，并能够易于与电动马达做内部整合，得到较高的驱动功率密度(瓦/公斤，W/Kg或瓦/体积，W/m3)。依据前述实施例，经由导磁元件40，50，60的不同实施态样，即可使得磁性变速组件能切换于不同的变速比之间。接着，若在导磁元件40，50，60所能切换的导磁体46a，46b，51a，51b，51c，51d的数量未能符合式(2)及式(3)时，则也可采用图5A的定子30的实施态样(符合式(2)与式(4))，而能提高不同变速比状态下的稳定性。
再者，关于前述式(2)、式(3)、及式(4)，其以定子30的主简谐波为基础所列的关系式，而若将该些关系式中的定子30的极对数以高阶导磁性简谐波(higher-order permeance harmonics)进行设计，则可得下述关系式：
PN1-3≤R+ST1’≤PN1+3式(5)
PN2-3≤R+ST1’≤PN2+3式(6)
PN2-3≤R+ST2’≤PN2+3式(7)
其中，ST1’及ST2’分别为定子30的高阶导磁的极对数。举例而言，若定子30的主简谐波的极对数为4，则其三阶导磁(the third permeanceharmonics)的极对数即为12，因此，在设计转子20的极对数R、及导磁元件40的导磁体46a，46b的数量PN1，PN2时则有更大的弹性选择空间。
此外，在上述关系式中，定子30所产生的磁场除了采用与转子20的极对数R及导磁元件40的导磁46a，46b同步方式之外，也可采用非同步的设计。当然，也可通过控制定子30的极对数及/或导磁元件40而在同步与非同步之间做切换。
接着，请续参考图10A、图10B、及图10C，其分别为依据本发明磁性变速组件的导磁元件的第四实施例示意图、图10A在10B-10B位置的局部剖面示意图及动作示意图。
图中可以见悉，导磁元件80包含有第一环82及第二环84。第一环82具有多个相互平行、呈条状并以环形方式排列的导磁子块820(也可称第一导磁子块)。第二环84也包含多个相互平行、呈条状并以环形方式排列的导磁子块840(也可称第二导磁子块)。第一环82的导磁子块820与第二环84的导磁子块840在径向交互列置并夹置于于定子30与转子20(请参阅图1)之间。意即第一环82的导磁子块820与第二环84的导磁子块840位于相同或相接近的半径位置，此点可以从图10B中看出。
图10B为图10A在10B-10B位置的局部剖面图，此局部剖面的方式类似于图4B与图2及图4A的剖面关系。意即，图10B所示意的仅为图10A部分弧段的剖面图。
图10B示意导磁元件80的第一环82与第二环84位于第一位置的状态，在此第一位置时，导磁子块820，840相互之间均具有一个距离，且各导磁子块820，840自成一个导磁体。此处所述的距离在附图中虽呈等距状态，但并不以此为限，只要两两导磁子块820，840间形成前述的气隙，而使得相邻的导磁子块820，840不形成前述的导磁体作用时，即可，即使导磁子块820，840间的距离非等距也可。
而在图10C中则示意导磁元件80的第一环82与第二环84位于第二位置的状态，在第二位置时，二相邻的导磁子块820，840相互靠拢，使得两两靠拢的导磁子块820，840形成一个导磁体。此处所述的靠拢指两相邻的导磁子块820，840之间的距离足够小到使该两相邻的导磁子块820，840形成单一导磁体的状态。
从图10B及图10C可以得知，在10B图所形成的导磁体数量为图10C的导磁体数量的两倍。因此，导磁元件80可以经由控制而改变其导磁体数量。
关于控制导磁元件80变化其导磁体数量的致动元件88(请参阅图10A)，可以采用电动马达或气压阀等元件。此致动元件88也可应用于图1、图7A、图8、及图11A的实施例中。当然，若将此致动元件88改成固定式，由人工拨动控制也可。
续，请参阅图11A、图11B、及图11C，其分别为依据本发明磁性变速组件的导磁元件的第四实施例示意图、图11A在11B-11B位置的局部剖面示意图及动作示意图。其附图表示方式与图10A、图10B、及图10C相似，故不再赘述。
从图中可以看出导磁元件80的第四实施例包含第一环92、第二环94、及第三环96。第一环92、第二环94及第三环96分别具有多个导磁子块920，940，960(也可分别称为第一、第二、第三导磁子块)，第一导磁子块920、第二导磁子块940、及第三导磁子块960在径向依序列置并被夹置于该定子30与该转子20之间，各导磁子块920，940，960位于相同或相接近的半径位置(即距离圆心的半径相当)，因此，当第一环92、第二环94及第三环96位于如图11B所示的第一位置时，各导磁子块920，940，960各自成为一个独立的导磁体，使此导磁元件90具有PN1个导磁体，而第一环92、第二环94及第三环96位于如图11C所示的第二位置时，相邻的三个导磁子块920，940，960相互靠拢并形成一个导磁体，使此导磁元件90具有PN2个导磁体，因此，位于第一位置的导磁元件90所形成的导磁体的数量PN1为位于第二位置的导磁体的数量PN2的三倍。
除此之外，请参阅图11D，其为第一环92、第二环94及第三环96位于第三位置的示意图，图中可以看见，第三环96的导磁子块960与第二环94的导磁子块940相互靠拢，而第一环92的导磁子块920则未与(第二、第三)导磁子块940，960靠拢(或称接近或接触)，因此，靠拢的导磁子块940，960形成导磁体，而(第一)导磁子块920则独立形成一个导磁体，使导磁元件90具有PN3个导磁体，是以图11D所形成的导磁体的数量PN3为图11C所形成导磁体数量PN2的二倍。其中PN3可满足下式(5)：
PN3-3≤R+ST1≤PN3+3式(8)
再者，第一环92、第二环94及第三环96的相对位置也可采用非等距的方式排列，而使得导磁体所占弧长与磁隙所占弧长不相等，也能达到传递动力的目的，唯其所传递的扭矩也将有所变动。
关于前述式(1)中m与k的关系，除了上述的m＝-k＝1之外，也可采用m＝k＝1，如此一来，定子30的极对数ST1、转子20的极对数R、及导磁元件40的导磁体46a，46b的数量PN1，PN2的关系式即须进行调整，其中，当转子20的极对数R大于定子30的极对数ST1时，其关系式如下：
R-3≤PN1+ST1≤R+3式(9)
R-3≤PN2+ST1≤R+3式(10)
R-3≤PN3+ST1≤R+3式(11)
PN3-3≤R+ST1≤PN3+3、或R-3≤PN3+ST1≤R+3、或ST1-3≤PN3+R≤ST1+3。
当当转子20的极对数R小于定子30的极对数ST1时，其关系式如下：
ST1-3≤PN1+R≤ST1+3式(12)
ST1-3≤PN2+R≤ST1+3式(13)
ST1-3≤PN3+R≤ST1+3式(14)
上述式(9)到式(14)中的定子30极对数ST1，ST2也可分别替换前述的高阶导磁的极对数ST1’或ST2’(即将式(5)到式(7)中的ST1，ST2替换为ST1’，ST2’)。
最后，关于前述将本发明的磁性变速组件应用于分段相位驱动(Splitphase)或电磁变速的马达的方式，兹说明如下。其中分段相位驱动所得到的变速比大于1，而电磁变速方式的变速比则可能大于或小于1。
请搭配图12阅览之。图中可以见悉，定子30是位于转子20的径向内侧，而导磁元件99则位于定子30与转子20之间。定子30具有绕线臂300，从图中可以看出，定子30共有12个绕线臂300。在使用传统的分段相位驱动(Split phase)或电磁变速的马达时，须参考一绕线表(winding chart，或称分段相位绕线表)，如下表所示，此绕线表并非用以限制本发明的范围。
Figure BDA0000049545880000152
Figure BDA0000049545880000161
当将此绕线表应用于未有本发明的导磁元件99的结构下(也就是将图12中的导磁元件99移除的结构)，可用以得知定子30的各绕线臂300所需绕线的方式及可得的减速比。图中所示的A，B，C分别表示第一相位绕线方式、第二相位绕线方式、第三相位绕线方式，而a，b，c则分别表示与第一相位反相的绕线方式、与第二相位反相的绕线方式、及与第三相位反相的绕线方式。在未采用导磁元件99的结构时，若转子20的磁数为4，而定子30绕线臂300的数量为9，且其采用ABaCAcBCb方式绕线，则可得到2∶1的减速比。
其中ABaCAcBCb每个字母均代表一个绕线臂300的绕线方式，并依定子30的绕线臂300采顺时针或逆时针方式配置，以上述ABaCAcBCb绕线方式为例，第一绕线臂300采用第一相位绕线方式(A)、第二绕线臂300采用第二相位绕线方式、第三绕线臂300采用与第一相位相反的绕线方式(a)、而第四绕线臂300则采用第三相位绕线方式(C)，以下依此类推。前述第一、二、三、四绕线臂300在定子30上依顺时针方式依序相邻的绕线臂300。
请再参考图12的应用例，其定子30具有12个绕线臂300，若每一个绕线臂300独立绕设线圈且相邻绕线臂300绕设不同相位的线圈时，则此定子30将具有12个磁极数，亦即定子30的极对数ST1为6(磁极数为极对数的两倍)。而转子20的极对数R为10(即磁极数为20)。导磁元件99的导磁体的数量PN1为8，因此，依下述式(15)可以得知在导磁元件99与定子30之间的空隙990中的定子侧极对数R2即为2。是以该定子侧磁极数为4。
R2＝|R-PN1|式(15)
接着，以该定子侧磁极数4与定子的绕线臂300的磁极数12查上述绕线表，可得到其绕线方式为AcBaCbAcBaCb，是以在导磁元件99与定子30间可得到的减速比为2∶1，另外，在转子20与导磁元件99间的减速比则为5(R/R2＝10/2＝5)，是以图12的整个分段相位驱动马达的减速比将达到10∶1(即2∶1乘上5∶1)。
此外，若将上述定子30中两两相邻的绕线臂300视为一绕线臂组并绕有相同相位的绕线，则定子30将具有6个磁极数，而增加其变化性。
其次，上述的导磁元件99若经由致动后，其导磁体的数量变化为6(PN2)，此时的定子侧极对数即为4(套用式(15)，因此，使用绕线表时，磁数即为8，而能够产生不同的减速比。
再者，用以计算定子侧极对数的式(15)也可变化为下式(16)。
R2＝R+PN1式(16)
前述马达定子线圈的驱动方式(或称激磁方式)可以采用交流电流方式(AC current)驱动(如同步马达方式驱动)，也可采用脉波宽度调变(Pulse WidthModulation，PWM)方式所产生的方波或弦波(如无刷直流马达的驱动方式)。
综上所述，由于实施例中的磁性变速组件包含了电动马达或发电机的定子与转子的设计，并具有变速的结构设计，能易于与电动马达的马达驱动器或发电机的取电电路(如整流稳压等电路)做整合，而形成可变速的电动马达或可变速的发电机，此整合后的可变速电动马达同时具有产生旋转动力及变速的功能，但体积及重量则仅约为原电动马达的体积及重量，达到较高的驱动功率密度。同时，磁性变速组件采用电磁式的变速，故能降低振动及噪音。再者，在电动车产业的应用中，此可变速电动马达即能配合不同的行车扭力需求及行驶速度要求，且能保持高效率运转。

Claims (21)

1.一种磁性变速组件，包含：
转子，具有多个磁极，该转子的该些磁极具有R个极对数；
定子，与该转子同轴套设，该定子具有多个磁极，该定子的该些磁极具有ST1个极对数；以及
导磁元件，至少包含一第一环及一第二环，该导磁元件位于该转子与该定子之间并具有多个导磁体，当该导磁元件被致动时，该导磁元件选择性地使PN1个或PN2个该些导磁体对应于该转子与该定子之间，其中，PN1-3≤R+ST1≤PN1+3、或R-3≤PN1+ST1≤R+3、或ST1-3≤PN1+R≤ST1+3。
2.如权利要求1所述的磁性变速组件，其中PN2-3≤R+ST1≤PN2+3、或R-3≤PN2+ST1≤R+3、或ST1-3≤PN2+R≤ST1+3。
3.如权利要求1所述的磁性变速组件，其中该第一环与该第二环轴向连接，该第一环具有PN1个导磁子块，该第二环具有PN2个导磁子块，当该导磁元件被轴向致动时，该导磁元件选择性地使该第一环或该第二环移动至该转子与该定子之间。
4.如权利要求1所述的磁性变速组件，其中该第一环位于该第二环的径向外侧且该第一环及该第二环配置于该定子与该转子之间，当该导磁元件被致动时，该第一环与该第二环相对运动于一第一位置与一第二位置之间，当该第一环与该第二环位于该第一位置时，该导磁元件具有PN1个该导磁体，当该第一环与该第二环位于该第二位置时，该导磁元件具有PN2个该导磁体。
5.如权利要求4所述的磁性变速组件，其中该第一环具有多个第一导磁子块，该第二环具有多个第二导磁子块，当该第一环与该第二环位于该第一位置时，两相邻的该些第一导磁子块与该些第二导磁子块形成该PN1个导磁体之一，当该第一环与该第二环位于该第二位置时，该些第一导磁子块与该些第二导磁子块分别形成该PN2个导磁体之一。
6.如权利要求1所述的磁性变速组件，其中该定子包含多个感应线圈，该些感应线圈被通电时形成该些磁极。
7.如权利要求6所述的磁性变速组件，其中该定子另包含一极数调变电路，该极数调变电路选择性地切换该些感应线圈于该ST1个极对数及一ST2个极对数之间。
8.如权利要求7所述的磁性变速组件，其中该定子另包含环形配置的多个凸块，该些感应线圈分别绕于该些凸块，当该些感应线圈被切换至该ST1个极对数时，相邻的该些感应线圈的极性相反，当该些感应线圈被切换至该ST2个极对数时，该些感应线圈被群组为多个线圈组，且相邻的该些线圈组的极性相反。
9.如权利要求8所述的磁性变速组件，其中PN2-3≤R+ST2≤PN2+3。
10.如权利要求8所述的磁性变速组件，其中每一该些线圈组包含三个依序相邻的该些感应线圈。
11.如权利要求8所述的磁性变速组件，其中该第一环与该第二环轴向连接，该第一环具有PN1个导磁子块，该第二环具有PN2个导磁子块，当该导磁元件被轴向致动时，该导磁元件选择性地使该第一环或该第二环被移至该转子与该定子之间。
12.如权利要求8所述的磁性变速组件，其中该第一环与该第二环径向接触并夹置于该定子与该转子之间，当该导磁元件被致动时，该第一环与该第二环相对位移于一第一位置与一第二位置之间，当该第一环与该第二环位于该第一位置时，该导磁元件具有PN1个该些导磁体，当该第一环与该第二环位于该第二位置时，该导磁元件具有PN2个该些导磁体。
13.如权利要求1所述的磁性变速组件，其中该第一环具有多个环状列置的第一导磁子块，该第二环具有多个环状列置的第二导磁子块，该些第一导磁子块与该些第二导磁子块在径向交错列置并被夹置于该定子与该转子之间，当该导磁元件被致动时，该第一环与该第二环相对运动于一第一位置与一第二位置之间，当该第一环与该第二环位于该第一位置时，两相邻的该些第一导磁子块与该些第二导磁子块形成该PN1个导磁体之一，当该第一环与该第二环位于该第二位置时，该些第一导磁子块与该些第二导磁子块分别形成该PN2个导磁体之一。
14.如权利要求1所述的磁性变速组件，其中该导磁元件还包含第三环，该第一环具有多个环状列置的第一导磁子块，该第二环具有多个环状列置的第二导磁子块，该第三环具有多个环状列置的第三导磁子块，该些第一导磁子块、该些第二导磁子块、及该些第三导磁子块在径向依序列置并被夹置于该定子与该转子之间，当该导磁元件被致动时，该第一环、该第二环及该第三环相对运动于一第一位置、一第二位置及一第三位置之间，当该第一环、该第二环及该第三环位于该第一位置时，三相邻的该些第一导磁子块、该些第二导磁子块及该些第三导磁子块形成该PN1个导磁体之一，当该第一环、该第二环及该第三环位于该第二位置时，该些第一导磁子块、该些第二导磁子块及该些第三导磁子块各自形成该PN2个导磁体之一，当该第一环、该第二环及该第三环位于该第三位置时，两相邻的该些第二导磁子块及该些第三导磁子块形成PN3个导磁体之一，且该些第一导磁子块各自形成该PN3个导磁体之一，其中PN3-3≤R+ST1≤PN3+3、或R-3≤PN3+ST1≤R+3、或ST1-3≤PN3+R≤ST1+3。
15.如权利要求1所述的磁性变速组件，其中该导磁元件的材料为软磁材料(Soft Magnetic Composite，SMC)。
16.一种磁性变速组件，包含：
转子，具有多个磁极，该转子的该些磁极具有R个极对数；
定子，与该转子同轴套设，该定子具有多个磁极，该定子的该些磁极具有ST1个极对数及ST1’个高阶导磁的极对数；以及
导磁元件，至少包含一第一环及一第二环，该导磁元件位于该转子与该定子之间并具有多个导磁体，当该导磁元件被致动时，该导磁元件选择性地使PN1个或PN2个该些导磁体对应于该转子与该定子之间，其中，PN1-3≤R+ST1’≤PN1+3、或R-3≤PN1+ST1’≤R+3、或ST1’-3≤PN1+R≤ST1’+3。
17.如权利要求16所述的磁性变速组件，其中PN2-3≤R+ST1’≤PN2+3、或R-3≤PN2+ST1’≤R+3、或ST1’-3≤PN2+R≤ST1’+3。
18.如权利要求16所述的磁性变速组件，其中该第一环与该第二环轴向连接，该第一环具有PN1个导磁子块，该第二环具有PN2个导磁子块，当该导磁元件被轴向致动时，该导磁元件选择性地使该第一环或该第二环移动至该转子与该定子之间。
19.如权利要求16所述的磁性变速组件，其中该第一环位于该第二环的径向外侧且该第一环及该第二环配置于该定子与该转子之间，当该导磁元件被致动时，该第一环与该第二环相对运动于一第一位置与一第二位置之间，当该第一环与该第二环位于该第一位置时，该导磁元件具有PN1个该些导磁体，当该第一环与该第二环位于该第二位置时，该导磁元件具有PN2个该些导磁体。
20.如权利要求19所述的磁性变速组件，其中该第一环具有多个第一导磁子块，该第二环具有多个第二导磁子块，当该第一环与该第二环位于该第一位置时，两相邻的该些第一导磁子块与该些第二导磁子块形成该PN1个导磁体之一，当该第一环与该第二环位于该第二位置时，该些第一导磁子块与该些第二导磁子块分别形成该PN2个导磁体之一。
21.一种磁性变速组件，包含：
转子，具有多个磁极，该转子的该些磁极具有R个极对数；
定子，与该转子同轴套设，该定子具有多个磁极，该定子的该些磁极具有ST1个极对数；以及
导磁元件，配置于该转子与该定子之间并具有PN1个导磁子块，PN1个该些导磁子块对应于该转子与该定子之间，其中，R-3≤PN1+ST1≤R+3、或ST1-3≤PN1+R≤ST1+3。
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