CN102842973A

CN102842973A - 电磁变速马达

Info

Publication number: CN102842973A
Application number: CN2012101413479A
Authority: CN
Inventors: 彭明灿; 提母.福来克
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: CN102842973B; US20120326553A1; EP2538530A2; TW201301717A; TWI452803B

Abstract

本发明公开一种电磁变速马达，其包含具有多个永磁结构的转子、与该转子同轴设置并具有定子齿及定子槽的定子、以及与该转子及该定子同轴设置并位于该转子及该定子间的变速模块，其中，该变速模块的极数不大于该定子槽的槽数。借此，电磁变速马达的定子和变速模块即可完全整合，也可使变速模块的间隙完全吻合于定子的定子槽。而本发明的结构设计不但能简化组件数量，也能强化结构，进而有效降低制造厂商整体的成本。

Description

电磁变速马达

技术领域

本发明涉及一种电磁变速马达，尤其是涉及一种令变速模块的极数不大于定子槽的槽数的电磁变速马达。

背景技术

所谓的电磁变速马达是利用马达气隙间磁场的调变来产生转子的变速效果，而变速模块用以提供磁场调变的功效。

参照图1所绘示的电磁变速马达1，即可清楚了解到现有的电磁变速马达的设计。如图1所示，电磁变速马达1包括转子10、变速模块11、定子12、及绕组13，其中，转子10具有永磁结构100，定子12形成定子齿120及定子槽121，而定子12和变速模块11为分离设置的固定形式。随着不同的需求，定子12和变速模块11也可设计成一体成型的形式。

然而，由图1绘示的结构示意图可知，变速模块11和定子12的定子齿120并不能在几何形状上契合，故变速模块11的气隙和定子槽121会随着设置角度的变化产生不同的间隔距离和错开情形，而这即产生了定子漏感的缺失，同时一并影响到电磁变速马达整体的功率和力矩输出。另外，即便在将定子12和变速模块11设计为一体成型的型态中，也因为变速模块11和定子12无法于几何形状上契合的缘故存在着制造不易的问题，也会伴随着结构较脆弱，与不易将绕组13置入定子槽121中的制作工艺困扰。

因此，如何提供一种能具有于几何形状上完全契合的变速模块和定子的电磁变速马达设计，遂为目前业界亟待解决的课题。

发明内容

鉴于现有技术的缺失，本发明的主要目的在于提供一种能让变速模块和定子于几何形状上完全契合的电磁变速马达。

为了达到上述目的及其它目的，本发明提供一种电磁变速马达，其包含：转子，其具有多个永磁结构；定子，其与该转子同轴设置，并具有定子齿及定子槽；以及变速模块，其与该转子及定子同轴设置，并位于该转子及该定子间，其中，该变速模块的极数小于或等于该定子槽的槽数，且该定子的磁对数与该转子的磁对数的比例，为1：n或n：1，而n大于1。

在本发明的一具体实施例中，变速模块及定子符合“2（m）（npb）=|GR±1|”的设计公式。其中，m为相数，npb为每个相位区中的槽数(number of slotsper phase band)，GR为变速比，变速比等于转子的极数除以定子的极数，p1、p2各为转子和定子的极对数。

其次，本发明还提供一种电磁变速马达，其包含转子、定子、以及变速模块，其中，该转子具有永磁结构；该定子与该转子同轴设置，并具有定子齿及定子槽；该变速模块与该转子及该定子同轴设置，并位于该转子及该定子间，其中，该变速模块的数量为该变速模块的周期群组的整数倍。

在一实例中，该变速模块的周期群组为该转子的极对数加/减该定子的极对数的绝对值。

在另一实例中，该变速模块的数量为该转子的极对数加/减该定子的极对数的绝对值。

相比较于现有技术，本发明借由马达定子极对数的切换并配合变速模块的切换，即可达成变速比的改变。而由于本发明提供的电磁变速马达具有结构相等的变速模块与定子槽（定子齿），所以不但能将变速模块的设置位置完全对齐于定子齿的设置位置，也能进一步将变速模块整合于定子齿上，借此达成几何形状上的完全契合，有效地避免定子漏感、结构强度不足、及组装不易等困扰。

附图说明

图1为现有的电磁变速马达的结构示意图；

图2A、图2B、图2C为本发明的电磁变速马达的一结构示意图；

图3为图2A及图2B揭示的电磁变速马达的一部分放大结构示意图；

图4为图2A及图2B揭示的电磁变速马达的另一部分放大结构示意图；

图5A及图5B为本发明的电磁变速马达的另一结构示意图；

图5Ｃ为能使用于图5A及图5B的电磁变速马达的定子绕线表图；

图6A及图6B为本发明的电磁变速马达的又一结构示意图；

图6Ｃ为能使用于图6A及图6B的电磁变速马达的定子绕线表图；

图7A为本发明的电磁变速马达的另一结构示意图；

图7B为图7A的局部放大图；以及

图7C为图7B的一变化示意图。

主要组件符号说明

1、2、5、6、7 电磁变速马达

10、20、50、60、70 转子

100、200、600、700 永磁结构

11、21、51、61、71、71a、71b、71c、71d 变速模块

12、22、52、62、72 定子

120、220、520、620、720 定子齿

121、221、521、621、721 定子槽

13 绕组

210、71a1、71b1 固定组件

211、71a2、71b2 可动组件。

具体实施方式

以下借由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士，可借由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。而本发明也可借由其它不同的具体实施例加以施行或应用。

图2A、图2B及图2C所绘示的结构示意图，其用以提供本发明的电磁变速马达的具体架构。如图所示，电磁变速马达2包括转子20、变速模块21、以及定子22。

转子20具有多个永磁结构200。定子22与转子20同轴设置，并具有定子齿220及定子槽221。变速模块21与转子20及定子22同轴设置，并位于转子20及定子22间。而本发明主要的技术重点，在于将变速模块21的极数设计为小于或等于定子槽221的槽数。

于将变速模块21的极数设计为等于定子槽221的槽数的实施方式，可参照本发明绘示的图2A及图2B，而于此实施例中，由于定子槽221的槽数与定子齿220的齿数为相同，故定子齿220的齿数也会与变速模块21的极数相同。而图2C所示的实施方式，即在于说明可选择性地将变速模块21的极数设计为小于定子槽221的槽数的形式，具体来说，图2C绘示的变速模块21的极数只有图2A、图2B所示的一半，同时，于图2C中变速模块21选择以间隔分配的态样来将变速模块21整合于定子齿220，当然，图2C中变速模块21也可选择以具有间隙的形式对齐于定子齿220上。

具体来说，电磁变速马达2可设计为轴向磁通式马达、径向磁通式马达或线性马达而用BLDC、BLAC或和永磁同步马达类似的驱动方法驱动，并得反之将机械能转成电能而应用为发电机，而变速模块21与定子22也可设计为一体成型或分离设置。于图2A所示的分离设置的情形，变速模块21与定子22之间可形成有气隙。当然，变速模块21与定子22也可设计为一体成型，即如图2B所示将变速模块21与定子22间的气隙消除，同时将变速模块21整合于定子22上。而当变速模块21与定子22间的气隙被消除时，绕组（未图标）也可从定子齿220向上缠绕到变速模块21，进而提升整体功率。当然，绕组可借由单层（single-layer）或多层（multi-layer）的方式予以设置。

此外，定子22的定子齿220的弧度，可设计为等同于转子20的永磁结构200的弧度，当然，定子齿220的弧度也可视转子20上的永磁结构200的极数而定，例如于定子齿220弧度比例较大的情形中，因为转子20上的永磁结构200所产生正、反磁极可相互抵消，所以可减少定子22上磁饱合的现象，进而增加扭力密度。另，定子22的磁对数相对于转子20的磁对数的比例，可设计为1：n或n：1，而n大于1。实际实施时，本发明较常以n>2，或n<2但接近2来进行设计，也就是n不会接近1。

其次，在本发明的设计中，变速模块21及定子22可符合“2（m）（npb）=|GR±1|”的设计公式，其中，m为定子22的相数，npb为定子22每个相位区中的槽数，GR为变速比，变速比等于转子20的极对数除以定子22的极对数，p1、p2各为转子20和定子22的极对数，而由于转子20或定子22的极对数为转子20或定子22的极数除以2，故变速比也可等于转子20的极数除以定子22的极数。

在一实施例中，当变速比为GR，转子极对数为pl，定子极对数为p2时，可得到GR=pl/p2。假设变速模块有N极，电磁变速马达中N=｜pl±p2｜。再假设定子22的定子槽221的数量为Ns，相数为m，定子22的极对数为p2，且每个相位区中有npb个定子槽221，则可得到Ns=2(m)(npb)(p2)。为了让变速模块21的极数和定子槽221的数量相同，如图2A、图2B所示，即可令N=｜pl±p2｜=2(m)(npb)(p2)=Ns。在代入GR=p1/p2后，遂可归纳出本发明的第一个设计公式“2(m)(npb)(p)=｜GR±1｜”。

套用此设计公式后，于变速比（GR）=5，定子的极对数（p2）=4，转子的极对数（p1）=20，变速模块的极数（N）=24的情形中，一个具有完整节距(fully-pitched)的八极三相马达，即可形成24个定子槽，因此，定子22和变速模块21可于几何结构上完全地对齐与整合。当然，于一个不同的实施例中p1除了可以大于p2，p1也可以小于p2。

再一并连同图2A、图2B、图2C来参阅图3所绘示的放大示意图进而了解前述的变速模块21的其它设计型态。如图所示，变速模块21可包括能直接固定于定子齿220上的固定组件210，及相对于该固定组件210能位移自如的可动组件211，也就是变速模块21可由固定组件210及可动组件211所组成，借此提供较佳的使用弹性。当然，变速模块21也可设计成具有多个可动组件211。例如，变速模块21的极数可以变成二倍，即变成2N，再配合定子极对数的变化(由p1变成p1’)，以符合电磁变速马达|p1’±p2|=2N的公式，可以进而造成变速比由p2/p1变成p2/p1’的效果。

以下兹将图2A、图2B、图2C并同图4所绘示的放大示意图，以说明前述的定子22的其它设计型态。由图标可知，在一般的情形下，定子齿220的弧度可等于定子槽221的弧度，但为了提供不同的实施特性，定子齿220的弧度也可设计为大于定子槽221的弧度。

此外，本发明提供的电磁变速马达也可不使用前述的设计公式来进行设计。

参照图5A、图5B所绘示的电磁变速马达5，转子50具有多个永磁结构，定子52与转子50同轴设置，并具有9个定子齿520及定子槽521，变速模块51与转子50及定子52同轴设置，并设置于转子50及定子52间，且具有相同于定子槽521的槽数的极数。而定子52与变速模块51可设计为分离设置（如图5A）或一体成型（如图5B）的实施例。

而电磁变速马达5的绕组（未图标）的绕线方式可参照图5C所揭示的绕线表，也就是，将图5A、图5B中标示的定子槽521的编号，搭配图5C的教示，即可将设置于定子上的绕组（未图标）形成双层绕组，而定子52一样可达到8极，也就是极对数p2=4。另外，因电磁变速马达5的变速模块51共有26极，而转子50极对数可为13，故，可达到13/4的变速比。

另外也请参照图6A至图6C，以了解本发明的电磁变速马达还可符合“|(R/2)±P1|=Ns”的设计公式。需先提出说明的是，此设计公式得应用在将LRK(Lucas,Retzbach and Kühfuss)马达的定子及其绕组的绕线方式，应用为本发明的电磁变速马达的定子时，其中，R为LRK马达的转子（磁）极数，Ns为LRK马达的定子的绕线臂数量（即定子槽的槽数），而P1为本发明的电磁变速马达的转子的极对数。当然，绕组（未图标）的绕线方式除了可用LRK(Lucas,Retzbach and Kühfuss)马达的绕线方式外，也可用D-LRK(distributed LRK)马达的绕线方式，以形成分段相位驱动(Split phase)马达。

具体来说，本发明的电磁变速马达6也包括具有多个永磁结构600的转子60，与转子60同轴设置并具有定子齿620及定子槽621的定子62，以及与转子60及定子62同轴设置并位于转子60及定子62间的变速模块61，且定子槽621的数量与变速模块61的极数相同，且定子62的磁对数与转子60的磁对数的比例，为1：n或n：1，而n大于1。

而定子62中的绕组（未图标）的绕线方式，得以参考图6Ｃ所揭示的绕线表(winding chart)，也就是将图6A及图6B中标示的A、a、B、b、C、c搭配图6Ｃ所揭示的绕线表。

具体来说，图6A、图6B中所示的A、B、C，分别表示第一相位、第二相位、及第三相位于定子齿620上为顺时针的绕线方式，而a、b、c则个别表示与第一相位反相、与第二相位反相、及与第三相位于定子齿620上为逆时针的绕线方式。再而，借图6C所示，初步了解传统的LRK马达设计的定子绕线方式。在LRK马达设计（即未采用如同本发明的变速模块）上，若转子的极数（即#of magnet poles）设定为4，定子的定子槽621（即绕线臂，Number of stator arms）的数量设定为9，且其采用“ABaCAcBCb”的方式进行绕组的绕线程序时，可得到2:1的传统变速比。

实际构成如同本发明图6A、图6B所示的令变速模块61能完全整合于定子齿620的结构设计时，由于定子62的定子槽621或定子齿620的数量，在此例示为12，故设计人员能选择图6C中Number of stator arms为12与#ofmagnet poles为14，并以对应的绕线方式对定子62进行绕组的绕线，即Ns=12，R=14。此时，由于变速模块61的极数等于定子槽621的槽数，故变速模块61的极数也等于12，也就是Ns=12也能代表变速模块61的极数。而参照设计公式“|(R/2)±P1|=Ns”更可进一步可知，转子60的极对数P1需要为19，因此，设计人员遂能据此将本发明的转子60的永磁结构600规划成38个，以完成本发明的电磁变速马达的配置。

另外，如图7A所示，为本发明另一实施例的电磁变速马达。如图所示，电磁变速马达7具备转子70、变速模块71及定子72。

转子70具有永磁结构700；定子72与转子70同轴设置，并具有定子齿720及定子槽721；变速模块71与转子70及定子72同轴设置，并位于转子70及定子72间。需说明的，转子70、变速模块71与定子72的细部结构特征，与前述实施例相似，故不再赘述。

然而，本实施例与前述实施例主要的差异在于，变速模块71的数量为定子齿720的数量的整数倍，且变速模块71的极对数，为转子70的极对数加/减定子72的极对数的绝对值。举例言之，若变速模块71的极对数为N，转子70的极对数为R，定子72的极对数为S，则N=|R±S|。

在本实施例中，变速模块71与定子72可为分离设置，即如图7A所示。当然，变速模块71与定子72也可设计为一体成型。此外，变速模块71的数量也可予以调整，也就是设计成同样包括固定组件，及相对于固定组件位移自如的可动组件的形式，而固定组件可与定子72一体成型，其概念可参照图3。

将图7A并同图7B（图7A的局部分放大示意图）可进一步得知，于此实施例中，变速模块71形成为平均分布的型式。详言之，如图7B所示，变速模块71a、71b、71c、71d的间隔角度为θ₀，变速模块71的周期群组为N，变速模块71的数目为Ns，定子72的极对数为S，转子70的极对数为R，则Ns=qN（q例如为1、2、3的整数），N=|S±R|。且假设q=1，则0≦θ₀≦2π/N。又假设q>1，则0≦θ₁+.....+θ_(q-1)≦2π/N。而多个周期群组N之间为平均分布的型式(如图7B所示，θ₀为固定)，但个别周期群组N内部的个别变速模块间可为平均分布，也可无须为平均分布。

在另一实施例中，令变速模块的周期群组为N，变速模块的数目为Ns，定子的极对数为S，转子的极对数为R，则Ns=qN（q例如为1、2、3的整数），而与前述实施例不同的地方，变速模块的数目Ns=|S±R|。且假设q=1，则0≦θ₀≦2π/N。又假设q>1，则0≦θ₁+.....+θ_(q-1)≦2π/N。

此外，若将固定组件及可动组件的概念应用图7B，则图7B可变化为如图7C所示，即Ns=2N，变速模块71a分为固定组件71a1及可动组件71a2，变速模块71b分为固定组件71b1及可动组件71b2，同样的是，固定组件71a1及固定组件71b1的间隔角度为θ₀。

因此，当电磁变速马达7应用于驱动电动车的情境时，若使用者处于上坡起步此类运作情境时，可选择通过相关的控制装置将变速模块71的可动组件移动一个角度，如移动±θ，则可大幅减小阻力，协助起步。另外，当使用者欲减缓车速或停车时，也可以选择将变速模块71的可动组件移动一个角度，以借由电磁变速马达7本身的阻力提供协助。

整体而言，本发明的技术内涵在于「变速比可改变」，借由马达定子极对数的切换(例如使用功率组件)，并配合变速模块的切换，即可达成变速比的改变(变速比=转子极数/定子极数)。

综上所述，本发明提供的电磁变速马达能符合特定的设计公式，进而使电磁变速马达的定子和变速模块可以选择性地于几何结构上完全整合在一起。而相较于现有技术，由于本发明能令变速模块于几何学上完全吻合于定子，故可进一步简化电磁变速马达的制作工艺，精简马达组件的数量，同时还可令电磁变速马达的结构变得更加坚固，并让绕组更容易地被置入，换言之，本发明可大幅降低制造厂商整体的制造成本。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种电磁变速马达，其包含：

转子，其具有永磁结构；

定子，其与该转子同轴设置，并具有定子齿及定子槽；以及

变速模块，其与该转子及该定子同轴设置，并位于该转子及该定子间，其中，该变速模块的极数小于或等于该定子槽的槽数，且该定子的磁对数与该转子的磁对数的比例，为1：n或n：1，而n大于1。

2.根据权利要求1所述的电磁变速马达，其特征在于，该变速模块及该定子符合2（m）（npb）=|GR±1的设计公式，而m为相数，npb为位于每个相位区中该定子槽的槽数，GR为变速比，变速比为该转子的极数除以该定子的极数。

3.根据权利要求1所述的电磁变速马达，其特征在于，该定子采用分段相位驱动(Split phase)马达的设计，而该电磁变速马达符合|(R/2)±P1|=Ns的设计公式，R为分段相位驱动马达设计的转子极数，P1为该转子的极对数，Ns为该变速模块的极数及该定子的定子槽的槽数。

4.根据权利要求1所述的电磁变速马达，其特征在于，该变速模块与该定子为一体成型或分离设置。

5.根据权利要求1所述的电磁变速马达，其特征在于，该变速模块包括固定组件，及相对于该固定组件位移自如的可动组件。

6.根据权利要求5所述的电磁变速马达，其特征在于，该固定组件与该定子为一体成型。

7.根据权利要求1所述的电磁变速马达，其特征在于，该电磁变速马达设计为轴向磁通式马达、径向磁通式马达、或线性马达。

8.根据权利要求1所述的电磁变速马达，其特征在于，该定子齿的弧度大于该定子槽的弧度。

9.根据权利要求1所述的电磁变速马达，其特征在于，该定子齿的弧度等于该永磁结构的弧度。

10.根据权利要求1所述的电磁变速马达，其特征在于，该电磁变速马达应用为发电机。

11.一种电磁变速马达，其包含：

转子，其具有永磁结构；

定子，其与该转子同轴设置，并具有定子齿及定子槽；以及

变速模块，其与该转子及该定子同轴设置，并位于该转子及该定子间，其中，该变速模块的数量为该变速模块的周期群组的整数倍。

12.根据权利要求11所述的电磁变速马达，其特征在于，该变速模块的周期群组为该转子的极对数加/减该定子的极对数的绝对值。

13.根据权利要求11所述的电磁变速马达，其特征在于，该变速模块的数量为该转子的极对数加/减该定子的极对数的绝对值。

14.根据权利要求11所述的电磁变速马达，其特征在于，该变速模块与该定子为一体成型或分离设置。

15.根据权利要求11所述的电磁变速马达，其特征在于，该变速模块包括固定组件，及相对于该固定组件位移自如的可动组件。

16.根据权利要求13所述的电磁变速马达，其特征在于，该固定组件与该定子为一体成型。

17.根据权利要求11所述的电磁变速马达，其特征在于，该变速模块形成为平均分布的型式。