CN1384584A - 高效能的定子装置 - Google Patents
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Abstract
一种高效能的定子装置,尤指一种用于电动机或发电机的定子装置,各套定子线圈之间的线头、线尾各自独立,并经由开关器控制系统予以个别连结,形成定子部各种单相、三相线圈型态的多个连结的线圈网络,该线圈网络借助于开关器控制系统即可使定子部的线圈匝数具有密集多样式的变换,即可改变电动机和发电机的反电动势常数KE值和扭力常数KT值;因此电动机和发电机在低、中、高速的运转工作范围内可保持很平均的高运转工作效率值。
Description
本发明有关于一种高效能的定子装置，其所涉及的领域为电动机和发电机的反电动势常数KE值以及扭力常数KT值经由本发明申请的实施即可将其适当改变，因此，在同一个电动机和发电机，可根据电动机运转的需求而适当地改变扭力常数KT值，同样地发电机也可在运转转速中根据发电输出电压的需求而改变反电动势常数KE值，以下列公式即可对其进行说明：
B＝KE·Ω KE＝B·D·L·Z/2
T＝KT·Ia KT＝B·D·L·Z/2
E：反电动势电压(Volt：伏特) T：输出扭力(N-m)
KE：反电动势常数 KT：扭力常数
Ω：电枢转速(red/sec) Ia：电枢电流(Ampere：安培)
B：气隙磁通密度(Gauss：高斯) D：电枢外径(cm)
L：叠积厚度(cm) Z：总导体数(匝数)
由上式可知，反电动势常数KE值＝扭力常数KT值，又总导体数Z(线圈)和KE值、KT值都成正比关系，因此在同一个电动机和发电机定子部的线圈总导体Z改变，即可使反电动势常数KE值和扭力常数KT值也对应随之改变。
电动机扭力值的大小，由上述所示：T＝KT·Ia式可知，是由扭力常数KT值和电枢电流Ia的乘积而得到，但是传统电动机定子部的线圈都是单一激磁线圈的绕线方式，因此其扭力常数必然为一定值，如要变动电动机的扭力T值，则只能改变电枢电流Ia值才能得到，如果要求一较大的扭力T值，则必须加大电枢电流Ia值，但是过大的Ia值对电动机的效率要求来说并非好事，由下式中可知：
P＝I2·R P：电动机的线圈耗损功率
I：电枢电流 R：线圈阻抗
其中电枢电流I的平方值×线圈阻抗＝电动机的耗损功率，因此以加大电流的方式加大电动机的扭力，电动机必然会随电流的平方值而加大耗损功率，并同时线圈的线阻中产生热量，金属线圈的物理现象也因热度的上升而使线圈的阻抗相应地上升，在恶性循环的过程中将使电动机变成为高温度且输出功率效率较差的现象，因此如图14D所示，定子部在扭力常数KT-1值所产生的输出运转效率曲线示意图中可知，电动机较佳运转效率的区域范围仅从2.0到3.0的倍数rpm(即，转数/分)运转速度范围内；
同时因为E＝KE·Ω，其中若发电机在一定的运转转速时，因为定子部是单一发电线圈的绕线方式，因此其反电动势常数KE值将为一定值，所以反电动势电压E值也只能保持在一定值而无法改变。
更进一步，电动机和发电机的运转工作效率值，从低速到最高运转速度之间并非为一恒定值(如图14D所示)，因此纵然有一高运转工作效率的EFF值，但电动机或发电机因工作条件的需求必须在低、中、高速范围间变换运转，则很明显电动机和发电机也必然会随转速的改变而有各种低效率、中效率、高效率的运转效率的EFF值。
有鉴于公知电动机或发电机的定子部是单一线圈的绕线方式，其反电动势常数KE值以及扭力常数KT值都是一定值，因此其运转工作区域内较佳的效率范围非常有限(如图14D所示)。本发明是通过适当放大定子部线槽面积，如图1B、1D所示，它是未放大的传统内、外定子部线槽空间，该定子部61具有一般的线槽空间611、定子齿部612及定子环部613；如图1C、E所示则是本发明的内、外定子部线槽空间加深后放大了的面积。该定子部61具有加大的线槽空间614、加长的定子齿部615及定子环部616，并使其中可装置具有多套不同匝数的线圈绕组，线圈经由“控制系统”予以系统化的管理控制，即可使定子部的线圈匝数具有多样化的变换。线圈匝数的变换即可改变电动机和发电机的反电动势常数KB值和扭力常数KT值，适当地改变反电动势常数KE值和扭力常数KT值，就可使电动机运转工作范围对应改变以及发电机发电输出电压的对应改变。因此，如图8A、8B及图13A、13B所示，定子部因可含有多个扭力常数KT值，每一个扭力常数KT值所产生的最佳运转效率工作区域即可包括在低、中、高宽范围的转速范围中。再者，如图1A所示控制系统，其中转速传感器512、运转转速检测点514运转转速或运转电流传感器515运转电流的探测或经由手动控制的控制信号411输入到控制系统内以系统化的管理控制，即可使电动机或发电机处于(如图5A、5B或图13A、13B所示)多个扭力常数KT所产生的宽运转速范围内都能保持高效率EFF值的曲线特性，图5A、5B中揭示有系统管理切换线414。
更进一步，因为电动机在低、中运转转速的区域范围也能保持有高效率的功率输出，这意味着电动机在低、中速运转时也能保持有一较高的运转扭力，以下公式对其进行说明：
T＝P/n T＝KT·I E＝KE·Ω
T：马达输出扭力 P：达输出功率 n：马达转速
本发明是因为电动机和发电机在低、中速运转也能很保持较高的运转效率以及密集变换各种较高的KT值和KE值，并且马达输出扭力是与马达输出功率或KT值成正比，因此无论在低、中速的运转区域范围内，也都能具有一很平均位阶强度的马达输出扭力T值，或较高位阶的反电动势电压E值。
以下，简要说明各个附图，其中：
图1A为本发明第一实施例两套Y型线圈的线路连结图。
图1B为传统内定子部线槽空间的示意图。
图1C为本发明内定子部线槽空间加深的示意图。
图1D为传统外定子部线槽空间的示意图。
图1E为本发明外定子部线槽空间放大的示意图。
图2A为本发明第一实施例两套Y型线圈经开关器切换到较少匝数定子线圈L1的网络示意图。
图2B为本发明图2A较少匝数线圈网络L1的运转效率曲线图。
图3A为本发明第一实施例两套Y型线圈经开关器切换到较多匝数定子线圈L2的网络示意图
图3B为本发明图3A较多匝数线圈网络L2的运转效率曲线图。
图4A为本发明第一实施例两套Y型线圈，经开关器切换成串联连结回路，总匝数定子线圈(L1+L2)成为最多的网络示意图。
图4B为本发明的图4A总匝数定子线圈(L1+L2)成为最多的运转效率曲线图。
图5A、5B为本发明第一实施例综合三个扭力常数KT值后的高效率宽转速范围的运转工作效率曲线图。
图6A为本发明第二实施例三套Y型线圈经开关器切换到最低位阶(第一少)匝数定子线圈L1的网络示意图。
图6B为本发明的图6A最低位阶(第一少)匝数线圈网路L1的运转效率曲线图。
图7A为本发明第二实施例三套Y型线圈经开关器切换到第二低位阶(第二少)匝数定子线圈L2的网络示意图。
图7B为本发明的图7A第二低位阶(第二少)匝数线圈网络L2的运转效率曲线图。
图8A为本发明第二实施例三套Y型线圈经开关器切换到第三低位阶(第三少)匝数定子线圈L3的网络不意图。
图8B为本发明的图8A第三低位阶(第三少)匝数线圈网络L3的运转效率曲线图。
图9A为本发明第二实施例三套Y型线圈经开关器切换到第四低位阶(第四少)匝数定子线圈L1+L2的网络示意图。
图9B为本发明的图9A第四低位阶(第四少)匝数线圈网络L1+L2的运转效率曲线图。
图10A为本发明第二实施例三套Y型线圈经开关器切换到第五低位阶(第五少)匝数定子线圈L1+L3的网络示意图。
图10B为本发明的图10A第五低位阶(第五少)匝数线圈网络L1+L3的运转效率曲线图。
图11A为本发明第二实施例三套Y型线圈经开关器切换到第六低位阶(第六少)匝数定子线圈L2+L3的网路示意图。
图11B为本发明的图11A第六低位阶(第六少)匝数线圈网络L2+L3的运转效率曲线图。
图12A为本发明第二实施例三套Y型线圈经开关器切换到最高位阶匝数定子线圈L1+L2+L3的网络示意图。
图12B为本发明的图12A最高位阶匝数线圈网络L1+L2+L3的运转效率曲线图。
图13A、13B为本发明第二实施例综合七个扭力常数KT值后的较高效率较宽转速范围的运转工作效率曲线图。
图14A～14C为传统Y型、△型及单相线圈的示意图。
图14D为图14A～14C定子线圈L1的运转效率曲线图。
请参阅图1A、1C、1E至图13A、13B所示，本发明一种“高效能的定子装置10”，尤其是指一种用于电动机或发电机的定子装置，包括有：
定子部61，是供单相或三相各种绕组型态的定子线圈21装置于定子线槽614内，线槽614空间必需适当放大并容纳总匝数较多的定子线圈绕组；
多套定子线圈21，是含有一套以上各种匝数的线圈211、212、213，并将线圈重叠或相邻排列装置于同一个定子部61，各套线圈211、212、213彼此之间为开回路状态，各套定子线圈211、212、213的线头、线尾并应输出连结到开关器31，另外形成有Y型三相接头214；
多个开关器31，其输入端312是受控于控制系统41开关信号输出点412的管理控制413，多个开关器31的控制接点311并与上述各套定子线圈211、212、213的线头、线尾连结；
控制系统41，其内部是一预先设定开关器切换形态的系统管理的控制系统413，由控制系统413管理所有开关器31的切换形态，开关器31切换后使在同一定子部61的定子线圈211、212、213作成各种串联而形成的线圈连结网络，或选择性切换到任何一套定子线圈211、212、213，以形成各种不同匝数的线圈绕组网络，开关器31经控制系统41的系统管理控制413定子部61形成一多样式可变线圈匝数的线圈绕组网络，亦即含有多样式可变换的反电动势常数KE值和扭力常数KT值。如图1A所示，揭示有运转转速器511、转速传感器512、三相线圈控制器513、运转转速检测点514、运转电流传感器515及控制接点516。
其中多套各种匝数的线圈211、212、213是指线圈匝数可全部相同、部份相同或全部不相同，但经控制系统41的系统管理413，开关器31可选择性切换到多套定子线圈211、212、213之中的任何一套定子线圈，或多套定子线圈211、212、213以部份或全部用串联回路形态连结成线圈绕组网络，线圈绕组的匝数将有多样式的变换，反电动势常数KE值和扭力常数KT值的位阶也有更多样式的变换。
其中控制系统41的系统管理413的变换，是以各样式KT值、KE值预先模拟计算各种较佳效能的运转区域范围，并以各自较佳运转区域的运转速度rpm值为参考，运转转速传感器512探测所得的运转转速信号415经输入控制系统41以供开关器31切换顺序的管理控制。
其中控制系统41的系统管理413的变换，是以各样式KT值、KE值预先模拟计算各种较佳效能的运转区域范围，并以各自较佳效能的运转区域的运转电流值为参考，运转电流传感器515探测该参考值的电流信号416经输入控制系统41以供开关器31切换顺序的管理控制。
其中控制系统41的系统管理413的变换，是以人工方式操作控制，其过程是人工方式将控制信号经由控制系统41的控制信号输入点411，系统控制41的内部系统管理413将视控制信号输入点411输入信号的形态使开关信号输出点412输出该输入信号的形态而将开关器31切换到对应匝数需求的线圈绕组网络。
其中定子部61有多样式线圈211、212、213匝数的变换，反电动势常数KE值和扭力常数KT值的位阶即可多样式的变换，因此电动机或发电机在低、中、高速度的运转范围内，可很均匀地提升全区域运转工作效率且其EFF值高。
其中定子部61有多样式线圈211、212、213匝数的变换，电动机因此在低、中速的运转工作范围内可对应电动机输出扭力的需求，使线圈211、212、213绕组的匝数与扭力常数KT值也能对应进行变换，电动机的输出扭力将可对应适当提升。
其中多套定子线圈211、212、213的匝数、线径及缠绕方式可随各种制作方法的不同而改变。
其中开关器31是指继电器有接点的形态供定子部多个线圈211、212、213网络的切换管理控制。
其中开关器31是指电子半导体无接点的形态供定子部多个线圈211、212、213网络的切换管理控制。
其中定子线圈211、212、213是呈三相Y连接的线圈绕组形态以供控制系统的变换管理控制。
其中定子线圈211、212、213是呈三相△连接的线圈绕组形态以供控制系统的变换管理控制。
其中定子线图211、212、213是呈单相的线圈绕组形态以供控制系统的变换管理控制。
以上所述仅为本发明的最佳可行实施例，并非因此就限定本发明的专利保护范围，故此凡是运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均同理都包含在本发明的保护范围内。
Claims (14)
1.一种高效能的定子装置，包括有：
定子部，是供绕组型态的定子线圈装置于定于线槽内，线槽空间必需适当放大并容纳总匝数较多的定子线圈绕组；
多套定子线圈，是含有各种匝数的线圈，线圈重叠或相邻排列装置于同一个定子部，各套线圈彼此之间为开回路状态，各套定子线圈的线头、线尾并应输出连结到开关器：
多个开关器，其输入端是受控于控制系统开关信号输出的管理控制，多个开关器的控制接点并与上述高套定子线圈的线头、线尾连结；
控制系统，其内部是一预先设定开关器切换形态的系统管理的控制系统，由控制系统管理所有开关器的切换形态，开关器切换后将在同一定子部的定子线圈作成各种串联而形成的线圈连结网络，或选择性切换到任何一套定子线图，以形成各种不同匝数的线圈绕组网络，开关器经控制系统的系统管理控制定子部形成一多样式可变线圈匝数的线圈绕组网络，也就是含有多样式可变换的反电动势常数KE值和扭力常数KT值。
2.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，多套各种匝数的线圈是指二套以上的线圈匝数全部不相同，但经控制系统的管理，开关器可选择性切换到多套定子线圈之中的任何一套定子线圈，或多套定子线圈以部份或全部用串联回路形态连结成线圈绕组网络，线圈绕组的匝数将有多样式的变换，反电动势常数KE值和扭力常数KT值的位阶也有多样式的变换。
3.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，多套各种匝数的线圈是指二套以上的线圈匝数全部相同或部份相同，但经控制系统的管理，开关器可选择性切换到多套定子线圈之中的任何一套定子线圈，或多套定子线圈以部份或全部用串联回路形态连结成线圈绕组网络，线围绕组的匝数将有多样式的变换，反电动势常数KE值和扭力常数KT值的位阶也有多样式的变换。
4.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，控制系统的系统管理的变换，是以各样式KT值、KE值预先模拟计算各种较佳效能的运转区域范围，并以各自较佳运转区域的运转速度转数/分(rpm)值为参考，由运转转速传感器探测所得的运转转速信号，经输入控制系统以供开关器切换顺序的管理控制。
5.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，控制系统的系统管理的变换，是以各样式KT值、KE值预先模拟计算各种较佳效能的运转区域范围，并以各自较佳效能的运转区域的运转电流值为参考，运转电流传感器探测该参考值的电流信号，经输入控制系统以供开关器切换顺序的管理控制。
6.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，控制系统的系统管理的变换，是以人工方式操作控制，其过程是人工方式将控制信号输入控制系统的控制信号输入点，系统控制的内部系统管理将根据输入信号的形态使开关信号输出点输出该输入信号的形态而将开关器切换到对应匝数需求的线圈绕组网络。
7.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，定子部有多样式线圈匝数的变换，反电动势常数KE值和扭力常数KT值的位阶即可多样式的变换，因此电动机或发电机在低、中、高速度的运转范围内可很均匀地提升全区域运转工作效率且其EFF值高。
8.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，定子部有多样式线圈匝数的变换，电动机因此在低、中速的运转工作范围内可对应电动机输出扭力的需求使线圈绕组的匝数和扭力常数KT值也对应变换，电动机的输出扭力将可对应提升。
9.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，多套定子线圈的匝数、线径及缠绕方式可因各种制作方法的不同而改变。
10.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，开关器是指继电器有接点的形态供定子部多个线圈网络的切换管理控制。
11.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，开关器是指电子半导体无接点的形态供定子部多个线圈网络的切换管理控制。
12.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，定子线圈是呈三相Y连接的线圈绕组形态提供控制系统的变换管理控制。
13.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，定子线圈是呈三相△连接的线圈绕组形态提供控制系统的变换管理控制。
14.根据权利要求1所述的高效能的定子装置，其特征在于，定子线圈是呈单相的线圈绕组形态提供控制系统的变换管理控制。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |