CN2452804Y - 可变扭力电动机 - Google Patents

Abstract

一种可变扭力电动机,它包含有一外壳,至少两相对设置于外壳内、用以形成一内磁场的永久磁铁,以及一设置于所述内磁场中,并可绕所述电动机轴线转动的转子；其中,所述转子上绕设有一固定线圈,以使对其通入电流时,所述转子可受所述内磁场的电磁力推动扭转并输出扭力；所述电动机还设有供一外加调控电流通入的一调整线圈,使所述调整线圈对应产生与所述内磁场方向平行的一调控磁场分量,借以增减所述内磁场强度而控制所述转子的扭力输出。

Description

可变扭力电动机

本实用新型涉及一种可变扭力电动机。

电动机是电动自行车或电动机车等电动车的核心，电动机所能提供的扭力大小，决定电动车的加速性与爬坡的能力；为使电动车自静止起动时能加速迅捷，且能顺应上坡地形，通常希望电动机在低转速时能提供大的扭力。

在理想情况下，电动机的输入能量应等于电动机的转速乘以扭力；换言之，理论上可于起步或上坡时降低电动机转速以增大扭力，而遇平坦路面或下坡时，再减小扭力以提高转速。但是，电动机实际运转时并非遵循上述线性反比的关系，而取决于转换效率最佳的运行范围，若所选用电动机的能量转换效率最佳范围是在转速较高段，则即便输入大量电能并强制降低电动机转速，也将因伴随的能量严重耗损而徒使电动机无谓发热，这不仅无法如同所期望的那样大幅度提高扭力以符合需求，反而会造成电动机寿命减损。反之，若为适应前述需求而选择能量转换效率最佳处在低转速段，并同时提供大扭力的电动机，则电动车将陷入仅适宜低速行驶而不易提高行车速度的窘境；即使强制增大电能输入，也将因远离转换效率最佳的运行范围而大幅降低电动机的能量转换效率，这样即使勉强提高车速，也将因过度浪费电能而导致电动车的续航力降低。

这种两难困境无疑已经成为电动车界急等解决的课题。但是在许多情况下却不断陷入增大电动机功率、增加电瓶容量而导致车重与成本大幅度增高、效能依然不理想的恶性循环中。由此开发出的电动机车，其重量高达一百二十五公斤，价格居高不下，但无论爬坡性能、续航力均远逊于任一汽油发动机机车。尤其当电动车自静止状态启动时，若操控电门过小，电动机出力不足以加速；骑乘者被迫加大电门后，不仅电动机扭力上升造成电动车加速，而且电动机转速随扭力同步上升，导致电动车爆冲，由于目前电动自行车与机车甚至电动滑板车的骑乘者多为老弱妇孺，这种情况无疑严重影响骑乘者的安全。

因此，本实用新型的一个目的在于提供一种可变扭力电动机，使能适应不同操作环境需求而变化其扭力与转速。

本实用新型的另一目的在于提供一种扭力是受一外加调控电流控制的可变扭力电动机。

本实用新型的再一目的在于提供一种可随车速自动回馈控制电动机扭力及转速的电动车。

依据上述的目的，本实用新型可变扭力电动机的特点是于电动机上增加一可受外加控制电流控制的调整线圈，对应于所述外加控制电流流向产生一与电动机内磁场大致平行的调控磁场，以增减电动机原有内磁场强度，从而变化电动机转子的输出扭力。

采用本实用新型的上述方案的可变扭力电动机，由于可相应于外加控制电流控制电动机内磁场强度来有效控制电动机转子的输出扭力，因此将它应用于滑板车可提高良好的刹车能力，并降低使用成本和获得可靠的使用安全性。

下面通过较佳实施例及附图对本实用新型的可变扭力电动机进行详细说明，附图中：

图1是本实用新型第一较佳实施例的可变扭力电动机的立体示意图；

图2是本实用新型第一较佳实施例未使用调整线圈时，电动机的内磁场状态示意图；

图3是本实用新型第一较佳实施例使用调整线圈并输入一正调控电流时，电动机的内磁场状态示意图；

图4是本实用新型第一较佳实施例使用调整线圈并输入一负调控电流时，电动机的内磁场状态的示意图；

图5是本实用新型第二较佳实施例的可变扭力的立体示意图；

图6是本实用新型第二较佳实施例的电源开启时，转子上的第一组线圈产生一电磁场状态的示意图；

图7是本实用新型第二较佳实施例的电源开启时，转子上的调整线圈产生一电磁场状态示意图；

图8是本实用新型第二较佳实施例的二电源开启，并且其中一电源输出一正调控电流时，转子上调整线圈产生的调控磁场方向与内磁场方向的状态示意图；

图9是本实用新型第二较佳实施例的二电源开启，并且其中一电源输出一正调控电流时，转子上固定线圈产生的调控磁场方向与内磁场方向的状态示意图；

图10是本实用新型第二较佳实施例的二电源开启，并且其中一电源输出一负调控电流时，转子上调整线圈产生的调控磁场方向与内磁场方向的状态示意图；

图11是本实用新型第二较佳实施例的二电源开启，并且其中一电源输出一负调控电流时，转子上固定线圈产生的调控磁场方向与内磁场方向的状态示意图；

图12是本实用新型第三较佳实施例的可变扭力电动机的正面示意图；

图13是本实用新型第三较佳实施例的侧面示意图；

图14是本实用新型第四较佳实施例的可变扭力电动机的立体示意图。

请参阅图1及图3，图中示出本实用新型第一较佳实施例的立体示意图。本实施例的可变扭力电动机1包含一外壳10，设置于外壳10内、用以形成一内磁场17的一组永久磁铁(在本实施例中为二块)11，各所述永久磁铁11是按其各磁极沿穿经其直径并同向排列的方向分别设置于所述外壳10内壁的相对侧上，及一设置于所述内磁场17绕电动机1轴线转动的转子12；于各永久磁铁11表面横向绕设一第二线圈(在本例中称为调整线圈)13，各调整线圈13的两线端分别连接至一电源2；所述转子12中间穿设一转轴14，于所述转轴14的一端141固定有一与另一电源3导接的电刷15，所述转子12上绕设有一第一线圈(在本例中称为固定线圈)16，其两线端分别固定至电刷15的弧形刷板151、152上。当此一电动机被使用在诸如电动机车上，并经由其电门将电动机1以一般程序启动时，如图1及图2所示，电源3输出一启动电流经由电刷15流入固定线圈16，从而产生一电磁场，当其两极分别与内磁场17的两极产生相互吸引及推斥作用，所形成的转矩使转子12开始转动，因转子12旋转时，固定线圈16固定在电刷15上的两线端随着弧形刷板151、152的转动不断轮流对换接触电源3的两电极，使输入固定线圈16的电流及所产生的电磁场方向随之不断改变，而保持与内磁场相互吸斥作用的转矩方向不变，使转子12持续同向转动，再由转轴14的另一端142输出扭力以驱动所述机车运转。

接着，请参照图3及图4，如图所示，当电动机的输出扭力不符合需求而欲改变其扭力时，则启动电源2，输出一控制电流至各绕设于永久磁铁11上的调整线圈13，各调整线圈13在永久磁铁11上产生一与内磁场17平行的调控磁场18；如图3所示，若控制所述输入的控制电流为正电流时，则所述调控磁场18方向与内磁场17同向，使电动机内磁场强度增强为其两者之和，转子12上的固定线圈16切割内磁场的较多磁力线而形成一较高的反电势，转子12受较强的反向抵抗使转速降低，从而输出扭力提高。反之，如图4所示，当输入的控制电流为负电流时，所述调控磁场18方向与内磁场17反向，削减了内磁场17的磁力线密度，使转子12上的固定线圈16切割磁力线减少，反电势减弱，从而转子12转速提高而输出扭力相对减少。

当电动机车起步或上坡时，需要电动机输出一较高扭力，则一装设于机车内的回授控制电路可检测机车速度并传送一控制信号开启电源2，使输出一正控制电流至调整线圈13，则电动机转速降低、输出扭力额外增大，使机车能以一较缓速度起步并具有足够扭力行驶于爬坡路面，不仅提高加速及爬坡能力，同时还减少爆冲状况的危险；而当机车行走于平坦路段时，所述回授控制电路检测车速，并控制电源2输出一负控制电流至调整线圈13，使电动机转速升高并降低其输出扭力，则机车即能以一较高转速行驶，而无须浪费过多电能。

上述实施例仅例举利用绕设在永久磁铁11上的调整线圈13，并配合一控制所述调整线圈13磁场方向的控制电流来调整电动机内磁场17的磁场强度，使其输出扭力得到改变；当然，熟悉本技术的人可以容易理解到，调整线圈13并非一定绕设在所述等永久磁铁11上，而只要能产生具有与内磁场17平行的分量、从而增强(或减弱)内磁场17强度的一调控磁场即可。此外，电动机内的永久磁铁不限于二块，彼此摆设位置也非必须恰好相对，而二块永久磁铁相对设置的方式确实具有较佳效果，故本较佳实施例采用此种架构说明，但并非是限制本实用新型。

请参照图5，如图所示，为本实用新型的第二实施例。与第一实施例的不同处在于：电动机4的转子42上绕设有两组线圈43、46，位于转子42径向表面421上的部分彼此相互垂直，而在沿电动机4轴向的线圈43、46，彼此的截面也相互垂直，使得对所述二组线圈43、46分别通入电流后，产生的磁场彼此垂直。设于转子42的转轴44上的电刷47被分隔成四个彼此绝缘的独立区块471，472，473，474，线圈46的两线端分别固定至区块471、473，线圈43的两线端则分别固定至区块472、474；为说明起见，在此静止时刻，区块471、473分别经由一触接板81，83与一电源5导接，区块472、474也分别经由一触接板82，84与另一电源6导接。

当电动机4被使用在电动机车上，骑乘者开启电门将电动机4启动，电源5开启并输出一启动电流，如图5至图7所示，转子42相对永久磁铁41旋转，所述启动电流经由触接板81，83、电刷47的区块471、473输入线圈46，使线圈46产生大致垂直所述内磁场的一磁场，并造成转子42旋转，一旦旋转四分之一周后，则触接板81，83改与区块472、474导通，启动电流如此交替流入线圈43与线圈46中，而产生如图6及图7所示的电磁场，并不断受到内磁场的吸斥作用，使转子持续旋转而输出扭力。

同前所述原理，当电动机4遵循一般程序输出的扭力不符合需求而需改变时，可借助诸如车速的回馈控制，而以一调控程序开启电源6输出一调控电流。为说明起见，假定此时触接板81，83仍处于如图5所示与区块471、473导通位置，则相对触接板82，84便与区块472、474导通，而将电源6输出的调控电流输入线圈43，此时线圈43起着调整线圈作用，根据安培右手定则，如图8所示，线圈43产生一调控磁场49，其具有大致与内磁场48平行的分量，此时，线圈46是作为固定线圈；同理，当转子42再转四分之一周后，如图9所示，调控电流(电源6)改流入区块471、473，来自电源5的启动电流则流入区块472、474，此时，线圈46改变成起调整线圈作用而产生一与内磁场48平行的调控磁场49，而线圈43则换做为固定线圈。

在本实施例中，当转子42相对永久磁铁41转动时，线圈43与线圈46轮流产生具有与内磁场48平行分量的一调控磁场49；若欲提高电动机输出扭力时，则控制电源4输出一正调控电流，所产生的调控磁场49与内磁场48同向，以增加内磁场磁力线分布，使固定线圈(43或36)切割磁力线增多而反电势增大，则转子的转速降低及输出扭力变大，这适宜起步或爬坡行驶状态。反之，如图10、11所示，欲降低电动机输出扭力时，则控制电源6输出一负调控电流，则调控磁场49与内磁场48反向，减少转子的固定线圈(43或46)切割内磁场磁力线产生的反电势，转子42的输出转速增大而扭力自然变小以适宜高速行驶状态。值得一提的是，为维持转子42旋转所需的内磁场强度，用以形成调控磁场49的调控电流远小于前述启动电流，甚至仅达启动电流的1/6左右，故此种调控并未明显增加能量消耗。

当将本实施例应用在电动机车上，在电动机车起步或上坡时，一装设于机车内的回授控制电路检测机车车速，并传送一控制信号控制电源6，使输出一正调控电流至电动机电刷47上，使线圈43与线圈46轮流起到提供转子转矩、以及产生增强内磁场的调控磁场的作用，则电动机转速降低、输出扭力增大，机车即能以一较缓速度起步而不致爆冲，并以足够扭力爬行于上坡路面；当机车遇平坦路段时，所述回授控制电路检测车速，并适时控制电源6输出一负控制电流至电动机电刷47，使调控磁场与内磁场反向，进而相对提高转速、降低电动机输出扭力，以供机车以一较高速度行驶。

熟悉本技术的人可容易推知，以一电流通入不同匝数的线圈所产生的磁场大小正比于上述线圈匝数，故也可在上述所述调整线圈中间设置多个接点，使调控电流可根据诸如电动车的车速回馈控制，选择输入不同接点而决定调整线圈的匝数，使产生不同强度的调控磁场，借此使电动机的输出扭力具有多级调变功能；当然，也可采用频率脉波调制器进行无级控制，以使操控更加平顺。

此外，由于第一实施例中永久磁铁本身导磁性未必良好，本实用新型还可具有如图12及图13所示的另一电动机7的结构，借以提供调控磁场良好的磁导。其中，所述导磁性外壳70的相对表面具有垂直所述电动机轴向的二径向穿孔71，每一穿孔71供容置一永久磁铁72，所述二永久磁铁72的布设方向相同；且所述外壳70在两永久磁铁72的两N极、以及两S极间，分别向外壳70内侧延伸有一绕线部73，以利于缠绕前述实施例所述的调控线圈74，各所述绕线部73具有一较窄的颈部731，为使内磁场均匀分布，各所述绕线部73分别具有大致沿外壳走向延伸的一头部732，这样，永久磁铁72与调控线圈74所形成的内磁场磁力线由N极的头部向S极的头部延伸，且由调控线圈74所形成的磁力线也可经由安装永久磁铁72的穿孔外侧的导磁性材料延伸，不受永久磁铁72本身导磁性不如软铁的影响。当然，依照本实施例的永久磁铁安装方式，也可配合第二实施例使用。

另一方面，如熟悉本技术的人可容易理解到，为加强上述导磁的效应，也可如图14本实用新型第四较佳实施例所示，采用片状的永久磁铁81与软铁片82层叠交替地排列配置，从而形成如第三实施例的绕线部73。

Claims (8)

1.一种可变扭力电动机，它包括一外壳，设置于外壳内、用以形成一内磁场的一组永久磁铁，以及设置于所述内磁场中、并供绕所述电动机轴线转动的一转子；其中，所述转子上绕设有一第一线圈，以使对所述第一线圈通入电流时，所述转子受所述内磁场的磁力推动扭转并输出扭力；其特征在于：

所述电动机还设有一调控磁场产生装置，以根据一输入控制信号产生大致平行所述内磁场的一调控磁场，借以增减所述内磁场强度，从而控制所述转子的转速及扭力输出。

2.如权利要求1所述的可变扭力电动机，其特征在于：

所述调控磁场产生装置是一组第二线圈，且所述输入控制信号是一外加调控电流。

3.如权利要求2所述的可变扭力电动机，其特征在于：

所述组永久磁铁是二块永久磁铁，各所述永久磁铁是按各磁极沿穿经所述二永久磁铁的直径并同向排列的方向分别设置于所述外壳内壁的相对侧上。

4.如权利要求3所述的可变扭力电动机，其特征在于：

所述组第二线圈包括分别绕设于各所述永久磁铁上的二调整线圈。

5.如权利要求2所述的可变扭力电动机，其特征在于：

所述外壳设有垂直于所述电动机轴向的二相对径向穿孔，所述组永久磁铁是二块永久磁铁，且所述二永久磁铁是按各所述磁极沿垂直各所述穿孔方向并同向排列的方向，分别对应嵌设于所述二穿孔中。

6.如权利要求5所述的可变扭力电动机，其特征在于：

所述外壳远离所述二永久磁铁的二相对内侧壁上，相向延设有二绕线部，所述组第二线圈则包括分别绕设于各所述绕线部上的二调整线圈。

7.如权利要求6所述的可变扭力电动机，其特征在于：

各所述绕线部还具有一较窄的颈部及一大致与沿外壳同心方向延伸的一头部。

8.如权利要求2所述的可变扭力电动机，其特征在于：

所述组第二调整线圈是绕设于所述转子上，其截面与所述第一线圈的截面相互垂直，以使所述第一线圈受内磁场推动旋转时，所述组第二线圈供输入所述调控电流以产生所述调控磁场。

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