TW201233004A - Stator for modulated pole machine - Google Patents

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201233004 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於調變磁極電機。更特定言之，本發 明係關於一種用於此一調變磁極電機之定子。 【先前技術】 近年來，電機設計（諸如調變磁極電機，例如，爪極式 電機、倫德爾式電機及橫向通量電機（TFM))已變得日益^ 關注。Alexandersson及Fessenden早在約1910年揭示使用 此等電機原理之電機。日益受關注之一最重要原因在於該 設計實現與（例如）感應式電機、切換式磁阻電機及甚至永 磁式無刷電機相關之一極高轉矩輸出。此外，此等電機之 優點在於線圈通常易於製造。然而，該設計之一缺陷在於 其等之製造通常相對昂貴且其等經歷導致一低功率因數及 需要更具磁性材料之一高漏通量。該低功率因數需要一功 率增大之電子電路（或同步使用電機時之電力供應），此亦 會增加總驅動之容積、重量及成本。 調變磁極電機 < 定子纟體上使用冑使由一軟4心、结構形 成之多個齒磁性進給之一中心單繞組。接著，該軟磁心係 形成於該繞組周圍，而對於其他常見電機結構，該繞組係 形成於鐵心區段之一齒周圍。調變磁極電機型態之實例有 時被邁為疋（例如）爪極式、鴉爪式、倫德爾式或TFM電 機。具有埋入式磁鐵之調變磁極電機之另外特徵在於一主 動轉子結構包含由轉子磁極區段分離之複數個永久磁鐵。 橫向通量電機（TFM)型態係一調變磁極電機之一實例。 161061.doc 201233004 吾人已知其具有優於習知電機之諸多優點…單側徑向通 量定子之基本設計之特徵在&平行於空氣間隙且具有—近 似u形磁扼區段之―簡卩單相繞組包圍繞乡以基本上暴露 面向空氣間隙之兩列平行齒。多相配置包含垂直於轉子或 動子之運動方向而堆疊之磁分離單相單元。接著，該等相 使三相配置之相位電及磁性地位移達12〇。以使操作順利且 產生與轉子或動子之位置無關之一幾乎均勻力或轉矩。此 處應注意所謂之角度為與被磁極之對數除之機械角度等效 之電角度。 一圓柱形馬達使用一同心定子及轉子，接著，運動被視 為旋轉或一環形旋轉。一線性電機使用平移運動，其通常 不是一閉合運動模式但可為沿一「線」之一前後運動。該 線性電機或驅動器具有取代一轉子之一動子。在一轉子與 動子兩者中，可藉由相同基本磁性原理而配置磁路，但幾 何形狀將不同。 有效率轉子或動子配置之一實例使用與軟磁極區段或 軟磁極n合之所謂埋人式磁鐵以允許永久磁場沿橫向於 運動之一方向而通量集中或可撓，如（例如）Jack等人於專 利申請案WO 2007/024184中所述。 WO 2007/024184揭示一種旋轉式電機，其包含：一第一 定子鐵心區段，其實質上呈圓形且包含複數個齒；一第二 疋子鐵心區段，其實質上呈圓形且包含複數個齒；一線 圈’其配置於該等第一與第二圓形定子鐵心區段之間；及 轉子，其包含複數個永久磁鐵。該第一定子鐵心區段、 16l061.doc 201233004 該第二定子鐵心區段、該線圈及該轉子環繞一共同幾何 軸’且該第一定子鐵心區段及該第二定子鐵心區段之該複 數個齒係經配置以朝向該轉子突出。另外，該第二定子鐵 心區段之該等齒係相對於該第一定子鐵心區段之該等齒而 周向位移’且該轉子中之該等永久磁鐵係藉由軸向延伸由 軟磁材料製成之磁極區段而彼此沿圓周方向分離。 一般而§，可期望提供一種生產及組裝相對便宜之用於 一調變磁極電機之定子。可進一步期望提供具有諸如以下 一或多個良好性能參數之一定子：高結構穩定性、低磁 阻、有效率之通量路徑引導、輕質、小尺寸、高容積特定 性能等等。 電機中發生之一非所欲效應為所謂之齒槽轉矩，即，由 移動裝置與定子之永久磁鐵之間之相互作用引起之轉矩。 其亦被稱為掣止或「無電流」轉矩。 在諸多應用中，齒槽轉矩因噪音及振動要求而必須較 低。例如1電機係、用作為—風車中之—發電機，則齒槽 轉矩必須較低以使該發電機以極低風速旋轉^若馬達較小 (高達約5G牛頓米至1GG牛頓米），則可藉由手動旋轉馬達而 容易地注意到齒槽轉矩。 在一調變磁極電機（MPM)之背景下，齒槽轉矩之數量取 決於各種因數。即使存在減小轉矩之—些已知措施，但齒 槽轉矩之減小通常會增加雷機 览機之成本，因為設計會更複 雜。增加成本及複雜性之方法 乃忐之實例為使轉子及/或定子 偏斜。因此’可期望減小— 調變磁極電機之齒槽轉矩同時 161061.doc 201233004 避免增加電機之複雜性及/或成本^可進一步期望提供可 有效率且低成本製造之一電機。 【發明内容】 根據一第一態樣’本文中揭示一種用於一調變磁極電機. . 之一定子之定子鐵心區段，該調變磁極電機包括該定子、 - 一移動裝置及介於該移動裝置與該定子之各自界面表面之 間以傳送該定子與該移動裝置之間之磁通量之一限流間 隙，該移動裝置係經調適以沿一運動方向相對於該定子而 移動’其中該定子鐵心區段包括使複數個齒自其延伸之— 定子鐵心背部，各齒沿一各自第一方向延伸以界定朝向轉 子之一方向，該等齒係沿一第二方向配置以界定該運動方 向，各齒具有面向一相鄰齒之至少一側壁及面向該限流間 隙之一界面表面，該界面表面與該侧壁形成連接該界面表 面與該側壁之一邊緣；其中該邊緣呈圓形以界定由該等第 一及第二方向跨越之一平面之一曲率半徑；且其中該曲率 半徑沿垂直於該平面之一側向方向變動。 因此，本文中揭示用於一調變磁極電機之一定子鐵心區 段之實施例，其等可被有效率生產且減小該電機之齒槽轉 - 矩。特定言之，粉末冶金（P/M)生產方法非常適合於生產 本文中所述之定子鐵心區段之實施例。 可完成定子區段之定形會大幅増加所得電機之製造 成本或複雜性。此外’無需修改轉子。 限流間隙通常亦被稱為一空氣間隙，因為其通常充滿空 氣。 161061.doc 201233004 在調變磁極電機之實施例中，移動裝置包括藉由磁極區 段而沿運動方向彼此分離之複數個永久磁鐵。該等磁極區 段可形成為沿侧向方向延長之直線桿。該複數個永久磁鐵 可經組態使得沿運動方向之每—間隔磁鐵之磁化方向相 反。藉此，個別磁極區段可僅與磁鐵界接以顯示相同極 陡。一般而言，該等永久磁鐵亦可為沿側向方向延長之直 線桿；該等桿可橫跨限流空氣間隙之側向範圍而延伸。 在些實施例中，移動裝置之定子鐵心區段及/或磁極 片係由諸如軟磁粉之一軟磁材料製成，藉此簡化調變磁極 電機之組件之製造且提供一有效率之磁通量集中，利用該 軟磁材料中之有效三維通量路徑以允許一旋轉式電機中之 (例如）徑向、轴向及周向通量路徑分量。 軟磁粉可（例如）為一軟磁鐵粉或含有（^或％之粉末或包 含其等之部分之合金。軟磁粉可為一實質.上純淨之水霧化 鐵粉或為具有已經一電絕緣材料塗覆之不規則狀顆粒之一 海綿鐵粉。在此背景下，術語「實質上純淨」意謂粉末應 實質上無夾雜物且雜質〇、c及N之含量應保持在一最小 值。平均粒度一般為300微米以下及1〇微米以上。 然而’只要軟磁性係足夠的且粉末係適合於模具壓縮， 則可使用任何軟磁金屬粉或金屬合金粉。 粉末顆粒之電絕緣材料可由一無機材料製成。us 6348265(其以引用方式併入本文中）中揭示之絕緣材料類型 係尤其適合’其係有關於由具有一含氧及含磷之絕緣障壁 之本質上純淨之鐵組成之基質粉末顆粒。具有絕緣顆粒之 16I061.doc -8 - 201233004 粉末可為賭自 HSganas AB，Sweden 之 Somaloy® 500、 Somaloy® 550或 Somaloy® 700 〇 可藉由在一適合壓縮工具（諸如使用一所謂定形模具之 一工具）中壓縮由軟磁粉製成之定子鐵心區段而有效率地 實施使側壁與界面表面連接之邊緣之半徑變動。 各定子鐵心區段可包括一定子鐵心背部區段及自定子鐵 心區段延伸之一組齒，其中該定子鐵心背部區段連接該等 齒。一定子鐵心區段可進一步包括一磁輊區段，其提供沿 朝向另一定子鐵心區段（其包括另一組同相齒）之側向方向 之一通量路徑。該鐵心背部區段及該磁軛區段提供介於各 自定子鐵心區段之相鄰齒（其等沿運動方向相對於彼此而 位移）之間之一通量路徑。 在一些實施例中，電機為一旋轉式電機且移動裝置為一 轉子。在此情況中’第一定子鐵心區段、第二定子鐵心區 段、線圈及轉子可環繞一共同幾何轴。在一旋轉式電機 中，側向方向為電機之一轴向方向且運動方向為電機之一 圓周方向。 在一些實施例中，定子包括：一第一定子鐵心區段，其 實質上呈環形且包含複數個齒；一第二定子鐵心區段，其 實質上呈環形且包含複數個齒；一線圈，其配置於該等第 一與第二圓形定子鐵心區段之間；及一轉子，其包含複數 個永久磁鐵，其中該第一定子鐵心區段、該第二定子鐵心 區段、該線圈及該轉子環繞由該轉子之縱向轴界定之一共 同歲何軸，且其中該第一定子鐵心區段及該第二定子鐵心 161061.doc 201233004 區段之該複數個齒係經配置以朝向該轉子突出；其中該第 二定子鐵心、區段之該等齒係相對於該第^子鐵心區段之 該等齒而周向位移。 在習知電機中，線圈明確形成磁場之多磁極結構且磁心 功能恰好為攜帶此多極場以鏈接磁鐵及/或其他線圈。在 一調變磁極電機中，磁路形成由線圈產生之極數更少（通 常為二極場）之多極磁場。在—調變磁極電機中，磁鐵通 常明確形成匹配多極場但可具有纟自一單一磁鐵之形成多 極場之磁路。該調變磁極電機具有三維（3D)通量路徑以將 沿橫向方向之磁通量路徑用在定子與移動裝置兩者令（例 如將沿軸向方向之磁通量路徑用在一旋轉電機中），其中 移動裝置為一轉子。 、 因此’在-些實施例中’定子裝置及/或移動裝置包括 三維（3D)通量路徑，其包含沿相對移動方向之橫向（即， 側向）方向之一通量路徑分量。 本發明係關於包含上述及以下定子裝置及對應方法裝 置及/或產品構件之不同態樣，各者產生結合第一所提: 態樣而描述之益處及優點之一或多者，且各者具有與会士 第一所提及態樣而描述及/或隨附技術方案中所揭示之σ 施例對應之一或多個實施例。 ’、實 【實施方式】 參考附圖，本發明之實施例之以下說明性且非限制 細描述將進一步闡述本發明之以上及/或 = 乃曰的、特徵 16106l.doc •10· 201233004 在以下描述中，參考以說明方式顯示可如何實踐本發明 之附圖。 圖1繪不一調變磁極電機之一實例。特定言之，圖丨顯示 一單相（例如一單相電機或一多相電機之一相）之主動部 件。圖la顯示包含一定子1〇及一轉子3〇之電機之主動部件 之一透視圖。圖lb顯示電機之一部分之一放大圖。 圖2繪示圖1之調變磁極電機之定子1〇之一實例。特定言 之，圖2a顯示定子1〇之一分解圖，其繪示兩個定子鐵心區 段14、16及一繞組2〇。圖孔顯示定子1〇之一剖視圖，圖2c 顯示定子10之一部分之一放大圖，而圖2(1顯示定子鐵心區 段之一者16之一部分之一放大圖。 電機包括一定子1〇，其包括使由一軟磁心結構形成之多 個齒102磁性進給之一中心單繞組2〇。定子鐵心係形成於 繞組20周圍’而對於其他常見電機結構，繞組係形成於鐵 心區段之個別齒周圍。更特定言之，圖1及圖2之調變磁極 電機包括.兩個定子鐵心區段14、16’其等各包含複數個 齒102且實質上呈環形；一繞組2〇，其配置於第一與第二 環形定子鐵心區段之間；及一轉子3〇，其包含複數個永久 磁鐵22。此外’定子鐵心區段14、16、線圈2〇及轉子3〇環 繞一共同幾何軸’且兩個定子鐵心區段14、16之複數個齒 102係經配置以朝向轉子3〇突出以形成一閉環通量路徑。 兩個定子鐵心區段14、16之定子齒係相對於彼此而周向位 移。 各定子區段包括一環形鐵心背部部分261及一通量橋或 -Π - 161061.doc 201233004 磁軛組件1 8以提供介於兩個定子鐵心區段之周向位移齒之 間之一通量路徑。在圖1及圖2之電機中，定子齒沿朝向轉 子之一徑向方向突出，在此情況中轉子包圍定子。然而， 定子同樣可很好放置在相對於轉子之外部。本文中所述之 定子之實施例可用在單相及/或多相電機中。類似地，本 文中所述之定子之諸實施例可用在旋轉式電機（諸如内轉 子電機及外轉子電機）及/或線性電機中。 主動轉子結構30係由偶數個分段22、24組成，其中一半 數量之分段（亦稱為轉子磁極區段24)係由軟磁材料製成且 另一半數量之分段係由永磁材料22製成。此等分段可生產 為個別組件。永久磁鐵22係經配置使得永久磁鐵之磁化方 向實質上呈圓周’即’北極及南極分別面向一實質上圓周 方向。此外，每一間隔永久磁鐵22(經周向計數）係經配置 以使其磁化方向與相鄰永久磁鐵之方向相反。期望電機会士 構中之軟磁極區段24之磁性功能完全為三維的且各軟磁極 Q 4又24能夠沿全部二個空間方向有效率地攜帶具有高磁導 率之變化磁通量。 轉子30及定子1〇之此設計具有實現來自永久磁鐵22之通 量集中之優點，使得面向定子10之一齒之轉子3〇之表面可 呈現自兩個相鄰永久磁鐵22至該面向齒之表面之總磁通 量。該通量集中可被視為面向各磁極區段24之永久磁鐵22 之區域與面向一齒之區域之一函數。特定言之由於齒之 周向位移，面向一磁極區段之一齒導致僅橫跨該磁極區段 之軸向範圍而部分延伸之一限流空氣間隙。然而，來自永 161061.doc 12 201233004 久磁鐵之整個軸向範圍之磁通量在磁極區段中被軸向及徑 向導引向該限流空氣間隙。各磁極區段24之此等通量集中 性可使用欠佳低成本永久磁鐵作為轉子中之永久磁鐵22且 可貫現極高空氣間隙通量密度《由磁粉製成之磁極區段可 促進該通量集中以實現有效三維通量路徑。此外，該設計 亦可使磁鐵之使用效率高於對應電機類型中之磁鐵。 仍參考圖1及圖2’單相定子10可用作為一單相電機之一 定子（如圖1及圖2中所續·示）及/或一多相電機之一定子相 (例如圖3之電機之定子相i〇a至10c之一者）。定子1〇包括兩 個相同定子鐵心區段14、16，其等各包括若干齒1〇2。各 定子鐵心區段係由軟磁粉製成，經由一衝壓工具而壓縮定 形。當該等定子鐵心區段具有相同形狀時，其等可經相同 工具衝壓。接著’該兩個定子鐵心區段在一第二操作中被 接合且一起形成具有徑向延伸定子鐵心齒之定子鐵心，其 中一定子鐵心區段之齒係相對於另一定子鐵心區段之齒而 軸向及周向位移。 定子鐵心區段14、16之各者可壓縮成單件。各定子鐵心 區段14、16可形成為一環形盤，其具有由一環形鐵心背部 部分261之一徑向内邊緣551界定之一實質上圓形中心開 口。齒102自該環形盤狀鐵心背部之一徑向外邊緣徑向向 外突出。内邊緣551與齒1〇2之間之環形部分提供容納線圈 20之一圓周空腔之一通量路徑及一側壁。各定子鐵心區段 包括在内邊緣551處或内邊緣551附近之一圓周凸緣18。在 組裝定子中，圓周凸緣18係配置在定子鐵心區段之内側 161061.doc -13- 201233004 (即，面向線圈20及另一定子鐵心區段之側）上。在圖1及圖 2所示之實施例中’定子鐵心區段14、16係形成為相同組 件。特疋§之’兩個定子鐵心區段包括朝向各自另一定子 鐵心區段突出之一凸緣18。在組裝定子中，凸緣18彼此鄰 接且形成一軸向通量橋以允許提供介於定子鐵心區段之間 之一軸向磁通量路徑。在一外轉子電機之組裝定子中，線 圈因此環繞由凸緣1 8形成之定子鐵心背部。 齒102之各者具有面向空氣間隙之一界面表面262。在電 機之操作期間，通過界面表面262經由空氣間隙且通過轉 子之一磁極片之一對應界面表面而傳送磁通量。邊緣263 沿圓周方向（即，沿轉子之運動方向）給界面表面262定界。 因此，邊緣263連接界面表面262與面向相鄰齒之齒之各自 側面266。應瞭解P/M(粉末冶金）技術對邊緣施加某一 最小半徑，即，其等為圓形邊緣而非完全尖銳邊緣。最小 可獲得半徑可根據壓縮工具、壓縮壓力、工具材料等等之 複雜性而（例如）在〇.25毫米至0.5毫米範圍内。由模具之形 狀設定此半徑。然而，如圖2d中最清晰可見’邊緣之 半徑沿邊緣263變動1,齒之-側向側上之半徑小於另 -側向側上之半徑。特定言之，半徑自繞組遠端之齒之側 朝向繞組近端之齒之側而增大。在圖2(1之實例中，半徑線 性增大。在一些實施例中，邊緣263之半徑自-最小:徑 K例如約0.3毫米）逐漸增大至高達一半齒寬度之一最大半 徑R。可以使得齒槽轉矩被減小之_方式藉由改變小半徑r 及大半徑R而完成設計最優化。三維電磁有限元素軟件為 161061.doc •14· 201233004 適合於此設計處理之一工具。最優形狀可取決於磁極及齒 之數量、電機之尺寸等#。P/Μ技敎限制可對最小半徑^ 施加一下限，例如〇.25毫米至0.35毫米（取決於組件尺寸及 模具材料）。可對最大半徑R施加一上限，因為兩個邊緣之 最大半徑之總和通常不應大於齒沿圓周方向之寬度。例 如，當兩個邊緣具有相同最大半徑時，最大半徑r之上限 可在兩個曲線在齒之中間接合以形成一完整半圓時出現。 例如，最優化可包括選擇小半徑1<為與衝壓工具及處理相 容之一最小半徑以藉由粉末技術、藉由估算（例如藉由一 有限元素分析）大半徑R之複數個選擇之所得齒槽轉矩及藉 由選擇大半徑R為-半徑以導致一最小估算齒槽轉矩而製 造一壓縮定子鐵心區段。 在圖2d之實例中，兩個邊緣263為具有相同半徑之圓形 且半徑以相同方式改變。然而，應瞭解前邊緣及後邊緣之 半徑可不同及/或以一不同方式沿各自邊緣變動。 因此，定子鐵心區段14、16之齒係經定形使得界面表面 之寬度（沿圓周方向所量測）自繞組近端之側朝向繞組遠端 之側而逐漸增大。因此，在機器之操作期間，界面表面 262與轉子磁極片及磁鐵之對應表面逐漸而非即刻地重 疊。在本文所述定子之實施例中，定子齒因此具有以便於 允許定子齒順利通過彼此及轉子磁極區段之一方式定形之 邊緣了自（例如）圖2d瞭解界面表面262具有相對於轉子之 實質上恆定距離。應瞭解本文中所述之齒之定形可與用 於減小齒槽轉矩之其他措施結合，例如具有偏斜磁極片及 161061.doc •15- 201233004 永久磁鐵之一修改轉子設計。 圖3a繪示三相調變磁極電機之一實例，而圖扑顯示圖“ 之電機之一定子之一實例。該電機包括一定子1〇及一轉子 3〇。定子10含有三個定子相區段1〇a、i〇b、i〇c，其等各 如結合圖1及圖2所述。特定言之，各定子相區段分別包括 一各自定子組件對14a、16a ; 14b ' 16b ;及…、16c，定 子組件對各分別固持一圓周繞組2〇&至2〇c。 因此，如同圖1及圖2之實例，圖3之調變磁極電機之各 定子相區段10a至10c包括使由軟磁心結構形成之多個齒 102磁性進給之一中心線圈2〇&至2〇c，例如一單繞組。更 特定言之，所示調變磁極電機之各個定子相1〇a至l〇c包 括：兩個定子鐵心區段14，其等各包含複數個齒1〇2且實 質上呈環形；一線圈20，其配置於該等第一與第二圓形定 子區段之間《此外，各定子相之定子鐵心區段14及線圈2〇 %：繞一共同轴且定子鐵心區段14之複數個齒1 〇2係經配置 以徑向向外突出。在圖3之實例中，轉子3〇係與定子1〇同 心配置且環繞定子以便形成定子之齒與轉子之間之一空氣 間隙。轉子可設置為如結合圖丨及圖2所述但橫跨全部定子 相區段而軸向延伸之交替永久磁鐵22及磁極片24。 結合圖1至圖3而描述之定子之實施例具有不含所謂之爪 之齒。然而，如以下參考圖4至圖5所述，可增加小爪且不 增加工具成本及仍改良馬達性能。 圖4顯示用於一調變磁極電機之一定子之另一實例。圖5 顯示圖4之定子之定子鐵心區段之一者之齒1〇2之一者之一 161061.doc •16· 201233004 更詳細視圖。參考圖4至圖6而描述之定子1〇可用在如圖i 及圖3中所述之一磁極電機中。定子1〇包括兩個環形定子 鐵心區段14、16’其等各包括朝向轉子徑向突出以便形成 一限流空氣間隙之複數個齒1〇2。各自定子鐵心區段之齒 係相對於彼此而周向位移。各齒界定面向該空氣間隙之一 界面表面262。圓形邊緣263沿運動方向給該界面表面定 界，該界面表面之曲率半徑沿各自邊緣263變動，全部如 結合圖1至圖2所述。 然而，圖4至圖5之定子之齒包括橫跨繞組2〇之軸向範圍 之一部分而軸向延伸之爪。特定言之，各齒包括一徑向延 伸基底部分及相較於繞組20而進一步徑向向外延伸之一頂 部部分470 〇該頂部部分包括一爪部件471，其自齒轴向延 伸向繞組使得該頂部部分橫跨繞組之軸向範圍之一部分而 軸向延伸《因此，齒具有一界面表面262，.界面表面％〗具 有與繞組之徑向向外表面重疊之一重疊部分。若爪部件足 夠小，則仍可藉由一粉末壓縮處理而有效率地製造定子鐵 心區段。例如，定子鐵心區段可界定用於容納繞組之介於 其等之間之一間隙。爪部件之各者可朝向另一定子而徑向 延伸達小於該間隙之軸向寬度之一半之一軸向範圍，例如 小於繞組之軸向寬度之一半。在一些實施例中，爪部件自 定子鐵心區段軸向突出小於3毫米。 如自圖5最清晰可見，邊緣263具有在邊緣之各側向端處 之半徑恆定部分767、768。繞組2〇近端之半徑恆定部分 767具有比繞組遠端之半徑恆定部分768小之一半徑，例如 161061.doc 17 201233004 由如上所述之衝壓工具及處理判定之一最小半徑。邊緣 263進一步包括一半徑變化部分663，其延伸於該等半徑恆 定部分之間且具有自半徑恆定部分767之較小半徑逐漸（例 如線性地）增大至半徑恆定部分768之較大半徑之一曲率半 徑。應瞭解此形式之邊緣亦可用在不含爪之齒（例如結合 圖1至圖2而描述之齒）中。 圖6顯示包括一定子鐵心背部261之一定子鐵心區段之一 實例，複數個齒1 02自定子鐵心背部261徑向向外延伸。該 等齒係沿運動方向配置且各齒具有一界面表面262。該界 面表面具有沿軸向方向（即，垂直於由運動方向及徑向方 向跨越之一平面）變動之沿運動方向之一寬度。 可使用P/Μ技術來有效率地製造及定形本文中所述之定 子鐵心區段之實施例^ P/Μ為非常適合於使用一工具及一 衝壓（如圖7及圖8繪示）來生產由金屬粉製成之組件之一既 存技術。圖7示意性繪示用於衝壓由軟磁粉製成之一軟磁 組件之一工具。特定言之，圖7a顯示具有一模具7〇2、一 單一上衝頭704及一單一下衝頭7〇5之一衝壓工具。圖外顯 示圖7a之工具之一剖面圖。 為易於呈現，將參考一簡單組件803而繪示處理。然 而，應瞭解下述處理及工具係非常適合於製造本文令所述 之定子鐵心區段之實施例β P/M處理包括：用金屬粉7〇3填 充一模具702 ;接著使用若干衝頭7〇4及7〇5來進行一衝 壓。在該衝壓之後，進行高溫（例如約1〇〇〇β(：)下之一燒結 或較低溫（例如高達約65〇。〇下之—熱處理。工具（整體以 161061.doc •18· 201233004 700標示）可包括一模具702、至少一上衝頭704及/或至少一 下衝頭705。技術可用於高品質金屬組件之大規模生產。 MPM型之電機係非常適合於利用p/M技術之益處。為使用 P/Μ來製造電動馬達’粉末可由如上所述之被稱為軟磁粉 之電絕緣鐵粉製成。 為製造如本文中所述之具有定形齒之定子，工具模具 702可經特定調適以具有一所謂之「定形模具」幾何形 狀、如此項技術中已知之一技術。在工具之實施例中，僅 模>、702使齒疋形。模具之準確形狀取決於待製造之實際 組件。在本文中所述之MPM SMC定子組件之情況中，可 藉由使模具之一齒圓角半徑自約0.3毫米逐漸增大至一半 瓜最大值（其為齒寬度之一半）而製成該形狀。為允許一可 靠衝壓處理，較大半徑係靠近於通量橋凸緣18之所在側， 即，繞組側」》無論是否含爪，情況均為如此。 圖8繪示使用圖7之工具之衝壓處理。 圖8a繪示處於一粉末填充位置之工具，《中下衝頭μ 自模具抽出但仍阻塞模具之底部開口，同時上衝頭係自 模具抽出以使模具之頂部開口不被阻塞以允許通過頂部開 而加人#末。圖8b顯示完成填充處理後之封閉模具（為 ,晰起見’圖8b中未顯示粉末圖以顯示包含粉末7〇3之 封閉模具。圖8d顯示具有衝壓組件之工具，即，其中底部 ，頭Ί 衝頭兩者已被插入至模具中以便將粉末壓縮在 莫具之疋形部分中。圖8e顯示組件頂出步驟，纟中該等衝 ''向上移動以便自模具頂出組件。圖％顯示頂出組 161061.<J〇q •19- 201233004 件 803。 使用有限元素分析（FEA)及快速傳立葉變換（FFT)分析來 分析藉由使定子齒定形（如本文中所述）而減小齒槽轉矩。 可顯示：對於一 MPM ’三相齒槽轉矩為單相齒槽轉矩之六 次與十八次諧波振幅總和之三倍，公式如下：MPM三相齒 槽轉矩=3*(單相之六次諧波振幅+單相之十八次諧波振 幅）。 六次諸波之比重占多數。圖9為在齒槽且不減小之情況 下一 MPM之諧波光譜之一實例。圖1 0為在齒槽轉矩減小之 情況下一 MPM之諧波光譜之一實例’如本文中所述。圖9 顯示六次諧波之量值約為0·6。若忽略十八次諧波（如自圖9 可見’其顯然非常小），則三相齒槽轉矩可計算為U之一 量值。此可與圖11中之三相齒槽轉矩曲線之最大量值進行 比較。齒槽轉矩設計可進行相同分析以亦導致一非常接近 之結論。 圖11及圖12中分別顯示在齒槽轉矩減小及齒槽轉矩不減 小之情況下相同例示性MPM之齒槽轉矩。 藉由本文中所述之齒定形而獲得之齒槽轉矩減小可接近 100%。在實例中，其約為8〇%。一特定電機所獲得之減小 程度可取決於諸如磁極數及相位數之參數。在以上實例 4 4數為一 ’但應瞭解本文中所述之齒定形可適用於 SMC中具有齒之任何MpM定子。若相位數不是三，則六次 及十八次諧波未必促成齒槽轉矩。 雖然已詳細描述及顯示一些實施例，但本發明不受限於 161061.doc 201233004 了等且亦可在以下中請專利範圍中所界定之標的之範脅内 、、方式體現。特^言之，應瞭解可利用其他實施例且 可在不背離本發明之料之情況下作出結構及功能修改。 本文中所揭示之本發明之實施例可用於—電動自行車或 其他電動車輛（尤其是輕f車輛）之—直驅式輪轂馬達。此 等應用要求高轉矩、相對較低之速度及低成本。具有—相 對較高磁極數之—馬達可實滿足此等要求以在—小型幾何 形狀中使用少量永久磁鐵及線圈以配合及滿足增強型轉子 組裝程序之成本要求。 在列舉若干構件之裝置請求項中，硬體之一者及相同項 可體現為此等構件之若干者。在互相不同之獨立請求項中 列舉某些措施或在不同實施例令描述某些措施之純事實並 不指示不能有利地使用此等措施之一組合。 應強調術語「包括」在用在此說明書中時被視為特指存 在所述特徵、整體、步驟或組件，但不排除存在或增加一 或多個其他特徵、整體、步驟、組件或其等之群組。 【圖式簡單說明】 圖1顯示一調變磁極電機之一實例。 圖2顯示用於一調變磁極電機之一定子之一實例之一示 意圖。 圖3顯示包括具有三組定子組件對之一定子之一三相調 變磁極電機，各定子組件對固持一圓周繞組。 圖4顯示用於一調變磁極電機之一定子之另一實例。 圖5顯示圖4之定子之定子鐵心區段之一者之齒1〇2之— 161061.doc •21 · 201233004 者之一部分之一更詳細視圖。 圖6顯示一定子鐵心區段之另一實例。 圖7示意性繪示製造如本文中所述之定子鐵心區段之一 工具之一實例。 圖8a至圖8f示意性繪示製造如本文中所述之定子鐵心區 段之衝壓處理之一實例。 圖9顯示在齒槽轉矩不減小之情況下一調變磁極電機之 一齒槽轉矩頻譜基於一單相MPM模型之一 FEA分析之FFT 分析之一實例。 圖10顯示在齒槽轉矩減小之情況下一 MPM齒槽轉矩頻譜 基於一單相MPM模型之一 FEA分析之FFT分析之一實例。 圖11顯示在齒槽轉矩不減小之情況下三相MPM齒槽轉矩 形狀之一實例；每相及總和（三相）基於一單相MPM模型之 一 FEA分析。 圖12顯示在齒槽轉矩減小之情況下三相MPM齒槽轉矩形 狀之一實例；每相及總和（三相）基於一單相MPM模型之一 FEA分析。 【主要元件符號說明】 10 定子 10a 定子相區段 10b 定子相區段 10c 定子相區段 14 定子鐵心區段 14a 定子組件 161061.doc -22· 201233004 14b 定子組件 14c 定子組件 16 定子鐵心區段 16a 定子組件 16b 定子組件 16c 定子組件 18 凸緣 20 繞組 20a 圓周繞組/中心線圈 20b 圓周繞組/中心線圈 20c 圓周繞組/中心線圈 22 永久磁鐵 24 磁極區段/磁極片 30 轉子 102 齒 261 定子鐵心背部 262 界面表面 263 邊緣 266 侧面 470 頂部部分 471 爪部件 551 内邊緣 663 半徑變化部分 700 工具 161061.doc - 23 - 201233004 702 模具 703 粉末 704 上衝頭 705 下衝頭 767 半徑恆定部分 768 半徑恆定部分 803 組件 161061.doc -24-

Claims (1)

1. 201233004 七、_請專利範圍： 1. -種用於-調變磁極電機之一定子之定子鐵心區段，該 調變磁極電機包括該^子、—移動裝置及介於該移動裝 置與忒疋子之各自界面表面之間以傳送該定子與該移動 裝置之間之磁通量之—限流間隙，該移動裝置係經調適 以沿-運動方向相對於該定子而移動，其中該定子鐵心 區段包括使複數個齒自其延伸之—定子鐵以部，各齒 沿-各自第—方向延伸以界定朝向轉子之—方向，該等 齒係沿-第二方向配置以界定該運動方向，各齒具有面 向相鄰齒之至少一側壁及面向該限流間隙之一界面表 面丄該界面表面與該側壁形成連接該界面表面與該侧壁 之一邊緣；其令該邊緣呈圓形以界定由該等第一及第二 向跨越之平面之一曲率半徑；且其中該曲率半徑沿 垂直於該平面之一側向方向變動。 2. :喷求項R定子鐵心區段，其中該半徑沿側向方向連 續增大。 3. ::求項鴻2之定子鐵心區段’其中該齒包括相對於該 j動方向且與該界面表面形成各自前邊緣及後邊緣之一 =壁及—後側壁；其中該前邊緣及該後邊緣呈圓形以 ::有由該運動方向及該第一方向跨越之—平面之各自曲 ;且其中該曲率半徑沿垂直於該平面之一側向方 4. 如5月求項1或2之定子鐵心區段，其中該邊緣具有與該邊 緣之-側向端接近之-第一端部分，該第—蠕部分具有 161061.doc 201233004 一恒·定曲率半徑。 5.如請求項1或2之定子鐵心區段，其中該定子鐵心區段係 由軟磁粉製成。 6·如請求項1或2之定子鐵心區段，其中該定子鐵心背部連 接該等齒且提供一通量路徑。 7. -種調變磁極電機’其包括一定子、一移動裝置及介於 該移動裝置與該定子之各自界面表面之間以傳送該定子 與-亥移動裝置之間之磁通量之_限流間隙，該移動裝置 餘調適以沿—運動方向相對於該定子而移動，其中該 定子匕括_第一定子鐵心區&該第一定子鐵心區段包 括使複數個齒自其延伸4子鐵心背部，各齒沿朝向該 裝置之各自第，方向延伸，該等齒係沿該運動方 向配置’各齒具有面向一相鄰齒之至少一側壁及面向該 ’·]隙之界面表面，該界面表面與該側壁形成連接 該界面表面與該側壁之-邊緣；其中該邊緣呈圓形以界 定由該運動方向及該第—方向跨越之—平面之—曲率半 徑；且其中該曲率半徑沿垂直於該平面之—側向方向變 動。 8. 如請求項7之調變磁極電機，丨中該定子包括沿該側向 方向與該第—定子鐵心區段並排配置之一第二相同定子 鐵〜區& ’其中該等第一及第二定子鐵心區段之該等齒 係沿該運動方向相對於彼此而位移；且其中該第一定子 鐵心區段之該等齒之該曲率半徑沿朝向該第二定子鐵心 區段之方向增大。 161061.doc 201233004 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 之調變磁極電機’其中該定子包括配置於該 ，、第—定子鐵心區段之間之一繞組。 如請求項7至9中任一項之調變磁極電機，其中該界面表 面之至少—部分具有相對於該移動裝置之—實質上值定 距離·’其中該界面表面之該部分具有沿該運動方向之一 寬度；且其中該寬度沿該側向方向變動。 如請求項1〇之調變磁極電機，其中該寬度沿該側向方向 減小。 :請求項H)之調變磁極電機，其中該定子包括沿該侧向 方向與該第一定子鐵心區段並排配置之一第二相同定子 鐵'區其中該等定子鐵心區段之該等齒沿該運動方 :相對於彼此而位移；且其中該第-定子鐵心區段之該 齒之该寬度沿朝向該第二定子鐵心區段之方向減小。 :請求項9之調變磁極電機’其中該定子包括配置於該 第-與第二定子鐵心區段之間之一繞組；且其中該等 齒之各者包括—基底部分及自該齒延伸向該繞組之一爪 部件。 月求項7至9中任-項之調變磁極電機，其中該調變磁 極電機為一線性電機。 青求項7至9中任一項之調變磁極電機，其中該調變磁 ▲機為方走轉式電機，且其中該移動裝置為一轉子。 如-青求項7至9中任1之調變磁極電機，其中該定子裝 或°亥移動裝置提供三維(3D)通量路徑，該三維通量 路徑包含沿相對於該運動方向之橫向方向之一通量路徑 161061.doc 201233004 分量。 -種調變磁極電機，其包括一定子、一移動裝置及介於 該移動裝置與該定子之各自界面表面之間以傳送該定子 與該移動裝置之間之磁通量之一限流間隙，該移動裝置 係經調適以沿一運動方向相對於該定子而移動，其中該 定子包括-第-定子鐵心區段，該第一定子鐵心區段： 括使複數個齒沿朝向該移動裝置之一第一方向自其延伸 之-定子鐵4部’該等㈣沿該運動方向配置，、各齒 具有面向該限賴隙之至少—界面表面，其中該界面表 面之至少一部分具有相對於該移動裝置之一實質上恆定 距離；其中該界面表面之該部分具有沿該運動方向之一 寬度；且其中該寬度沿垂直於由該運動方向及該第一方 向跨越之一平面之一側向方向變動。 a如請求項π之調變磁極電機，其中該寬度沿該側向方向 減小。 19.如請求項17或18之調變磁極電機，其中該定子包括沿該 ，向方向與該第-定子鐵心區段並排配置之—第二相同 &子鐵U H段’其中該等^子鐵心區段之該等齒沿該運 動方向相對於彼此而位移；且其中該第一定子鐵心區段 ，該專齒之該寬度沿朝向該第二定子鐵心區段之方向減 ✓J、〇 2〇·^^項19之調變磁極電機，其中較子包括配置於該 H定子鐵心區段之間之'繞組；且其中該等 各者包括-基底部分及自該齒延伸向該繞組之一爪 161061.doc 201233004 部件。 21. 22. 23. 24. 如請求項17或18之調變磁極電機，其中該調變磁極電機 為一線性電機。 如請求項17或18之調變磁極電機，其中該調變磁極電機 為一旋轉式電機，且其中該移動裝置為一轉子。 如請求項22之調變磁極電機，其中該轉子係經組態以產 生與該定子之一定子磁場相互作用之一轉子磁場，該轉 子包括沿該轉子之圓周方向磁化以便產生該轉子磁場之 複數個永久磁鐵’藉由軸向延伸轉子磁極區段而使該等 永久磁鐵沿該轉子之該圓周方向彼此分離以沿至少一徑 向方向及一軸向方向導引由該等永久磁鐵產生之該轉子 磁場。 如請求項17或18之調變磁極電機，其中該定子裝置及/或 該移動裝置提供三維（3D)通量路徑，該三維通量路徑包 3 相對於該運動方向之橫向方向之一通量路捏分量。 161061.doc