TW201440389A - 高效率之永磁式機械 - Google Patents

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TW201440389A
TW201440389A TW103100352A TW103100352A TW201440389A TW 201440389 A TW201440389 A TW 201440389A TW 103100352 A TW103100352 A TW 103100352A TW 103100352 A TW103100352 A TW 103100352A TW 201440389 A TW201440389 A TW 201440389A
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Xinzhang Wu
han-zhou Liu
Yang Hu
Louis Chow
Jon Harms
Martin Epstein
Wei Wu
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Xinzhang Wu
han-zhou Liu
Yang Hu
Louis Chow
Jon Harms
Martin Epstein
Wei Wu
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Abstract

本發明是一種高效率之永磁式機械，能夠維持高功率密度(power density)，本發明機械可在一寬範圍之輸出功率範圍下操作，其改善之效率係部分緣於銅線其具有較傳統設計為低之電流密度以及較大之永久磁鐵其耦合著較大之氣隙(air gap)。在一具體之實施例中，係利用寬定子齒(wide stator teeth)而透過相當地減少了產生低電流之磁飽和(magnetic saturation)來提供額外之改善效率。本發明機械亦具有一在額定負載(rated load)上較傳統設計非常小之轉矩角(torque angle)，因而具有一較高之超負載操控能力及改善之效力。此外，當本發明機械作為馬達使用時，一適應相位落後補償架構(adaptive phase lag compensation scheme)即有助於無感測磁場定向控制架構(sensorless field oriented control scheme)之更精確執行。

Description

高效率之永磁式機械 【相關案件交叉引用】
本非暫時性申請案主張於2013年4月1日提出之第61/748,998號暫時性申請案，發明名稱「高效率低轉速永磁式機械」，以及2013年3月21日提出之第61/803,993號暫時性申請案，發明名稱「高效率之永磁式機械」之優先權。
本發明大致上係有關電動機械，尤其更特定的是有關一種高效率之電動馬達或發電機。
電動馬達及發電機能夠分別將電能轉換成機械能，以及將機械能轉換成電能，此等電動機械具有許多相似處，並且經常被以發電機或馬達的方式操控。
習知電動機械包含一轉子、一定子、複數之繞線圈、以及負數之永久磁鐵。轉子大致呈圓柱形而具有一外部圓周以及產生一內部圓周之軸向孔，內部圓周適於接納一轉軸而使兩者旋轉成一體。轉子之外部圓周包含複數之永久磁鐵，其等係縱向設置而以一較佳大致均勻同心方式平行於轉子之迴轉軸線或中心軸線。
目前之定子設計具有一大致圓柱形而有一外部圓周及一預定數量之齒其等係朝著定子縱向軸線向內凸出一預定距離。該等齒產生一 非接續性之圓周，使得轉子及永久齒鐵總成被置於定子內，因此轉子總成可以在定子內部之內部圓周內自由地迴轉。在每一齒之間有一定子槽其具有一預定之形狀及尺寸，而適於容納各繞線圈。各繞線圈通常係導電材質例如銅或鋁之線，該等線組係配置成線圈組而圍繞著定子齒。繞線圈與永久磁鐵互相作用以產生機械能或電能。當被構建成一馬達時，電動機械即利用流經繞線圈之電流以產生迴轉磁場，而與附著在轉子上之永久磁鐵互相作用，導致轉子與轉軸迴轉。而當建構為一發電機時，該等永久磁鐵及其等之各別磁場係旋轉並與各繞線圈互相作用以產生電力。
近年來，朝著綠色能源的推動已經增加結合發展高效率電動機械技術之需求。美國能源部(The U.S.Department of Energy)估計在美國之電動馬達消耗了美國所有電力能源之一半以上。因此改善此等電動機械之效率將能夠大大地減少美國之碳足跡(carbon footprint)。
就目前而言，有些現成之商用電動馬達係經設計成高效率但卻僅有每磅0.1馬力(HP/lb)之功率密度階層(order)。另一方面，在飛機推進(小型無人駕駛航空器)所使用發展之電動馬達卻有介於1至2 HP/lb之功率密度。然而只有透過增加操作速度，才能使直接驅動之電動馬達獲致超過5 HP/lb之功率密度。
在傳統上電動機械之應用，愈高之電動機械效率其浪費之能源愈少且熱管理系統(thermal management system)愈容易；然而效率通常來自增加尺寸及重量之代價。銅損(copper loss)即經常意涵著變壓器繞線圈或其它電器裝置之導體中電流所產生之熱，銅損為不良之能量轉移，而磁芯損耗(core losses)亦同，其等係由鄰近之組件內之感應電流所導致者。 銅損是所有電動機械中最嚴重之損失，因此減少銅損是建立高效率電動機械之關鍵。如眾所知，銅損是與銅線之截面積成反比，是故銅線具有一較大之截面積(較大線徑)，且較低之電流密度(current density)亦須要有一較大之槽面積。較大之槽面積須要增大定子之尺寸或齒之尺寸減少。如果定子之尺寸減少，電動機械將變得較大，而功率密度減少。如果齒之尺寸減少，則磁飽和減少，因而使得電流必須增加，導致效率降低。
因此，所需要的是一種高效率可擴張式(scalable)永磁式機械，其具有相對高的功率密度，而能夠在寬動力輸出範圍下操作。不過鑑於整體考量本發明製作當時之技藝，本發明對於先前技藝缺點之克服並非習於此技藝之人仕顯而易知者。
所有的參考刊物併此完整地引述作為前案技術參照，此外，當併此引用之參考資料所定義或採用之專有名詞，不符合或相反於此處所提出之定義者，即應採用此處所提出之專有名詞，而該參考資料之專有名詞不得適用。
當某方面之習知技藝經過討論俾有助於本發明之揭露時，申請人並未放棄該等技術觀點，且經考慮者為本發明可包含此處討論之一項或多項之先前技藝。
本發明可提出上述習知技藝之一項或多項問題及缺點，不過經考慮者為，本發明在提出許多技術領域之其他問題及缺點時，或可證明本發明之實用性。所以，本發明不應該被解釋為限制此處所討論之任何特殊問題或缺點。
在本專利說明書中所引述或討論之文件、行為或知識項目， 並不當然承認其等個別或組合在本發明優先權日時，已經公開可獲得或公諸於世，部份為公知常識、或在現行法規下構成習知技藝；或承認係相關於本發明說明書所欲尋求之任何問題。
對於長期存在而迄未滿足需求之一更有效率之永磁電動機械，現已經由本發明創新、實用且非顯而易見之發明而予以實現。
此一新穎結構包括一疊層之圓柱形轉子以及封閉在一殼體內之一疊層圓柱形定子。該轉子具有一軸向孔適於接納一轉軸，以及一外部圓周適於接納複數之永久磁鐵。每一永久磁鐵具有轉子上永久磁鐵材料之殘留磁通密度百分之70至95之磁通密度。
該定子包括一外部圓周、一槽間距、一縱軸線以及複數之定子齒，係以一遇定距離朝內凸出於定子之縱軸線，定子齒產生一非連續之內部圓周可接納該轉子於定子內，使得轉子之中心軸線與定子之縱軸線對齊，且轉子係可自由地迴轉於定子之內部圓周內。該定子亦包括各定子槽，具有預定之形狀及尺寸，而設置於兩個定子齒之間，並適於容納預定數量之導線材料線股，以形成圍繞每一定子齒之繞線圈者。
一氣隙，當該轉子係置於該定子之內時，係介於轉子之外部圓周與定子之內部圓周之間，該氣隙係與該電動機械之轉距角成反比。該轉距角係介於大約2度與大約10度之間，而相當小般標準者，且與永久磁鐵之厚度成正比。
另外，該電動機械包括一預定數量之磁極，其中磁極之數量 係與電動機械之電頻率直接成正比，而與所需之線圈繞線圈數成反比。本發明利用一個三相位繞線圈架構，其中每一相位有兩個群，而每一群包括兩個串聯連接之線圈。繞線圈包含導線材料線股，而有截面積與電流密度之關係，其中較佳之電流密度係在大約3至至大約8 Amp/mm2範圍之間。
在本發明某一實施例中，每一定子齒具有一大致均勻之寬度，其中齒寬度的大小係介於一定子槽間距之大約60%至大約80%之範圍內。此種設計提供了降低之磁飽和，並因而提高了效率。
在一本發明之某一實施例中，可利用一無感測磁場定向控制器，其中一轉子角度係由一滑動模式觀測器所估算，而該滑動模式觀測器模組包含一第一階層低通濾波器以做為反電動式估算。在該實施例中，可根據轉子之轉速，而能夠自動計算出一相位落後補償值，並應用於反饋磁場定向控制器之增加準確度。
本發明之此等及其它目的、優點、及特徵，在接下來之揭露後將可更為清楚。
因此，本發明包含結構特徵、元件之組合、以及部件之配置，將由以下之揭露予以範例，而本發明之範疇將由申請專利範圍予以界定。
100‧‧‧電動馬達
102‧‧‧定子
104‧‧‧繞線圈
106‧‧‧轉子
108‧‧‧永久磁鐵
110‧‧‧定子齒
112‧‧‧殼體
114‧‧‧轉軸
200‧‧‧發電機
202‧‧‧定子
204‧‧‧繞線圈
206‧‧‧轉子
208‧‧‧永久磁鐵
210‧‧‧定子齒
212‧‧‧殼體
214‧‧‧轉軸
A、B、C‧‧‧相位
為了完全了解本發明，請參照下述配合附圖之詳細說明，圖式中：圖1係繪述一舉例之B-H曲線。
圖2a係繪述一向量圖，描述一介於感應電壓EA與端電壓Vψ 間之轉距角(torque angle)，以及一介於淨磁通量(net flux)λnet與轉子磁通量(rotor flux)λf間之轉距角。
圖2b係繪述一向量圖，描述轉距角與磁通密度(magnetic flux density)間之關係。
圖3係本發明第一實施例之立體圖。
圖4係圖3所描述之本發明第一實施例之分解圖。
圖5係本發明第二實施例之立體圖。
圖6係圖3所描述之本發明第二實施例之分解圖。
圖7係本發明第一實施例之頂視圖，係描述轉子置於定子內部之轉子。
圖8係本發明第二實施例之放大圖，係描述介於定子齒與轉子上永久磁鐵間之氣隙(air gap)。
圖9係本發明第一實施例之放大圖，係描述介於定子齒與轉子上永久磁鐵間之氣隙。
圖10係本發明第二實施例之頂視圖，係描述置於定子內部之轉子。
圖11係本發明第二實施例之繞線圈構圖，其中定子槽(stator slots)係以標號1-36為識別。
圖12係強調圖11所示繞線圈構圖之A相位。
圖13係強調圖11所示繞線圈構圖之B相位。
圖14係強調圖11所示繞線圈構圖之C相位。
在以下本發明較佳實施例之詳細說明中，註示有構成圖式部分之參考標號，而圖式中亦顯示本發明某一實施例之實施方式。應可了解的是，在不脫離本發明範疇下，其他實施例亦可適用，且結構上亦可改變。
本發明係一種高效率之電動機械，可當作馬達或發電機操作。該電動機械包括一轉子、一定子、複數之繞線圈、以及複數之永久磁鐵，均容納於一殼體內。轉子大致呈圓柱形而具有一外部圓周以及產生一內部圓周之軸向孔，內部圓周適於接納一轉軸而使兩者旋轉成一體。轉子之外部圓周包含複數之永久磁鐵，其等係縱向設置而以一較佳大致均勻同心方式平行於轉子之迴轉軸線或中心軸線。在某一之實施例中，永久磁鐵係經配置成徑向朝外之磁極在每一永久磁鐵間係交替方位(alternating in orientation)的。
定子具有一大致圓柱形而有一外部圓周及一預定數量之齒其等係朝著定子縱向軸線內凸出一預定距離。該等齒產生一非接續性之圓周，使得轉子及永久齒鐵總成被置於定子內，因此轉子總成可以在定子內部之內部圓周內自由地迴轉。在每一齒之間有一定子槽其具有一預定之形狀及尺寸，而適於容納一預定數量較佳者為銅導線股，以便形成圍繞著一預定量之定子齒之繞線圈。
本發明利用一種提供降低銅損及風阻損失(windage loss)之設計，以改善電動機械之整體效率。為了降低銅損，本發明使用了具有較傳統設計更大線徑之銅線，銅線之線徑關係著電流密度，如下列所示之公式：
如公式(1)所示，低電流密度將導致大的銅線線徑，其因銅損與銅線截面積成反比而降低銅損，較佳之電流密度值是在3至8 Amp/mm2範圍之間。在電動機械設計中，繞線圈電流密度(winding current density)係一重要因素。由於散熱限制(heat dissipation limitation)，電流密度不能超過一特定值，否則馬達會過熱。對於氣冷而言，電流密度通常小於8 A/mm2，且電流密度與銅線線徑有一如公式(1)所示之關係。因此，在相同之電流情況下，較大之銅線線徑會產生較低之電流密度，使得馬達具有更高之超負載能力(能夠以較高電流運作)及較低之熱應力(heat stress)。除此之外，為了降低因提高效率而導致之渦流效應(eddy current effects)與鄰近效應(proximity effects)，本發明一實施例將利用一已知之絞合線(stranded Litz wire)而非實線(solid wire)。
雖然一較粗銅線需要較大之定子槽區域，一高效率之機械產生很少的熱，因此不需使用任何主動冷卻方法(active cooling methodologies)(例如風扇、液體冷卻或噴霧冷卻)；是故整個系統(包括冷卻裝置)的所有功率密度不致於降低太多。一個被動冷卻機構(passive cooling mechanism)，例如在機械外殼上之鰭片(fins)，在機械效率高時是足夠的。在本發明某一實施例中，殼體可視電動機械之應用而包含一被動冷卻機構或一主動冷卻機構。
為了抗衡因較粗銅線而增加槽區域之需要，每一線圈之圈數或在槽區域內之銅線數量可減少。然而，減少每一線圈之圈數，則需要較高之電頻率(electrical frequency,EF)。電頻率需視轉子磁極對(pole pairs, PP)之數量與轉子之機械頻率(mechanical frequency,MF)而定，如以下公式所示：EF=PP x MF (2)
該電頻率在馬達運轉時，並非剛好是一常數。反之在通常使用馬達驅動系統以驅動馬達時，提供了由一控制器所指定之電頻率。例如，在卡車APU的應用方式，馬達速度幾乎是一常數，如果使用非常多的磁極對，則電頻率會增加，定子繞線圈之每一線圈之圈數係與電頻率成反比，如以下所示之公式3： 其中N c 係每一線圈之有效圈數，而係向電壓，f e 是電頻率，n是每一磁極之繞線圈群(group windings)，k w 是由於定子間距之反電動勢(back EMF due to stator pitch)，B m 是殘留磁通密度之總和，D是馬達之直徑，而l是馬達之長度。
因此，基於較高之電頻率，較少之線圈數已足夠，故能獲致較少之槽區域。最後，增加磁極對的數目即導致增加之電頻率，而使得本發明得以利用每一線圈減少圈數，因而促使了較少槽區域之需求，並且避免了需要增加電動機械之整體的尺寸。
當所欲達到的機械轉速少於3,000每分鐘轉(rpm))的時候，本發明較佳實施例係使用8至16個轉子磁極。縱然本發明似乎在低轉速電動機械上使用了較大之槽區域，但每一線圈圈數減少了，且所需之槽區域可與利用較小線徑銅線之2至6磁極設計相比的。
此外，本發明設計利用一較小轉距角，一較大氣隙以極大的永久磁鐵。通常由於永久磁鐵之昂貴成本，使得創新業者以較小之永久磁鐵來發展電動機械，而迫使電動機械之設計包含小的氣隙(0.5mm-10mm)。然而，小氣隙會導致較高風阻(介於轉子與定子間之空氣剪切力(shear forces))，因而導致電動機械效率不佳。為了避免退磁(demagnetization)，本發明利用介於大約百分之70至95之Br(轉子上永久磁鐵材料之殘留磁通密度)之Bmr(轉子永久磁鐵之磁通密度)，因此使用如圖1所示永久磁鐵材料之B-H曲線，即可決定HmR(永久磁鐵內之磁場強度(magnetic field intensity))。以下之公式表示當總磁通勢(magnetomotive force,MMF)在迴路(loop)內為零時，氣隙尺寸與永久磁鐵尺寸之關係：g eff B mR +μ0 H mR l m =0 (4)其中g eff係有效氣隙，其係與實際氣隙成正比，而l m 係永久磁鐵厚度。由於B mR 以及H mR 具有某一關係，且對於特殊設計可視為常數，而H mR 為一複數(參圖1)，很明顯的氣隙與永久磁鐵係成正比。
轉距角度亦與氣隙有關，因而與永久磁鐵尺寸有關。傳統之電動機械在額定功率與速度上利用大約15度至30度間之轉矩角，本發明則在額定功率與速度上使用大更小之2度至10度間之轉矩角。轉距角係如圖2a所示之δ，而可表示為感應電壓EA與端電壓Vψ之間的角度，或淨磁通λnet方向(總磁通量，其係繞線圈激磁磁通量與轉子磁通量相互作用之結果)與轉子磁通λf方向之間的角度。該轉距角亦可視為係轉子磁極落後轉動磁場之角度。
當轉距角為0度時，並無轉距；但當為90度時，轉距最大。不過，假如轉距角超過90度時，馬達將失去同步而停止。當馬達在額定負載以小轉距角運轉時，若有需要的話馬達有更多的空間及潛力提供更多的轉距(當負載轉距增加，馬達將有較大之轉距角以便補償及試著產生更多的轉距輸出)。然而轉距角須要保持在某一範圍，因為如果其增加太快，則有失去同步之風險。因此，使馬達在低額定功率下以低轉距角運轉，即意味著有較佳之超負載動力處理能力與效率。
如圖2b所示，轉子(BR)之磁通密度與定子電樞(BS)內之磁通密度有下述之關係：B S =B R sinδ (5)其中，在工作點(working point)被選定時，BmR(在本方程式中其為BR)即被決定，且在某一設計中可視為一常數。因此，一小的轉距角δ將會產生一較小之BS。另外，電樞繞線圈所產生的磁通密度與氣隙有一種如下所示之關係： 其中，係有效之總氣隙，係每一電樞繞線圈相位之有效串連圈數，P係轉子磁極之數目，I A,rated 係額定相位電流，μ0係一真空磁導率常數，以及B a,pk 係上述之B S 。方程式(6)證明了一小小之B a,pk 將產生一較大之氣隙。因此，較小之轉距角將會導致一較小之B S ，其產生了一較大之氣隙。
本發明使用介於大約2度及大約10度之小轉距角，基於方程式(5-6)之較大氣隙，以及基於方程式(4)之大的永久磁鐵。該大的氣隙 (如圖7-10所強調者)有助於降低風阻損失以及噪音程度，而增加的永久磁鐵厚度則有助於避免退磁。
在某一實施例中，本發明利用無感測磁場定向控制器(sensorless field oriented control)，其中轉子角度係由一滑動模式觀測器(sliding mode observer)所估算。該滑動模式觀測器模組包含一第一階層低通濾波器(first order low-pass filter)以做為反電動式估算，然而此一低通濾波器將導致估算角度之延遲。轉子角度在磁場定向控制中是一非常重要之參數：為了準確達到磁場定向控制，對於估算角度做了補償。相位落後在不同轉速是有差別的，因此補償必須是能適應的(adaptive)。角度延遲利用插入該延遲角度對抗速度曲線而可以校準，該適當之相位落後補償值，係根據馬達之轉速並應用於反饋(feedback)而能夠自動計算出，此一適應之相位落後補償增加了控制器之準確性。
在一本發明之實施例中，其擬用於電動機械轉速大於每分鐘3,000轉(rpm)操作之電動機械，較佳者為較上述指定者為更少之轉子磁極。對於操作轉速大於6,000rpm之電動機械而言，2至12個磁極是足夠的。在替代的實施例中，可在擬低速操作之電動機械中包含更多之磁極。當機械轉速高時，因轉子之機械強度，故較佳者為較少之磁極。
在本發明某一實施例中，可使用一疊層定子及/或一疊層轉子，例如定子及轉子兩者係藉著隔熱膠(adhesive having thermal insulation properties)黏合薄片製作而成。此種設計減少了具有額外內部冷卻裝置之需要，以避免電動機械之過熱。此種疊層設計亦能額外提供眾所周知之降低渦流之好處。
範例1
如圖3所示，在本發明之某一實施例中，大致上經標號為100之本發明高效率之電動馬達，其包括一轉軸114、疊層之定子102及疊層之轉子106皆容納於一殼體112中。疊層定子102含有複數之繞線圈104，而疊層轉子106包含複數之永久磁鐵108。轉子106係置於定子102之內圓周內，使得定子102之縱軸線與轉子106之中心軸線對齊，且轉子106係可自由迴轉於定子102內。定子102具有複數之定子齒110以及複數之定子槽，其中每一定子槽係設置於兩個定子齒110之間。各繞線圈104係圍繞著每一定子齒110而穿過各個定子齒110各側之定子槽。繞線圈104經描述於圖式中而以長方形呈現以便清楚顯示，各線圈係以複數導線材料線股所組成，此乃因為若以實際狀態顯示則無法妥式顯示出。
如圖3、4、7及9所示，定子102係經設計而使用較寬之定子齒110以進一步降低銅損。由於銅損與電流平方成正比，降低電流是降低銅損的有效方法且能改善效率。藉著減少磁飽和以便降低電流，而磁飽和係與定子齒寬成反比關係。所以定子齒寬增加即可減少磁飽和，依次減少電流，而最後減少銅損。定子齒110之齒寬較佳者為在定子槽間距之60%至80%之範圍內，定子槽間距乃一圓周長度，係沿著定子內圓周自齒或槽之中心線至相鄰齒或槽之中心線者。傳統之電動機械設計利用具有大約定子槽間距之40%至60%之定子齒寬度，而能產生較本發明為大之磁飽和及較差之效率。
馬達之某一實施例可實施一具有三個相位(A,B,C)之繞線架構，其每一個相位具有兩個繞線圈群，且每個繞線圈群包括兩個串接 之線圈。舉例而言，一個定子具有12個定子槽，3個相位，以及每個相位有兩個繞線圈群，其中之線圈配置即如下表1所示者：
在一變換之實施例中，繞線圈群可由並聯方式連接，此乃為習於此一技藝者所熟知。
範例2
如圖5所示，在某一實施例，大致標號為200者為一高效率發電機。類似於該馬達，發電機設計包括一轉軸214、定子202、轉子206、繞線圈204以及永久磁鐵208，皆容納於一殼體212中。轉子206具有四個永久磁鐵208，可使用於一期望之操作轉速6,000rpm可避免因結合過多之轉子磁極而導致超出之電頻率。定子202包含36個定子齒210而有36個定子槽。類似於繞線圈104，繞線圈204經描述於圖式中以長方形呈現以便清楚顯示。如圖5所示，一繞線圈包圍著兩個定子齒，圖式上所描述者僅是供清楚顯示。實施例200實際上每一定子槽包含有兩個線圈。圖11至14係描述三相位繞線圖，其中每一線圈有兩圈、每一槽有個線圈、以及所有繞線圈群係以串聯連接者。每一線圈包含大約120股之導線材料。在一變換之實施例中，繞線圈群可以並聯方式連接，此為習於此技藝之人仕所熟知者。
專利申請範圍之詞彙表
反電動勢估算(back electromotive force estimation)：係電動馬達內感應電壓之估算，其中在馬達電樞與磁場之間有相對運動。
電流密度(current density)：係每一截面積通過之電流。
電頻率(electrical frequency)：係每一單位時間之電周期數。
電繞線圈(electrical winding)：係纏繞定子齒之導線材料股數。
低通濾波器(low-pass filter)：係一濾波器其通過低頻訊號，其將高於截止頻率(cutoff frequency)之頻率予以減弱。
磁通密度(magnetic flux density)：係取自垂直於磁通方向 之單位面積之磁通量。
被動冷卻機構(passive cooling mechanism)：係不須幫浦或風扇之散熱。
永久磁鐵(permanent magnet)：係在沒有感應磁場或電流之情形下，仍保留有磁性之磁鐵。
相位落後補償值(phase lag compensation value)：係基於轉子速度與反饋迴路延遲(feedback loop delay)而計算之角度。其被應用於所估算之轉子角度以便增加準確度。
磁極(pole)：係電或磁力所集中之點。
轉子(rotor)：係一電動機械之轉動部分。
轉子薄片(rotor sheet)：係一薄層材料，適於疊層至其它轉子薄片，以形成最後之轉子尺寸。
無感測磁場定向控制(sensorless field oriented control)：係一種無感測頻率變化驅動控制方法。
滑動模式觀測器(sliding mode observer)：係一種非線性高增益觀測器(non-linear high-gain observer)。
槽間距(slot pitch)：係在鄰接之定子槽中相對應點間之距離，其亦可以角度方式表達。
定子薄片(stator sheet)：係一薄層材料，適於疊層至其它定子薄片，以形成最後之轉子尺寸。
定子槽(stator slot)：係介於兩個定子齒間之一開口。
定子齒寬(stator tooth width)：定子齒最小寬度之量測。
定子(stator)：係一種機械裝置，構成一馬達或發電機之靜止部分，其內或環繞者為轉子迴轉著。
隔熱膠(adhesive having thermal insulation properties)：係一種具有黏著傾向之物質，其可降低物品間熱接觸之熱移轉或輻射影響之範圍。
轉距角(torque angle)：係一種在感應電壓EA與端電壓Vψ間之夾角，或淨磁通量λnet方向(總磁通量，其係繞線圈激磁磁通量與轉子磁通量互相作用之結果)與轉子磁通量(rotor flux)λf間之結果。轉距角亦可被看成是轉子磁極落後於轉動磁場之角度。
上述本發明之優點以及前述詳細說明皆能有效率地達到，由於在不脫離本發明範疇下，針對以上之構造可做到某些更改，因此在以上敘述中所包含者或各圖式中所顯示者，皆應被解讀為屬於敘述說明性質，而非對於本發明之限制意涵者。
此外，亦應瞭解者為，以下之申請專利範圍係擬用以涵蓋所有於此所述之本發明通用及特定之特徵，而且所有本發明範疇之陳述就語文而言亦應包含其間。
100‧‧‧電動馬達
102‧‧‧定子
104‧‧‧繞線圈
106‧‧‧轉子
108‧‧‧永久磁鐵
114‧‧‧轉軸

Claims (20)

  1. 一種電動機械，包含：一轉子，該轉子進一步包括：具有一圓柱形及一中心軸線；一軸向孔，適於接納一轉軸；一外部圓周，適於接納複數之永久磁鐵，其中每一永久磁鐵具有轉子上永久磁鐵材料之殘留磁通密度百分之70至95之磁通密度；一定子，該定子進一步包括：具有一圓柱形及一縱軸線；一外部圓周；複數之定子齒，係以等距角度關係設置，每一定子齒朝內凸出於該縱軸線，定子齒產生一非連續之內部圓周其構形上可接納該轉子於定子內，使得定子之縱軸線與轉子之中心軸線對齊，且轉子係可迴轉於定子之內部圓周內；一定子槽，具有預定之形狀及尺寸，而設置於兩個定子齒之間，並適於容納預定數量之導線材料線股，以形成圍繞至少一定子齒之繞線圈者；一電流密度，在3至8 Amp/mm2範圍之間；一預定數量之磁極，其中磁極之數量係與電動機械之電頻率直接成正比，而與所需之線圈繞線圈數成反比；一轉距角，介於2與10度之間；以及一氣隙，當該轉子係置於該定子之內時，係介於轉子之外部圓周與定子 之內部圓周之間。
  2. 根據申請專利範圍第1項之電動機械，進一步包含一個三相繞線圈架構，其中每一相有兩個群，而每一群包括兩個串聯連接之線圈。
  3. 根據申請專利範圍第1項之電動機械，進一步包含該轉子具有複數之轉子薄片，其等係由隔熱膠塗佈於鄰接兩個轉子薄片之間，而使轉子薄片彼此黏合者。
  4. 根據申請專利範圍第1項之電動機械，進一步包含該定子具有複數之定子薄片，其等係由隔熱膠層塗佈於鄰接兩個定子薄片之間，而使定子薄片彼此黏合者。
  5. 根據申請專利範圍第1項之電動機械，進一步包含一無感測磁場定向控制器，其中一轉子角度係由一滑動模式觀測器所估算，該滑動模式觀測器模組包含一第一階層低通濾波器以做為反電動式估算。
  6. 根據申請專利範圍第1項之電動機械，進一步包含一控制模組經構形以便根據轉子之轉速，而能夠自動計算出一相位落後補償值，並應用於反饋磁場定向控制器之增加準確度。
  7. 根據申請專利範圍第1項之電動機械，進一步包含一封閉該定子與該轉子之殼體，其中該殼體包括一被動冷卻機構。
  8. 根據申請專利範圍第1項之電動機械，進一步包含每一定子齒具有一大致均勻之寬度，其中齒寬度的大小係介於一定子槽間距之60%至80%之範圍內。
  9. 根據申請專利範圍第1項之電動機械，進一步包含當所欲達到的轉子轉速少於3,000每分鐘轉(rpm)的時候，轉子具有8至16個磁極。
  10. 根據申請專利範圍第1項之電動機械，進一步包含當所欲達到的轉子轉速大於6,000每分鐘轉(rpm)的時候，轉子具有2至12個磁極。
  11. 一種電動機械，包含：一轉子，該轉子進一步包括：複數之轉子薄片，其等係由隔熱膠使轉子薄片彼此黏合者；具有一圓柱形及一中心軸線；一軸向孔，適於接納一轉軸；一外部圓周，適於接納複數之永久磁鐵，其中每一永久磁鐵具有轉子上永久磁鐵材料之殘留磁通密度百分之70至95之磁通密度；一定子，該定子進一步包括：複數之定子薄片，其等係由隔熱膠使定子薄片彼此黏合者；具有一圓柱形及一縱軸線；一外部圓周；複數之定子齒，係以等距角度關係設置，每一定子齒朝內凸出於該縱軸線，定子齒產生一非連續之內部圓周其構形上可接納該轉子於定子內，使得定子之縱軸線與轉子之中心軸線對齊，且轉子係可迴轉於定子之內部圓周內；一定子槽，具有預定之形狀及尺寸，而設置於兩個定子齒之間，並適於容納預定數量之導線材料線股，以形成圍繞至少一定子齒之繞線圈者；每一定子齒具有一大致均勻之寬度，其中齒寬度的大小係介於一定子槽間距之60%至80%之範圍內； 一電流密度，在3至8 Amp/mm2範圍之間；一轉距角，介於2與10度之間；以及一氣隙，當該轉子係置於該定子之內時，係介於轉子之外部圓周與定子之內部圓周之間。
  12. 根據申請專利範圍第11項之電動機械，進一步包含一個三相位繞線圈架構，其中每一相位有兩個群，而每一群包括兩個串聯連接之線圈。
  13. 根據申請專利範圍第11項之電動機械，進一步包含一無感測磁場定向控制器，其中一轉子角度係由一滑動模式觀測器所估算，該滑動模式觀測器模組包含一第一階層低通濾波器以做為反電動式估算。
  14. 根據申請專利範圍第11項之電動機械，進一步包含一控制模組經構形以便根據轉子之轉速，而能夠自動計算出一相位落後補償值，並應用於反饋磁場定向控制器之增加準確度。
  15. 根據申請專利範圍第11項之電動機械，進一步包含一封閉該定子與該轉子之殼體，其中該殼體包括一被動冷卻機構。
  16. 根據申請專利範圍第11項之電動機械，進一步包含一預定數量之磁極，其中磁極之數量係與電動機械之電頻率直接成正比，而與所需之線圈繞線圈數成反比。
  17. 根據申請專利範圍第16項之電動機械，進一步包含當所欲達到的轉子轉速少於3,000每分鐘轉(rpm)的時候，轉子具有8至16個磁極。
  18. 根據申請專利範圍第16項之電動機械，進一步包含當所欲達到的轉子轉速大於6,000每分鐘轉(rpm)的時候，轉子具有2至12個磁極。
  19. 一種電動機械，包含： 一轉子，該轉子進一步包括：複數之轉子薄片，其等係由隔熱膠使轉子薄片彼此黏合者；具有一圓柱形及一中心軸線；一軸向孔，適於接納一轉軸；一外部圓周，適於接納複數之永久磁鐵，其中每一永久磁鐵具有轉子上永久磁鐵材料之殘留磁通密度百分之70至95之磁通密度；一定子，該定子進一步包括：複數之定子薄片，其等係由隔熱膠使定子薄片彼此黏合者；具有一圓柱形及一縱軸線；一外部圓周；複數之定子齒，係以等距角度關係設置，每一定子齒朝內凸出於該縱軸線，定子齒產生一非連續之內部圓周其構形上可接納該轉子於定子內，使得定子之縱軸線與轉子之中心軸線對齊，且轉子係可迴轉於定子之內部圓周內；一定子槽，具有預定之形狀及尺寸，而設置於兩個定子齒之間，並適於容納預定數量之導線材料線股，以形成圍繞至少一定子齒之繞線圈者；一個三相位繞線圈架構，其中每一相位有兩個群，而每一群包括兩個串聯連接之線圈；導線材料線股基於，而有截面與電流密度之關係，以及一在3至8 Amp/mm2範圍之間之低電流密度(J)；一預定數量之磁極，其中磁極之數量係與電動機械之電頻率直接成正 比，而與所需之線圈繞線圈數成反比；當所欲達到的轉子轉速少於3,000每分鐘轉(rpm)的時候，轉子具有8至16個磁極；當所欲達到的轉子轉速大於6,000每分鐘轉(rpm)的時候，轉子具有2至12個磁極；一轉距角，介於2與10度之間；一氣隙，當該轉子係置於該定子之內時，係介於轉子之外部圓周與定子之內部圓周之間，該氣隙與該轉距角成反比係基於，其中是氣隙而δ是轉距角；每一永久磁鐵之厚度係與氣隙成正比，使得g eff B mR +μ0 H mR l m =0，其中g eff是氣隙之有效距離，而l m 是永久磁鐵之厚度；一封閉該定子與該轉子之殼體，其中該殼體包括一被動冷卻機構；一無感測磁場定向控制器，其中一轉子角度係由一滑動模式觀測器所估算，該滑動模式觀測器模組包含一第一階層低通濾波器以做為反電動式估算；以及一控制模組經構形以便根據轉子之轉速，而能夠自動計算出一相位落後補償值，並應用於反饋磁場定向控制器之增加準確度。
  20. 根據申請專利範圍第19項之電動機械，進一步包含每一定子齒具有一大致均勻之寬度，其中齒寬度的大小係介於一定子槽間距之60%至80%之範圍內。
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