TW201843921A

TW201843921A - 一種無刷直流旋轉電機

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Publication number: TW201843921A
Application number: TW106114860A
Authority: TW
Inventors: 張峻榮
Original assignee: 張峻榮
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2018-12-16
Also published as: TWI624149B

Abstract

本發明乃提供一種無刷直流旋轉電機，其特徵在於利用半導體元件之開關，取代傳統有刷直流旋轉電機中的有刷電樞之換向片(整流子)，祈使原本用機械接點動態循序更換電樞連接電極位置的動作，轉為使用靜態電力電子開關陣列，以無接點或無斷點的方式循序切換，使電樞電流仍可保有傳統運作模式，而在旋轉過程中時時維持其電樞電流之分佈正好形成轉子磁場方向與定子磁場成正交之勢，且無換向接點之機械摩耗或電極火花損耗之虞。

Description

一種無刷直流旋轉電機

本發明是關於一種直流旋轉電機，且特別是有關於一種無刷直流旋轉電機。

傳統的直流旋轉電機(DC Dynamo)備有電刷和換向片(整流子)結構,以便在旋轉過程中維持轉子磁場與定子磁場呈正交方向，隨時取得最大轉矩作用。同時，直流旋轉電機保有電壓正比於轉速的簡單性質，操控自然簡便，使它一直在傳統的轉速控制，伺服控制等領域居於重要地位。而現今市面流行之無刷直流旋轉電機(BLDC Dynamo)，其結構近似於一永磁式變頻同步旋轉電機，利用多相(三相)磁場各呈120度分角交替消長而組合成可旋轉角度，可變轉速之旋轉磁揚來帶動永磁式轉子，或者將旋轉中永磁式轉子所感應之電動勢經由多相(三相)線圈感應取出交流電功率。此法雖已成熟，但其VVVF之控制方式頗為繁複且非自然。故吾人尋求一種更近似於傳統直流旋轉電機控制模式之直流無刷旋轉電機結構。

本發明乃利用半導體元件之開關作用取代傳統有刷直流旋轉電機之換向片(整流子)，祈使原本用機械接典動態循序更換電樞連接電極位置的動作，轉為使用靜態電力電子開關陣列，以無接點或無斷點的方式循序切換，使電樞電流仍可保有傳統運作模式，而在旋轉過程中時時維持其電樞電流之分佈正好形成轉子磁場方向與定子磁場成正交之勢，且無換向接點之機械摩耗或電極火花損耗之虞。

本發明之一特徵是提供一種一種無刷直流旋轉電機，包括：一環形電樞單元，包括：N組依序間格排列的第一電樞線圈，且第1組該第一電樞線圈與第N組該第一電樞線圈相鄰接；N組位在該等第一電樞線圈外側且依序間格排列的第二電樞線圈，且第1組該第二電樞線圈與第N組該第二電樞線圈相鄰接；及複數條第一導線與複數條第二導線，分別連接於各個該等第一電樞線圈與各個該等第二電樞線圈之間；其中，N為大於2的自然數，且第(i+1)組該第一電樞線圈藉由第(i+1)條該第一導線與第(i+1) 組該第二電樞線圈連接，並藉由第(i+1)條該第二導線和第(i+2)組該第二電樞線圈連接，1≦(i)≦N-2，而第1組該第一電樞線圈則藉由第一條該第一導線與第1組該第二電樞線圈連接，並藉由第1條該第二導線與第2組該第二電樞線圈連接，而第N組該第一電樞線圈則藉由第N條該第一導線與第N組該第二線圈連接，並藉由第N條該第二導線與第1組該第一電樞線圈連接；一控制單元，包括N個第一控制開關與N個第二控制開關，且第(j)個第一控制開關是連接於一直流第一極性電源與該第(j)條第二導線之間，第(j)個第二控制開關是連接於一直流第二極性電源與該第(j)條第二導線之間，該直流第一極性電源與該直流第二極性電源之極性相反，其中(j)為自然數，且1≦(j)≦N；一磁性單元，設置於該環形電樞單元內，該磁性單元具有一對磁極，且該環形電樞單元與該磁性單元可受控制地相對轉動；以及一位置感應器，用以偵測該磁性單元之位置，並將該位置之資訊輸出至該控制單元，進而使該控制單元輸出一控制訊號，以控制各個該等第一、第二控制開關的開啟或關閉。

本發明之另一特徵是提供一如上所述的無刷直流旋轉電機，且該磁性單元為一永磁式磁鐵或磁激式磁鐵。

本發明之另一特徵是提供一如上所述的無刷直流旋轉電機，且該位置感測器為一解角器(resolver)、編碼器(encoder)、霍爾感應器(Hall sensor)、光遮斷器或光電感應器。

本發明之另一特徵是提供一如上所述的無刷直流旋轉電機，且更包括一第一雜訊抑制電路(snubber)，設置於該直流第一極性電源與該等第一控制開關之間，以及一第二雜訊抑制電路(snubber)，設置於該直流第二極性電源與該等第二控制開關之間。

本發明之另一特徵是提供一如上所述的無刷直流旋轉電機，且該等第一電樞線圈與該等第二電樞線圈可藉由波繞(wave winding)、疊繞(lap winding)或蛙腿繞(frog-leg winding)方式纏繞完成。

本發明之另一特徵是提供一如上所述的無刷直流旋轉電機，且該環形電樞單元為一環形定子，而該磁性單元為一磁性轉子。

本發明之另一特徵是提供一如上所述的無刷直流旋轉電機，且該環形電樞單元為一環形轉子，而該磁性單元為一磁性定子。

本發明之又一特徵是提供一種無刷直流旋轉電機，包括：一第一環形電樞單元，包括M個彼此電性連接的第二環形電樞單元，M為等於或大於2的自然數，且每一該等第二環形電樞單元均包括：N組依序間格排列的第一電樞線圈，且第1組該第一電樞線圈與第N組該第一電樞線圈相鄰接；N組位在該等第一電樞線圈外側且依序間格排列的第二電樞線圈，且第1組該第二電樞線圈與第N組該第二電樞線圈相鄰接；及複數條第一導線與複數條第二導線，分別連接於各個該等第一電樞線圈與各個該等第二電樞線圈之間；其中， N為大於2的自然數，且第(i+1)組該第一電樞線圈藉由第(i+1)條該第一導線與第(i+1) 組該第二電樞線圈連接，並藉由第(i+1)條該第二導線和第(i+2)組該第二電樞線圈連接，1≦(i)≦N-2，而第1組該第一電樞線圈則藉由第一條該第一導線與第1組該第二電樞線圈連接，並藉由第1條該第二導線與第2組該第二電樞線圈連接，而第N組該第一電樞線圈則藉由第N條該第一導線與第N組該第二線圈連接，並藉由第N條該第二導線與第1組該第一電樞線圈連接；2M組控制單元，且每一該等控制單元分別對應於其中一該等第二環形電樞單元，每一該等控制單元均包括N個第一控制開關與N個第二控制開關，且第(j)個第一控制開關是連接於一直流第一極性電源與其所對應該第二環形電樞單元中的該第(j)條第二導線之間，第(j)個第二控制開關則是連接於一直流第二極性電源與其所對應的該第二環形電樞單元中的該第(j)條第二導線之間，該直流第一極性電源與該直流第二極性電源之極性相反，其中(j)為自然數，且1≦(j)≦N；一磁性單元，設置於該第一環形電樞單元內，該磁性單元具有M對磁極，且該第一環形電樞單元與該磁性單元可受控制地相對轉動；以及一位置感應器，用以偵測該磁性單元之位置，並將該位置之資訊輸出至該等控制單元，進而使該等控制單元分別輸出一控制訊號，以控制該等控制單元中的各個該等第一、第二控制開關的開啟或關閉。

本發明之又一特徵是提供一種如上所述之無刷直流旋轉電機，且該磁性單元為一永磁式磁鐵或磁激式磁鐵。

本發明之又一特徵是提供一種如上所述之無刷直流旋轉電機，且該位置感測器為一解角器(resolver)、編碼器(encoder)、霍爾感應器(Hall sensor)、光遮斷器或光電感應器。

本發明之又一特徵是提供一種如上所述之無刷直流旋轉電機，且更包括一第一雜訊抑制電路(snubber)，設置於該直流第一極性電源與該等第一控制開關之間，以及一第二雜訊抑制電路(snubber)，設置於該直流第二極性電源與該等第二控制開關之間。

本發明之又一特徵是提供一種如上所述之無刷直流旋轉電機，且該等第一電樞線圈與該等第二電樞線圈可藉由波繞(wave winding)、疊繞(lap winding)或蛙腿繞(frog-leg winding)方式纏繞完成。

本發明之又一特徵是提供一種如上所述之無刷直流旋轉電機，且該第一環形電樞單元為一環形定子，而該磁性單元為一磁性轉子。

本發明之又一特徵是提供一種如上所述之無刷直流旋轉電機，且該第一環形電樞單元為一環形轉子，而該磁性單元為一磁性定子。

以下將詳細說明本發明實施例之製作與使用方式。然應注意的是，本發明提供許多可供應用的發明概念，其可以多種特定型式實施。文中所舉例討論之特定實施例僅為製造與使用本發明之特定方式，非用以限制本發明之範圍。

實施例一

首先，請參照第1圖，其所顯示的乃是根據本發明實施例一所繪示的無刷直流旋轉電機100，其包括一環形電樞單元110以及一永磁式磁鐵或磁激式磁鐵所構成的磁性單元120，設置於環形電樞單元110內，上述磁性單元120具有一對磁極，其係由磁性相反且分別位在磁性單元120兩相異端的N極和S極所構成，且上述環形電樞單元110與上述磁性單元120可受控制地相對轉動。在本實施例中，磁性單元120是一轉子，而環形電樞單元110為一靜子，磁性單元120可受控制地相對於上述環形電樞單元110旋轉；在根據本發明的其他實施例中，磁性單元120為一靜子，而環形電樞單元110為一轉子，可相對於上述磁性單元120旋轉，在此不再贅述。

如第1圖所示，以8槽電樞線圈為例，上述環形電樞單元110上包括有8組依序間格排列的第一電樞線圈(1b、2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b)，且第1組第一電樞線圈1b與第8組第一電樞線圈8b相鄰接；8組位在上述第一電樞線圈外側且依序間格排列的第二電樞線圈(1a、2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a)，且第1組第二電樞線圈1a與第8組第二電樞線圈8a相鄰接。上述的第一電樞線圈(1b、2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b)與上述的第二電樞線圈(1a、2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a)可藉由波繞(wave winding)、疊繞(lap winding)或蛙腿繞(frog-leg winding)等方式纏繞完成。

接著，請參照第4圖，其所顯示的是對應於第1圖的等效電路圖。如第4圖所示，無刷直流旋轉電機100，除包括一環形電樞單元110以及一永磁式磁鐵或磁激式磁鐵所構成的磁性單元120外，更包括複數條第一導線131~138與複數條第二導線141~148，分別連接於各個該等第一電樞線圈(1b、2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b)與各個該等第二電樞線圈(1a、2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a)之間。其中，第2組第一電樞線圈2b藉由第2條第一導線132與第2組該第二電樞線圈2a連接，且第2組第一電樞線圈2b並藉由第2條第二導線142和第3組第二電樞線圈3a連接；第3組第一電樞線圈3b藉由第3條第一導線133與第3組該第二電樞線圈3a連接，且第3組第一電樞線圈3b並藉由第3條第二導線143和第4組第二電樞線圈4a連接；第4組第一電樞線圈4b藉由第4條第一導線134與第4組該第二電樞線圈4a連接，且第4組第一電樞線圈4b並藉由第4條第二導線144和第5組第二電樞線圈5a連接；第5組第一電樞線圈5b藉由第5條第一導線135與第5組該第二電樞線圈5a連接，且第5組第一電樞線圈5b並藉由第5條第二導線145和第6組第二電樞線圈6a連接；第6組第一電樞線圈6b藉由第6條第一導線136與第6組該第二電樞線圈6a連接，且第6組第一電樞線圈6b並藉由第6條第二導線146和第7組第二電樞線圈7a連接；第7組第一電樞線圈7b藉由第7條第一導線137與第7組該第二電樞線圈7a連接，且第7組第一電樞線圈7b並藉由第7條第二導線147和第8組第二電樞線圈8a連接；第8組第一電樞線圈8b藉由第8條第一導線138與第8組該第二電樞線圈8a連接，且第8組第一電樞線圈8b並藉由第8條第二導線148和第1組第二電樞線圈1a連接。

在根據本發明的其它實施例中，環形電樞單元110可包括N組依序間格排列的第一電樞線圈，且第1組該第一電樞線圈與第N組該第一電樞線圈相鄰接；N組位在該等第一電樞線圈外側且依序間格排列的第二電樞線圈，且第1組該第二電樞線圈與第N組該第二電樞線圈相鄰接；及複數條第一導線與複數條第二導線，分別連接於各個該等第一電樞線圈與各個該等第二電樞線圈之間；其中，N為大於2的自然數，且第(i+1)組該第一電樞線圈藉由第(i+1)條該第一導線與第(i+1) 組該第二電樞線圈連接，並藉由第(i+1)條該第二導線和第(i+2)組該第二電樞線圈連接，1≦(i)≦N-2，而第1組該第一電樞線圈則藉由第一條該第一導線與第1組該第二電樞線圈連接，並藉由第1條該第二導線與第2組該第二電樞線圈連接，而第N組該第一電樞線圈則藉由第N條該第一導線與第N組該第二線圈連接，並藉由第N條該第二導線與第1組該第一電樞線圈連接。

此外，如第4圖所示，無刷直流旋轉電機100更包括一控制單元(無標號)，包括8個第一控制開關151A~158A與8個第二控制開關151B~158B。其中，第1個第一控制開關151A是連接於一直流第一極性電源160與第1條第二導線141之間，第1個第二控制開關151B是連接於一直流第二極性電源170與第1條第二導線141之間；第2個第一控制開關152A是連接於一直流第一極性電源160與第2條第二導線142之間，第1個第二控制開關152B是連接於一直流第二極性電源170與第2條第二導線142之間；第3個第一控制開關153A是連接於一直流第一極性電源160與第3條第二導線143之間，第3個第二控制開關153B是連接於一直流第二極性電源170與第3條第二導線143之間；第4個第一控制開關154A是連接於一直流第一極性電源160與第4條第二導線144之間，第4個第二控制開關154B是連接於一直流第二極性電源170與第4條第二導線144之間；第5個第一控制開關155A是連接於一直流第一極性電源160與第5條第二導線145之間，第5個第二控制開關155B是連接於一直流第二極性電源170與第5條第二導線145之間；第6個第一控制開關156A是連接於一直流第一極性電源160與第6條第二導線146之間，第6個第二控制開關156B是連接於一直流第二極性電源170與第6條第二導線146之間；第7個第一控制開關157A是連接於一直流第一極性電源160與第3條第二導線147之間，第7個第二控制開關157B是連接於一直流第二極性電源170與第7條第二導線147之間；第8個第一控制開關158A是連接於一直流第一極性電源160與第8條第二導線148之間，第8個第二控制開關158B是連接於一直流第二極性電源170與第8條第二導線148之間；上述直流第一極性電源160與上述直流第二極性電源170之極性相反。

在根據本發明的其它實施例中，當環形電樞單元110包括N組依序間格排列的第一電樞線圈及N組位在該等第一電樞線圈外側且依序間格排列的第二電樞線圈時，上述控制單元，包括N個第一控制開關與N個第二控制開關，且第(j)個第一控制開關是連接於一直流第一極性電源與該第(j)條第二導線之間，第(j)個第二控制開關是連接於一直流第二極性電源與該第(j)條第二導線之間，該直流第一極性電源與該直流第二極性電源之極性相反，其中(j)為自然數，且1≦(j)≦N。

另外，本實施例所揭示的無刷直流旋轉電機100更包括一位置感應器(未繪示)，用以偵測上述磁性單元120之位置，並將該位置之資訊輸出至該控制單元(未標示)，進而使該控制單元(未標示)輸出一控制訊號，以控制各個該等第一控制開關(151A~158A)、第二控制開關(151B~158B)的開啟或關閉。上述位置感測器可為一解角器(resolver)、編碼器(encoder)、霍爾感應器(Hall sensor)、光遮斷器或光電感應器。

接著，請繼續參閱第4圖，其顯示的是當連接於一直流第二極性電源170與第4條第二導線144之間的第4個第二控制開關154B被開啟時，如同第4條第二導線144與一換向片連接般，原本位在第4條第二導線144內的電流之流向被改變，使得第4組第一電樞線圈4b之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面、使得第5組第二電樞線圈5a之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面；而當連接於一直流第一極性電源160與第8條第二導線148之間的第8個第一控制開關158A被開啟時，如同第8條第二導線148與一換向片連接般，原本位在第8條第二導線148內的電流之流向被改變，使得第8組第一電樞線圈8b之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面、使得第1組第二電樞線圈1a之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面。藉此，本實施例中第1圖中的磁性單元120便可因為感受到的旋轉力矩方向改變，而可相對於環形電樞單元110轉動一角度，形成如第2圖所示作動狀態的無刷直流旋轉電機100。

接著，請繼續參閱第2圖及第5圖，其中第5圖所顯示的是對應於第2圖的等效電路圖。如第5圖所示，當連接於一直流第二極性電源170與第3條第二導線143之間的第3個第二控制開關153B被開啟時，如同第3條第二導線143與一換向片連接般，原本位在第3條第二導線143內的電流之流向被改變，使得第3組第一電樞線圈3b之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面、使得第4組第二電樞線圈4a之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面；而當連接於一直流第一極性電源160與第7條第二導線147之間的第7個第一控制開關157A被開啟時，如同第7條第二導線147與一換向片連接般，原本位在第7條第二導線147內的電流之流向被改變，使得第7組第一電樞線圈7b之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面、使得第8組第二電樞線圈8a之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面。藉此，本實施例中第2圖中的磁性單元120便可因為感受到的旋轉力矩方向改變，而可相對於環形電樞單元110轉動一角度，形成如第3圖所示作動狀態的無刷直流旋轉電機100。

接著，請繼續參閱第3圖及第6圖，其中第6圖所顯示的是對應於第3圖的等效電路圖。如第6圖所示，當連接於一直流第二極性電源170與第2條第二導線142之間的第2個第二控制開關152B被開啟時，如同第2條第二導線142與一換向片連接般，原本位在第2條第二導線142內的電流之流向被改變，使得第2組第一電樞線圈2b之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面、使得第3組第二電樞線圈3a之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面；而當連接於一直流第一極性電源160與第7條第二導線147之間的第6個第一控制開關156A被開啟時，如同第6條第二導線146與一換向片連接般，原本位在第6條第二導線146內的電流之流向被改變，使得第6組第一電樞線圈6b之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面、使得第7組第二電樞線圈7a之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面。藉此，本實施例中第3圖中的磁性單元120便可因為感受到的旋轉力矩方向改變，而可相對於環形電樞單元110轉動一角度。

同理，如第3圖所示作動狀態的無刷直流旋轉電機100，藉由改變各個第一控制開關(151A~158A)以及各個第二控制開關(151B~158B)的開啟、關閉狀態，便可如同傳統有刷直流之換向片般，不斷改變位於上述的第一電樞線圈(1b、2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b)與上述的第二電樞線圈(1a、2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a)之間的各條第二導線(141~148)內的電流方向被改變，進而使磁性單元120感受到的旋轉力矩方向不斷被改變，達到無刷直流旋轉電機之功能。

此外，在根據本發明的其他實施例中，更可包括一第一雜訊抑制電路(snubber)(未標示)，設置於該直流第一極性電源160與該等第一控制開關第一控制開關(151A~158A)之間，以及一第二雜訊抑制電路(snubber)(未標示)，設置於該直流第二極性電源170與該等第二控制開關第一控制開關(151B~158B)之間。

實施例二

請參閱第7圖，其所揭示的是根據發明之另一實施例所揭示之無刷直流旋轉電機300，其包括一第一環形電樞單元310以及一永磁式磁鐵或磁激式磁鐵所構成的磁性單元320，設置於第一環形電樞單元310內。上述磁性單元320具有二對磁極，且上述環形電樞單元310與上述磁性單元320可受控制地相對轉動。在本實施例中，磁性單元320是一轉子，而環形電樞單元310為一靜子，磁性單元320可受控制地相對於上述環形電樞單元310旋轉；在根據本發明的其他實施例中，磁性單元320為一靜子，而環形電樞單元110為一轉子，可相對於上述磁性單元120旋轉，在此不再贅述。第一環形電樞單元310包括兩個彼此電性連接的第二環形電樞單元301、302。

以8槽電樞線圈為例，上述第二環形電樞單元301上包括有8組依序間格排列的第一電樞線圈(1b1、2b1、3b1、4b1、5b1、6b1、7b1、8b1)，且第1組第一電樞線圈1b1與第8組第一電樞線圈8b1相鄰接；8組位在上述第一電樞線圈(1b1、2b1、3b1、4b1、5b1、6b1、7b1、8b1)外側且依序間格排列的第二電樞線圈(1a1、2a1、3a1、4a1、5a1、6a1、7a1、8a1)，且第1組第二電樞線圈1a1與第8組第二電樞線圈8a1相鄰接。上述的第一電樞線圈(1b1、2b1、3b1、4b1、5b1、6b1、7b1、8b1)與上述的第二電樞線圈(1a1、2a1、3a1、4a1、5a1、6a1、7a1、8a1)可藉由波繞(wave winding)、疊繞(lap winding)或蛙腿繞(frog-leg winding)等方式纏繞完成。同樣地，以8槽電樞線圈為例，上述另一個第二環形電樞單元302上包括有8組依序間格排列的第一電樞線圈(1b2、2b2、3b2、4b2、5b2、6b2、7b2、8b2)，且第1組第一電樞線圈1b2與第8組第一電樞線圈8b2相鄰接；8組位在上述第一電樞線圈(1b2、2b2、3b2、4b2、5b2、6b2、7b2、8b2)外側且依序間格排列的第二電樞線圈(1a2、2a2、3a2、4a2、5a2、6a2、7a2、8a2)，且第1組第二電樞線圈1a2與第8組第二電樞線圈8a2相鄰接。上述的第一電樞線圈(1b2、2b2、3b2、4b2、5b2、6b2、7b2、8b2)與上述的第二電樞線圈(1a2、2a2、3a2、4a2、5a2、6a2、7a2、8a2)同樣可藉由波繞(wave winding)、疊繞(lap winding)或蛙腿繞(frog-leg winding)等方式纏繞完成。如第7圖所示，第二環形電樞單元301上的第一電樞線圈(1b1、2b1、7b1、8b1)及第二環形電樞單元302上的第一電樞線圈(1b2、2b2、7b2、8b2)之電流方向為射入第一環形電樞單元300的表面，而第二環形電樞單元301上的第二電樞線圈第二電樞線圈(1a1、2a1、7a1、8a1)與第二環形電樞單元302上的第二電樞線圈第二電樞線圈(1a2、2a2、7a2、8a2)為射出第一環形電樞單元300的表面；此外，第二環形電樞單元301上的第一電樞線圈(3b1、4b1、5b1、6b1)及第二環形電樞單元302上的第一電樞線圈(3b2、4b2、5b2、6b2)之電流方向為射出第一環形電樞單元300的表面，而第二環形電樞單元301上的第二電樞線圈第二電樞線圈(3a1、4a1、5a1、6a1)與第二環形電樞單元302上的第二電樞線圈第二電樞線圈(3a2、4a2、5a2、6a2)為射出第一環形電樞單元300的表面；。

在根據本發明的其它實施例中，上述第二環形電樞單元301、302上可分別包括N組依序間格排列的第一電樞線圈，且第1組該第一電樞線圈與第N組該第一電樞線圈相鄰接；N組位在該等第一電樞線圈外側且依序間格排列的第二電樞線圈，且第1組該第二電樞線圈與第N組該第二電樞線圈相鄰接；及複數條第一導線與複數條第二導線，分別連接於各個該等第一電樞線圈與各個該等第二電樞線圈之間；其中，N為大於2的自然數，且第(i+1)組該第一電樞線圈藉由第(i+1)條該第一導線與第(i+1) 組該第二電樞線圈連接，並藉由第(i+1)條該第二導線和第(i+2)組該第二電樞線圈連接，1≦(i)≦N-2，而第1組該第一電樞線圈則藉由第一條該第一導線與第1組該第二電樞線圈連接，並藉由第1條該第二導線與第2組該第二電樞線圈連接，而第N組該第一電樞線圈則藉由第N條該第一導線與第N組該第二線圈連接，並藉由第N條該第二導線與第1組該第一電樞線圈連接。

接著，請參閱第9圖，其顯示的是對應於第7圖的等效電路圖。如第9圖所示，無刷直流旋轉電機300更包括複數條第一導線131~138與複數條第二導線141~148，分別連接於各個該等第一電樞線圈(1b1、2b1、3b1、4b1、5b1、6b1、7b1、8b1)與各個該等第二電樞線圈(1a1、2a1、3a1、4a1、5a1、6a1、7a1、8a1)之間。其中，第二環形電樞單元301上的第2組第一電樞線圈2b1藉由第2條第一導線132與第2組該第二電樞線圈2a1連接，且第2組第一電樞線圈2b1並藉由第2條第二導線142和第3組第二電樞線圈3a1連接；第3組第一電樞線圈3b1藉由第3條第一導線133與第3組該第二電樞線圈3a1連接，且第3組第一電樞線圈3b1並藉由第3條第二導線143和第4組第二電樞線圈4a1連接；第4組第一電樞線圈4b1藉由第4條第一導線134與第4組該第二電樞線圈4a1連接，且第4組第一電樞線圈4b1並藉由第4條第二導線144和第5組第二電樞線圈5a1連接；第5組第一電樞線圈5b1藉由第5條第一導線135與第5組該第二電樞線圈5a1連接，且第5組第一電樞線圈5b1並藉由第5條第二導線145和第6組第二電樞線圈6a1連接；第6組第一電樞線圈6b1藉由第6條第一導線136與第6組該第二電樞線圈6a1連接，且第6組第一電樞線圈6b1並藉由第6條第二導線146和第7組第二電樞線圈7a1連接；第7組第一電樞線圈7b1藉由第7條第一導線137與第7組該第二電樞線圈7a1連接，且第7組第一電樞線圈7b1並藉由第7條第二導線147和第8組第二電樞線圈8a1連接；第8組第一電樞線圈8b1藉由第8條第一導線138與第8組該第二電樞線圈8a1連接，且第8組第一電樞線圈8b1並藉由第8條第二導線148和第1組第二電樞線圈1a1連接。

如第9圖所示，無刷直流旋轉電機300更包括複數條第一導線131'~138'與複數條第二導線141'~148'，分別連接於各個該等第一電樞線圈(1b2、2b2、3b2、4b2、5b2、6b2、7b2、8b2)與各個該等第二電樞線圈(1a2、2a2、3a2、4a2、5a2、6a2、7a2、8a2)之間。其中，第二環形電樞單元302上的第2組第一電樞線圈2b2藉由第2條第一導線132與第2組該第二電樞線圈2a2連接，且第2組第一電樞線圈2b2並藉由第2條第二導線142和第3組第二電樞線圈3a2連接；第3組第一電樞線圈3b2藉由第3條第一導線133與第3組該第二電樞線圈3a2連接，且第3組第一電樞線圈3b2並藉由第3條第二導線143和第4組第二電樞線圈4a2連接；第4組第一電樞線圈4b2藉由第4條第一導線134與第4組該第二電樞線圈4a2連接，且第4組第一電樞線圈4b2並藉由第4條第二導線144和第5組第二電樞線圈5a2連接；第5組第一電樞線圈5b2藉由第5條第一導線135與第5組該第二電樞線圈5a2連接，且第5組第一電樞線圈5b2並藉由第5條第二導線145和第6組第二電樞線圈6a2連接；第6組第一電樞線圈6b2藉由第6條第一導線136與第6組該第二電樞線圈6a2連接，且第6組第一電樞線圈6b2並藉由第6條第二導線146和第7組第二電樞線圈7a2連接；第7組第一電樞線圈7b2藉由第7條第一導線137與第7組該第二電樞線圈7a2連接，且第7組第一電樞線圈7b2並藉由第7條第二導線147和第8組第二電樞線圈8a2連接；第8組第一電樞線圈8b2藉由第8條第一導線138與第8組該第二電樞線圈8a2連接，且第8組第一電樞線圈8b2並藉由第8條第二導線148和第1組第二電樞線圈1a2連接。此外，第二環形電樞單元301、302之間乃藉由一導線150彼此電性連接。

此外，如第9圖所示，無刷直流旋轉電機300更包括一控制單元(無標號)，包括用以控制第二環形電樞單元301的8個第一控制開關151A1~158A1與8個第二控制開關151B1~158B1，以及用以控制第二環形電樞單元302的8個第一控制開關151A2~158A2與8個第二控制開關151B2~158B2。

其中，如第9圖所示，第1個第一控制開關151A1是連接於一直流第一極性電源160與第1條第二導線141之間，第1個第二控制開關151B1是連接於一直流第二極性電源170與第1條第二導線141之間；第2個第一控制開關152A1是連接於一直流第一極性電源160與第2條第二導線142之間，第1個第二控制開關152B1是連接於一直流第二極性電源170與第2條第二導線142之間；第3個第一控制開關153A1是連接於一直流第一極性電源160與第3條第二導線143之間，第3個第二控制開關153B1是連接於一直流第二極性電源170與第3條第二導線143之間；第4個第一控制開關154A1是連接於一直流第一極性電源160與第4條第二導線144之間，第4個第二控制開關154B1是連接於一直流第二極性電源170與第4條第二導線144之間；第5個第一控制開關155A1是連接於一直流第一極性電源160與第5條第二導線145之間，第5個第二控制開關155B1是連接於一直流第二極性電源170與第5條第二導線145之間；第6個第一控制開關156A1是連接於一直流第一極性電源160與第6條第二導線146之間，第6個第二控制開關156B1是連接於一直流第二極性電源170與第6條第二導線146之間；第7個第一控制開關157A1是連接於一直流第一極性電源160與第3條第二導線147之間，第7個第二控制開關157B1是連接於一直流第二極性電源170與第7條第二導線147之間；第8個第一控制開關158A1是連接於一直流第一極性電源160與第8條第二導線148之間，第8個第二控制開關158B1是連接於一直流第二極性電源170與第8條第二導線148之間；上述直流第一極性電源160與上述直流第二極性電源170之極性相反。

此外，如第9圖所示，第1個第一控制開關151A2是連接於一直流第一極性電源160與第1條第二導線141'之間，第1個第二控制開關151B2是連接於一直流第二極性電源170與第1條第二導線141'之間；第2個第一控制開關152A2是連接於一直流第一極性電源160與第2條第二導線142'之間，第1個第二控制開關152B2是連接於一直流第二極性電源170與第2條第二導線142'之間；第3個第一控制開關153A2是連接於一直流第一極性電源160與第3條第二導線143'之間，第3個第二控制開關153B2是連接於一直流第二極性電源170與第3條第二導線143'之間；第4個第一控制開關154A2是連接於一直流第一極性電源160與第4條第二導線144'之間，第4個第二控制開關154B2是連接於一直流第二極性電源170與第4條第二導線144'之間；第5個第一控制開關155A2是連接於一直流第一極性電源160與第5條第二導線145之間，第5個第二控制開關155B2是連接於一直流第二極性電源170與第5條第二導線145'之間；第6個第一控制開關156A2是連接於一直流第一極性電源160與第6條第二導線146'之間，第6個第二控制開關156B2是連接於一直流第二極性電源170與第6條第二導線146'之間；第7個第一控制開關157A2是連接於一直流第一極性電源160與第3條第二導線147'之間，第7個第二控制開關157B2是連接於一直流第二極性電源170與第7條第二導線147'之間；第8個第一控制開關158A2是連接於一直流第一極性電源160與第8條第二導線148'之間，第8個第二控制開關158B2是連接於一直流第二極性電源170與第8條第二導線148'之間；上述直流第一極性電源160與上述直流第二極性電源170之極性相反。

在根據本發明的其它實施例中，當上述第二環形電樞單元301、302上均包括N組依序間格排列的第一電樞線圈與N組依序間隔排列的第二電樞線圈時，無刷直流旋轉電機300包括2M組控制單元，且每一該等控制單元分別對應於其中一該等第二環形電樞單元301或302，每一該等控制單元均包括N個第一控制開關與N個第二控制開關，且第(j)個第一控制開關是連接於一直流第一極性電源與其所對應該第二環形電樞單元中的該第(j)條第二導線之間，第(j)個第二控制開關則是連接於一直流第二極性電源與其所對應的該第二環形電樞單元中的該第(j)條第二導線之間，該直流第一極性電源與該直流第二極性電源之極性相反，其中(j)為自然數，且1≦(j)≦N。

另外，本實施例所揭示的無刷直流旋轉電機300更包括一位置感應器(未繪示)，用以偵測上述磁性單元320之位置，並將該位置之資訊輸出至該控制單元(未標示)，進而使該控制單元(未標示)輸出一控制訊號，以控制各個該等第一控制開關(151A~158A；151A'~158A')、第二控制開關(151B~158B; 151B'~158B')的開啟或關閉。上述位置感測器可為一解角器(resolver)、編碼器(encoder)、霍爾感應器(Hall sensor)、光遮斷器或光電感應器。

接著，請繼續參閱第9圖，當連接於一直流第二極性電源170與第2條第二導線142、142'之間的第2個第二控制開關152B1、152B2被開啟時，如同第2條第二導線142、142'與一換向片連接般，原本位在第2條第二導線142、142'內的電流之流向被改變，使得第二環形電樞單元301之第2組第一電樞線圈2b1之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面，第3組第二電樞線圈3a1之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面，而第二環形電樞單元302之第2組第一電樞線圈2b2之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面，第3組第二電樞線圈3a2之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面；而當連接於一直流第一極性電源160與第6條第二導線146、146'之間的第6個第一控制開關156A1、156A2被開啟時，如同第6條第二導線146、146'與一換向片連接般，原本位在第6條第二導線146、146'內的電流之流向被改變，使得第二環形電樞單元301之第6組第一電樞線圈6b1之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面，第7組第二電樞線圈7a1之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面，而第二環形電樞單元302之第6組第一電樞線圈6b2之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面，第7組第二電樞線圈7a2之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面。藉此，本實施例中的磁性單元320便可便可如第7圖所示般，因為感受到的旋轉力矩方向不斷改變而可相對於環形電樞單元310轉動一角度，形成如第9圖所示作動狀態的無刷直流旋轉電機300。

接著，請繼續參閱第9圖及第10圖，其中第10圖所顯示的是對應於第9圖的等效電路圖。如第10圖所示，當連接於一直流第二極性電源170與第1條第二導線141、141'之間的第1個第二控制開關151B1、151B2被開啟時，如同第1條第二導線141、141'與一換向片連接般，原本位在第1條第二導線141、141'內的電流之流向被改變，使得第二環形電樞單元301之第1組第一電樞線圈1b1之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面，第2組第二電樞線圈2a1之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面，而第二環形電樞單元302之第1組第一電樞線圈1b2之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面，第2組第二電樞線圈2a2之電流方向從射出環形電樞單元110表面變成射入環形電樞單元110表面；而當連接於一直流第一極性電源160與第5條第二導線145、145'之間的第5個第一控制開關155A1、155A2被開啟時，如同第5條第二導線145、145'與一換向片連接般，原本位在第5條第二導線145、145'內的電流之流向被改變，使得第二環形電樞單元301之第5組第一電樞線圈5b1之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面，第6組第二電樞線圈6a1之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面，而第二環形電樞單元302之第5組第一電樞線圈5b2之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面，第6組第二電樞線圈6a2之電流方向從射入環形電樞單元110表面變成射出環形電樞單元110表面。藉此，本實施例中的磁性單元320便可便可如第8圖所示般，因為感受到的旋轉力矩方向不斷改變而可相對於環形電樞單元310轉動一角度。

同理，如第9圖所示作動狀態的無刷直流旋轉電機300，可藉由繼續改變各個第一控制開關(151A~158A)以及各個第二控制開關(151B~158B)的開啟、關閉狀態，便可如同傳統有刷直流之換向片般，不斷改變位於上述的第一電樞線圈(1b1、2b1、3b1、4b1、5b1、6b1、7b1、8b1；1b2、2b2、3b2、4b2、5b2、6b2、7b2、8b2)與上述的第二電樞線圈(1a1、2a1、3a1、4a1、5a1、6a1、7a1、8a1；1a2、2a2、3a2、4a2、5a2、6a2、7a2、8a2)之間的各條第二導線(141~148；141’~148’)內的電流方向被改變，進而使磁性單元320感受到的旋轉力矩方向不斷被改變，達到無刷直流旋轉電機之功能。

此外，在根據本發明的其他實施例中，更可包括一第一雜訊抑制電路(snubber)(未標示)，設置於該直流第一極性電源160與該等第一控制開關第一控制開關(151A~158A；151A'~158A')之間，以及一第二雜訊抑制電路(snubber)(未標示)，設置於該直流第二極性電源170與該等第二控制開關第一控制開關(151B~158B；151B'~158B')之間。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可更動與組合上述各種實施例。

1b、2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b‧‧‧第一電樞線圈

1a、2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a‧‧‧第二電樞線圈

100‧‧‧直流旋轉電機

110‧‧‧環形電樞單元

120‧‧‧磁性單元

131~138‧‧‧第一導線

141~148‧‧‧第二導線

151A~158A‧‧‧第一控制開關

151B~158B‧‧‧第二控制開關

160‧‧‧第一極性電源

170‧‧‧第二極性電源

1b1、2b1、3b1、4b1、5b1、6b1、7b1、8b1、 1b2、2b2、3b2、4b2、5b2、6b2、7b2、8b2‧‧‧第一電樞線圈

1a1、2a1、3a1、4a1、5a1、6a1、7a1、8a1、 1a2、2a2、3a2、4a2、5a2、6a2、7a2、8a2‧‧‧第二電樞線圈

300‧‧‧直流旋轉電機

301、302‧‧‧第二環形電樞單元

310‧‧‧第一環形電樞單元

320‧‧‧磁性單元

131~138；131'~138'‧‧‧第一導線

141~148；141'~148'‧‧‧第二導線

150‧‧‧導線

151A1~158A1；151A2~158A2‧‧‧第一控制開關

151B1~158B1；151B2~158B2‧‧‧第二控制開關

160‧‧‧第一極性電源

170‧‧‧第二極性電源

第1~3圖所顯示的是根據本發明實施例一所繪示的無刷直流旋轉電機100的作動示意圖。

第4圖所顯示的是對應於第1圖的等效電路圖。

第5圖所顯示的是對應於第2圖的等效電路圖。

第6圖所顯示的是對應於第3圖的等效電路圖。

第7~8圖所顯示的是根據本發明實施例二所繪示的無刷直流旋轉電機300的作動示意圖。

第9圖所顯示的是對應於第7圖的等效電路圖。

第10圖所顯示的是對應於第8圖的等效電路圖。

Claims

一種無刷直流旋轉電機，包括：一環形電樞單元，包括： N組依序間格排列的第一電樞線圈，且第1組該第一電樞線圈與第N組該第一電樞線圈相鄰接； N組位在該等第一電樞線圈外側且依序間格排列的第二電樞線圈，且第1組該第二電樞線圈與第N組該第二電樞線圈相鄰接；及複數條第一導線與複數條第二導線，分別連接於各個該等第一電樞線圈與各個該等第二電樞線圈之間；其中，N為大於2的自然數，且第(i+1)組該第一電樞線圈藉由第(i+1)條該第一導線與第(i+1) 組該第二電樞線圈連接，並藉由第(i+1)條該第二導線和第(i+2)組該第二電樞線圈連接，1≦(i)≦N-2，而第1組該第一電樞線圈則藉由第一條該第一導線與第1組該第二電樞線圈連接，並藉由第1條該第二導線與第2組該第二電樞線圈連接，而第N組該第一電樞線圈則藉由第N條該第一導線與第N組該第二線圈連接，並藉由第N條該第二導線與第1組該第一電樞線圈連接；一控制單元，包括N個第一控制開關與N個第二控制開關，且第(j)個第一控制開關是連接於一直流第一極性電源與該第(j)條第二導線之間，第(j)個第二控制開關是連接於一直流第二極性電源與該第(j)條第二導線之間，該直流第一極性電源與該直流第二極性電源之極性相反，其中(j)為自然數，且1≦(j)≦N；一磁性單元，設置於該環形電樞單元內，該磁性單元具有一對磁極，且該環形電樞單元與該磁性單元可受控制地相對轉動；以及一位置感應器，用以偵測該磁性單元之位置，並將該位置之資訊輸出至該控制單元，進而使該控制單元輸出一控制訊號，以控制各個該等第一、第二控制開關的開啟或關閉。
如申請專利範圍第1項所述之無刷直流旋轉電機，該磁性單元為一永磁式磁鐵或磁激式磁鐵。
如申請專利範圍第2項所述之無刷直流旋轉電機，該位置感測器為一解角器(resolver)、編碼器(encoder)、霍爾感應器(Hall sensor)、光遮斷器或光電感應器。
如申請專利範圍第3項所述之無刷直流旋轉電機，更包括一第一雜訊抑制電路(snubber)，設置於該直流第一極性電源與該等第一控制開關之間，以及一第二雜訊抑制電路(snubber)，設置於該直流第二極性電源與該等第二控制開關之間。
如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之無刷直流旋轉電機，該等第一電樞線圈與該等第二電樞線圈可藉由波繞(wave winding)、疊繞(lap winding)或蛙腿繞(frog-leg winding)方式纏繞完成。
如申請專利範圍第5項所述之無刷直流旋轉電機，該環形電樞單元為一環形定子，而該磁性單元為一磁性轉子。
如申請專利範圍第5項所述之無刷直流旋轉電機，該環形電樞單元為一環形轉子，而該磁性單元為一磁性定子。
一種無刷直流旋轉電機，包括：一第一環形電樞單元，包括M個彼此電性連接的第二環形電樞單元，M為等於或大於2的自然數，且每一該等第二環形電樞單元均包括： N組依序間格排列的第一電樞線圈，且第1組該第一電樞線圈與第N組該第一電樞線圈相鄰接； N組位在該等第一電樞線圈外側且依序間格排列的第二電樞線圈，且第1組該第二電樞線圈與第N組該第二電樞線圈相鄰接；及複數條第一導線與複數條第二導線，分別連接於各個該等第一電樞線圈與各個該等第二電樞線圈之間；其中， N為大於2的自然數，且第(i+1)組該第一電樞線圈藉由第(i+1)條該第一導線與第(i+1) 組該第二電樞線圈連接，並藉由第(i+1)條該第二導線和第(i+2)組該第二電樞線圈連接，1≦(i)≦N-2，而第1組該第一電樞線圈則藉由第一條該第一導線與第1組該第二電樞線圈連接，並藉由第1條該第二導線與第2組該第二電樞線圈連接，而第N組該第一電樞線圈則藉由第N條該第一導線與第N組該第二線圈連接，並藉由第N條該第二導線與第1組該第一電樞線圈連接； 2M組控制單元，且每一該等控制單元分別對應於其中一該等第二環形電樞單元，每一該等控制單元均包括N個第一控制開關與N個第二控制開關，且第(j)個第一控制開關是連接於一直流第一極性電源與其所對應該第二環形電樞單元中的該第(j)條第二導線之間，第(j)個第二控制開關則是連接於一直流第二極性電源與其所對應的該第二環形電樞單元中的該第(j)條第二導線之間，該直流第一極性電源與該直流第二極性電源之極性相反，其中(j)為自然數，且1≦(j)≦N；一磁性單元，設置於該第一環形電樞單元內，該磁性單元具有M對磁極，且該第一環形電樞單元與該磁性單元可受控制地相對轉動；以及一位置感應器，用以偵測該磁性單元之位置，並將該位置之資訊輸出至該等控制單元，進而使該等控制單元分別輸出一控制訊號，以控制該等控制單元中的各個該等第一、第二控制開關的開啟或關閉。
如申請專利範圍第8項所述之無刷直流旋轉電機，該磁性單元為一永磁式磁鐵或磁激式磁鐵。
如申請專利範圍第9項所述之無刷直流旋轉電機，該位置感測器為一解角器(resolver)、編碼器(encoder)、霍爾感應器(Hall sensor)、光遮斷器或光電感應器。
如申請專利範圍第10項所述之無刷直流旋轉電機，更包括一第一雜訊抑制電路(snubber)，設置於該直流第一極性電源與該等第一控制開關之間，以及一第二雜訊抑制電路(snubber)，設置於該直流第二極性電源與該等第二控制開關之間。
如申請專利範圍第8至11項中任一項所述之無刷直流旋轉電機，該等第一電樞線圈與該等第二電樞線圈可藉由波繞(wave winding)、疊繞(lap winding)或蛙腿繞(frog-leg winding)方式纏繞完成。
如申請專利範圍第12項所述之無刷直流旋轉電機，該第一環形電樞單元為一環形定子，而該磁性單元為一磁性轉子。
如申請專利範圍第12項所述之無刷直流旋轉電機，該第一環形電樞單元為一環形轉子，而該磁性單元為一磁性定子。