TW201924192A - 定速式磁性齒輪電機及含有其的馬達、發電機及電動載具 - Google Patents
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Abstract
一種定速式磁性齒輪電機、其用途及含有其的電動載具，該電機包含一感磁定子件，設有同軸地固定於一心軸的數個繞線部；一調磁轉動件，具有同軸地圍繞該感磁定子件的數個導磁部及與該心軸反向地延伸的一轉軸，該調磁轉動件與該感磁定子件之間設有至少一第一軸承；及一永磁殼件，具有供該轉軸穿出該永磁殼件的一穿孔及同軸地圍繞該調磁轉動件的數個磁極部，相鄰二該磁極部的極性相反，該永磁殼件固定於該心軸，該永磁殼件與該轉軸之間設有一第二軸承；其中該導磁部係位於該繞線部與該磁極部之間。
Description
本發明係關於一種電機裝置，特別是關於一種定速式磁性齒輪電機、其用途及含有其的電動載具。
在現今社會中，電機裝置無所不在，舉凡各種家電中提供動力的馬達到用於發電的風車或渦輪等，均可利用適當的傳動裝置與電機裝置調配後做為特定用途，如：以齒輪作為加/減速或改變扭力等傳動構件，惟因傳統齒輪嚙合傳動方式會產生傳動磨損等情況，故逐漸發展出非接觸式傳動裝置。
舉例而言，為了解決現有馬達結合於齒輪減速機易損耗能量、傳動效率不佳及過載會產生崩齒損壞等問題，遂發展出習知磁性齒輪電機(一)，主要利用固定設置的複數調磁鐵心塊環繞於一馬達之內轉子與一外轉子之間，當該馬達之內轉子供電旋轉時，藉由固定不動的調磁鐵心塊導引磁力場，使得該外轉子反向旋轉，其一實施例可參酌中華民國公告第I452825號發明專利。
此外，為了解決發電機藉由變速箱進行減速時，該變速箱中的齒輪若過載則易造成崩齒損壞等問題，遂發展出習知磁性齒輪電機(二)，主要利用一導磁軛鐵環固定設置於一發電機之內轉子與一外轉子之間，當該外轉子受外力(如風能或洋流能等)驅動而旋轉時，藉由固定不動的導磁軛鐵環調節磁場，帶動該內轉子旋轉而使該發電機產生電力，其一實施例可參酌中華民國公告第I513149號發明專利。
然而，習知磁性齒輪電機係將習知馬達或發電機構成該內轉子，配合該內轉子與外轉子中間的導磁軛鐵環(或複數調磁鐵心塊)，作為非
接觸傳動的磁性齒輪構造。在該磁性齒輪構造中，該導磁軛鐵環(或複數調磁鐵心塊)內部需容納該內轉子及其旋轉所需的氣隙與構件，所需構件無法有效減少，致使構裝體積及複雜度無法降低。
再者，習知磁性齒輪電機需具三層磁件構造，即該內轉子(第一層)的動能經中間固定的導磁軛鐵環(第二層)以磁力驅使該外轉子(第三層)旋轉，該磁力傳遞過程雖無接觸磨損，但卻會有磁力層層傳遞及轉換而無可避免的能量損失。而今，雖有將習知磁性齒輪電機的三層構造進一步簡化的相關探討，惟仍乏善可陳。
有鑑於此，有必要提供一種有別以往的磁性齒輪電機，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之一目的在於提供一種定速式磁性齒輪電機，其係利用兩層磁件構造，以固設的內部線圈與外部磁鐵之間的調磁轉動件產生旋轉，進而降低構件數量、構裝體積及能量遞損。
本發明之另一目的在於提供一種定速式磁性齒輪電機的用途，其係利用上述定速式磁性齒輪電機作為一馬達，以便提高動力輸出率。
本發明之另一目的在於提供一種電動載具，其係利用上述定速式磁性齒輪電機作為一動力來源，以便提高動力輸出率。
本發明之另一目的在於提供一種定速式磁性齒輪電機的用途，其係利用上述定速式磁性齒輪電機作為一發電機，以便提高電力輸出率。
為達上述之目的，本發明提供一種定速式磁性齒輪電機，可包含：一感磁定子件，設有一心軸及數個繞線部，該數個繞線部同軸地固定於該心軸；一調磁轉動件，具有一轉軸及數個導磁部，該數個導磁部同軸地圍繞該感磁定子件，該轉軸與該感磁定子件的心軸反向地延伸，該調磁轉動件與該感磁定子件之間設有至少一第一軸承；及一永磁殼件，具有數個磁極部及一穿孔，該數個磁極部同軸地圍繞該調磁轉動件，相鄰二該磁極部的極性相反，該穿孔供該調磁轉動件的轉軸穿出該永磁殼件，該永磁殼件固定於該感磁定子件的心軸，該永磁殼件與該調磁轉動件的轉軸之
間設有一第二軸承；其中該導磁部係位於該繞線部與該磁極部之間。
在本發明之一實施例中，該導磁部與該繞線部、該磁極部之間可分別具有一氣隙。
在本發明之一實施例中，該調磁轉動件具有二定位環，該二定位環可共同夾設該數個導磁部，相鄰二該導磁部之間的間距可相同。
在本發明之一實施例中，該轉軸可固定於該二定位環的其中一個。
在本發明之一實施例中，該永磁殼件的穿孔可連通一腔室，該腔室可容納該感磁定子件及該調磁轉動件，該腔室的一內周壁可設有該數個磁極部。
在本發明之一實施例中，該數個磁極部可包含極性相反且交替排列的數個第一永久磁鐵與數個第二永久磁鐵。
在本發明之一實施例中，該心軸與該永磁殼件的一結合部之間可藉由一插銷相互固定。
在本發明之一實施例中，該永磁殼件之結合部可形成一通孔，供該心軸穿出該永磁殼件。
在本發明之一實施例中，該第一軸承及該第二軸承可分別為一滾珠軸承。
在本發明之一實施例中，該數個繞線部可經由一定子鐵芯結合於該心軸。
為達上述之目的，本發明另提供一種如上所述之定速式磁性齒輪電機的用途，可應用於作為一馬達，其中該馬達可具有一電能輸入部及一動能輸出部，該電能輸入部可電性連接該定速式磁性齒輪電機的繞線部，該動能輸出部可耦接該定速式磁性齒輪電機的轉軸。
為達上述之目的，本發明另提供一種電動載具，可包含如上所述之定速式磁性齒輪電機，另可包含至少一輪件及一傳動組件，其中該傳動組件可耦合於該輪件與該定速式磁性齒輪電機之間。
為達上述之目的，本發明另提供一種如上所述之定速式磁性齒輪電機的用途，可應用於作為一發電機，其中該發電機可具有一動能輸
入部及一電能輸出部，該動能輸入部可耦接該定速式磁性齒輪電機的轉軸，該電能輸出部可電性連接該定速式磁性齒輪電機的繞線部。
1‧‧‧感磁定子件
11‧‧‧心軸
12‧‧‧繞線部
13‧‧‧定子鐵芯
2‧‧‧調磁轉動件
21‧‧‧轉軸
22‧‧‧導磁部
23‧‧‧第一軸承
24a‧‧‧定位環
24b‧‧‧定位環
3‧‧‧永磁殼件
31‧‧‧磁極部
32‧‧‧穿孔
33a‧‧‧結合部
33b‧‧‧插銷
34‧‧‧第二軸承
35‧‧‧腔室
351‧‧‧內周壁
E‧‧‧定速式磁性齒輪電機
R1‧‧‧第一轉向
R2‧‧‧第二轉向
T‧‧‧傳動組件
W‧‧‧輪件
第1圖：本發明實施例之定速式磁性齒輪電機之立體組合剖視圖。
第2圖：本發明實施例之定速式磁性齒輪電機之運作示意圖。
第3圖：本發明實施例之定速式磁性齒輪電機做為一馬達用於一電動載具之使用示意圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
請參照第1圖所示，本發明之一實施例揭露一定速式磁性齒輪電機E可包含一感磁定子件1、一調磁轉動件2及一永磁殼件3，該調磁轉動件2係可轉動地設於該感磁定子件1與該永磁殼件3之間，以下舉例說明其實施態樣，惟不以此為限。
舉例而言，如第1圖所示，該感磁定子件1可設有一心軸11及數個繞線部12，該數個繞線部12可同軸地固定於該心軸11。在一實施例中，該心軸11可為一金屬軸管等，惟不以此為限。
在一實施例中，該數個繞線部12可經由一定子鐵芯13結合於該心軸11，如：該定子鐵芯13可由數個具有導磁效果之金屬片(如矽鋼片)層疊形成，用以提升導磁效果，該定子鐵芯13可套設於該心軸11之外周壁，如：該定子鐵芯13與該心軸11之間還可嵌設一銷件(如習知插銷)，用以加強該定子鐵芯13與該心軸11的固定效果，並且該定子鐵芯13可形成數個極槽，用以繞設線圈形成該數個繞線部12，用以輸入電能使該繞線部12感應產生磁力，惟該繞線部12亦可受磁場作用而感應輸出電能。
在一實施例中，如第1圖所示，該調磁轉動件2可具有一轉軸21及數個導磁部22，該數個導磁部22同軸地圍繞該感磁定子件1，該轉軸21與該感磁定子件1的心軸11反向地延伸，該調磁轉動件2與該感磁定子件1之間設有至少一第一軸承23，如：該第一軸承23可為一滾珠軸承，使該調磁轉動件2與該感磁定子件1可以相對地樞轉。
在一實施例中，該調磁轉動件2具有二定位環24a、24b，該二定位環24a、24b可共同夾設該數個導磁部23，如：將具有導磁效果之數個條狀矽鋼片以該二定位環24a、24b進行鎖固，惟不以此為限；其中，相鄰二該導磁部23之間的間距可為相同，使經過該導磁部23進行傳遞之磁場分布較為均勻，惟不以此為限。
在一實施例中，如第1圖所示，該轉軸21可固定於該二定位環24a、24b的其中一個，如該轉軸21可鎖固於該定位環24b，使該轉軸21可用以輸出該調磁轉動件2產生的旋轉動能，惟該轉軸21亦可用以輸入外部動力源。
在一實施例中，如第1圖所示，該永磁殼件3可具有數個磁極部31及一穿孔32，該數個磁極部31同軸地圍繞該調磁轉動件2，相鄰二該磁極部31的極性相反，該穿孔32可供該調磁轉動件2的轉軸21穿出該永磁殼件3。
在一實施例中，如第1圖所示，該永磁殼件3固定於該感磁定子件1的心軸11，如：該心軸11與該永磁殼件3的一結合部33a(如一結合座或孔)之間還可藉由一插銷33b相互固定，以避免該永磁殼件3與該心軸11產生位移。其中，該心軸11可隱藏於該永磁殼件3內或露出該永磁殼件3。在一實施例中，該永磁殼件3之結合部33a還可形成一通孔，供該心軸11穿出該永磁殼件3，使該心軸11之一端可設置於一固定裝置(圖未繪示)上，如一外部基座等，惟不以此為限。
在一實施例中，如第1圖所示，該永磁殼件3與該調磁轉動件2的轉軸21之間設有一第二軸承34，該第二軸承34可為一滾珠軸承，使該永磁殼件3與該調磁轉動件2可以相對地樞轉。
在一實施例中，該導磁部22可位於該繞線部12與該磁極部
31之間，如：該導磁部22與該繞線部12、該磁極部31之間分別具有一氣隙。藉此，該磁極部31與該繞線部12共同產生的磁場可作用於該導磁部22，驅使該導磁部22移動，進而帶動該調磁轉動件2相對該感磁定子件1、永磁殼件3旋轉，或者，當該導磁部22移動時，可對該磁極部31與該繞線部12之間的磁場產生調節作用。
在一實施例中，該永磁殼件3的穿孔32可連通一腔室35，該腔室35容納該感磁定子件1及該調磁轉動件2，該腔室35的一內周壁351設有該數個磁極部31，例如：該數個磁極部31包含極性相反且交替排列的數個第一永久磁鐵與數個第二永久磁鐵，如：使該第一永久磁鐵以S極、該第二永久磁鐵以N極朝向該調磁轉動件2的該導磁部22，惟不以此為限。
此外，如第1圖所示，本發明之一實施例揭露上述定速式磁性齒輪電機E的用途，可應用於作為一馬達，用以輸出動力；例如：該馬達可具有一電能輸入部及一動能輸出部，該電能輸入部可電性連接該定速式磁性齒輪電機E的繞線部12，該動能輸出部可耦接該定速式磁性齒輪電機E的轉軸21。以下舉例說明本發明實施例的能量配置態樣，惟不以此為限。
在一實施例中，該導磁部22可區分為m對磁極(如27對)，該磁極部31可區分為n對磁極(如22極對，每對均含N極與S極)，該繞線部12可由輸入的電訊號區分為k極對(如38極槽分為5極對)，用於依序輸入電訊號，其控制方式係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。
其中，該調磁轉動件2的轉向可由電訊號送至該繞線部12的順序而決定為一第一轉向R1或一第二轉向R2；該調磁轉動件2的轉速調整可依據該導磁部22、該磁極部31及該繞線部12之極對數的關係而定，舉例說明如下。
舉例而言，如第2圖所示，若該導磁部22的對數m等於該磁極部31的磁極對數n與該繞線部12的極對數k之和，即一轉速比a=m/k=1，則該調磁轉動件2的轉速約為該繞線部12的電訊號變化速度(如
100rpm)。依此類推，依上述極對數m、n、k可調整轉速比a的數值為等於1(即等速運轉)、小於1(即減速運轉)或大於1(即加速運轉)。
因此，藉由預先決定該導磁部22、磁極部31、繞線部12的極對數，即可簡單地確定該調磁轉動件2的轉速，使該馬達用作一等速機、一減速機或一加速機。
以減速機為例，表一為減速比為5.4倍之本發明之減速馬達實施例與現有減速裝置(以馬達搭配減速箱)的比較表，由表中可知，本發明上述馬達實施例在整體重量、組件數目、構裝空間及輸出扭矩皆優於現有減速裝置。
另外，如以扭矩密度進行比較，若一雛型機的磁石(如該導磁部22)體積為1.54×10-4m3，則實測扭矩為13.7N-m，扭矩密度(扭矩/磁石體積)為89.2kN-m/m3，皆優於習知裝置(一)的71.3kN-m/m3、習知裝置(二)的76kN-m/m3、習知裝置(三)的40.5kN-m/m3。其中，習知裝置(一)可參酌「Michinari Fukuoka,Kenji Nakamura,Hidenori Kato,and Osamu Ichinokura,“A Novel Flux-Modulated Type Dual-Axis Motor for Hybrid Electric Vehicles,”IEEE Transactions on Magnetics,Vol.50,No.11,November 2014.」；習知裝置(二)可參酌「Guohai Liu,Yicheng Jiang,Jinghua Ji,Qian Chen,and Junqin Yang,“Design and Analysis of a New Fault-Tolerant Magnetic-Geared Permanent-Magnet Motor,”IEEE Transactions on Applied Superconductivity,Vol.24,No.3,June 2014.」；習知裝置(三)可參酌「Dalia Zaky Abdelhamid and Andrew M.Knight,“Performance of a High Torque Density Induction Motor with an Integrated Magnetic Gear,”2016 XXII International Conference on Electrical Machines(ICEM),pp.538-544,Lausanne,Switzerland,September
4-7,2016.」。
藉此，如第3圖所示，本發明之一實施例另揭露一種電動載具，可包含如上所述之定速式磁性齒輪電機E，該電動載具還可包含至少一輪件W及一傳動組件T，該傳動組件T可耦合於該輪件W與該定速式磁性齒輪電機E的轉軸21之間，例如：該輪件W可為習知各種車輛之輪子，該傳動組件T可為習知用於車輛傳動之傳動組件，其係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。
此外，如第1圖所示，本發明之一實施例揭露上述定速式磁性齒輪電機E的用途，可應用於作為一發電機，其中該發電機具有一動能輸入部及一電能輸出部，該動能輸入部可耦接該定速式磁性齒輪電機E的轉軸21，該電能輸出部可電性連接該定速式磁性齒輪電機E的繞線部12。
舉例而言，該調磁轉動件2之轉軸21可結合一扇葉或一渦輪，用以接收外力(如風力或水力等)輸入動能，驅使該調磁轉動件2旋轉，進而使該感磁定子件1的繞線部12產生電力輸出，其運作方式係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (13)
- 一種定速式磁性齒輪電機，包含：一感磁定子件，設有一心軸及數個繞線部，該數個繞線部同軸地固定於該心軸；一調磁轉動件，具有一轉軸及數個導磁部，該數個導磁部同軸地圍繞該感磁定子件，該轉軸與該感磁定子件的心軸反向地延伸，該調磁轉動件與該感磁定子件之間設有至少一第一軸承；及一永磁殼件，具有數個磁極部及一穿孔，該數個磁極部同軸地圍繞該調磁轉動件，相鄰二該磁極部的極性相反，該穿孔供該調磁轉動件的轉軸穿出該永磁殼件，該永磁殼件固定於該感磁定子件的心軸，該永磁殼件與該調磁轉動件的轉軸之間設有一第二軸承；其中該導磁部係位於該繞線部與該磁極部之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之定速式磁性齒輪電機，其中該導磁部與該繞線部、該磁極部之間分別具有一氣隙。
- 如申請專利範圍第1項所述之定速式磁性齒輪電機，其中該調磁轉動件具有二定位環，該二定位環共同夾設該數個導磁部，相鄰二該導磁部之間的間距相同。
- 如申請專利範圍第3項所述之定速式磁性齒輪電機，其中該轉軸固定於該二定位環的其中一個。
- 如申請專利範圍第1項所述之定速式磁性齒輪電機，其中該永磁殼件的穿孔連通一腔室，該腔室容納該感磁定子件及該調磁轉動件，該腔室的一內周壁設有該數個磁極部。
- 如申請專利範圍第5項所述之定速式磁性齒輪電機，其中該數個磁極部包含極性相反且交替排列的數個第一永久磁鐵與數個第二永久磁鐵。
- 如申請專利範圍第1項所述之定速式磁性齒輪電機，其中該心軸與該永磁殼件的一結合部之間藉由一插銷相互固定。
- 如申請專利範圍第7項所述之定速式磁性齒輪電機，其中該永磁殼件之結合部形成一通孔，供該心軸穿出該永磁殼件。
- 如申請專利範圍第1項所述之定速式磁性齒輪電機，其中該第一軸承及該第二軸承分別為一滾珠軸承。
- 如申請專利範圍第1項所述之定速式磁性齒輪電機，其中該數個繞線部經由一定子鐵芯結合於該心軸。
- 一種如申請專利範圍第1至10項任一項所述之定速式磁性齒輪電機的用途，係應用於作為一馬達，其中該馬達具有一電能輸入部及一動能輸出部，該電能輸入部電性連接該定速式磁性齒輪電機的繞線部，該動能輸出部耦接該定速式磁性齒輪電機的轉軸。
- 一種電動載具，係包含如申請專利範圍第1至10項任一項所述之定速式磁性齒輪電機，另包含至少一輪件及一傳動組件，其中該傳動組件耦合於該輪件與該定速式磁性齒輪電機之間。
- 一種如申請專利範圍第1至10項任一項所述之定速式磁性齒輪電機的用途，係應用於作為一發電機，其中該發電機具有一動能輸入部及一電能輸出部，該動能輸入部耦接該定速式磁性齒輪電機的轉軸，該電能輸出部電性連接該定 速式磁性齒輪電機的繞線部。
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