TW202203552A - 採用可調海爾貝克（ｈａｌｂａｃｈ）磁鐵陣列以產生可變轉矩之電機 - Google Patents

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哈利 C 麥當勞
詹姆士 L 貝力
馬修 C 麥當勞
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美商飛爾康動力公司
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Abstract

本發明揭示一種具有一可調海爾貝克陣列組態之產生可變轉矩(VTG)之電機。該電機包含用於產生一磁場之一磁鐵總成。該磁鐵總成包含：複數個固定磁鐵，其等以一環形配置安置，使得具有面向轉子或定子之一北極之固定磁鐵與具有面向該轉子或定子之一南極之固定磁鐵交替；複數個可旋轉磁鐵，其等安置於在兩個相鄰固定磁鐵之間形成之一各自狹槽內；一驅動總成，其用於轉動該等狹槽內之該等可旋轉磁鐵以改變藉由該磁鐵總成在該轉子或定子中產生之該磁場，該驅動總成經組態以使該等可旋轉磁鐵在一第一位置與一第二位置之間轉動，在該第一位置中，增強該轉子或定子中之該磁場，在該第二位置中，抵消該轉子或定子中之該磁場。

Description

採用可調海爾貝克(HALBACH)磁鐵陣列以產生可變轉矩之電機
本申請案係關於採用可調海爾貝克磁鐵陣列以產生可變轉矩之電機。
電機係使用電磁力來將電能轉換為機械能或將機械能轉換為電能之裝置。常見電機包含發電機及電馬達。
發電機將機械能轉換成電能以用於一外部電路(諸如一電力網、一車輛中之一電系統等等)中。大多數發電機採用呈諸如一軸件之旋轉之一旋轉力(轉矩)之形式之一原動力源。該旋轉力透過在由發電機內之磁鐵產生之磁場與一或多個導線繞組之間的相互作用而在該等導線繞組中產生電流。常見原動力源包含蒸汽渦輪機、燃氣渦輪機、水力發電渦輪機、內燃機及類似者，其等具有一恆定轉矩及以每分鐘轉數(RPM)表示之連續旋轉速度。
電馬達在機械上與發電機相同，但反向操作。電馬達透過由馬達內之磁鐵產生之磁場與穿過一或多個導線繞組之電流之間的相互作用而將電能轉換成機械能以產生呈馬達之軸件之旋轉之形式之一原動力(即，一旋轉力或轉矩)。此旋轉力(轉矩)接著用於推動某些外部機構。電馬達通常經設計以提供連續旋轉及恆定轉矩。在某些應用中，諸如在採用牽引馬達進行再生制動之車輛中，電馬達可反向用作發電機以回收原本可能作為熱及摩擦而損耗之能量。
愈來愈多地，可再生能源技術中所採用之發電機必須以廣泛變化之旋轉速度(RPM)及轉矩操作，此係因為所使用之動力源係可變的、不適時的且通常不可預測的。類似地，環保或綠色技術所採用之電馬達必須能夠產生一系列旋轉速度(RPM)或轉矩。然而，雖然習知發電機及馬達在接近其等額定旋轉速度(RPM)及轉矩操作時通常表現自百分之九十至百分之九十八(90%至98%)之範圍內之效率，但此等相同發電機及馬達之效率在其等於其等額定旋轉速度(RPM)及/或轉矩之外操作時，急劇下降，通常低至百分之三十至百分之六十(30%至60%)。
根據本發明之一些實施例，本發明係關於一種電機，其包括：一磁鐵總成，其用於在具有攜載一電流之複數個導線繞組之一轉子或定子之一者中產生一磁場，該磁鐵總成包括：複數個固定磁鐵，其等以一環形配置安置，該等固定磁鐵之各者具有一北極及一南極且配置於該環形配置內，使得具有面向該轉子或定子之一北極之固定磁鐵與具有面向該轉子或定子之一南極之固定磁鐵交替且在其等之間形成一狹槽；複數個可旋轉磁鐵，該等可旋轉磁鐵之各者具有一北極及一南極且安置於在具有面向該轉子或定子之一北極之一固定磁鐵與具有面向該轉子或定子之一南極之一固定磁鐵之間形成之一各自狹槽內，使得該可旋轉磁鐵可在該狹槽內旋轉；及一驅動總成，其用於轉動該等狹槽內之該等可旋轉磁鐵以改變藉由該磁鐵總成在該轉子或定子中產生之該磁場，該驅動總成經組態以使該等可旋轉磁鐵在一第一位置與一第二位置之間轉動，在該第一位置中，增強該轉子或定子中之該磁場，在該第二位置中，抵消該轉子或定子中之該磁場。
根據本發明之一些實施例，本發明係關於一種電機，其包括：一殼體；一轉軸(axle)，其安置於該殼體中，該轉軸由至少一軸承總成支撐，使得該轉軸可相對於該馬達殼體旋轉；一定子總成，其安置於該馬達殼體內，該定子總成包括一定子鐵芯及由該定子鐵芯支撐之複數個導線繞組；一轉子總成，其耦合至該轉軸且經組態以相對於該定子總成旋轉以轉動該轉軸，該轉子總成包括：具有一大體上圓柱形外表面之一轉子鐵芯，用於在該定子總成中產生一磁場之一磁鐵總成，該磁鐵總成包括：複數個固定磁鐵，其等以一環形配置圍繞該轉子鐵芯之該外表面間隔，該等固定磁鐵之各者具有一北極及一南極且配置於該環形配置中，使得具有面向該定子總成之一北極之固定磁鐵與具有面向該定子總成之一南極之固定磁鐵交替，其中在其等之間形成一狹槽，及複數個可旋轉磁鐵，該等可旋轉磁鐵之各者具有一北極及一南極且安置於在具有面向該定子總成之一北極之一固定磁鐵與具有面向該定子總成之一南極之一固定磁鐵之間形成之一各自狹槽內，使得該可旋轉磁鐵可在該狹槽內旋轉；及一驅動總成，其用於轉動該等狹槽內之該等可旋轉磁鐵之各自者以改變該定子總成中之該磁場，該驅動總成經組態以使該等可旋轉磁鐵在一第一位置與一第二位置之間轉動，在該第一位置中，增強該定子總成中之該磁場，在該第二位置中，抵消該定子總成中之該磁場。
相關申請案之交叉參考 本申請案根據35 U.S.C. §119(e)規定主張於2020年3月2日申請且標題為「Variable Torque Generation Electric Machine Employing Tunable Halbach Magnet Array」之美國臨時申請案第62/984,270號之優先權。概述
儘管已用特定於結構特徵及/或程序操作之語言描述標的物，但應理解，隨附發明申請專利範圍中所定義之標的物並不一定限於上文所描述之特定特徵或動作。實情係，上文所描述之特定特徵及動作係揭示為實施發明申請專利範圍之實例性形式。
參考附圖描述[實施方式]。在描述及圖中之不同例項中使用相同元件符號可指示類似或相同品項。此外，一般技術者將瞭解，本文中所揭示之概念可應用於各種各樣之電機，包含(但不限於)電馬達、發電機及/或機電傳動系統。因此，貫穿本發明及在以下發明申請專利範圍中，術語電機通常用於描述能夠採用本文中所描述之概念之任何機電裝置，且應瞭解，除非另有說明，否則術語電機可係指一電馬達、一發電機、一機電傳動系統、其等之組合(例如，適用於採用再生制動之一混合動力車輛中之一馬達/發電機)等等。
馬達及發電機經設計用於在一特定可旋轉速度及轉矩下以一非常窄的最佳效率範圍操作。一馬達或發電機中之高轉矩要求需要更強有力的永久磁鐵，該等永久磁鐵繼而產生一大反電動勢(EMF)，該大反電動勢繼而克服高電壓及電流。當可旋轉速度及轉矩恆定時，馬達或發電機可經設計用於最佳效率。通常，此效率可遠遠超過百分之九十(90%)。因此，在此等馬達及發電機之設計及製造中，定子鐵芯、鐵芯繞組及永久磁鐵全部經選擇以一起作用，以依一最佳或臨限效率產生所需轉矩、可旋轉速度(RPM)、電壓及電流比。一旦選擇此等關鍵組件且將其等放置於馬達或發電機中，便無法改變其等。僅可改變一發電機中之驅動力之功率及速度或進入馬達之電流之電壓及電流量。然而，當此等馬達或發電機投入使用(其中速度及轉矩廣泛變化，諸如在陸上車輛及/或風力或水力發電機中)時，在速度及轉矩要求小於經設計之最大值時，仍必須克服固定磁鐵之反EMF，且在速度及轉矩大於經設計之最大值時，定子佈線經充分且適當地定大小。當其等並非如此時，對於電動或混合動力車輛、風力或水力發電機及類似者，馬達或發電機之整體效率在許多情況中急劇下降低至百分之二十(20%)。
本發明係關於能夠在寬電壓及電流量操作範圍及/或極端可變轉矩及可旋轉速度(RPM)條件下以高效率操作之產生可變轉矩(VTG)之電馬達、發電機及/或傳動系統。根據本發明之電馬達非常適合用於其中馬達產生可變轉矩及/或可旋轉速度(RPM)之技術中。類似地，根據本發明之發電機非常適合用於其中可變轉矩及可旋轉速度(RPM)條件常見之技術中，諸如在經常遇到可變環境條件(諸如不一致風速、不適時的海浪運動、一混合動力車輛中之可變制動能量等等)之情況下。例如，實例性技術可包含採用包含風力、水力發電、電動或混合動力車輛等等之可再生能源之技術。
如先前所論述，永久磁鐵電馬達及發電機中之一轉子之磁場係不可調整的，而是固定的。轉子之永久磁鐵與定子之鐵芯之間的磁通量之交替流動及定子鐵芯之導線中之電力之交替流動判定一永久磁鐵馬達或發電機將如何操作。在存在少量磁通量在轉子磁鐵與定子鐵芯之間流動之情況下，就如同馬達/發電機之轉子配裝有小型或較低強度永久磁鐵一樣。若在轉子磁鐵與定子鐵芯之間流動之通量之量為大，反之亦然，則馬達/發電機之轉子中之永久磁鐵之強度較高。當在一馬達之轉子中使用小型永久磁鐵時，用必要匝數對定子鐵芯線圈中之導線適當地定大小以在定子齒(或鐵芯)中產生一磁場，該磁場將與轉子磁鐵之磁場有效地反應以產生最佳(或接近最佳)通量流或其等之間的相互作用以及最佳(或接近最佳)轉矩或rpm。在一發電機之情況中，導線係用必要匝數定大小以有效地適應由藉由旋轉轉子上之永久磁鐵在定子鐵芯中感應之交替通量產生之電力且在許多情況中，即使在永久磁鐵係相同大小時，亦將不同於馬達之導線。當在轉子中使用大型永久磁鐵時，情況亦是如此，因為馬達及發電機兩者中之定子鐵芯之導線用必要匝數適當地定大小。然而，大型永久磁鐵馬達中之導線及安培匝數係不同於小型永久磁鐵馬達/發電機中之導線及匝數，且該兩個馬達/發電機之輸出大小動態地不同。
本文中所描述之技術可藉由以下一或多者動態地改變電機之輸出「大小」：藉由在全串聯連接、全並聯連接或其等之組合之間切換定子中之多條非絞合式平行線圈導線來改變定子中所感應之磁場，及使用轉子中之可調海爾貝克磁鐵配置來相應地改變、調整或聚焦作用於定子上之永久磁鐵之磁場，該可調海爾貝克磁鐵配置包括穿插之固定磁鐵及可旋轉磁鐵，該等可旋轉磁鐵可經旋轉以調諧磁鐵陣列之磁場強度。此外，轉矩/RPM或電流量/電壓要求改變，系統可啟動轉子/定子組內之一個定子或另一定子(在連接至一共同電腦處理器之多個電機單元中)且透過2個、4個、6個或更多並聯、三相、非絞合式線圈繞組之集合自並聯繞組改變為串聯繞組或與之相反以滿足轉矩/RPM或電流量/電壓要求以改良(例如，最佳化或接近最佳化)效率。
本發明提供用於調整包含一可調海爾貝克陣列組態之一電馬達或發電機中之永久磁鐵轉子之磁場之系統及方法。其藉由調整或聚焦作用於定子鐵芯上之磁場以在任何給定時間滿足馬達或發電機之轉矩速度要求而這麼做。藉由減小或增大作用於定子鐵芯上之磁場，電裝置繼而減小或增大反EMF且使用較低或較高電壓及電流量(電力)來使馬達運行，或改變轉動一發電機所需之轉矩(例如，風速)，從而容許採用電裝置之馬達/發電機調整反EMF以滿足不同的條件且在比以往所可能廣得多之範圍內以更高效率操作馬達/發電機。藉由此等能力，電裝置可在一相對均勻之可變功率要求範圍內以高效率控制(若干)轉子及定子兩者之磁場之相互作用之強度。任何電馬達之效率係取決於定子之電磁場與同定子相互作用之轉子之電磁場之間的平衡。電機中之現有技術逆變器/控制器可調節來自電池或其他電源之電壓，此繼而將定子線圈導線中之電流量調節於導線及電壓源之容量內。在逆變器/控制器透過電腦處理器將各佈線組態中之電壓自低增大至高時，電機具有在不同佈線組合之間切換之能力，其中各佈線組合中之一不同電阻在各佈線組合中產生一不同範圍之電流量匝數。接著憑藉電壓調節來組態、組合及協調不同佈線組態，使得在電腦處理器將佈線自一個組態切換至下一組態，從而相應地改變定子線圈中之安培匝數之值及所得磁場強度時，可在一極大擴展之範圍內均勻地調節(增大或減小)在定子線圈中流動之電流量之整體範圍。憑藉藉由轉子或若干轉子相對於定子之移動而在自低至高之一大得多的範圍內聚焦或控制與定子線圈相互作用之轉子磁鐵之磁場的電機能力，電腦程序可經組態以依據定子線圈中之安培匝數來調諧轉子相對於定子之磁場，使得調諧轉子以在定子線圈及轉子永久磁鐵之磁場之間提供最佳效率或平衡。
改變佈線及匝數以修改一定子鐵芯之通量且在一鐵芯線圈導線中流動之電力不像改變自轉子永久磁鐵流動之通量那樣容易調整或改變。此可藉由以下實現：在一Δ(delta)組態之一中心分接頭或三個腳處分離多相定子佈線且用在全串聯、全並聯及並聯及串聯組態之組合中切換及連接多條導線的能力針對各相腳提供鐵芯繞組中之多條非絞合式平行導線(且在一些情況中使用不同大小之導線)。在一些實施方案中，可將一或多條導線斷開連接以提供額外組態(例如，自一六導線系統降至一四導線系統或類似者)。在一些實施方案中，相繞組亦可自一星形或y形(Y)組態切換至一Δ(例如，三角形)組態。在一些實施方案中，系統可用在同一定子之單獨控制器提供兩個分離多相佈線組態，且在一些實施方案中，在各相腳中分離線圈(包含其中之多條導線)，使得任一分離多相組態中定子相位之任一者可切換(例如，使用電子開關)為在星形(Y)或Δ組態中串聯、並聯或以其等之組合連接。
在實施例中，亦可藉由將多個模組化電機單元(例如，各具有(若干)各自定子及(若干)轉子)接合在一起以改變整體系統輸出來調整電機系統。例如，可在來自一中央處理器之共同控制下將電機單元接合在一起，其中該等電機單元可一起操作以增大功率或至少一者可在另一者處於中性時操作。電機單元亦可經組態以在不同串聯、並聯或組合(即，串聯及並聯)之間來回變換佈線及切換組合以在各種組合之間提供平穩轉變。電機單元亦可用各相位中之多條導線之串聯/並聯切換而在Δ或星形相位組態之間來回變換。
在本發明之實施例中，任何單個電機單元可具有本文中所描述之多個佈線及切換之任何或所有組合。包含在Δ與y形組態之間切換串聯或並聯或在彼此串聯連接之並聯之兩個或兩個以上導線之組中之多個導線繞組，且在電機係多極之情況下，一相繞組之個別線圈可串聯或並聯連接或以彼此串聯連接之並聯之兩個或兩個以上線圈之組連接，從而在可電子地重新組態以滿足廣泛變化條件之一單個馬達/發電機中提供一寬範圍之伏特/安培及轉矩速度比。與轉子磁場之一電子變換及在定子鐵芯上聚焦轉子之磁場的能力結合之此特徵，提供透過一電腦系統處理器選擇並快速地改變定子之繞組組態以滿足可以最佳(或接近最佳或以其他方式選擇)能量效率對VTG單元/系統提出之廣泛可變之速度及轉矩要求的一能力。
本發明之電機可進一步包含一冷卻系統。該冷卻系統容許使用串聯及並聯切換來遞增地減小定子線圈之電阻以增大線圈中之電流量，而不會造成重大損失。冷卻導線將容許導線攜載多達其額定容量五倍之更多電流量。相較於每相位具有一單個導體之一習知馬達或發電機，一經冷卻習知馬達/發電機可透過冷卻使其功率增大多達五倍，其中VTG馬達或發電機可使其功率增大多達30倍。
本發明之冷卻系統可包含一經密封定子鐵芯及具有循環冷卻流體之盤管流體腔，用於循環水或不同流體以降低在該流體腔內循環之該冷卻流體之溫度之配管，與該冷卻流體接觸之熱電裝置(諸如珀爾帖裝置)。實例性實施例之詳細描述
圖1至圖21繪示具有一海爾貝克陣列組態之一電機總成。該電機之該海爾貝克陣列組態容許改變或重新引導電機中之永久磁鐵之通量以依受控增量將線圈中之電力之感應自最大電流量及/或電壓改變至零或接近零。電機包括一殼體、一定子及至少一轉子。該至少一轉子配置成一環形海爾貝克陣列，具有塑形為一半沙漏形或I形之固定磁鐵及在藉由固定磁鐵形成之狹槽之間的可旋轉圓形磁鐵。固定磁鐵圍繞定子鐵芯之周邊安裝至一基座鐵芯材料且藉由將向外面向定子之相鄰北極及南極交替放置而定位。可旋轉圓形磁鐵在直徑上磁化且在固定磁鐵及圓形磁鐵之內壁之間具有一最小均勻間隙。
大體上參考圖1至圖5，描述根據本發明之一實施例之一電機100。一電機可係指一電馬達、一發電機、一傳動系統等。圖3至圖5展示具有一殼體102、一主轉軸104、一定子總成106及一轉子總成108之電機100。殼體102包括一定子室。主轉軸104安置於殼體102中，且(例如)藉由由至少一軸承支撐而可旋轉地連接至電機殼體。定子總成106亦安置於殼體102內，定子總成包括支撐複數個繞組112之一定子鐵芯110。圖6及圖7展示耦合至主轉軸104之轉子總成108。轉子總成經組態以相對於定子總成106旋轉以轉動主轉軸104。轉子總成包括一轉子鐵芯114、一第一磁鐵總成116及一第二磁鐵總成117。
在本實施例中，圖10展示第一磁鐵總成116，該第一磁鐵總成116具有以一第一環形配置119安置之第一複數個I形固定磁鐵118，及第一複數個圓柱形可旋轉磁鐵120。I形固定磁鐵具有凹形彎曲側，使得在其等之間形成一狹槽126。固定磁鐵118之各者包括一北極122及一南極124且藉由狹槽126劃分。固定磁鐵118經配置使得具有面向轉子或定子之北極之各固定磁鐵分別與具有面向轉子或定子之南極之一固定磁鐵交替。複數個可旋轉磁鐵120之各者亦包含一北極及一南極，安置於兩個固定磁鐵118之間的一各自狹槽126內。可旋轉磁鐵具有擁有一第一端128及一第二端130之一圓柱形本體。一可旋轉磁鐵之該圓柱形本體包括自可旋轉磁鐵120之圓柱形本體之第一端128延伸至第二端130之一第一半圓柱體132及一第二半圓柱體134。該等第一及第二半圓柱體132、134分別對應於可旋轉磁鐵之北極及南極。可旋轉磁鐵120可為延伸定子106之長度之一單個磁鐵或其等磁極在相同方向上對準之多個圓形磁鐵。
第一磁鐵總成116進一步包含一第一驅動總成136，該第一驅動總成136用於轉動I形固定磁鐵118之間的狹槽126內之可旋轉磁鐵120，從而容許藉由磁鐵總成產生之磁場改變。可旋轉磁鐵120貼附至一轉軸121，該轉軸121延伸通過可旋轉磁鐵120之縱向中心達轉子總成108之長度且充分超過轉子之端以在轉軸121之至少一端上容納一轉軸齒輪123。替代性地，可用固定地連接至可旋轉磁鐵120之第一端128及第二端130之其他齒輪、軸承或襯套來代替或補充轉軸121。
將轉軸121連接至可旋轉磁鐵120之軸承或襯套可安裝於轉子108之任一端上之一非磁性板上，或在轉子之整個長度上以間歇性間隔安裝。轉子之其他實施例可使用包含(但不限於) PTFE或鐵氟龍之一合成聚合物以加襯可旋轉磁鐵120之第一半圓柱體132與第二半圓柱體134之間的圓形空間之內表面以最小化可旋轉磁鐵120與轉軸121之間的摩擦。
驅動總成使可旋轉磁鐵在圖10及圖11中所展示之一第一位置與一第二位置(未展示)之間順時針轉動，在該第一位置中，增大轉子或定子中之磁場，在該第二位置中，抵消轉子或定子中之磁場。使一可旋轉磁鐵120之北極朝向面向轉子鐵芯114之外部之一固定磁鐵之北極122之中心旋轉增大電機之磁場。相比而言，使一可旋轉磁鐵120之北極朝向面向轉子鐵芯114之外部之一固定磁鐵之南極124之中心旋轉將磁場之強度減小至零或接近零。由於轉子108之磁場可改變遍及一寬範圍之高斯輸出，故相較於先前技術可以一更有效方式滿足應用要求。可旋轉磁鐵120之旋轉可以高達180度之增量反轉，使得圓形磁鐵之各自北極及南極面向相反磁極固定磁鐵之徑向平面。
圖6A及圖6B亦展示第二磁鐵總成117，該第二磁鐵總成117具有以一第二環形配置140安置之第二複數個I形固定磁鐵138，及第二複數個圓柱形可旋轉磁鐵142。該等I形固定磁鐵具有凹形彎曲側，使得在其等之間形成一狹槽126。固定磁鐵138之各者包括一北極122及一南極124且由狹槽126劃分。固定磁鐵138經配置使得具有面向轉子或定子之北極之各固定磁鐵分別與具有面向轉子或定子之南極之一固定磁鐵138交替。第二複數個可旋轉磁鐵142之各者亦包含一北極及一南極，安置於兩個固定磁鐵138之間的一各自狹槽126內。可旋轉磁鐵具有擁有一第一端及一第二端之一圓柱形本體。一可旋轉磁鐵之該圓柱形本體包括自可旋轉磁鐵之圓柱形本體之第一端延伸至第二端之一第一半圓柱體及一第二半圓柱體。該等第一及第二半圓柱體分別對應於可旋轉磁鐵之北極及南極。
第二磁鐵總成117進一步包含一第二驅動總成144，該第二驅動總成144用於轉動第二複數個I形固定磁鐵138之間的狹槽126內之第二複數個可旋轉磁鐵142，從而容許藉由第二磁鐵總成117產生之磁場改變。第二驅動總成144使可旋轉磁鐵在一第一位置與一第二位置之間逆時針轉動，在該第一位置中，增大轉子或定子中之磁場，在該第二位置中，抵消轉子或定子中之磁場。使一可旋轉磁鐵142之北極朝向面向轉子鐵芯114之外部之一固定北極磁鐵122之中心徑向平面旋轉增大電機之磁場。相比而言，使一可旋轉磁鐵142之北極朝向面向轉子鐵芯114之外部之一固定南極磁鐵124之中心徑向平面旋轉將磁場之強度減小至接近零，從而容許轉子108遍及一寬範圍之高斯輸出改變磁場。可旋轉磁鐵142之旋轉可以高達180度之增量反轉，使得圓形磁鐵之各自北極及南極面向相反磁極固定磁鐵之徑向平面。
在本實施例中，第一磁鐵總成116及第二磁鐵總成117彼此鄰近。第一磁鐵總成及第二磁鐵總成以交替順序配置。具有向外面向定子總成106之一北極122之第一複數個固定磁鐵118鄰近於具有向外面向定子總成106之一南極124之第二複數個固定磁鐵138之固定磁鐵。類似地，具有面向定子總成106之一南極124之第一複數個磁鐵118之固定磁鐵鄰近於具有面向定子總成106之一北極122之第二複數個固定磁鐵138之固定磁鐵。
圖10及圖11繪示第一複數個可旋轉磁鐵120之可旋轉磁鐵耦合至第二複數個可旋轉磁鐵142之可旋轉磁鐵，從而形成複數個可旋轉磁鐵總成146。該等可旋轉磁鐵總成具有一第一側132及一第二側134。來自第一複數個可旋轉磁鐵120之可旋轉磁鐵可具有安置於可旋轉磁鐵總成之第一側132處之磁北極，及安置於可旋轉磁鐵總成之第二側134處之一南極。來自第二複數個可旋轉磁鐵142之可旋轉磁鐵可具有安置於可旋轉磁鐵總成之第一側132處之一南極及安置於各自磁鐵總成之第二側134處之一北極。每隔一個可旋轉磁鐵總成可沿著轉子總成108之環形配置119及140相對於下一可旋轉磁鐵總成以180度之一旋轉角度定位。
在本發明之一實施例中，第一及第二可旋轉磁鐵總成120及142之各者包含具有一行星齒輪148之一驅動總成。各自第一及第二驅動總成136及144亦包括藉助於一驅動齒輪154接合至一原動力裝置152之一環形齒輪150。原動力裝置152可為一步進馬達、一液壓活塞或此項技術中已知之任何其他徑向或線性運動裝置。本發明之不同實施例在轉子總成之各側上可包含一個以上原動力裝置。環形齒輪150連接至行星齒輪148。如圖10上所見，原動力裝置152轉動驅動齒輪154，該驅動齒輪154使環形齒輪150旋轉以轉動行星齒輪148。行星齒輪148使每一各自可旋轉磁鐵總成能夠轉動在複數個可旋轉固定磁鐵118與138之間的狹槽126內之複數個可旋轉磁鐵120及146。在替代實施例中，可旋轉磁鐵120之端處之轉軸齒輪123可藉由除環形齒輪以外之其他傳動構件來轉動，包含(但不限於)將所有圓形轉軸齒輪123嚙合在一起，使得在固定磁鐵118之任一側上之交替可旋轉磁鐵120以交替順序順時針及逆時針旋轉。
主轉軸104可經塑形以支撐一或多個原動力裝置152。取決於電機100之不同實施例中所需之原動力裝置152之數目，原動力裝置152可相對於主轉軸104之縱軸平行地面向前及面向後定位。主轉軸104亦可支撐控制一或多個原動力裝置所需之不同電子裝置，諸如(但不限於)PCB板、電力轉換器等。主轉軸104亦可包含位於主轉軸104之一端處之一旋轉位置指示器。
圖13展示一安裝支架156內部之殼體102之一不同實施例。圖14中所展示之安裝支架156藉助於主轉軸104之兩側處之軸承158可旋轉地連接至主轉軸104。此組態容許殼體102具有相對於安裝支架156之自由旋轉移動。轉軸104包含具有一位置感測器159及一無線通信裝置之之一端帽157。位置感測器159量測電機之RPM，且該無線通信裝置將命令傳送及傳輸至各原動力裝置152。安裝支架156之另一可能組態包含(但不限於)一完全閉合護罩。此經圍封安裝支架(未展示)將保護電機免受天氣狀況影響。
如圖14中所展示，安裝支架156可包含轉矩感測器，諸如(但不限於)安裝於電機殼體102之任一側上之兩個測力計160。測力計160可量測張力或壓縮以判定電機在任一方向上之轉矩。除了其他可經量測參數(例如，rpm等)外亦可使用此轉矩量測來判定電機100之電力輸入或輸出。
圖13至圖22繪示電機100之一第二實施例。在電機之此第二實施例中，轉子302包含僅一個磁鐵總成304。圖19及圖20展示複數個固定磁鐵306。I形固定磁鐵圍繞一轉子環之周邊配置且固定至一習知層壓板307。各I形固定磁鐵306包括圍繞該轉子環之周邊自轉子302之中心軸交替徑向面向外之一北極及一南極。複數個可旋轉磁鐵308定位於固定磁鐵306之間的狹槽310內。狹槽310可塗佈有一減小摩擦之塗層，諸如一鐵氟龍或縮醛樹脂類型材料或此項技術中已知之減小表面之間的摩擦之其他聚合物。
一固定磁鐵306之任一側上之可旋轉磁鐵308經設計為在彼此相反之方向上(較佳但不限於近似180度)旋轉。可旋轉磁鐵308係藉助於固定地連接至可旋轉磁鐵之端之一鏈輪312來旋轉。在包含鏈輪312之情況下，驅動總成314亦包含兩個環形齒輪316及318以及原動力裝置320。環形齒輪316及318之各者在其外圓周上包括分別使每隔一個可旋轉磁鐵308上之鏈輪312轉動之齒。在此實施例中，第一環形齒輪316順時針轉動第一組可旋轉磁鐵，而第二環形齒輪318逆時針旋轉第二組可旋轉磁鐵。環形齒輪316及318繼而藉助於圍繞各環形齒輪之內圓周之齒可旋轉地連接至一各自原動力裝置320。不同實施例可改變第一及第二環形齒輪之旋轉方向。
本發明中所引用之實施例可包含圍繞轉子鐵芯322之一磁性金屬層壓板，作為如圖9中所展示將複數個固定磁鐵固定至轉子環之磁鐵固定帽324。磁鐵固定帽324可藉由一間隙325彼此切向地分離以將經組合轉子總成108之可變強度之磁場徑向向外地朝向定子總成106聚焦。在不同實施例中，磁鐵固定帽可連續定位於北極與南極之間，而未藉由一間隙分離。磁性金屬層壓板較佳為磁性鐵但可由一不同鐵磁材料製成。定子鐵芯材料可為磁性鐵、另一磁性材料、一非磁性材料(例如，鋁等)或磁性及非磁性材料之任何組合。
定子鐵芯材料可為磁性鐵、另一磁性材料、一非磁性材料(例如，鋁等)或磁性及非磁性材料之任何組合。本發明之不同實施例可包含圍繞複數個可旋轉磁鐵之一金屬罩殼326。罩殼326可由不鏽鋼或此項技術中已知之將不影響本發明之功能之其他金屬合金製成。
本發明之其他實施例可包含任何不同深度、形狀及大小之固定磁鐵。在其他實施例中，固定磁鐵亦可以足以在其等之間配裝圓形可旋轉磁鐵以在定子線圈中產生一可變磁場及所要電流感應之任何不同距離彼此間隔開。在替代實施例中，可旋轉圓形磁鐵可具有相對於固定磁鐵之深度之任何直徑，此將在定子線圈中產生一可變磁場及所要電流感應。
應理解，術語「定子」在本文中用於描述導線線圈所定位之馬達或發電機之一元件，電流由永久磁鐵之磁場感應至該元件中或該元件由其他源饋入一電流以產生一磁場EMF以與永久磁鐵之磁場相互作用。此可為一馬達、一發電機或包含線性感應馬達之一線性馬達。
儘管已用特定於結構特徵及/或程序操作之語言描述標的物，但應理解，隨附發明申請專利範圍中所定義之標的物並不一定限於上文所描述之特定特徵或動作。實情係，上文所描述之特定特徵及動作經揭示為實施發明申請專利範圍之實例性形式。
100:電機 102:殼體/電機殼體 104:主轉軸 106:定子總成/定子 108:轉子總成/轉子 110:定子鐵芯 112:繞組 114:轉子鐵芯 116:第一磁鐵總成 117:第二磁鐵總成 118:第一複數個I形固定磁鐵/固定磁鐵 119:第一環形配置/環形配置 120:第一複數個圓柱形可旋轉磁鐵/可旋轉磁鐵 121:轉軸 122:北極 123:轉軸齒輪 124:南極 126:狹槽 128:第一端 130:第二端 132:第一半圓柱體/第一側 134:第二半圓柱體/第二側 136:第一驅動總成 138:第二複數個I形固定磁鐵 140:第二環形配置/環形配置 142:第二複數個圓柱形可旋轉磁鐵/可旋轉磁鐵 144:第二驅動總成 146:可旋轉磁鐵總成 148:行星齒輪 150:環形齒輪 152:原動力裝置 154:驅動齒輪 156:安裝支架 157:端帽 158:軸承 159:位置感測器 160:測力計 302:轉子 304:磁鐵總成 306:固定磁鐵/I形固定磁鐵 307:層壓板 308:可旋轉磁鐵 310:狹槽 312:鏈輪 316:環形齒輪/第一環形齒輪 318:環形齒輪/第二環形齒輪 320:原動力裝置 324:磁鐵固定帽 325:間隙 326:金屬罩殼/罩殼
參考附圖描述[實施方式]。在描述及圖中之不同例項中使用相同元件符號可指示類似或相同品項。此外，一般技術者將瞭解，本文中所揭示之概念可應用於各種各樣之電機，包含(但不限於)電馬達、發電機及/或機電傳動系統。因此，貫穿本發明及在以下發明申請專利範圍中，術語電機通常用於描述能夠採用本文中所描述之概念之任何機電裝置，且應瞭解，除非另有說明，否則術語電機可係指一電馬達、一發電機、一機電傳動系統、其等之組合(例如，適用於採用再生制動之一混合動力車輛中之一馬達/發電機)等等。
圖1係繪示根據本發明之一實例性實施例之一電機之一側視圖。
圖2係繪示根據本發明之一實例性實施例之在圖1中所展示之電機之一透視圖；
圖3係根據本發明之一實例性實施例之在圖1中所展示之電機之一橫截面透視圖，該電機具有一殼體、一轉子總成、一定子總成及一主轉軸；
圖4展示根據本發明之實例性實施例之展示具有一海爾貝克組態之轉子總成之在圖3中所展示之電機的進一步橫截面透視圖；
圖5展示根據本發明之一實例性實施例之展示定子總成及轉子總成之平行於主軸之在圖2中所展示之電機的一不同橫截面透視圖；
圖6係繪示根據本發明之一實例性實施例之配置成具有兩組可旋轉磁鐵之一海爾貝克陣列之圖5中之電機之轉子總成的一側視圖；
圖7係繪示根據本發明之一實例性實施例之配置成一海爾貝克陣列之圖6中之電機之轉子總成的一透視圖；
圖8係根據本發明之實例性實施例之在圖6中所展示之轉子之海爾貝克陣列之固定磁鐵的一透視圖；
圖9係根據本發明之實例性實施例之在圖6中所展示之轉子之海爾貝克陣列之固定磁鐵的一前視圖；
圖10係根據本發明之實例性實施例之展示一磁鐵總成及使可旋轉磁鐵在該磁鐵總成內旋轉之驅動總成之在圖6中所展示之轉子總成的一透視圖；
圖11係根據本發明之實例性實施例之進一步展示磁鐵總成及驅動總成之在圖10中所展示之轉子總成的一透視圖；
圖12係根據本發明之實例性實施例之具有一驅動總成及圍繞磁鐵總成之周邊之磁鐵固定帽之在圖2中所展示之轉子總成之一不同實施例的一透視圖；
圖13係根據本發明之一實例性實施例之電機之另一實施例的一透視圖；
圖14係根據本發明之實例性實施例之具有轉矩感測器之在圖13中所展示之一安裝支架的一透視圖；
圖15係根據本發明之一實例性實施例之在圖13中所展示之電機的橫截面透視圖，該電機具有一殼體、一轉子總成、一定子總成及一主轉軸；
圖16係根據本發明之一實例性實施例之在圖13中所展示之轉軸之一端帽的一透視圖；
圖17係繪示根據本發明之一實例性實施例之配置成具有一組可旋轉磁鐵之一海爾貝克陣列之圖15中之電機之轉子總成的一側視圖；
圖18係根據本發明之實例性實施例之展示一主轉軸、一磁鐵總成及使可旋轉磁鐵在該磁鐵總成內旋轉之驅動總成之在圖15中所展示之轉子總成的一透視圖；
圖19係根據本發明之實例性實施例之在圖18中所展示之轉子之海爾貝克陣列之固定磁鐵的一透視圖；
圖20係根據本發明之實例性實施例之在圖18中所展示之轉子之海爾貝克陣列之固定磁鐵的一側視圖；
圖21係根據本發明之實例性實施例之展示一磁鐵總成及使可旋轉磁鐵在該磁鐵總成內旋轉之驅動總成之在圖15中所展示之轉子總成的一透視圖；
圖22係根據本發明之實例性實施例之展示組態成一海爾貝克陣列之一磁鐵總成之在圖15中所展示之轉子總成的一透視圖；
100:電機
102:殼體/電機殼體
104:主轉軸
156:安裝支架

Claims (20)

  1. 一種電機，其包括： 一磁鐵總成，其用於在具有攜載一電流之複數個導線繞組之一轉子或定子之一者中產生一磁場，該磁鐵總成包括： 複數個固定磁鐵，其等以一環形配置安置，該等固定磁鐵之各者具有一北極及一南極且配置於該環形配置內，使得具有面向該轉子或定子之一北極之固定磁鐵與具有面向該轉子或定子之一南極之固定磁鐵交替且在其等之間形成一狹槽； 複數個可旋轉磁鐵，該等可旋轉磁鐵之各者具有一北極及一南極且安置於在具有面向該轉子或定子之一北極之一固定磁鐵與具有面向該轉子或定子之一南極之一固定磁鐵之間形成之一各自狹槽內，使得該可旋轉磁鐵可在該狹槽內旋轉；及 一驅動總成，其用於轉動該等狹槽內之該等可旋轉磁鐵以改變藉由該磁鐵總成在該轉子或定子中產生之該磁場，該驅動總成經組態以使該等可旋轉磁鐵在一第一位置與一第二位置之間轉動，在該第一位置中，增強該轉子或定子中之該磁場，在該第二位置中，抵消該轉子或定子中之該磁場。
  2. 如請求項1之電機，其中該等固定磁鐵之各自者係具有凹形彎曲側之大體上I形，使得形成於各對固定磁鐵之間的該狹槽係大體上圓柱形，該等固定磁鐵具有一。
  3. 如請求項2之電機，其中該等可旋轉磁鐵之各自者包括具有一第一端及一第二端之一大體上圓柱形本體，該圓柱形本體包括包含該可旋轉磁鐵之該北極之一第一半圓柱體及包含該可旋轉磁鐵之該南極之一第二半圓柱體，該等第一及第二半圓柱體自該第一端延伸至該第二端。
  4. 如請求項1之電機，其進一步包括一第二磁鐵總成，該第二磁鐵總成包括： 第二複數個固定磁鐵，其等以一第二環形配置圍繞該轉子鐵芯之外表面間隔，該第二複數個固定磁鐵之該等固定磁鐵之各者具有配置於該第二環形配置內之一北極及一南極，使得具有面向該定子總成之一北極之固定磁鐵與具有面向該定子總成之一南極之固定磁鐵交替，其中在其等之間形成一狹槽； 第二複數個可旋轉磁鐵，該第二複數個可旋轉磁鐵之該等可旋轉磁鐵之各自者具有一北極及一南極且安置於在具有面向該定子總成之一北極之一固定磁鐵與具有面向該定子總成之一南極之一固定磁鐵之間形成之一各自狹槽內，使得該可旋轉磁鐵可在該狹槽內旋轉； 其中該驅動總成經組態用於轉動在該第二複數個固定磁鐵中形成之該等狹槽內之該第二複數個可旋轉磁鐵之該等可旋轉磁鐵以改變該定子總成中之該磁場，該驅動總成經組態以使該等可旋轉磁鐵在一第一位置與一第二位置之間轉動，在該第一位置中，增強該定子總成中之該磁場，在該第二位置中，抵消該定子總成中之該磁場。
  5. 如請求項4之電機，其中該第二磁鐵總成鄰近於該第一磁鐵總成，使得具有面向該定子總成之一北極之該第一複數個固定磁鐵之固定磁鐵鄰近於具有面向該定子總成之一南極之該第二複數個固定磁鐵之固定磁鐵且具有面向該定子總成之一南極之該第一複數個磁鐵之固定磁鐵鄰近於具有面向該定子總成之一北極之該第二複數個磁鐵之固定磁鐵。
  6. 如請求項5之電機，其中該第一複數個可旋轉磁鐵及該第二複數個可旋轉磁鐵之該等可旋轉磁鐵耦合在一起以形成一可旋轉磁鐵總成。
  7. 如請求項6之電機，其中該等可旋轉磁鐵總成之各自者具有一第一側及一第二側，其中該第一複數個可旋轉磁鐵之可旋轉磁鐵具有安置於該第一側處之一北極及安置於該第二側處之一南極，且該第二複數個可旋轉磁鐵之可旋轉磁鐵具有安置於該第一側處之一南極及安置於該第二側處之一北極。
  8. 如請求項7之電機，其中每隔一個可旋轉磁鐵總成以相對於該等剩餘可旋轉磁鐵總成之一百八十度之一旋轉定位。
  9. 如請求項8之電機，其中該等固定磁鐵之各自者係具有凹形彎曲側之大體上I形，使得所形成之該狹槽係大體上圓柱形。
  10. 如請求項9之電機，其中該第一複數個可旋轉磁鐵及該第二複數個可旋轉磁鐵之該等可旋轉磁鐵之各自者包括具有一第一端及一第二端之一大體上圓柱形本體。
  11. 一種電機，其包括： 一殼體； 一轉軸，其安置於該殼體中，該轉軸由至少一軸承總成支撐，使得該轉軸可相對於該馬達殼體旋轉； 一定子總成，其安置於該馬達殼體內，該定子總成包括一定子鐵芯及由該定子鐵芯支撐之複數個導線繞組； 一轉子總成，其耦合至該轉軸且經組態以相對於該定子總成旋轉以轉動該轉軸，該轉子總成包括； 具有一大體上圓柱形外表面之一轉子鐵芯， 用於在該定子總成中產生一磁場之一磁鐵總成，該磁鐵總成包括： 複數個固定磁鐵，其等以一環形配置圍繞該轉子鐵芯之該外表面間隔，該等固定磁鐵之各者具有一北極及一南極且配置於該環形配置中，使得具有面向該定子總成之一北極之固定磁鐵與具有面向該定子總成之一南極之固定磁鐵交替，其中在其等之間形成一狹槽，及 複數個可旋轉磁鐵，該等可旋轉磁鐵之各者具有一北極及一南極且安置於在具有面向該定子總成之一北極之一固定磁鐵與具有面向該定子總成之一南極之一固定磁鐵之間形成之一各自狹槽內，使得該可旋轉磁鐵可在該狹槽內旋轉；及 一驅動總成，其用於轉動該等狹槽內之該等可旋轉磁鐵之各自者以改變該定子總成中之該磁場，該驅動總成經組態以使該等可旋轉磁鐵在一第一位置與一第二位置之間轉動，在該第一位置中，增強該定子總成中之該磁場，在該第二位置中，抵消該定子總成中之該磁場。
  12. 如請求項11之電機，其中該等固定磁鐵之各自者係具有凹形彎曲側之大體上I形，使得所形成之該狹槽係大體上圓柱形。
  13. 如請求項12之電機，其中該等可旋轉磁鐵之各自者包括具有一第一端及一第二端之一大體上圓柱形本體，該圓柱形本體包括包含該可旋轉磁鐵之該北極之一第一半圓柱體及包含該可旋轉磁鐵之該南極之一第二半圓柱體，該等第一及第二半圓柱體自該第一端延伸至該第二端。
  14. 如請求項11之電機，其中該等可旋轉磁鐵之各自者包括一行星齒輪，且其中該驅動總成包括與該等行星齒輪接合之一環形齒輪及具有與該環形齒輪接合之一驅動齒輪之一原動力裝置，其中該原動力裝置轉動該驅動齒輪，從而使該環形齒輪旋轉以轉動該行星齒輪，從而使該狹槽內之該可旋轉磁鐵旋轉。
  15. 如請求項11之電機，其進一步包括一第二磁鐵總成，該第二磁鐵總成包括： 第二複數個固定磁鐵，其等以一第二環形配置圍繞該轉子鐵芯之該外表面間隔，該第二複數個固定磁鐵之該等固定磁鐵之各者具有配置於該第二環形配置內之一北極及一南極，使得具有面向該定子總成之一北極之固定磁鐵與具有面向該定子總成之一南極之固定磁鐵交替，其中在其等之間形成一狹槽； 第二複數個可旋轉磁鐵，該第二複數個可旋轉磁鐵之該等可旋轉磁鐵之各自者具有一北極及一南極且安置於在具有面向該定子總成之一北極之一固定磁鐵與具有面向該定子總成之一南極之一固定磁鐵之間形成之一各自狹槽內，使得該可旋轉磁鐵可在該狹槽內旋轉； 其中該驅動總成經組態用於轉動在該第二複數個固定磁鐵中形成之該等狹槽內之該第二複數個可旋轉磁鐵之該等可旋轉磁鐵以改變該定子總成中之該磁場，該驅動總成經組態以使該等可旋轉磁鐵在一第一位置與一第二位置之間轉動，在該第一位置中，增強該定子總成中之該磁場，在該第二位置中，抵消該定子總成中之該磁場。
  16. 如請求項15之電機，其中該第二磁鐵總成鄰近於該第一磁鐵總成，使得具有面向該定子總成之一北極之該第一複數個固定磁鐵之固定磁鐵鄰近於具有面向該定子總成之一南極之該第二複數個固定磁鐵之固定磁鐵且具有面向該定子總成之一南極之該第一複數個磁鐵之固定磁鐵鄰近於具有面向該定子總成之一北極之該第二複數個磁鐵之固定磁鐵。
  17. 如請求項16之電機，其中該第一複數個可旋轉磁鐵及該第二複數個可旋轉磁鐵之該等可旋轉磁鐵耦合在一起以形成一可旋轉磁鐵總成。
  18. 如請求項17之電機，其中該等可旋轉磁鐵總成之各自者具有一第一側及一第二側，其中該第一複數個可旋轉磁鐵之可旋轉磁鐵具有安置於該第一側處之一北極及安置於該第二側處之一南極，且該第二複數個可旋轉磁鐵之可旋轉磁鐵具有安置於該第一側處之一南極及安置於該第二側處之一北極。
  19. 如請求項18之電機，其中每隔一個可旋轉磁鐵總成以相對於該等剩餘可旋轉磁鐵總成之一百八十度之一旋轉定位。
  20. 如請求項19之電機，其中該等固定磁鐵之各自者係具有凹形彎曲側之大體上I形，使得所形成之該狹槽係大體上圓柱形，且其中該第一複數個可旋轉磁鐵及該第二複數個可旋轉磁鐵之該等可旋轉磁鐵之各自者包括具有一第一端及一第二端之一大體上圓柱形本體。
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