TW465163B - Axial field electric machine - Google Patents

Description

465163 A7 B7 五、發明說明（1 ) 發明背景 相關申譆章— 本發明係美國申請案序號08/763,824的追加案，其揭示 全部附於此供參考 發明範園_ 本發明大體上係關於電機機械或馬達/發電機，特別是 關於永久磁鐵、軸向場電機機械。 相關技藝説明

一電馬達/發電機，在此技藝中稱爲電機機械，係一種 裝置，其將電能轉換爲機械能及/或將機械能轉換爲電 此°因爲電機機械更常以馬達出現，隨後的討論通常假設 電能轉換爲機械能。然而’具有此技藝之知識者知道，以 下的説明可同樣應用至馬達及發電機二者P 經濟部智慧財產局員工消費合作钍印製 電機機械通常根據法拉第定律操作，其可寫爲， 及維儉灶力方红式’其通常寫爲F=BLi。在利用轉動的電 機機械中，這些方程式各可寫爲e=k]BLiiJ及T=k2BLi。法拉 第定律描述出現於馬達導體的速率電壓或反EMF(電動 勢）’ e ’係由於一具有通量密度B之磁場與長度[而以轉 速ω行進之導體的幾何正交交互作用的結果。羅儉兹力方 程式描述扭矩Τ ’其由一具有通量密度β之磁場與長度乙而 載有電流i之導體的幾何正交交互作用產生。係數k〖及]^爲 常數，其係馬達幾何形狀.、材料性質及設計參數的函數。 各種形式的電機機械存在於此技藝中，其拫據它們如何 產生磁場，及根據它們如何控制暴露於磁場之導體中的電 —/d » 465163 A： r----—__ Β7 五、發明說明（2) 能流動。本發明係闕於電機機械，其中磁場B主要藉由接 口至機械的轉動總成或轉子之永久磁鐵而產生；而導體接 合至機械的靜止總成或定子，且電子電路用於控制電能的 流動。在此技藝中’此型式的機械通常稱爲無刷直流馬達 或捭刷永久磁鐵磯械。此外，此電機機械可修改爲利用感 應產生磁場。在此事例中，機械通常稱爲感應馬達。 產生轉動的電機機械分爲徑向場或軸向場。徑向場機械 具有與軸向導體交互作用的徑向磁場，導致轉動。另一方 面，軸向場機械具有與徑向導體交互作用的軸向磁場，導 致轉動。在此二機械位相學中，軸向場機械甚少出現。在 此技藝中’軸向場機械最常出現於下列應用中：⑴沒有足 夠的軸向長度以容納徑向場機械，（⑴需要相當小的扭 矩’及㈣馬達能量轉換效率不是主要因素。轴向場機械通 常比徑向場^械較不常出現的理由包含：⑷更熟悉徑向場 機械，（b)藉由再使用現有徑向場機械工具以使成本最小的 需求’及⑷缺乏市場誘因以解決軸向場機_有的製造問 題。 經濟部智慧財產局員工消費^咋_士 關於生產量方面’電腦軟式磁碟機的心抽馬達係最常出 現的轴向場電機機械。在此應用中，使成本最小係最重要 的設計目標。結果，此馬達不利用可就廣泛速率範圍導致 向效率、高馬達常數、或高功率密度的材料、設計步驟、 或結構技術。軟式磁碟機心轴馬達之使用勒向場位相純户 因爲在軟式磁碟機外殼内部沒有足夠的可用軸向空間，Z 使用徑向場馬達。此馬達典型上製成具有一轉子元件及— -5,

465163 A7 -— __B? ____ 五、發明說明（3 ) 疋子几件，疋子元件由一背面爲鋼鐵的印刷電路板 其上連接有定子繞组及馬達電驅動電路。 本發明揭示軸向場機械的設計理念，其提供比—般軸向 場機械更佳的性能及可匹配、超過或比擬於徑向場機械的 性能此事例中的性能所包含的計量爲：⑴能量轉換效 率’（11)馬達常數，（iii)重力功率密度，（iv)體積功率密度， (V)製造成本，及（vi)模組化結構導致的結構撓性。 .能量轉換效率描述電機機械轉換能量的能力。就馬達而 T ’效率可寫爲 7=(輸出功率）/(輸入功率）= (T(y)/(T&?+Pr+Pc+Pm)(方 程式1 ) m 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中T是扭矩’ ω是轉速，Pf是電阻損失，即，所謂[2R損 =，其代表由馬達中之載電流導體電阻而轉換成熱的功 率pc是鐵心損失，其代表由於馬達使用之導電性及磁性 材料的磁滯及渦流損失而轉換成熱的功率，pm是機械損 失A其包含軸承損失、風阻等。鐵心及機械損失通常隨著 速羊的平方而增加，所以，效率典型上從在零速率的零增 加至在某一額定速率的某一學値，然後減少至該額定速率 之下。就定速率應用而言，在恆定的額定速率達成高峰値 政率係最重要的。然而，就可變速率應用而言，重要的是 使此夠達成最大效率的速率範圍最大化。如方程式丨之定 義政率係無單位，通常以百分比表示，其中i 〇〇%的效率 反映理想的電機機械。 參考圖3 0，其呈現一圖，顯示一在此技藝中爲習知之典 -6- -Ia (CNSMJ^(v]〇xv97^a) 4 65 1 6 3 Α7 Β7 五、發明說明（4 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 各種速率及扭矩的效率。電機機械的操作由 率、―味値扭矩及—最大功率輸^義。此例 中，"機機械在-特殊操作點（即，在-特殊額定速率及 扭矩）的峰値速率係9Qm，在其他操作點，效率遽 減’如度疋效率歩狀所示。在一奪引應用中，例如，當電 機機械在圖上的不同操作點操作時，平均效率將遠低於 値效率。 在伺服馬達應用中，其中—馬達不能連續轉動，而是經 常啓動及停止，因爲效率在零速率時爲零，即，〇=〇，故 效率不是馬達性能的良好計量。在這些狀況下，以最小損 失產生扭矩的能力係重要的。在此技藝中，術語「馬達常 數」描述馬達的特徵0馬達常數可以書窝及簡化爲 f _ Τ ΚΤΙ Κτm (方程式2) 其中Κτ係馬達扭矩常數’ I係淨馬達電流，R係淨馬達電 阻。鐵心損失及機械損失未包含於馬達常數中，因爲這些 損失在零速率時爲零。Pr之平方根使用於方程式2中，因 爲它使馬達常數與電流無關，其使得與任何馬達負載無 關，且可更容易比較不同馬達的性能。 根據方程式1及方程式2 ’顯然一展示高效率的馬達通常 展示高馬達常數。同樣地，如果一馬達展示最小的鐵心損 失及機械損失’則一具有高馬達常數的馬達亦將展示高效 率〇 重力及體積功率密度各定義爲一馬達的輸出功率，例 如，Τω，與機器質量及體積之比。如此，重力功率密度 本紙張尺度这丐令國舀家標準（CNS)A.丨規格丨0 χ 297公g ) ---^---„'------Τ;..裝--- (請先閱讀背面之沒意事項寫本頁) __ 訂· -線. 465163 五、發明說明（5) 通常以每磅的瓦特數、每磅的馬力或每公斤的千瓦數表 示。同樣地，體積功率密度通常以每立方吋的瓦特數或每 方公尺的千瓦數表示β在多數事例中，功率密度之此二 立 計量之間係高度相關。即，已知電機機械通常由相同材料 構成，它們的質章直接成比例於它們的體積，於是，一具 有高重力功率密度的馬達亦將展示高體積功率密度。已知 此關係，通常使用功率密度一詞以意謂重力或體積功率密 度或二者·»無論如何，既然輸出功率係扭矩及速率之積， 則功率密度随著速率而線性增加至不再能維持扭矩產生爲 止，那時候，功率密度減少。此外，已知扭矩通常成比例 於電流，#方程式2所示，則產生扭矩的能力只由移走熱 的能力限制，熱係由以損失匕及速率相關的損失產 生，其使效率減少。結果，因爲更多功率可在一更有效爪率 的馬達中安全地產生，功率密度通常成比例於效率。例 沈-已知扭矩輸出而言’―效率高的馬達比效率較低 產生較少的熱，其接著意謂，料更高的馬達可產 =二t矩’因而具有較高的功率密度，而產生與效率 較低的馬達相同數量的熱。 在此技藝中，不同輸出 扭矩位準之顯㈣機^要用於每―電壓及 指定很多轉子及定子長度具而 不同的零件及工具。例*，在無 ：：1 = 度及對於在任何固定長度的每製成，但對於每—長 每包壓位準而言，繞组係唯 (CNS/A l /¾¾ (2]〇 X vt)7 4651 6 3 a： ________Β7 五、發明說明（6 ) 組-^智慧財產局員工消費合乍;± 一的。結果，由於*松 a L 外資金費Μ ίί 直彳之馬達族群所需要的額 卜貪金費用及庫存，傳統馬達需要額外的成本。鑑於上述’需要—種改良的軸向 範圍的速率及扭钼捭板*、λ 士 丹.洗备種 Λ Λ , 楗彳'、阿效率，且就廣大範圍的速率及 矩提供高重力及骨皆蘇六.套A 刀及骷積功率贫度。亦需要一種改良的 電機機械，其允畔史屆收v兵允”午今易修改轉子及/或定子，以增加 V、電機機械的功率輸出。 一 發明概述 這些及其他需求藉由本發明的轴向場電機機械而滿足。 根據乂上纣-,本發明揭π用於—軸向場電機機械的設 理念’其使效率、馬達常數 '功率密度最大化，且提供11 组化構造的利益及減少成本的潛力。效率及馬達常數藉 使扭矩的產生最大化而最大化，且損失最少。特別地， 發明I —理念消除導致鐵心損失的所有鐵磁性材料，因 基本上消除上述方程式1的pc(雖然必須考慮導體的渦流 失）。如此做使得峰値效率增加，使效率高時的速率範 變寬，且藉由消除與所添加靜止鐵磁性材料有關的高質 而增加功率密度。此外，本發明的其他理念使匕最二化， 其使馬達常數最大化，且使峰値效率最大化。依據本發印 之一實施例，藉由最適宜地選擇永久磁鐵材料相對於^子 體積的數量，功率密度進一步最大化。模组化構造允許不 同功率位準的整個馬達族群藉由將同樣的轉子部件及^子 部件組在軸向堆疊於相同馬達内而構成。因爲每_轉子及 定子係一樣的，故不會導致資金成本加倍以產生整個馬達 模 由 本 而 損 圍 量

——„----------—J;裝.！ ί猜先閱讀背面之注意事項#'私寫本SC _ 訂‘ -線 本紙張圪丐中國國家標退丨規格公玆） -1 n f I , 4S5163 A7 B7 濟 部 智 慧 財 ί % 五、發明說明（7) 族群。此外，本發明的其他理念使得可以藉由只改變個别 定子連接的方式而選擇各種電壓位準，因而使支援整個馬 達族群所需的庫存最小化。 圖式簡單説明 圖1.係本發明之-示範性軸向場電機機械的立體圖； 圖2係在圖丨之線2-2所作的放大剖視圖； 圖3係在圖2之線3-3所作的大剖视圖； 圖4係軸向場電機機械的—磁性元件之面 鐵的極化； ％ 丁墙 圖5係一磁性元件之倒視圖；- 圖6係自一磁性元件發射之磁通量圖； 圖7顯示永久磁鐵的消 本發明而構成之電_^ / "—磁鐵使用於依據 柯 < 电機機械中時的操作點； 圖8係-方塊圖’顯示一空氣調節單元 本發:月之-實施例而構成的轴向場電機機械:、含-依據 圖圖9係-用於本發明之轴向場電機機械中的轴之立體 圖1.0係一較的立碰固 圖η係轴向場‘1，其可安裝至圖9之抽； 圖㈣-：：:：機械之一導體元件的立體圖； 之剖視圖； €明—實施例而構成的軸向場電機機械 圖I 3係圖1丨之導吨 圖Μ係-替代繞組配置的示意圖： 轉、矩形剖面導體；體兀件繞組配置之立體圖’其具有單 10- 297公埜） 琦 先 間 背 面 之 項 寫ί 裝 頁 訂 線 I· 4 65iy B7 ^-—**- 五、發明說明（8 ) 經濟部智慧財產局員-消_,分乍£ 圖1 5係一複數個磁性元件之通量圖； 圖16a-f係一替代的導體元件之複數個次總成視圖； 圖1 7係一替代的導體元件之另一次總成頂平视圖，其繪 示次總成之二側； 圖18係t著圖17之線+18·1 8所作的剖專里，顯示多個次 總成； 圖1 9係沿著圖1 7之線19-19所作的剖視圖； 圖2 0係一類似於圖！ 7之部分頂平視圖，但顯示與次總 成之一的繞組之1 2相有關的導體元件繞组配置之部分； 圖2 1係一馬達控制器的方塊圖； 圖22係一由圖2〗之馬達控制器產生的馬達信號時間 圖； 圖23係在一構造中互相連接之導體元件示意圖 係經選擇’以在-第—電#操作軸向場電機機械 圖24係在一構造中互㈣接之導體元件示意圖 係經選擇’以在-第二電壓操作軸向場電機機械 圖、25係在—構造中互相連接之導體元件示音圖 係經選擇，以在一第=存厭p丄 ％、圖 圖冗㈣八f 作軸向場電機機械； 圖26係部刀爲一具有配置於車輪内 車輛前視圖，五部分爲於 ^电機機械的 機械的替代性實施例剖视詳圖。 "内 < 軸向場電機 圖27係-用於轴向場電機機械的導體 踢軸向場電機機械依據本發 件框罙平視圖， 圖御-用於轴向場電機機械==構：。 乏撑疋件視圖，該 該構造 該構造 遠構造 請 先 間 讀 背 面 之 注 意 事 項$(. % 本 買

A7 B7 4651〇3__ 五、發明說明（9) 軸向場電機機械依據 圖29係—部分完明之-實施例而構心 明之-實施例而構成向場電機機械視圖，其依據“ 圖3 0繪示一在此技藏 率輪廟。 定4中馬習知之典型電機機械的怪定動 圖31繪示一依據本發 恆定效率㈣。 實犯例而構成之電機機械的 詳細説明 參考繪圖，顯示很多本 在廣大範園的速率之效率發/的實：^，其使峰俊效率、 化。亦參考綠圖，將插述—依:達: :、、及/率密度最大 電機機械’其爲模組化設：《貫施例的軸向場 各種用途的整個機械族.可產生具有成本效益之用於 導體元件 如此處所用者，術語「導 之一元件，其提供導體，導Γ '指軸向場電機機械 所產生的磁通量。在—馬達：應相=鐵或磁性元件 載有回應於-馬達控制器的 二導“件中的導體 經濟^智慧財產^員^肖—卜^^匕了 電壓由磁鐵或磁性元件感應於二體：在：發電機應用中， 中，軸向場電機機械之定予包本一在以下提供的例子 於此技藝者將認知，在—替代更多導體元件。專精 來自抽向場電機機械之轉子，在：，：豊，可 電機機械之定子。 磁丨生元件來自 爲了達成高功率密度，每—壤触― 杜凡件設計爲，俾使橫過 '12- 本纸乐&度iS丐中®园家標準（CNSh.\ !規格（LM(J ^ A7 B7 465163 五、發明說明（10) 來自相鄰磁鐵或磁性元件的磁通量之導電性材料（例如， 導體相）數量最大化。未橫過此磁通量之導電性材料歸諸 於機械的質量及損失，因而使機械的效率及功率密度減 少。爲了達成模组化設計’如果每—導體元件的構造靜 似，則是有利的。 導體元件之第一實施例顯示於圖1 4。在此實施例中，導 體元件121包含四相繞組122、124、126及128,各具有一電 介’塗層或類似者’以使一相繞組與另一相繞組電絕緣。 相繞組中的每一導體大體上爲矩形剖面，轴向厚度大體上 爲恆定’而寬度隨著導體元件半徑而成爲線性推拔。如圖 1 4所示，每一相繞组開始於導體元件丨2丨外周緣的第—終 端點（例如，相繞组126的第一終端點i26a)，在徑向朝導 體元件中心延伸，如一徑向導體段126c，延伸於—在中心 (不可見）的弧·形路徑，且延伸離開中心而到達導體元件外 周緣，如一徑向導體段l26d，以形成一迴路。每一相繞組 可包含很多環繞導體元件的迴路，在此例中，相繞組126 包含四此迴路，及在第一终端點126a與第二終端點12化之 間而均勻分佈於導體元件周圍之八徑向導體段126c_i26j。 揸向導體段由弧形段，諸如外弧形段126k及内弧形段 126m ’連接於中心及周緣。 圖1 4的導體元件121中之電流路徑顯示於圖1 3。例如， 相繞组126顯示成延伸於標示爲^―與^+的點之間，且在 導體元件12 1周緣及元件内部分之間交叉八次。 回到圖14，在此例中，一導體繞组的每―徑向段與相同 13- 本纸張尸、/孟这用中國國家標並（C'NS)..VI墁络公楚） 請 閱 讀 背 t6 之 注 意 事 項 訂 線 ；^ 465 1 63 a： ____ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作；^κ 五、發明說明（11) 相繞組中的其他徑向段藉每一其他相繞組的徑向段而偏 置另s之’徑向段126c與徑向段126d藉一來自每一相繞 組122、124及128的徑向段而，偏置。相繞組界定—大體上爲 平面或輪狀的結構，共有3 2徑向段成輻狀配置。在此例 中，導電性套節$ 2設在终端點，以使一導體元件電耦合至 另二者。 如以下將更詳細説明者，導體元件丨2 i適於軸向安置於 —磁性元件附近，諸如—具備扇形極的磁碟。這些極之一 與導體元件121的闕係以如同元件100的虛線外形顯示於圖 13。爲了使鄰近於磁極之導體相中的導電性材料數量最大 化，每一徑向段爲推拔或楔形，即，它們的寬度在徑向向 内減少，藉以允許它們緊密地裝在輻狀配置中。相繞组 122、124、126及128由金屬製成，較佳爲鑄造或者形成爲 所繪示的繞組形狀，但其亦可使塗覆有電介質的矩形推拔 金屬絲形成爲所繪示的繞組形狀，以減少導體中的渦流。 使導體122、124、126及128緊密地裝在一起可令通過通量 之它們的導電性材料數量最大化。通過磁通量之導電性材 料體積及通過通量之全部導體元件體積的比已知係「充填 因數」。圖1 4所示定子的充填因數大體上大於百分之 8 0，典型上在60%及90%之間。藉由使導電性材料的電阻 R最小化以增加充填因數，可使上述方程式丨及2中的效率 及馬達常數最大化。充填因數最大化，縱然導電性材料使 機器質量增加，因爲增加的導電性材料使扭矩的產生提 升，則功率密度亦改良。 -14- 本紙張尺度这甲尹國國苯.潘徂（CXSM-丨规格（2丨0 X 297公t ) ^---^------裝--- (請先間讀背面之注意事項'故妒寫本頁) _ •訂： -線， 4 絰濟部智慧財產局員X消費合作¾%¾ 651 63 —-—_____B/ 1 1 _ —--- .— 五、發明說明（12) 在本發明之—實施例中， _ . 呼睪體几件包括一或更多次 、·Κ5成’各由諸如印刷電路枯斜报士 ^ ^ 岭何村形成，其已適當蝕刻，以形 成導體圖案及下述次總成之間的電連接。印刷電路材料及 蝕刻過程可爲任何此類材料及過程，該過程在此技藝中係 習知，在電子工業中常用於製造印刷電路板或挽性印刷電 路。次總成可結合在—起’或者，互相接合。所形成的多 層印刷電路導體元件以和上述圓13、14之導體元件i2i相 同的方式作用。在該方面，此替代性導體元件可具有任何 適田數目的導體繞組及導體相。替代性定子總成的厚度可 小至約0.1吋，藉以便利於更j、的軸向場電機機械之構 成。儘管如此，一用於小型電機機械（例如，產生7 5馬力） 的典型替代性導體元件之厚度可爲約0 25吋。較大的馬達 可用一厚度大到約二吋的替代性導體元件構成。 此替代性導體元件包含一或更多次總成，諸如 圖16a-b的 次總成129。次總成129包含一具有第—及第二侧的次基材 129a，其由適當電介質或絕緣材料製成。多條導電軌線 131形成於基材i29a上’以在次總成129内提供導體繞组。 例如’基材129a可由一諸如FR4的共同基材材料或其他薄 片狀塑膠材料製成。在此實施例中，次總成129包含一通 常稱爲「撓性P C J的複合材料片，其中基材129a係一薄 片狀塑膠，其與鋼結合。例如，基材丨29a的厚度可小於 約，010吋（1 0密爾），較佳爲1至3密爾厚。撓性PC材料包 含一電介質基材，及一在基材第一及第二側上的3密爾厚 銅層。導電執線13 I藉由將相鄭軌線之.間的銅蝕除而形成 -15- ^ ί mm (CNS)，VI ilis· (2!ϋ ^ 297 ——；---：------V裝—— (請先閱讀背面之注意事項—寫本頁) _ m I n t§ n I · ψ0 線、 4654-^0- A7 B7 五、發明說明（13) 烴濟邨智慧財屋扃員工消費合作社印？¾ 於基材129&上。爲了增加每一次總成129中的導電性材料 數量，接著使導電執線131的厚度在基材的第—及第二侧 上增加至六密爾。此可使用一眾所皆知的屏蔽及濺蝕技 術。相鄰導電軌線13 1之間的空間以一電介質樹脂充填。 在此實施例中，用於基材129a及用於使相鄰軌線丨3 1分離 的電介質材料定爲2000伏特。此例中的相鄰導電軌線之間 的間隔在十密爾之等級’較佳爲约四密爾。 此例中’每一導電軌線之厚度爲六密爾，但可增加至15 密爾》如圖16a所示，每一導電軌線131包含—外段131b ' 一大體上在徑向自導體元件外捏延伸至内徑的經向段 13 1 c '及一自徑向段13 1 c朝導體元件中心延伸的内段 13 Id。如同圖14的導體元件121，次總成129設計成使靠近 一軸向相鄰的磁性元件（説明於下）磁極之導電性材料數量 最大化。另言之，次總成129設計成使在每一導電軌線131 徑向段131c中的導電性材料數量最大化。如此做使得充填 因數最大化，其接著有助於使效率、馬達常數、及功率密 度最大化。 如圖1 7及1 8所示，每一次總成可具有在基材129a二側上 的導電軌線，其方式與習知二侧式印刷電路板有關。圖i 7 中，第一側上的導電軌線131以實線顯示，第二側上的導 電軌線137以虚線顯示。導電軌線13 1及137基本上相同， 尺寸及位置互爲鏡像。導體13 I的每一端經由一側間貫穿 孔139電連接至導體137的一端。每—侧間貫穿孔139内部 加以電鍍，以提供一導電路徑，其方式在多層印刷電路板 -16- 張尺度迓丐家標沮（CXShAl規格（210297公楚) « H .-----------IT 裝·ί (請先閱讀背面之注意事項^«''寫本頁) __ 14訂- 線； 4 6 5 i 〇 3

AT —------___ 五、發明說明（14) 製造中係眾所皆知β 第、’端男穿孔141配置在導電軌線13 1之一的一端 (即，耦合至導電執線131之—終端部分，第二終端 貝穿孔143配置在另一導電軌線13丨的一端。終端貫穿孔 141及143類似於側間貫穿孔139的電鍍貫穿孔，但它們未 連接導電軌線131至導電軌線137。實際上，終端貫穿孔 H1及143形成一電路的端子。電路的導體路徑，其一部分 由圖17的箭頭H5表示，開始於端予141，跟隨基材12如第 _侧上的導體13 1之一，經由侧間貫穿孔139之一而換邊， 且繼續通過次總成第二側上的唪體丨37之一。由箭頭145表 不之導體路徑部分界定—繞組（此例中，繞組只具有一圈 導體，其方式類似於針對圖1 4而説明於上之實施例）。然 後，電路經由另一側間貫穿孔139而再次換邊以跟隨第二 繞組’且繼續通過另一導電軌線13 1。以此方式繼續連接 (例如，以順時針方式）’直到橋部分丨45a爲止。在相反方 向（例如’以逆時針方式）進行連接至端子丨43。顯示於圖 I 7的電路包含次總成二側之間的十二繞组。 經瞀部智慧財產局員工消費 (請先間讀背面之注意事項寫本頁) 如圖1 6及1 7所示，及如上述，每導電軌線13 1包含— 外段131b、一徑向段131c及一内段13id。在基材129a另一 側上之一導電軌線的内段13 ld及内段137£}經由一側間貫穿 孔139而耦合。在此實施例中，内段丨3丨d及丨37d與次總成 129之一内徑的切線〗3 8大致上形成45。角。以此方式連接 内接頭部分13 lb及137b，使電機機械的電阻性或Pr損失Pr 最小化。同樣地’此實施例中’外接頭部分丨3 1 b及137b， -17- 本紙張尺庋適闬中國园家標準（1·Ν’ώ.·ν丨規€ (2W公gl ~ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印刻^ 4 651 63 A； ___ B7 五、發明說明（15) 由-侧間貫穿孔139耦合在—起，爲了相同目的而與次總 成129之一外徑的切線140大致上形成45。角。 雖然一導體元件可只包含單—次總成129的繞組，諸如 圖17所示者，-導體元件可包含串聯或並聯之多個次總成 的繞組。如圖18所繪示，次總成129結合在一起以形成— 導體元件。一在層129之間的塑膠片147(例如，來自於電 介質或絕緣材料，諸如廣爲人知之預浸材料）在受熱及受 壓時使疊片結合在一起，且亦使一次總成的導電軌線Η? 與一相鄰次總成的導電軌線131電絕緣。如圖丨9所繪示， 全部次總成的終端貫穿孔141電-結合在—起，且全/卩次總 成的終端貫穿孔143電結合在一起，藉以使繞組並聯，以 形成一導體元件。 回到圖16a-f，不同的次總成係串聯。專精於此技藝者可 明白，個別次總成可依所求而串聯及/或並聯在一 ^體元 件中。圖16a-b描述一最頂部次總成的第—及第二側。圖 16c-d描述一第二次總成（即，在圖16a_b之次總成下方）的 第一及第二侧，圖l6e_f描述一底部次總成的第一及第二 侧。此例中，導體繞組之一開始於一終端部分15〇a，且大 體上在徑向朝導體元件129中心延伸。圖16a_f* ,箭頭用 於顯示在此導體繞组徑向部分中的相對電流方向。導體 150a經由一側間貫穿孔耦合至次總成對立側上的導^ 150b，如圖16b所示。導體150b經由另一側間貫穿孔辑合 至導體150c(圖I6a)。因此，圖！6a-b中，導體i5〇a_〖耦合在 一起。參考圖16b，一橋部分151耦合導體15〇1至15〇访。導 本紙張圪度这丐中國囵家標準（CNSM.1規格（210^297公g ) ---.---1------\|-.— 裝--- {請先閱讀背面之注意事項1^'寫本I) _ _ ---訂--- 4 65 1 63 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消t合作枉印製 五、發明說明（16) 體150m-x以類似於導體的方式耦合在一起。總之， 圖16a-b所示次總成中的導體繞組開始於終端部分15〇&，且 繼續通過導體150b-l、橋部分151、導體i50m-x及終端段 152 〇 此實施例中，圖16a-b所示次總成之一上侧上的終端段 152經由一終端貫穿孔耦合至顯示於圖16c_d的次總成—底 側上的終端段153a。以類似於上述的方式，顯示於圖16c_d 的次總成之導體繞組開始於終端部分153a，且繼續通過導 體1 53b-I、橋部分154a、導體1 53m-x及終端段154。終端段 154經由一終端貫穿孔155a(圖f6a)耦合至未顯示之一次總 成的另一終4段。終端貫穿孔155b-k同樣地核合導體元件 中之相鄰次總成導體繞組的終端段（如同其他未標示的終 端貫穿孔）。圖16a-f的導體總成中，十三次總成以此方式 鶴合在一起。終端貫穿孔155k _合一在第十二次總成（未 顯示）中的終端段至圖6 e-f所示第十三次總成的終端段 156a。導體繞组開始於終端部分156a，且繼續通過導體 156b-l橋二P刀157、導體i56m-x及終端段158。終端段158 經由一終端貫穿孔1551耦合至第一次總成的最上侧。因 此，導體繞組的串聯開始於終端部分1 5 0 a，結束於圖16 a 的終端貫穿孔1551。 圖2 0之例中’導體元件包含十二導體相繞組。圖2 〇的 12相導體元件中，導電軌線131與137配置成2.5度的角向 間隔’來自一相的二導電軌線13 1藉由十一導電軌線丨3 j而 與另一相繞組分離。爲了清楚起見，只有一部分導體元件 -19- --------------裂--- (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) _ r—訂— 〇 --線. 本紙張纥冱遺用中國國家標举丨規格公筮） 4 65163 Α7 Β7 五、發明說明（17) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印^4 顯示於圖20中，其繪示用於相1之標示成，，φι + "及、〆,•的端 子對及用於相2之標示成"φ广及”φ2_"的端子對。儘管如 此’疋成的導體元件將具有用於相〖_12的12對端予。圖 16a-f之例中，導體元件包含八導體相繞組。此例中，來自 一相之相鄰導電軌線與來自其他七相之每一相的_導電軌 線分離。 在相關於圖16-20而説明於上之導體元件的實施例中，一 用於導體元件的充填因數可在6〇至9〇%之間，典型上在 80%至84%之間。 鑑於圖1 4及16-20所繪示實施例，專精於此技藝的人可 了解，在其他實施例中，導體可具有任何適當尺寸、形狀 及繞組數目與圈數。例如，在一類似於圖丨4所繪示實施例 中，每一繞組可具有二圈矩形絲線，其具有楔形加長部 分。 磁性元件 在本發明的軸向場電機機械中，設有一或更多磁性 件’其與相關於圖丨4及16_2〇而討論的導體元件交互 用。例如’軸向場電機機械的轉子可包含一或更多磁性 件，諸如圖4所示的轉子碟片14。再次地，爲了達成軸μ 場電機機械的高效率、馬達常數、及功率密度，如果磁性 元件具有低密度且產生高能量（如更下面所討論者），則是 有利的。 如圖4所綠示’每一轉子碟片14可包含一安裝於一轂56 上的環形磁鐵54。轂56可具有轂通氣開口 58，其具備角 -20- 請 先- 閱 讀 背. 之 注 項 訂 元 作 元 向 、線 465163 A7 ------ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（18) 形、翼片狀壁，以推動冷卻空氣通過外殼10。每一磁鐵 54可由一適當鐵陶瓷材料製成，諸如M-v至M-Vm、定 向鐵化鋇（BaO-6Fe6_〇2)、鐵化锶（Sr〇_6Fe6_〇2)或鐵化鉛 (Pb〇-6Fe6-〇2)。替代地，磁鐵5 4可由一結合或燒結的钕_ 鐵-硼材料（NdFeB)製成。二鐵陶瓷磁鐵及；^盱化磁鐵係此 技藝中習知且可購得。如圖4所繪示，磁鐵54極化，以提 供在角向均勻分佈於磁鐵54周園的磁極或扇形57。替代 地每—磁性元件或轉予碟片可包含複數個個別扇形磁 鐵，其可藉一適當黏劑或支撑結構連接在一起成爲環形。 如圖5所繪示，每一扇形之極化遍及磁鐵5 4的厚度。於 是，每一扇形具有在磁鐵54相反面6〇及62上的相反極。 此外’面6 0上之扇形5 7的極與面6 〇上之相鄰扇形5 7的極 爲交替，且面62上之扇形57的極與面62上之相鄰扇形的 極爲交替。此實施例中，每一轉子碟片14待安裝於一轴 上，其磁鐵54的極軸向對準任何相鄰磁鐵“的相反極 (P第轉子磁鐵54之面62上的北極將輔向對準第二勒 向相鄰轉子磁鐵54之面60上的南極）。所以，磁通量軸向 行進於此軸向對準的極之間。 —如在此例中时論於上者，磁鐵54安裝至—轂Μ ,其接 著安装至一軸。參考圖9 ’顯示一軸⑹之—例。軸…係 拾槽式:且提供-配合表面，以用於較的中央部分， 如圖1 0所π。如果磁鐵5 4在磁化前安裳至毅^則較佳， 以確保轂56a安置於轴I6a上時相鄰磁鐵之間的正確定向。 如圖15所繪示，環形碟片或端板“及“，由諸如鋼鐵 -21 - ---;---^------ΛΙ.-1!裝--- (請先閱讀背面之注音？事項寫本頁) 訂： .1. --痒 4 65163 at _____B7_____ 五、發明說明（19) 之適當高磁導性材料製成，係安裝至最末端二轉子碟片14 之磁鐵54的外表面60上。端板64及66含有鄰近於端板64 或66之轉子磁鐵54相鄰磁極之間的磁通量。藉由安裝高 磁導性端板至最末端二轉子碟片，端板與轉子磁鐵一起轉 動’藉以消除與崎鐵通量路徑中之高磁導性材料有關的鐵 心損失。結果，電機機械的效率最大化。 如圖15之概念性缯示，磁通量只自二最末端轉子碟片 14中之第一者的扇形57流動通過相鄰磁鐵54的軸向對準 扇形57，直到到達二最末端轉子碟片14中之第二者爲 止，其中端板64及66之一引—導通量至一角向相鄰扇形 57 ^通量接著軸向返回通過相鄰磁鐵5 4之對準的扇形 5 7，直到再次到達第一個最末端轉予碟片丨4爲止，其中 端板64及66中之另一者引導通量至„角向相鄰扇形57。 二最末端磁鐵54以外的磁鐵54 ,爲方便起見，此處可稱 爲内轉子碟片或磁鐵54。於是，通量遵循蛇形圖案，軸向 前後穿梭通過磁鐵5 4之對準的扇形5 7。 磁鐵54在每一側60及62具有至少一南及一北極。分佈 於磁鐵54每一面60或62周園之磁極的最小數目係所使用 磁鐵材料之消磁特徵的函數。如果消磁特徵在室溫時於其 B-H曲線的第二象限具有-「膝」’則磁極的數目必須足 夠大，以在磁鐵54組裝於電機機械中以前保持磁極免於不 可逆地消磁。 圖6緣示自組裝於電機機械中的磁極面發射之軸向通量 t度Β圖案。通量密度通常在北極爲正，在南極爲負。在 -22, --------------裝--- - · (請先閱讀背面之注意事項冩本頁) , 訂. .線' 經濟部智慧財產局員工湞費合作社印製 4 651 63 Λ7 B7 蛭濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（20) 北及南極之間，通量密度通過磁鐵54的磁極間之中點70 處的零通量密度。當磁鐵54由單片環形磁鐵材料形成時， 磁極之間的間極區域7 2代表永久磁鐵材料，其由於磁化過 程之固有限制而非均勻磁化。當磁鐵5 4由複數個扇形磁鐵 形成時，間極區域72代表將磁鐵支持在一起的未磁化黏性 或支撑結構。圖6所示之轉變寬度d係大體上在中點7 〇的 寬度，其中軸向通量密度相對於其峰値顯著減少。如以下 更詳細解説者，此轉變寬度d充當電機機械設計運算法則 之一部分。 電機機械設計 一 如以下更詳細解説者，將顯示—依據本發明二實施例而 設計之電機機械的二實施例。第一實施例使用圖i 4所示的 導體元件設計，第二實施例使用圖16_2〇所示的導體元件 設計。依據本發明之一實施例，磁性及導體元件與電機機 械之設計係俾使電埤機械的效率、馬達常數、及功率密度 最大化。以下説明的實施例爲模组化設計，允許使用者選 擇一特殊應用所需的導體元件及磁性元件數目。 第一實施例 如圖1-3所緣示，顯示一依據本發明之一實施例而設計的 麵向场電機機械第一實施例。抽向場電機機械包含-外殼 1〇(其/央段顯示成移走）、互相連接且配置於外殼10内 的多定子〜成1 2 (例如，各包含一類似於圖μ所示的導體 疋件）、及連接至—轴向延伸通過外殼1〇之輔Η的磁性元 件14(例如，類似於圖4所示^此例中，導體元件組成電 23

S --ί -J ---.---,,------V/I裝--- (請先閱讀背面之注急事項'寫本頁) 訂· 線、 M, A7 B7 465163 五、發明說明（21) 機機械的定子，而磁性元件组成.轉子。專精於此技藝者將 明白，在一替代性實施例中，導體元件可充當電機機械的 轉子，而磁性元件可充當定子。 外殼10包含二端片18及20 ’各具有多外殼通氣開口 22 »外殼10亦可包含至少一在端片Η及20之間的可移走 中段片，其以虚線表示於圖丨_3中，但爲清楚起見而未顯 示。糕片18及20及可移走中段片可由一重量輕的塑膠或 金屬（例如，鋁）製成。螺栓2 4自端片〗8軸向延伸通過外 殼ίο而遍及每一定子總成12，且由在端片2〇的螺帽26固 持。在外殼20的一端，滾珠軸承28夾持於一連接至軸16 的第一軸承環30及一連接至端片1§的第二軸承環”之 間，便利於軸相對於外殼1〇的轉動β 一具有滚珠軸承 34的類似軸承配置夾持於一連接至軸16的第一軸承環w 及一連接至端片20的第二軸承環38之間，便利於在外殼 10另一端的轴16之轉動。 在此實施例中，磁性元件14與定子總成12在軸向場電 機機械中交錯。如圖14所示，導體元件ΐ2ι可包含套節 4 2其允才任何數目的定子總成i 2組裝至電機機械中。 相反地’疋子總成可如所求自電機機械 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 40插入套節42中，以雷蝻> . 夕疋较腳 連接母一定子總成12至一軸向相 鄰的定子總成1 2。因迚，分、匕L a ^ ^ U此依所欲之應用而定（例如，功率 輸出需求）’一選擇數b 的疋子總成1 2及磁性元件i 4可依 需求加入電機機械或取出。 定子總成之一例辟+、λ 〜不於圖1 1。此實施例中，導體元件 24, 本纸張尺度这钶中國囡家標準（CXS).A.i 埤格di χ 公《 ) 651 63 A7 ---___B7____ 五、發明說明（22) 121埋入、模製於或類似地裝入一大致爲環形的定子外罩 104中，其由一適當電介質或絕緣材料製成。定子總成u 具有孔106，螺栓2 4可經由孔1 〇6延伸以物理性連接它們， 如相關於圖1及2而説明於上者。如同類似地說明於上者， 定子總成12具有套節42，其可由可移走接腳4〇電連接。 定子外罩1〇4具有一中央開口 1〇8，當電機機械组裝時，軸 16經由中.央開口 108而延伸，如圖2所繪示。軸16的直徑 小於中央開π 108，以便利通過軸向場電機機械的空氣 流。 電機機械的模組化構造便利於一操作電壓的選擇。操作 電壓成比例於每一相的總導體長度。於是，一操作電壓可 藉由調整每一相的總導體長度而選擇。每— 有導體U〇、112、…，各界定四相之一二:成1見2圖 1 3 )。猎由並聯，例如，每一定子總成〖2中的導體丨丨〇及 所有其他定手總成1 2中的導體〖I0，相〗的總導體長度最 小化。相反地，藉由串聯，例如，每—定子總成丨2中的導 體U0及所有其他定子總成丨2中的導體11〇，相的總導體 長度最大化。模組化構造便利於選擇性串聯或並聯^鄰定 子總成的導體。 專精於此技藝者將明白，此處所述電機機械的磁性元件 能以-適當構造的銘碟片代替，以如同—感應機械而操作 電機機械。 如圖i所繪示，每一定子總成12具有諸如黏性標籤的標 記158、160及162，各指示可選擇的電壓之—。— -25- ---^----------Mi·! (琦先閱讀背面之ί£意事項I寫本頁) __ 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 651 6 3 AT B7 五、發明說明（23 ) 可藉由連接每一定子總成12於—角向而選擇，其中標記指 示對準一特定電壓。標記158標示爲"12〇”以指示"12〇” = 特；標記160標示爲，曹|以指示"卿，伏特；標言己i62標示 爲”960”以指示|’960"伏特；在圖1所示示範性實施例及定子 總成12的相對角*中，對準標記158，以選擇12〇伏特的操 作電壓。爲改變操作電壓，只需要卸下—或更多定子總成 12且轉動之以再對準標記158，俾使它們對準以指示^同 的操作電壓。 如圖23所示意性繪示，定予總成12互相連接以選擇第 一操作電壓，諸如12〇伏特。斷"裂線指示一電性連接。關 於相1，每一定子總成12中的導體11〇之每—端由—可移 走接腳4 0連接至另一定子總成〗2中的導體丨丨〇之對摩端。 於疋’全=卩導體Η0爲並聯。類似地，關於相2 ,每—定子 總成1 2中的導體112之每—端由一可移走接腳4 〇連接至另 一定子總成1 2中的導體112之對應端。於是，全部導體U2 爲並聯。全部導體！14及116皆類似地並聯。在最末端定子 總成1 2之一的接腳4 〇可連接至電力螺桿4 4 (圖υ。應注 意’全邵標記158皆對準，但標記1 6〇 ' 162未對準。 如圖2 4所示意性繪示，定子總成丨2互相連接以選擇第 二操作電壓，諸如960伏特。如圖2 4，斷裂線指示一電性 連接。關於相1 ’除了二最末端定子總成丨2以外，每一定 子總成12中的導體110之第一端由一可移走接腳4〇連接至 另一定子總成1 2中的導體110之第二端。於是，全部導體 110爲串聯。類似地，關於相2，除了二最末端定子總成 -26- (CNSJ.A I (：Ί0 X 297 ) ---^----------^--- (請先閱讀背面之注意事項^fir寫本頁) _ 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 465163 A7 ___ B7 五、發明說明（24) I 2以外’每一定子總成1 2中的導體112之第一端由一可移 走接腳40連接至另一定子總成12中的導體Π2之第二端。 於是’全部導體1】2爲_聯。全部導體114及1 16皆類似地 串聯。在最末端定子總成12的接腳40可連接至電力螺桿 4 4 (圖1 )。應注鸯，全部標記162皆對準，但標記〗5 8、} 62 未對準》 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如圖2 5所示意性缯·示，定子總成1 2互相連接以選擇第 二操作電壓’諸如480伏特。以相同於圖23、24的方式， 斷裂線指示一電性連接。關於相1，除了二最末端定子總 成1 2以外’二相鄰定子總成1 2中的導體11 〇之對應第一及 第二端由一可移走接腳4〇互相連接；那些定子總成12之 一中的導體110第一端由一可移走接腳4〇連接至第三定子 總成12中的導體110之第二端；且第三定子總成12及一相 鄰第四定子總成丨2中的導體丨1〇之對應第一及第二端由一 可移走接腳40互相連接。於是’二導體n〇並聯以形成一 群組，然後，這些群組串聯。類似地，關於相2，除了二 最末端定子總成1 2以外，二相鄰定子總成丨2中的導體ιΐ2 之對應第一及第二端由一可移走接腳4〇互相連接；那些定 予總成丨2之一中的導體112第一端由一可移走接腳4〇^接 至第三定子總成12中的導體112第二端；且第三定子總成 1 2及一相鄰第四定子總成丨2中的導體i 12之對應第一及第 二端由一可移走接腳40互相連接。於是，二導體112的群 組爲並聯’然後，這些群组牟聯。全部導體114及116皆類 似地並聯於二年聯的群組。在最末端定子總成12的接腳 -27- 297 〉 本紙張·尸、嗄这丐t國國家標進（CNShVi規咯（210 465163 „ A.· ___ D7五、發明說明（25) 經濟邹智慧財產局員工消費合作社印製 40可連接至電力螺桿44(圖1)。應 對準，但標記158、162未對準。 專精於此技#者將明白，導體能以串聯及並聯群组的不 同組合互相連接，以提供多於三之可選擇電壓。此外，所 繪示的電壓组僅爲示範性；鑒於此處的敎誨，專精於此技 藝的人易於設立一可在其他電壓操作的電機機械。 電力導螺桿44延伸進入外殼1〇，且具有插塞46，其連 接至二最末端定子總成丨2之—中的套節4 2。雖然圖3繪示 一連接至端片20附近的最末端定子總成〖2之電力導^桿 44，其可替代地連接至端片18附近的最末端定子總成η 或中間疋予總成1 2。如圖1及3所示，端片丨8及2 〇中的 開口或口48及50各允許插塞46進入外殼1〇。—感測器 52，諸如霍爾效應感測器，安裝至端片2〇。感測器”鄰 近於最末端磁性元件14，以感測極轉變，如以下相對於電 機機械之操作所述。專精於此技藝者將明白，其他裝置= 用於感測-磁性元件14中的極轉變。例如，—光學校準幕 :安置於-磁性元件的周緣，且—光耦合器可用於感測一 的=源自校準幕反射的光，以指示磁極相對於定子總成 施例 本發明I電機機械第二實施例顯示於圖a、2 :::16—元件。參考圖1其顯示此二I 3的電機\一:^向場電機機械2〇°的構造類似於圖1及 包機機械。電機機械携包含接合至一軸加的複數個 丨丨；---：------！ti_ (請先閱讀背面之注意事項卑^寫本頁) 訂· 1.

-28 中國國家標31 (CIVSM.1 規格（2丨0 X 公髮〉 465163 B7 五、發明說明（26 ) 磁性元件201，諸如轉子碟片。此例中，軸205具有類似於 圖9所示的構造。軸向相鄰磁性元件的轂由一環分離器209 分離。電機機械200包含複數個導體元件2〇2及接頭支撑元 件203，其構造更詳細説明於下。如同圖1及3的電機機械 設計，電機機械？00爲模組化設計，其中任何數目的導體 元件202(及接頭支撑元件203)及磁性元件2〇1可依所求加 入電機機械或移走。 此實施例中，每一導體元件包含一框架，諸如顯示於圖 27的框架210。圖27的前視圖中，框架21〇包含安裝孔 212，用於插入一螺栓或類似者，以固持一框架至電機機 械中之一或更多此框架。框架210亦包含孔211，以允許空 氣流進入及離開電機機械。 經濟部智慧时產局員工消費合作社印製 參考圖2 8，顯示接頭支撑元件203。接頭支撑元件2〇3亦 包含安裝孔212(如圖27)，用於安裝至一相鄰框架21〇。設 有接頭接腳總成217，以電連接一導體元件之選擇的導體 相至一軸向相鄰接頭總成之選擇的導體相。此實施例中， 接頭接腳總成包含很多耦合至很多套節221的接腳22〇。因 此，一接頭支撑元件203的接腳220配合一軸向相鄰接頭支 撑元件203的套節22i。可設置一霍爾感測器216，用於感 測在接頭支撑元件之一開口内轉動的磁性元件之極轉變: 而且]可設置一高電壓開關218，以將導體元件的導體相 切換爲開或關（見圖2 9 )。 參考圖2 9，顯示一部分完成的抽向場電機機械，其具備 圖16-20的導體元件、圖28的接頭支撑元件2〇3及圖3的磁 -29 - 465163 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（27 ) 鐵。高電壓開關218及接頭接腳總成217選擇性耦合至導體 元件的導體相。此例中，導體元件顯示於圖16中，且包含 安裝孔，以將它安裝至相鄰的導體元件。 控制器 如圖2 1所緣示，電機機械可藉由連接一基本上爲傳统設 &十的無刷馬達控制器13 〇而構成一馬達。此例中，無刷馬 達控制器130接收一來自探測器5 2的極感測信號132(圖 3) ’且產生用於圖14之導體元件121導體相的信號134% -)、 136(φ丨+) 、 Ι38(φ2-) 、 140(φ2+) 、 142(φ3-) 、 144(φ3+) 、 Ι46(φ4: 及 148(φ4+)。信號 134、136、138、140、142、144、146 及 148韓合至電力導螺桿44，如關於圖2而説明於上者。

如圖2 2的時間圖所示，無刷馬達控制器13〇嘗試驅動每 —相中的電流’而該相承受來自一磁鐵5 4中的極扇形之通 量。如此處更詳細説明者，如果通過磁鐵5 4通量的導體相 徑向部分之寬度不超過圖6所示相鄰極之間的轉變寬度^則 較佳。因此，當一相導體越過—磁極面，則有7 $ %的時間 驅動電流進入每一相導體D 圖2 2的時間圖中，顯示每一相的電壓振幅信號。此例 中’母一相的電壓振幅在+350伏特、〇伏特及-350伏特直 流電壓之間變動。無刷馬達控制器〗3 〇包含一截斷或脈波 寬度調諧（PWM)電路，在此技藝中爲習知，其將直流電壓 Ί&號轉換爲一具有在0及100%間_的任務週期之方波信號。 此例中’脈波寬度調讀頻率係2 〇千赫。注意φ丨的電壓信 號，當^相導體完全在磁極間的轉變寬度内時，信號爲〇 -丨丨； :)!裝·丨— (請先閱讀背面之注意事項rt寫本頁) 訂 -30-

465163 __________B7 五、發明說明（28 ) 伏特。圖22中，當一轉變寬度通過極感測器時，產生極感 測信號。當相導體通過轉變寬度到達次一極扇形時，電壓 振幅跳至土 350伏特（依轉動方向而定），且任務週期設定 爲低値（例如，5%)。當導體移入極扇形時，任務週期可 上升，且當相導體完全在—極扇形内時，任務週期爲最大 値。最大任務週期的選擇依每—導體相中之所欲電流而定 (例如，根據扭矩、速率及/或功率需求）^當相導體再次 開始移入次一轉變寬度時，任務週期再次下降。當相導體 疋全在轉變寬度内時，任務週期下降至零。當相導體移入 次一極時，任務週期增加，但金壓位準反相（即，自正至 負或自負至正）p圖2 2中，一極感測信號產生，其關係於 1變寬度中之φ!導體的存在。關係於相導體“的極感測 ^號可根據φ !的極感測信號而產生。替代地，極感測信號 可爲了全部極而產生（例如，使用一在磁鐵周緣的光學校 準圖案）。 馬達控制器可容易地修改，以提供相同電壓信號給任何 數目的相，諸如圖1 6所示的八相及圖2 〇所示的十二相。 於八相的事例中，在每—相中有87.5%的時間將傳導電 經 ；w 邹 智 慧 財 產 局 員 X 消 費 合 作 社 ίη 裂 ；U於十一相的事例中，在每一相中有9 1.67%的時間將傳 導電流。 如這些實施例所示，只有在最靠近磁極間之中點（例 如，圖6的7 0 )的轉變寬度d内之相導體於任何轉子位置未 導電。所以，在任何給定的轉子位置，一具有N相繞組的 馬達將使10 0 (N -1)/ N百分比之其相導體導電及產生扭矩。 -31 - (CNSJA1 (210 x 297 ) 465163 A7 ------------B7___ 五、發明說明（29 ) 結果’電機機械使其導體使用度最大化， 達常數、及功率密度最大化。 羊.馬 #計考慮 藉由以上爲第一實施例而提供的軸向場電機機械之結 構，爲了達成高效率、高馬達常數、及高功率密度之導體 凡件121及磁性元件14的特殊設計乃提供於下。藉由此設 計運算法則，此實施例的軸向場電機機械使先前標示爲 的i2r損失最小化，使鐵心損失Pc最小化，使渦流損失最小f 化，且使扭矩產生最大化。結果，因爲扭矩產生最佳化， 故電機機械將就廣大範園的速‘達成且維持高效率，將展 示南馬達常數，且達成高功率密度。 參考圓31，顯示一依據本發明而構成之電機機械的效 率。與圖3 0比較，電機機械就較寬的操作點範圍獲得高效 率。因此，在一牽引應用中，其需要在若干操作點的電機 機械操作’平均效率將遠超過—典型電機機械。 第一個設計目標係選擇一在軸向場電機機械中相鄰磁性 元件之間的軸向間隔。如以上討論，定子總成配置於相 鄰磁性元件之間。由其通量密度B描述的永久磁鐵通量， 其自一磁性元件軸向通過一定子總成然後通過相鄰磁性元 件，決定軸向場電機機械的扭矩及反電動勢（即，性能）。 結果，其定義馬達的操作點。此操作點通常在此技藝中之 特徵爲磁性電路負載線及用於磁性元件之永久磁鐵材料消 磁曲線之間的交集。此處’磁性電路係物理路徑的數學特 徵，係取自於磁場及其與該路徑中之材科的交集。_磁鐵 -32- · ： V.裝--- <1 . (請先間讀背面之注意事項^^寫本頁) _· 訂· r 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^65163 A： B7 五、發明說明（3〇) 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 f 合 作 社 印 Μ 之消磁曲線的二例顯示於圖7。如此技藝所習知，曲線Η 係一未具有膝之磁鐵的消磁曲線，而消磁曲線7 2具有一 膝，其中當曲線接近軸時，特徵朝水平軸彎曲。膝之存 在、曲‘線斜率及曲線與二&交集係磁鐵材料型式及溫度 的函數’而較"性能及大體上更貴的磁鐵材料在室溫時 具有較高的交點且無膝β 亦顯示於圖7者係磁性電路負載線81、以及㈠之三例， 各具有不同的斜率。負載線斜率的絕對値在此技菽中已知 係磁導係數’ PC，其繪示於圖7。以其最簡單形表示，磁 導係數可由 ' PCW趨近’. （方程式3) 其中Lm係磁化方向（即，本發明中的軸向）的磁鐵長度，l 係空氣中的淨磁通量路徑長度(包含通過配置於相鄰磁性g 凡件灸間的定子總成者）。根據此趨近及參考圖7 ’就一固 定的磁鐵長度Lm而言，電機機械操作通量密度與、成反 比。例如，Bm標示在磁鐵消磁曲線71及負载線"/2交8集 的通量密度。當Lg增加，通量密度操作點減少，而當 減少，Bm增加。 田 藉由對於電機機械通量密度操作點Bm&空氣中淨磁通 路徑長度Lg間的反比關係之此瞭解，磁性元件間之最佳 隔保根據理念（a)如果Lg係零，則因爲扭矩成比例於通量 度，最大化，提供高扭矩的潛力。然而，如果乙係零 則軸向相鄰磁性元件之間無空間，以用於含有導體g元件 定子總成，而扭矩可經由彼而產生。所以，可行 處L„ 量 密 的 -33 本紙β s 家標準（CNSM.1 規格（加 X 297~5ΪΤ {請先閱讀背面之注意事項^说寫本頁)

465163 A7 B7 五、發明說明（31 ) (b)另一方面，如果Lg很大，則導體元件可在軸向做成很 厚’其使I2R損失最小化。然而，使Lg變大會迫使通量密 度操作點Bm小到可產生很小的扭矩。所以，使Lg變大不可 行。（c)場強度Η (即，圖7的水平軸）及通量密度b (即，圖 7的垂直軸）之積佯能量密度。如此，此技藝中習知者爲， 操作一永久磁鐵，其中通量密度操作點\及場強度點Hm 之積的絕對値係最大’會使來自磁性材料的可使用能量最 大化。另言之，在最大能量密度點操作可就最小的體積或 質量提供最大的通量密度。就一尋求使功率密度最大化的 電機機械而言，此係一最佳操作點。就最常用的永久磁鐵 材料而言，最大能量密度點發生在磁導係數爲一或附近。 圖7續·示在消磁曲線71及負載線82交集處之此點。使用此 値’方程式3所述之磁導係數爲一意指，相鄭磁性元件之 間的最佳間隔（圖1 5的"S")等於磁鐵的軸向長度（圖6的 D。 第二設計目標係決定磁鐵5 4相鄰磁極間之轉變寬度（圖6 的"d")的最佳尺寸。在轉變寬度區域中，自一磁極^射的 通量在接近半圓形路徑中流至一在相同磁鐵54上的相鄰磁 極’而非轴向横過到達一相鄰磁鐵。假設在流到一相鄰磁 鐵的軸向流與流到一相鄰磁鐵的半圓形流之間的轉變發生 在通量路徑長度相等時，則轉變寬度爲 d=2L / κ / ' ^ , ε (万程式4 ) 其中L係圖1 5的間隔7 7。所以，一曰η賤，， 8 旦間隔77由磁鐵的最 大能量密度點決定’方程式4提供轉變寬产。 34- -- - ------ - - - - - — 1 , * Ί 一 (請先間讀背面之注意事頌本頁) 訂-

_:IA 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 465163 A7 B7 五 '發明說明（32 ) 第二权計目標係決定毐一鐾 ^ ' 學體相的最大寬度’導體相巧 控向延伸於導體元件中之段， 而馬產生扭矩的磁通量所流 過，例如，圖1 6的131C。佑姑士找〇 依據本發明一實施例，每一導體 相的取大寬度選擇爲不寬於方程式4所提供的轉變寬度〇 此選擇使馬達效率及馬達常數及功率密度最大化係基於二 理由，第-，其使每―導體相中由於磁鐵^移動而感應之 竭流所導致的損失最小化。藉由限制導體相寬度爲轉變寬 度’則任何導體相從不在北及南方二者同時經歷顯著的磁 通量。結果，不會有顯著渦流感應於任何導體相中的時 刻，其接著增加馬達效率，間接增加功率密度。第二，藉 由限制導體相寬度，更多導體相可徑向安置於導體元件周 圍，藉以增加可同時導電且產生扭矩之相繞組的數目及導 體相的百分比。如前述，此使扭矩的產生最大化，而使損 失最小化。例如，圖1 4的示範性導體元件具有三十二徑向 段及四相繞组或馬達相。馬達相的數目通常由轉變寬度所 分割的扇形5 7外周緣長度提供。馬達相的數目實際上係可 套入扇形5 7的轉變寬度數目。如果R係扇形5 7外半徑，Ns 經濟部智慧財產局員工消費合作社印Κ 係形成一完整環所需的扇形數目，d係轉變寬度，則馬達 相的數目Np爲 ^p=(2 % R)/(dNs) (方程式5) 專精於此技藝者將認知，典型上需要R及D的某些尺寸變 化’以使方程式5提供的馬達相數目緊密趨近於整數。 幸由向場電機機械可用以對任何適當型式的裝置、機械或 -35 Ψ 本紙張尸、沒-::¾用 AT ___B7_ 465163 五、發明說明（33) 車輛提供動力。例如’其可用於諸如電冰箱及洗衣機的家 用電器。其亦可用於對諸如汽車、火車及船的車輛提供動 力此用途之係充當車輛的動力設備，如圖^ 6所_示。 在圓26所繪示實施例中，轴向場電機機械安裝於-外罩 164中其作爲牵幻裝置的數，冑引裝置諸如汽 橡膠輪請。軸170固接，即，不可轉動地，至汽車⑹ 的本體。轉予碟片172，其與相關於其他實施例而説明於 上者大致上爲相同的結構，固接至外軍164，因而與耠胪 =6-起轉動4子總成174固接絲m,但其他方面^ 構ie如同相關於其他實施例而説明於上者。操作 碟片m的轉動推動汽+，而軸相對於地面保持靜止。轉于 於 機 而 的 圖8所示其他應用中，本發明的轴向場電機機械可用 減少-空氣碉節單元的操作成本。圖8中，一泰 機械230，其如同馬達而操作且依據本發明之—1 設立’解合至空氣調節單元232中的壓縮機231。由 小尺寸（即’相對於使用在這些單元中的其他馬及: 壓 元

率，軸向場電機機械23P可密封在空氣調節單元二 縮機231内。因爲電機機械23〇的高效率，空 L 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 社 印 製 232的操作成本可以大致上減少。 、叫印早 本發明的抽向場電機機械可用於各種其他應 電機機械實際上可應用於任何電機機械，其高效良然此 常數、及功率密度使其可吸引這些特色對；：端用户：： 多電池驅動應用具有吸引力，諸械對於很 G 0輪椅、用 -36 ;紙狀度iS $中關家鮮（CNSM·丨規格_ χ 297 465163 A7 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製

Claims (1)

1. A8B8C8D8 465163 τ、申請專利範圍 1. 一種電機機械，包括·_ 一軸，具有一軸線且可繞該軸線轉動； 一轉子，包含： 第一及第二磁性元件’各具有一外表面及複數個相 鄭磁極，該第一及第二磁性元件互相軸向移動且轉合至 該軸；及 弟一及弟—端板，各輕合至該第一及第二磁性元件 的外表面，每一端板由一材料製成，以使來自一第—磁 極的通量流至第一及第二磁性元件的相鄰磁極。 2. —種用於電機機械的導體元件'包括： 一基材，具有第一及第二側、一中心及一周緣， 複數個配置於該基材第一侧上的第一導體， 每一該第一導體包含一徑向部分，其大體上在徑向自 周緣延伸至該基材中心， 該第一導體的徑向部分及基材形成一容器，其中該容 器的充填因數在60至90%之間。 3 _如申請專利範圍第2項之導體元件，包栝： 複數個配置於該基材第二側上的第二導體， 每一該第二導體包含一徑向部分，其大體上在徑向自 周緣延伸至該基材中心， 該基材包含複數個側間贯穿孔，其延伸於一選擇的第 一導體與一選擇的第二導體之間且耦合之。 4. 一種導體元件，包括： 複數個次總成，每一次總成包含： 38- 本纸張K度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） ^----------;|裝--- C請先閱讀背面之注項t寫本頁) Η. 線」 經濟部智慧財產局員工消費合作社印 465163 § m 六、申請專利範圍 —基材，具有第一及第二側、一中心及一周緣； 複數個在該基材第一側上的第一導體， 每一該第一導體包含一徑向部分，其大體上在徑向 自周緣延伸至該基材中心； 複數個在該基材第二側上的第二導體， 每一該第二導體包含一徑向部分，其大體上在徑向 自周緣延伸至該基材中心； 該基材包含複數個側間貫穿孔，其延伸於選擇的第 —導體與選擇的第二導體之間且耦合之；及 複數個終端貫穿孔，其延伸於相鄰次總成之間，且將 一次總成中選擇的第一及第二導體耦合至相鄰次總成中 選擇的第一及第二導體； 該次總成之該第一及第二導體徑向部分及基材形成一 容器，其中該容器的充填因數大於60%。 5. 如申請專利範圍第4項之導體元件，其中該充填因數大 於 80%。 6. —種軸向場電機機械，包括： 一轴； 複數個導體元件，每一導體元件包含很多導體及至少 一接腳，用於選擇性耦合一來自該導體元件之一的導體 至另一該導體元件； 複數個磁性元件，可安裝至該軸，每一該磁性元件安 裝至至少一該導體元件附近； 該導體元件及該磁性元件可選擇性加入該軸向場電機 -39- 本紙張瓦度適用中囹國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------裝--- ί · w .. l·- (請先閱讀背面之注意事項r-4寫本頁) 1:4 —訂— -線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 465163 六'申請專利範圍 機械及取出。 7. —種用於軸向場電機機械之定子，包括： 複數個環形外罩，各圍繞一導體相總成，且可移走地 連接至沿著一軸線之一相鄰環形外罩，該導體相總成包 含一繞组’其每有一加長的導體部分，導體部分相關於 該軸線係大體上在徑向；及 一接腳，其電連接一外罩的一導體相總成至—相鄰外 罩的一導體相總成。 8. —種導體元件，包括： 複數個導體相，其自一周緣朝該導體元件的一中心延 伸，每一該導體相大體上爲矩形剖面，且有一朝該導體 元件中心成爲推拔形的寬度。 一種用於選擇一馬達/發電機的電壓之方法，包括的步 驟爲： 提供一包括複數個環形外罩的定子，各圍繞複數個導 體相總成，且可移走地連接至沿著一軸線之另一該環形 外罩； 於一角向配置每一外罩於相關於一相鄰環形外罩；且 互相電連接該複數個環形外輩的導體相總成。 10. —種製造軸向場電機機械之方法，包括： 在一磁性tl件中產生很多相鄰磁極，俾使一轉變區域 存在於相鄰磁極之間； 安裝該磁性元件至一可轉動的軸； 提供一可安裝於該磁性元件附近的導體元件，該導體 -40- 本纸張叉度適用中國國家標準(CNS)A4規格⑵G X 297公£7 1!!!裝.-- (請先閱讀背面之注意事項ί寫本頁〕 A .線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 465163 六、申請專利範圍 元件包含很多自一周緣延伸至該導體元件之—中心的導 〗體，該導體的最大寬度小於或等於該轉變區域的寬度。 A.如申請專利範圍第ίο項之方法’其中自周緣延伸至該導 體元件中心的導體之寬度大致上等於轉變區域之寬度。 12. —種軸向場電機機械，包括： 一包含複數個次總成的導體元件，每—次總成包括： 一基材’具有弟一及第二側、—中心·及一周緣； 複數個在該基材第一侧上的第—導體， 每一該第一導體包含一徑向部分，其大體上在徑向 自周緣延伸至該基材中心； 複數個配置在該基材第二侧上的第二導體， 每一該第二導體包含一徑向部分，其大體上在徑向 自周緣延伸至該基材中心； 該基材包含複數個側間貫穿孔，其延伸於選擇的第 一導體與選擇的第二導體之間且耦合之；及 複數個終端貫穿孔，其延伸於相鄰次總成之間，且 將一次總成中選擇的第一及第二導體耦合至相鄰次總成 中選擇的第一及第二導體； 第一及第二磁性元件，其軸向配置於該導體元件的該 第一及第二側附近，每一該第一及第二磁性元件具有一 外表面及複數個相鄰磁極；及 第一及第二端板，各耦合至該第一及第二磁性元件的 外表面’每一端板由一材料製成’以致於來自一第—磁 極的通量流至第一及第二磁性元件的相鄰磁極； 41 - 本紙張尺度過用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 11 裝--- J , Λ : (靖先閱讀背^之注意事項^%寫本頁) 訂· ，線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 651 63 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 該導體元件及該第一及第二磁性元件可彼此相對轉 動。 13.如申請專利範圍第1 2項之軸向場電機機楼，又包括： 一可轉動的轴，該第一及第二磁性元件辖合至該轴。 、14〆種製造導體元件之方法，包栝： (a) 提供一複合材料片，其包含一辆合至一基材第一 側的第一導電材料層； (b) 選擇性蝕刻該第一導電材料層以形成複數個第一 導體，每一該第一導體包含一徑向部分，其大體上在徑 向自周緣延伸至該導體元件中心。 15. 如申請專利範圍第1 4項之方法，其中在該提供步驟中， 該複合材料片又包括一耦合至該基材第二侧的第二導電 材料層，方法又包括： (c) 選擇性蝕刻該第二導電材料層以形成複數個第二 導體，每一該第二導體包含一搵向部分，其大體上在徑 向自周緣延伸至該導體元件中心。 16. 如申請專利範圍第1 4項之方法，又包括： (c) 殿積一電介質材料於該導體元件中之相鄰第―導 體徑向部分之間。 17. 如申請專利範圍第1 4項之方法，又包括_ (d) 提供複數個側間貫穿孔，其延伸於選擇的第一導 體及選擇的第二導體之間且搞合之。 18. 如申請專利範圍第1 7項之方法，又包括： (e) 澱積一電介質材料於該導體元件中之相鄭第一導 -42 - 本紙張反度適用中®國家標準（CNSXA4規格（21〇 X 297公楚） IUII1III — — — — - t I 1 」 (請先閱讀背面之注意事項r4寫本頁) il 訂! --線. -I n I f - 4 65 彳 63 AS BS C8 D8 六、申請專利範圍 體及相鄰第二導體的徑向部分之間。 如申請專利範圍第18項之方法，其中執行步驟（&)至（6) 產生該導體元件之一第一次總成，方法又包括： (f) 重複步驟（a)至（e)以產生該導體元件之一第二次總 成 (g) 提供一絕緣材料於該導體元件之第一及第二次總 成之間：及 (h) 提供複數個終端貫穿孔，其延伸於該第一及第二 次總成之間，且將第一次總成中選擇的第一及第二導體 耦合至第二層中選擇的第一及第二導體。 <請先閱讀背面之注意事項ί寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -43 - 本紙張瓦度適用中因國家標準（CNS)A4規格（210 x297公釐）