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1297971 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種複數個磁通迴路之無刷旋轉電動機的 結構，更特別的是，電動機具有複數個徑向串接之定子輪狀 環，而且每一個定子輪狀環各自有一個複數個永久磁鐵的轉 子輪狀環與之對應；在轉子和定子元件間，每一個竑寿的轉
子輪狀環與定子輪狀環之間具有兩轴向氣隙之磁通路徑。 【先前技術】 以通用電動機而言，不論直流電動機或交流電動機之運 作其轉子與疋子間均採用磁極同性相斥、異性相吸的磁原 理。早期絕大多數電動機之設計都祇使用激磁體的一端來產 生轉距’此種設計最多也^[堇僅運用了電動機潛能的一半。但 現今有許多旋轉電軸之設計，彻激磁線_兩端，以提 供轉子與定子間更大之有效氣縣面面積，來產生電動機的 轉距。但傳統通用電動機的結構會因田比鄰之磁極，造成磁通 之集中受到影響，且田比鄰之線圈也有不利的轉換干擾效應。
MaSl〇V等人在美國專利授權公告號6791222中提出一 個凝轉電軸，其糊激磁線騎兩端明加轉子盘定 隙表面面積，且藉由各自獨立之成對極安排以處^ =__磁觀干擾效應。此直流電_之定子上包 社激磁的電磁體，並以沿轴方向排列之轉 提供了非常集中的磁通分佈，使磁通可 轉表面以促成高轉矩。並以感知器摘測 磁/二Γ 衫_0鋼，相合宜地控制電 體上的線圈電流，來造成電動機之平順運轉。 1297971 1297971 日修正替換頁 用2lGV #人之應用確認磁通之針與磁通之盡量利 矩处力纽預_雜小化，全㈣是獅以高轉 ^率馬達方面之貢獻因素。為了要在高轉 率操作，而絲上排顺數個讀極，以作為 ……之構造’進崎得大的有效氣縣面面積。 國真了可以獲得更大的總有效_表面面積，而有在美 公告號6762525中，Masl〇v等人將電動機之結 =rr:r之轉子磁編二 雖然可以雜^隹中的磁通分佈。此種電動機架構 矩茫力w :又木中的磁通分佈，以及促成電動機之高轉 外的 1戶=應用時’因軸向排列之三維架構，不祇是額 之、連波又1:’ ’而且為降低電動機之扭力，將加大了轉矩 達波、也不利於滿足電動機之扁平化之需求。 iff決的缺陷為，#電_之料化之需求之同時， 增進電動機之高效率及高輸出轉矩，此外當然 機的牛低轉矩之脈動和靈活安全之運作特性對電動 【發明内容】 動機伽議树供電 之扁平化之需求提出時，不;頁:的構造優點’當電動機 總有效氣隙表面面積:並^^ 擴張來獲得更大的 且經由定子輪奶裒在H成=機之讀矩能力；而 轉軸/ Γ、、隹工間中之锼數個電磁體成員，依旋 轉動—個角度，來降低電動機輸出轉矩之漣波， 1297971 备％曰修正替換頁 以改善Maslov等人所提供之前述的電動機架構之缺憾。因 而本杳明&供之電動機架構之構造至少在某種程度上，可以 達成上列敘述之需求。 生本文之發明具體地提出了一種無刷旋轉電動機的構 造，它包含有··一個連接在固定轴上的定子及一個轉子。轉 子上含有複數個以同軸且不同直徑彼此徑向毗連之輪狀 環，而每一個轉子環上有各自的複數個磁性元件，分別沿著 旋轉軸之各自的圓周方向配置。轉子之磁性元件可以是永久 磁鐵，以使每一個磁性元件均為薄且平坦的雙極性永久磁 鐵，而母一個永久磁鐵磁極極面祇顯示出一個單一的磁極極 性。永久磁鐵沿著轉子侧邊内壁配置與在一個面對氣隙的表 面上具有單一磁場極性，以及在轉子每一個永久磁鐵與相對 側邊内壁上之永久磁鐵面對氣隙之表面具有相反的磁場極 性，因此每一個軸向排列之成對的永久磁鐵磁極極面具有相 反的磁場極性，以界定其本身之磁場範圍。在此，轉子每一 個輪狀環之每一個磁性元件相互間無相對運動。轉子每一個 王哀的相對的側邊内壁上之永久磁鐵相互間以一個實質上平 行於旋轉軸之方向排列，而且每一個輪狀環之各自的複數個 欠久磁鐵刀別沿者各自的圓周方向以極性連續交替配置。 前述的轉子之複數個輪狀環具有一U形之橫截面，此U ^/的仏截面為一個檢斷面壁連接兩個導磁性的側邊壁形 成，每一個側邊内壁的内部表面具有複數個永久磁鐵以徑^ 排列而鑲嵌在其上，此被鑲嵌的永久磁鐵磁極表面面向軸向 氣隙的其中之一，使所有的磁性元件永磁極極面間之氣隙為 轴白而且，轉子之母一個u形橫截面的每一個側邊内壁; 1297971 ^•>月< 日修正#換頁
It:複 = …鐵極面具有相同之面向轴向氣隙的 的磁以Ki在細氣隙相制永久磁鐵極面上有相反 纽二Γ ’使轉子複數個輪狀環在同—個u形橫截面上形 成具^_方向之指㈣轴向磁極。 戰 列，=數個輪狀環彼此關軸且抑餘之徑向排 母—個輪狀環各自含有至少—個電磁體成員，而 Γ私母—目輪崎各自與—個轉子輪狀環減，且定子每一 環各自有複數個磁性隔離㈣磁體成員環繞著旋轉 1置’且每—個電磁體成員都含有成對極。定子之每一個 】=體成員的成對極以導磁性之核心部分連接，而成對極的 :…:別有各自的極面，成對極的S極表面分別面對各 且以大約平行於旋轉軸之圓周方向排列;每-個電 ㈣導磁性之㈣組成，以及有—個線圈在前述的 =磁體成，的核心部分上形成，當線圈加以電流激磁時，在 1體成貝成對極的兩極之產生磁場極性相反的二極，且 —個線圈有各自的_做激磁。喊子之每一個成員都各自 ^非導磁，料支援之構造狀至奸上，狀子之每一個 :體成貝相互間無鐵磁性之接觸，轉理錄_間磁通 1轉換谓效應。將好_子組合，使 每分別被限制在各自相對應轉子輪狀環之兩永久磁^ ^磁極間’並且至少有部分定仅輪狀麵減應的轉子輪 ，所_包含’因而複數個兩軸向氣隙在每—個定子環和 =相對應的轉子環之間形成，前述電磁體成員包含成對極、 線圈、核心部分’又批部分為連結成對極之連結體。 本發明在_電動機之激磁、_兩端以增加轉子與定
曰修正替换頁 1297971 子間之有效氣隙表面面積來產生更大之電動機轉距的同 時，更進一步地藉由電動機扁平化的徑向串接以增進此有利 之效應。當定子電磁體成員之線圈加以電流激磁時，在電磁 體成員成對磁極的兩極面產生相反之磁場極性，但將線圈中 之電流以相反方向激勵時，在成對磁極的兩極面之磁場極性 也隨之逆轉。這些各自分別激磁的定子電磁體成員的成對磁 極藉由兩軸向氣隙與將其圍繞包含之轉子磁場作分隔，以與 相，之轉子的永磁場產生合宜之引力或斥力。每—個電磁體 成員上的線圈各自依據定子與轉子間之相對位置來決定激 磁，以使在合宜的時間，分卿每—個電磁體成員上的線圈 各自獨立的激磁，來控制電磁體成員成對極兩極面之磁場方 向，並與賴應轉子永久磁鐵磁極相互仙，以提供旋 轉。此線圈之激磁開關可闕機械式之換向器或電子式之切 =¾路來達到’而電子奴切換電關必需對應於位置感知 為之感測訊號的響應來啟斷電子切換電路。 在貝IV、貝施的一實施例中，為增加輸出轉矩，可在橫斷 ，壁内部表面鑲嵌額外之永久磁鐵，並使橫斷軸壁上之複 欠個永久磁鐵為以軸向排列的兩組磁鐵，因此橫斷面内壁上 磁鐵各自_—輪狀的徑向氣隙，此徑向氣隙將一個 t取外層之定子輪狀環與轉子橫斷面_作分隔，且徑向 =夕卜層之每—個定子極有—面對徑向氣隙之表面。而且橫斷 邊內f上每組磁鐵相互㈣，且每—組磁鐵分別與在各自侧 ㈣壁上的永久磁舰鄰；並麵鄰的側邊_永久磁鐵與 了赫^内土永久磁鐵具有相同的磁·亟性。因而實質上增加 了轉子與定子間之有效氣隙表面面積。 9 1297971
Ter β吵儿 斤更進一步地，考慮到電動機額外的平順之運轉需求，將 ^仏向串接之電動機的結構在本發明之概念範圍内仔細安 、在轉子之複數個輪狀環ϋ形橫截面結構維持之條件下， 班任定子輪狀壤為基準，將其他與之徑向串接的定子輪狀 分別依旋轉軸之各自的_方鍵轉鑛-角度，以使 於一輪狀環上兩毗鄰之電磁體成員間之氣隙與其他 ==兩2之電磁體成划之氣隙能平衡分佈於旋轉 串接二如本t月中實施例所示，其以兩徑向 需要注意到每-個定子輪狀環在各自的= 成員門之 以使在定子各自的輪狀環上兩她鄰之電磁體 t f佈於旋轉軸之定子_向。因而， =1_賴上_，可分別依據位 夂㈣應_子树位置，恰當地分別控制 :=所 手極=更一進;~一步地在另一實施例中，每一個徑向最外層之定 的、二個一般為[形的橫截面構造，以及轉子上之每- 永久磁鐵與各自^因而轉子橫斷面内壁上之 體，以鮮Sit 邊内壁上之永久磁鐵形成一整 ㈣ 之定子極相對應，麵取更佳之效益。 稷數個面對著氣隙之永久磁鐵沿著轉子之 t 方向來分佈’以使沿著各自 Q 、圓周 以極性連續交替。而，子衣表面的圓周，永久磁鐵 機定子之每-個輪狀環上= 電體動機2出轉矩漣波，電動 衣上冤磁體成貝之數目可以是奇數或 ^^7971 #>月6日修正鎌買 频個兩•電 轉狀=一辦奇 偶數Hi ’故轉子每—個輪狀環上之永久磁鐵數目最好為 Utir觸敎分做其在肋學上之=衡 效氣隙_度上保留了更大的總有 之/益，同時也改善美國專利授權公告號 利授權公告;’可⑽進美國專 降低了電動機輸出轉矩==了一酬 產業上之利用可能性 掬3月之無刷旋轉電動機適用於高效率發電機、電動 擎：椅、電動腳踏車、電 【實施方式】 =提出私動機之扁平化與輸出轉矩增加之需求時，考慮 ^可猎，三維空間中以徑向擴張促成電動機之高轉矩能 &同守也提供了構造的額外優點。經由徑向串接複數個電 機’ ^在串接之電動機的轉子相對位置不動之條件下，將 串接之定子依旋轉軸之各自的圓周方向分別轉動一個合宜 =相應角度’崎低電動機輸出轉矩之漣波。使電動機 <以 提供更佳的高效率之高輸出特性。 11 -------------------------........... f 1297971 施例實細，用以^ -個料射a _麵錢I個定子及 轉子上含有複數個含永久磁鐵之磁性元件， 使複數個含永久磁鐵之磁性元件圍繞著旋轉輛之==向 配=ϊ=以同轴且彼此徑向-之轉子= 各自峨_性谢聰著旋轉轴 祕而。、^ °配置，且每—個磁性元件的兩磁極有各自 m i弟一圖之轉子在此顯示包括有二侧邊壁部分42、-雜合之橫斷面壁部分43、二永久磁鐵奶和 ; 鐵之雜元件在細财妓詳細之說明。 件組裝後，形成—徑向串接之複數個同心 而f:每一個輪狀環各自與-個轉子輪狀環 = 魏伽性_電磁體 :導:二Λ 一個電磁體成員的成對極31、311 員的妨、都連接有一個線圈35在前述的電磁體成 貝的核心部分上形成；在内圈 -個極的極表面面向軸方==細的成對極311每 細m — Γ 取外圈之電磁體成員30的 31母―個極的極表面則有兩個表面 =另-侧面朝徑向。定子支擇環36 : 向串接之相互固接，而㈣之:二環徑 環至定子軸。轉子的永久磁鐵45力：；^=:^子輪狀 ==成對極31、311的極表面面對。使每二=: 狀讀相應的轉子輪狀環之間，定子的電磁體成員成對極ί 12 1297971 ^ 4日修正替換頁 母-個極各自與相應轉子輪狀環的 ^—_> -相應，以及每-個定子輪H雖其中之 個軸向分量氣隙；且定子複數個輪狀==輪=有兩 轉轴以同心形成複數個輪^ 相對應，且至少部分圍繞著各自對應之定子靖 磁體成員包含成對極、線圈、核疋千輪狀化，所述電 成對極之連結體。 将’又核心部分為連結 ❿ 第二圖為第一圖電動機的組合圖 43之結合孔44作為轉子組合之用，且二ς f刀 到固=軸，此之電動機可適合用於車輪以作為驅=接 個疋子之複數個徑向串接輪狀環構造的电 被提供在m個輪狀環中_ 。二= :=成員間以氣隙33分隔，且圖中 績成貝用的定子支撐環以非導磁性材料形成。 的立「fr圖為第二圖沿著線β—β所得到電動機構造之部份 轅ΐ如圖中，轉子^形橫截面被—分為相對稱 —個半邊的㈣橫截面均有-侧邊部分42 連，半邊之橫斷面壁部分43,而橫斷面壁部分上有—突出緣 且犬出緣上有結合孔44 ’而結合孔44作為固接以使兩半邊 =轉子環合而為-，以使横斷面壁部分形0形橫截面之輕 截，因而此U形橫截面為-個經結合孔44結合之橫斷面壁 連接兩個導磁性的側邊壁形成，每—個側邊部分都有複數^ 水久磁鐵45被賴其上，⑽錢數轉子輪狀環。在此 之永久磁鐵是薄的雙極磁鐵且具有平坦的極表面，而每一個 13 1297971 •永久磁鐵極面祇顯示出一個單一的磁極極性，並與永久磁鐵 背邊表面的極性相反；以在側邊部分沿著旋轉軸之圓周方向 形成一輪狀環，使此鄰的永久磁鐵配置以磁場極性連續的交 I。而在轉子對面侧邊部分上的永久磁鐵則彼此各自沿著旋 轉軸之圓周方向平行排列，並且彼此具有相反的磁場極性， 使轉子之磁場極性指向軸向。在此之橫斷面壁可以是由導磁 性材料形成，以作為轉子磁性元件之軛鐵，其對兩侧壁上相 對面之兩永久磁鐵而言，在形成一個磁通迴歸之路徑，以使 鲁 磁通聚集在兩相對面永久磁鐵N、S極之端部，而有效地使 用之功能。永久磁鐵46沿著橫斷面壁部分43之環分佈並且 被鑲嵌於其上，使永久磁鐵46之磁極極面面向徑向氣隙， 且永久磁鐵46與在側邊部分上的永久磁鐵45相互毗鄰排列 且數目相等。而且相互毗鄰之永久磁鐵46與永久磁鐵奶具 有相同的磁場極性，因此產生穿過徑向氣隙的磁通以辅助橫 過轴向氣隙的磁通，其以圖示說明顯示在第四圖中。而橫斷 面壁部分當然也可由料磁性的材料形成，雖然會對磁通之 籲集中有不利之影響，但對電動機之運轉控制並無不同，因而 仍然能獲得良好的電動機之運轉。 疋子之電磁體成員的成對極以導磁性之核心部分汜連 接，鏈結-成對極3卜311以形成一個約呈H型之橫截面， f亥核心雜為連接觸極之連接體，且鱗磁狀物質製 5二:，⑽逆，SiFeC〇，...等等;並有-個線圈 激^ 體賴的核，分场成，#、_加以電流 ===成員;對極的兩極之各自的極面產生相反 琢" 胃通過錢的線®中之電流逆轉時，在前述 14 1297971 … 曰 白、成對磁極兩極極面之磁場極性 對極311之功能本質上盘 ;^之讀。而第四圖中成 員之成對極兩極面實;：ί=、3完全相當，且電磁體成 :性材料形成之定子：=:=== 電磁體成員形成另一於狀严 、另仏向方向固接 環36徑向串接，·最二二心且經支撐 則經由最内層之環36m 、疋子固定軸之固接 成昌在此内層之輪狀環上的電磁體 =，另-役向端與支撐環361以結合孔3 哀361之結合孔374固接到固定軸，而至少部分 f子則透過合適的相互連接架構峰雜 ^ 援之構造固定，以使定子之每一個電磁體 性之接觸。經由非鐵磁性的材料形成的環36、361 L固、^ 子之每一個定子電補成員，使電磁體成員彼此之直接接ς 被隔離。而麵磁性的材料之獅可以是喊不鏽鋼或者i 他非導磁性的材料。因而在實際運作中，電動機的定子每二 個電磁體成員形成-個各自獨立的磁通路徑，並 磁，成貝的磁通路徑相互隔離’在此之電磁體成員的鐵磁性 隔離可降低雜散磁通量損失和邊緣效應。 在運轉中’以位置感知器所測知之定子與轉子相對位置 作為反應，來恰當地分別控制電磁體成員上線圈之激磁以造 成電磁體成員的磁化，而相反之磁場極性Ν、$隨之在帝石^ 15 1297971 I年月曰修 體成員成對極之兩極面上產生磁極，此線 、〜 ㈣旦過㈣產生鶴勢，與轉子上之永雜相 又互影響，以驅動轉子旋轉。第五圖為第二圖 得到的剖視圖，圖中電動機的電磁體 、= 接形成複數個定子輪狀環。僅需 向固 袁憾n 將弟圖之支撐環固接孔略 個環分別依旋轉軸之方向轉動-個 a 、又，以形成複數個輪狀環之每一個環上各自圍繞著 2轉轴之圓周方向晚鄰的電磁體成員間氣隙的33在定=旋 周方向平衡分佈，其結果如第六圖之例示，就可改 公告號6762525中電動機為增進高轉矩能力 波之不利影響。並且使結合孔的數目和位置可 排協調’使之更進—步地獲得電動機輸出轉矩之 第七圖的剖視圖為第四圖結構的剖視圖之變異，為了增 =轉子兀件與疋子兀件間的磁通路徑之面積，對第四圖電 結構所作之更替。在第七财，定子每-個電磁體成 極面具有—個L形橫截面之構造，L形之極面的一 ^表面_軸向氣隙以面對轉子的一個側邊部分，* l形極 八勺^個表面則穿過徑向氣隙以面向轉子的橫斷面壁部 、第四圖中轉子之永久磁鐵45與46在第七圖中被以l形 =久磁鐵47替換，而L形之永久磁鐵的-個表面被貼附 至鳇之，但L形之永久磁鐵的另一個表面則被貼附 列子秩斷面壁部分上；以使面對面的永久磁鐵彼此軸向排 的j ^此兩軸向面對之永久磁鐵在面向氣隙之極面上有相反 、石兹％極性。此種構造提供一個更大的氣隙表面面積，以使 16 1297971 名年日修j] 通的轉矩可以被集中’而使電動機結構的體積在相同 的輪出轉矩下可減到更小。 f際具體實施時，甚至可以將本發明實施例之轉子與定 換；或是將轴改為鎖定到轉子上以作為旋轉，而且透過 額外接到疋子之支撐架構上。此外，在考慮到電動機 H爲平化需求下，可將無微轉電動機之定子輪狀環與 更進一步地徑向串接之方式加以徑向擴張，經 可獲致電動機更大之輸岐要與更平順之運轉 十夂接不過所有足些情形仍然都是在本發明研究範圍的各 式各樣的組合變異之内。 巧的各種冑仃之職，係作為—麻相明本發明之 π神。在本公開描射，也魏顯稍描述本發明少量的一 些f種例示。_本發難触用在其她合及環境中，而 且是受限於本發明概念的翻巾所作之改變雜^。 附件：美專公告679122、6762525號影本。 【圖式簡單說明】 本發明在經由例子來完成說明，而不是藉由 迷，將本發明實施之職’峨後讀_示，說明如下 立體說明本發明的—實施例之電動機物件之 第二圖為本發明的一實施例之電動機的纽人囡 合圖第三圖為說明本發明的一實施例之電動機;^子的組 的剖^_二_線Β-Β _電動機構造之部份 17
1297971 第五圖為第二圖沿著線A-A所得到的剖視圖。 弟六圖為本發明的另一貫施例的剖視圖。 第七圖為本發明的另一實施例得到電動機構造之部份 的剖視圖。 【主要元件符號說明】 定子輪狀環1 電磁體成員30 核心部分32 9 成對極311、成對極31 氣隙33 線圈35 定子支撐環36、361 結合孔 374、373、372、371 侧邊部分42 橫斷面壁部分43 結合孔44 B 永久磁鐵45、451 永久磁鐵46 永久磁鐵47 18