TWI423561B - 用於電無刷式直流馬達之捲曲轉子以及製造其之方法 - Google Patents

Description

用於電無刷式直流馬達之捲曲轉子以及製造其之方法

本發明係關於一種用於馬達之轉子，尤其係關於一種用於電無刷式直流馬達之轉子。

馬達係一種電機機械裝置，其係將以電壓或電流的形式來傳遞的電能轉換成以旋轉運動來代表的機械能。該電機機械作用力係以羅倫茲作用力定律來描述。一馬達係包含一定子與一轉子。該定子通常包含一具有數條繞線的線圈，該等繞線係接收一驅動電流。

轉子通常包含一連串的永久磁鐵。該轉子與定子係被機械排列成用以讓該轉子能夠相對於該固定定子來自由地移動。於該定子與該轉子之間係存在電磁相互作用或電磁通量。因為該定子繞線與該磁場係被排列成用以在該轉子軸線附近產生一機械作用力或力矩，因此，該轉子便會旋轉。這便會造成每當該等定子繞線中發生極性改變時，該轉子便會移動。以雷同的方式便可建構出一發電機或電動機。

該轉子裝配件通常係由以一軸桿為中心分隔放置的數個電磁鐵所製成。一般來說，該等磁鐵係內含在該軸桿上所形成的狹槽之中，例如Pop,Sr.所獲頒的美國專利案第5,554,900號中所揭示的轉子，本文以引用的方式將其完整併入。接著，便會透過低摩擦軸承(low friction bearing)，以所謂的「轉輪(in－runner)」組態來將該轉子裝配件以旋轉的方式支撐在該定子殼體內。

常見的係，為支撐該等磁鐵，用以接收該等磁鐵的狹槽係不利的。該等狹槽係收納該等磁鐵，該等磁鐵係與運作中的繞線相隔甚遠。此過遠的間隔或間隙係減少或降低該等永久磁鐵與該等定子繞線之間的電磁通量。

再者，要製造一具有數個狹槽的轉子的成本非常地昂貴。必須確保遵守該轉子與該等磁鐵之間嚴謹的公差方能將該等永久磁鐵正確地支撐在該等狹槽之中，並且係在該轉子的快速旋轉期間與該轉子軸桿保持相對靜止。

本發明揭示一種用在一具有高力矩尺寸比的馬達之中具有實質圓柱狀組態的轉子。該轉子包含一外周圍表面。該轉子具有一中央轉子軸桿以及位於該中央轉子軸桿之上且彼此分開的第一固持末端與第二固持末端。該轉子還具有複數個磁鐵，該等磁鐵係被配置成用以配合一設置在該中央轉子軸桿附近的定子來提供一磁通量。該等磁鐵係徑向設置在該軸桿之上。該轉子還具有一捲曲在該等徑向設置的永久磁鐵附近的護套，用以將該等磁鐵固定在該軸桿附近。該護套的重量輕且係最小化該等永久磁鐵與該定子之間的間隙。這會在該等磁鐵與該等定子繞線之間提供一電磁通量。

該轉子具有複數個永久磁鐵，它們會徑向包圍該轉子軸桿。該護套可能係由一非磁性材料所製成或是由一熱塑材料所製成。該軸桿的一末端係被配置成用以將旋轉運動轉移至一齒輪。該轉子軸桿可能係，但是並不僅限於圓柱狀的六邊部件。該等複數個磁鐵可被收納在該等六邊的每一者之中。該轉子具有第二複數個第二永久磁鐵。該些永久磁鐵係被設置在用以形成一第二相的縱軸之中。該等複數個磁鐵可在該轉子軸桿之上構成至少三個旋轉相。

該等複數個磁鐵係在該轉子軸桿之中構成一第一相、一第二相、一第三相。第一相(其包含複數個磁鐵)係在第一位置之中包圍該轉子軸桿。該護套係包圍該第一相的該等複數個磁鐵。第二相同樣具有複數個磁鐵，它們係在第二位置之中包圍該轉子軸桿。該第二位置係與該第一位置分開。一第二護套係包圍該第二相的該等複數個磁鐵。

該轉子具有配合第三複數個磁鐵的第三相，它們係在第三位置之中包圍該轉子軸桿。該第三位置係與該第二位置分開。一第三護套係包圍該第三相的該等複數個磁鐵。該轉子的該等第一相至第三相的永久磁鐵可能會由分別以一捲曲材料製成的第一護套至第三護套來固定。

於另一項觀點中，該轉子具有一實質圓柱狀的組態，用在一具有高力矩尺寸比的電機馬達之中。該馬達具有一外周圍表面。該馬達包含一中央轉子軸桿，其具有第一接收表面至第六接收表面。第一相磁鐵係被配置成用以配合一定子來提供一磁通量。第一相磁鐵在第一位置中包含至少六個磁鐵，它們係設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近。該等磁鐵的效用係因每一相而改變。該轉子還具有第二相磁鐵。第二相磁鐵係被配置成用以配合該定子來提供一磁通量。同樣地，第二相磁鐵在第二位置中包含至少六個磁鐵，它們係設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近。該第二位置係與該第一位置分開。

再者，該轉子還具有第三相磁鐵，它們係被配置成用以配合該定子來提供一磁通量。第三相磁鐵在第三位置中包含至少六個磁鐵，它們係設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近。該第三位置係與該第二位置分開。該第二位置係位於該等第一位置與第三位置之間。一環狀裝置係被配置成用以將該等第一相磁鐵至第三相磁鐵中每一者固持在該中央轉子軸桿之上。該環狀裝置還會在該等第一相磁鐵至第三相磁鐵以及該定子之間提供一最小間隙距離。

該環狀裝置可能係一護套，其係徑向延伸在該中央轉子軸桿附近。該裝置還可能進一步包含一第一捲曲護套，其係包圍該等第一相磁鐵。此外，一第二捲曲護套則可能會包圍該等第二相磁鐵。另外，一第三捲曲護套則可能會包圍該等第三相磁鐵。該等第一相磁鐵至第三相磁鐵為永久磁鐵。

於又一實施例中，一具有高力矩尺寸比的電機馬達包含：一轉子，其具有一中央旋轉縱軸；一定子，用以界定一中央定位的縱向開口；以及一軸承，用於將該轉子支撐在該定子之中並且用以讓該轉子繞著該中央旋轉縱軸來旋轉。該轉子具有一中央轉子軸桿，其具有第一接收表面至第六接收表面。第一相磁鐵係被配置成用以配合該定子來提供一磁通量。該等第一相磁鐵包含至少六個磁鐵，它們係於第一位置中設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近。

該馬達還具有第二相磁鐵。該第二相係被配置成用以配合該定子來提供一磁通量。該等第二相磁鐵包含至少六個磁鐵，它們係於第二位置中設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近。該第二位置可能會與該第一位置分開。

第三相磁鐵則係被配置成用以配合該定子來提供一磁通量，該等第三相磁鐵包含至少六個磁鐵，它們係於第二位置中設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近。該第三位置係與該第二位置分開，且該第二位置係位於該等第一位置與第三位置之間。該馬達還包含複數個護套。該等護套係被配置成用以將該等第一相磁鐵至第三相磁鐵中每一者固持在該中央轉子軸桿之上。該等護套還會在該等第一相磁鐵至第三相磁鐵以及該定子之間提供一最小間隙距離。

該等第一相磁鐵至第三相磁鐵中每一者均可被連接至該等個別的第一接收表面至第六接收表面。該等第一相磁鐵至第三相磁鐵中每一者亦可彼此偏移一預設數額並且耐熱，並且係被該等護套以該偏移組態的方式固定在正確的位置處。

於又一實施例中，提供一種將磁鐵連接至一轉子輸出軸桿的方法。該方法包含：以交錯的北極－南極組態將至少兩個磁鐵放置在該轉子軸桿的一平面表面之上；以及捲曲一材料，用以包圍該等磁鐵並且將該等磁鐵固定在正確的位置處，以便在一定子繞線與複數個磁鐵之間提供一電磁通量。

下文將說明本發明的示範實施例。

現在參考圖1，圖中所示的係根據本發明的一轉子10的立體圖。本發明的轉子10可配合需要進行精確速度控制的電機馬達來使用。轉子10係被配置成用以配合具有高力矩的無刷式直流電機馬達來使用。較佳的係，轉子10係一圓柱狀部件，其在位於該轉子10的長度之中的第一相12、第二相14、以及第三相16之中具有數個永久磁鐵。當該轉子10以旋轉方式被支撐在一定子100之中時，該等第一相至第三相12、14、以及16係跨越一設置在該轉子10與該定子100之間的空氣間隙而電磁連結至該定子100(圖5)。該轉子10與該定子100係構成一電機馬達。於此項觀點中，轉子10包含一支撐裝置18，或護套，其係固持該等第一相至第三相12、14、以及16中的至少一個磁鐵或所有磁鐵。護套18係以達成下面目的的方式將該等磁鐵支撐在該轉子10之上：(i)最小化該定子100與該轉子10之間的空氣間隙；(ii)最大化電磁通量；以及(iii)最小化界定在該等磁鐵與該等定子繞線之間的過度分隔空氣間隙的寄生效應，以允許該轉子軸桿進行旋轉。

介於該轉子10與該定子100之間的最小空氣間隙相當有利。其能夠達成從定子100至轉子10的最大電磁通量數額，而不會因大幅空氣間隙的關係而產生寄生損失。小幅或最小間隙距離係確保有極高的電流通過定子100的該等繞線，從而係有很強的電磁場來旋轉該轉子10。護套18還會確保有一穩定的轉子旋轉結構，同時可從定子100的電能中轉換出最大數額的機械旋轉能量。

現在參考圖2與3，圖中所示的係轉子10的側視圖。現在將解釋轉子10的結構。轉子10包含一第一相12。第一相12包含六個永久磁鐵；或者包含一第一永久磁鐵20a、一第二永久磁鐵20b、一第三永久磁鐵20c、一第四永久磁鐵20d、一第五永久磁鐵20e、以及一第六永久磁鐵20f。該等永久磁鐵20a至20f中每一者係以交錯的北極－南極、南極－北極、北極－南極、南極－北極、北極－南極、南極－北極的排列方式設置在轉子10的一外接收表面22附近。轉子10較佳的係一圓柱狀結構，其包含一用於該等永久磁鐵20a至20f中每一者的接收面或平坦表面。於此項觀點中，當從轉子10的側視圖中看去時可發現，轉子10包含一六邊、六角的多邊結構，用以接收該等磁鐵20a至20f中每一者，如圖3中所示。

當然，雖然圖中所示的轉子10的六角多邊剖面圖具有六個永久磁鐵20a至20f；不過，應該明白的係，該六角組態並不具任何限制意義。本發明的轉子10亦可能具有一用於每一種不同永久磁鐵阻態的平坦面22。該轉子10可能包含五個平坦的接收面22以供用於五個永久磁鐵之中，或者可能包含四個平坦的接收面22以供用於四個永久磁鐵之中，且本發明並不受限於永久磁鐵20a至20f的任何特定組態或數量或是互補的接收面22。轉子10亦可能具有五角形剖面、正方形剖面、或是三角形剖面、甚至具有六邊以上的剖面。

如圖2中所示，在轉子10的遠端24處，轉子10包含一齒輪端26。該齒輪端26包含複數個齒部28。齒輪端26較佳的係會被配置成用以將經組合的轉子10與定子100的輸出轉換成一輸出。換言之，馬達定子100的旋轉力矩輸出係被交換至另一結構，例如輪子、壓縮機、或是葉輪推進器(fan impeller)。不過，應該明白的係，轉子10並不受限於任何特定的使用裝置，而且轉子10可配合任何電機馬達來使用，或是配合使用一電機馬達的任何帶電裝置來使用，或者配合本技術中已知的任何發電機或電動機來使用。齒輪端26較佳的係包含複數個齒部28，用以扣接另一運行齒輪(圖中並未顯示)，以便將以轉子軸線30為中心所產生的力矩轉移至該平面齒輪。本發明亦可採用各種輸出組態，且本發明的轉子10並不受限於任何特定的輸出組態。該齒輪端亦可能包含一傘齒輪(bevel gear)、一戟齒輪(Hypoid Gear)、或是本技術中用來轉移力矩的任何其它連動機制。

圖2所示的係轉子10的側視圖，圖中顯示出轉子10係一具有「轉輪」組態的多相無刷式直流馬達，其中，定子100(圖7)與定子100的繞線係被放置在轉子10附近。於此項觀點中，轉子10包含三相；或者包含一第一相12、第二相14、以及第三相16。該等第二相14以及第三相16之中的永久磁鐵受到支撐的方式係與上面所討論的第一相12具有雷同的組態。於此項觀點中，第二相14以及第三相16之中所包含的六個永久磁鐵32a至32f以及34a至34f同樣係以交錯極性組態的方式來設置(圖4)。

再者，第二相14以及第三相16同樣係使用一對捲曲護套36、38而受到支撐。此處，轉子10包含一第一護套18、一第二護套36、以及一第三護套38，用以將該等永久磁鐵固持在一馬達輸出軸桿40的接收外表面22之上。

於運作中，第一護套18、第二護套36、以及第三護套38係將永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f固持在該馬達輸出軸桿40之上。較佳的係，該馬達輸出軸桿40包含用於該等第二相14以及第三相16中的每一個永久磁鐵的平坦面22a、22b、22c以及圖中並未顯示的22d、22e、以及22f。該等護套18、36、以及38較佳的係一一元材料的分段。護套18、36、以及38的形狀通常各為圓柱狀而且非常薄，以便讓該軸桿旋轉。每一個護套18、36、以及38係以環狀排列的方式包圍或實質包圍該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f中每一者。該等護套18、36、以及38係以靜止的方式將永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f固持在該馬達輸出軸桿40之上。每一個護套18、36、以及38均係由一既薄且重量輕之有彈性的捲曲材料所製成，並且可以快速的方式來旋轉，而不會干擾該等磁鐵的配向。於一項觀點中，每一個護套18、36、以及38均係很薄的非磁性材料，以便最小化介於定子100以及該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f之間的間隙，而且非常富有彈性，以便可以每分鐘非常高的回轉速率來旋轉，同時可將該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f支撐在該馬達輸出軸桿40之上。

於一實施例中，該等護套18、36、以及38係由一熱塑材料所製成。於另一實施例中，該等護套18、36、以及38係由一非磁性材料所製成，因而並不會干擾介於該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、34a至34f以及定子100之繞線之間的電磁通量。於一實施例中，該等護套18、36、以及38可能係由一平坦的材料器件所製成，該平坦的材料器件係被折疊在該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f的上方，以便利用一自動或手動設備來形成一圓柱狀頸環。於另一替代實施例中，該等護套18、36、以及38可能會被製成一圓柱狀頸環並且接著係被塗敷或附接至該馬達輸出軸桿40。該等圓柱狀頸環18、36、以及38可以手動或自動的方式在該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f的上方滑動並且在該馬達輸出軸桿40的接收面22的上方滑動。於另一替代實施例中，該馬達輸出軸桿40的接收面22可能包含一黏著性材料，或是分離連接器，用以將該等磁鐵連接至該輸出軸桿40。除了藉由該等護套18、36、以及38被連接至面22以外，該黏著劑還可進一步讓該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f以堅固的方式被連接至該接收面22。

應該明白的係，可在個別護套18、36、38被放置在該馬達輸出軸桿40之前、個別護套18、36、38被放置在該馬達輸出軸桿40的同時、以及個別護套18、36、38被放置在該馬達輸出軸桿40之後將該等磁鐵放置在該轉子10之上。本發明亦可採用各種護套裝配件組態。於每一實施例中，該等捲曲護套18、36、以及38的厚度很薄，用以互補於形成該等護套18、36、以及38的材料的厚度。於一實施例中，該厚度可能係數毫米的基準厚度或是本技術中已知的任何其它基準厚度，以便最大化該等繞線與該等磁鐵之間的通量。

如圖4中所示，轉子10係被配置成用以配合一無刷式直流馬達來使用，且該轉子輸出軸桿22包含一遠端42，其具有一可旋轉的支撐表面44，該可旋轉的支撐表面44係被配置成用以藉由軸承124(圖7)被支撐在該定子100之中。為旋轉轉子10，係藉由複數個功率電晶體來反轉該等三相12、14、16中每一者的極性，該等功率電晶體係以實質同步於一被偵測轉子位置的方式來進行切換。所以，本發明的轉子10可被配置成用以配合一位置感測器來使用，或是包含一位置感測器，用以感測真實的轉子位置。此感測器可能包含一霍爾效應感測器(圖中並未顯示)或是類似的感測器，稍後將配合圖7來作詳細討論。轉子10係由與該給定轉子位置耦合的矩形電壓行程來驅動。所產生的定子100通量係與由該等三相12、14、16的永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f所產生的轉子10電磁通量進行相互作用。這係界定該馬達的力矩，從而係界定該馬達的總速度。該等電壓行程必須正確地套用至定子100的該等三相12、14、16繞線系統中的其中兩相，俾使藉於該定子100通量與該轉子10通量之間的角度係保持接近90°，以取得最大生成力矩。

該等第一至第三護套18、36、以及38較佳的係會降低在該定子100與該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f之間所測得的間隙距離。這會最大化在該定子100與該轉子10的該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f之間的磁通量。於此項觀點中，該等護套18、36、以及38具有小型輪廓與小厚度，且或者，可被製成一會沿著該馬達輸出軸桿40的長度延伸的捲曲護套，以方便安裝。

於另一替代實施例中，一護套18可能會覆蓋多相12、14、16(舉例來說，第一相12與第二相14)的磁鐵，而另一護套38則僅係覆蓋第三相16。於又一實施例中，第二護套36可能會覆蓋第二相14與第三相16兩者，而第一護套18則係覆蓋第一相12。本發明亦可採用各種護套組態且均涵蓋於本發明的範疇內，而且應該明白的係，在每一種組態中，該等護套18、36、以及38中任一者均包含一組態用以將該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f定位在靠近定子100的該等繞線旁邊，以便最大化該等磁鐵在所生成的電磁作用力中的曝露部份。

現在再度參考圖3，圖中所示的係轉子10的正面圖，圖中顯示出輸出齒輪28。從圖中可以看出，護套18係一重量很輕的結構並且係包圍第一相12的永久磁鐵20a、20b、20c、20d、20e、以及20f，因此，該等磁鐵20a、20b、20c、20d、20e、以及20f係以徑向方式被定位以包圍該馬達輸出軸桿40。較佳的係，該等護套18、36、以及38的重量僅係整個轉子10之重量的一部份。再者，該等磁鐵20a、20b、20c、20d、20e、以及20f中每一者的厚度實質上係大於護套18的厚度，以便最小化該護套18對於在該等永久磁鐵20a、20b、20c、20d、20e、20f以及該等定子繞線之間的磁通量所造成的寄生效應。

現在再度參考圖4，圖中所示的係根據本發明的轉子10的剖面圖。於另一實施例中，轉子10係被配置成用以包含與第二相14偏移一預設徑向數額的第一相12，以及與第二相14偏移該預設徑向數額的第三相16。於此實施例中，該轉子10之上的該等永久磁鐵分段20a至20f、32a至32f、以及34a至34f的極性可以改變，以便最佳化該轉子10的功率、負載、或是其它特徵。於另一項觀點中，至少一磁鐵可以耐熱，或是包含一設置在該接收面22與該磁鐵之間的絕緣材料(圖中並未顯示)，或者包含位於該個別磁鐵與該個別護套18、36、38之間的絕緣材料，以便在運作期間保護該磁鐵，避免受到過多熱能的破壞。

轉子10還進一步包含第一護套18，其長度係互補的，用以覆蓋該馬達輸出軸桿40上方的磁鐵20a至20f，並且以相對於該輸出軸桿40為固定靜止的方式來固定該等磁鐵20a至20f。第二護套36同樣係以相對於該輸出軸桿40為固定的方式沿著其長度來覆蓋第二相14的第一磁鐵32a至第六磁鐵32f。第三護套38同樣係以相對於該馬達輸出軸桿40為固定的方式沿著其長度來覆蓋位於第三相16旁邊的第一磁鐵34a至第六磁鐵34f。於另一實施例中，該等護套18、36、38可能僅係覆蓋該永久磁鐵的長度的一部份並且可能係由一類環圈部件所構成。現在參考圖5，圖中所示的係與定子100分離的轉子10。該轉子10係被支撐在該定子100之中，如圖所示，俾使該定子100係產生一電磁通量以便以機械方式來旋轉該轉子10。該定子100包含一入口105，且該轉子10係被設置在該定子100的入口105之中，如圖6中所示。

圖7中以分解圖詳細地顯示定子100。於此圖式中，該定子100包含數個獨立的定子分段，於此特殊實施例中為三個定子分段102、104、以及106，無刷式直流馬達的每一操作相(或第一相A、第二相B、以及第三相C)係用到一分段。相A、B、以及C通常係對應於上面針對轉子10所述的轉子相12、14、以及16。該定子100與該轉子10係由一馬達殼體108以彼此相對的方式來支撐，該馬達殼體108包含一第一末端板110以及一第二末端板112。殼體108與該等末端板110、112較佳的係會藉由一剛性材料(例如鋁、金屬、或是另一廉價但剛性的材料)並且藉由一或多個螺栓、螺絲、或分離的連接器被固定在正確的位置之中。

該等定子分段102、104、以及106包含一圓柱狀組態，其包含一具有一外表面與一內表面的圓柱狀分段。該內表面包含數個內形成的凹槽114。位於該等凹槽114之中的係數條繞線116。該等繞線116較佳的係由一導電材料所製成，例如銅或是本技術中已知的任何其它導電材料。該等定子分段102、104包含一護鐵裝配件，其係被配置成用以由數個平坦的層疊圓盤所製成；不過，應該明白的係，轉子10亦可被配置成用以配合本技術中已知的任何定子100來使用。

於一三相或多相的運作中，該等分段102、104、以及106中每一者均係被配置成用以提供該馬達的至少一相，並且係對應於轉子10的該等第一相至第三相12、14、以及16。該定子100還包含適用於該等定子分段102、104、以及106中每一者之中的單一相12、14、以及16的繞線116。於一實施例中，該等繞線116可在該等定子分段102、104、以及106中形成數個線圈。於一實施例中，該等線圈可能包含六個電線線圈。或者，該等線圈可能包含三個電線線圈。本發明亦可採用各種繞線116組態與材料並且均涵蓋於本發明的範疇內，而且本發明定子100與轉子10並不受限於任何特定的繞線線圈數。

如上面所述，該定子100需要位置資訊，用以決定該等磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f的個別相12、14、以及16的位置。接著，該定子100便係控制該定子的個別第一相至第三相102、104、以及106。該定子100係提供能量給個別定子分段102、104、以及106之上的個別繞線116並且驅動轉子10。就此方面來說，該定子100還進一步包含一霍爾效應感測器118。該霍爾效應感測器包含複數個霍爾效應轉能器118a、118b、118c、118d，它們係被排列成圓形圖案，用以決定該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f的位置。來自該感測器118的資料信號係被傳送至一驅動電路120。響應之後，該驅動電路120便會饋送一控制電流給該等繞線116，用以提供能量給該轉子10。於一實施例中，可使用複數個光學感測器(圖中並未顯示)來取代霍爾效應感測器118。本發明亦可採用各種感測器組態並且均涵蓋在本發明的範疇內。此外，該霍爾效應感測器118亦可被配置成用以輸出一信號，用以提供該轉子10的速度的轉速計輸出信號。

該等定子分段102、104、以及106較佳的係會以徑向的方式彼此偏移一預設數額。於一實施例中，該預設數額可能約為十度。於另一實施例中，該等定子分段102、104、以及106可能會彼此偏移不同的徑向數額，用以進一步提供有效的運作。於另一實施例中，每一個定子分段102、104、以及106可能會彼此偏移不同的數額。

該定子100還進一步包含一軸承122，其係配合一第二軸承124來協同運作以便以可旋轉的方式將該轉子10支撐在該無刷式直流「轉輪」組態中的定子100之中。軸承122、124較佳的係可能係高輸出軸承，其允許產生極高的力矩並且具有很長的壽命。較佳的係，軸承122係被定位在定子100的殼體108的圓形入口105處；而軸承124則係被定位在反向端，以便與圖5中所示的轉子10的末端44協同運作。該定子100還進一步包含一支撐板126。板126係被設置成殼體108的底部並且較佳的係會將該定子100支撐在一用於電機機動化運作的表面之上。板126為剛性並且包含一可與一表面進行簡易與快速連接及分離的組態。

現在參考圖8，圖中所示的係根據本發明另一實施例的一額外定子100’，其係被配置成用以配合圖1的轉子10來使用。於此實施例中，該定子100’在個別定子100’分段102’、104’、106’的每一個末端處包含互連圓盤105’、105”、以及105”’，用以提供連接作用，以便產生該等繞線116。絕緣圓盤107與107”係被放置在該等定子分段102’、104’、以及106’的每一者之間，以便讓該定子100’保持電隔離。於此實施例中，該定子100’可能具備如美國專利案第6,538,356號中所述的葉片，本文以引用的方式將該案完整併入。

在圖8的實施例中，第一定子分段102’(其係被配置成用於圖1的轉子10的第一相12)可被配置成用以繞著第二定子分段104’的位置來旋轉或是相對於第二定子分段104’的位置偏移一徑向數額。此數額可能約為十度。第三定子分段106’係進一步被配置成用以與第二定子分段104’的位置再偏移十度，或是與第一定子分段102’偏移二十度。

一個三相馬達應該在該等三相中每一者之間具有約一百二十度的相位移，該等定子分段102’、104’、以及106’中每一者係彼此偏移約十度。於又一實施例中，該轉子的該等三相12、14、以及16亦可能會彼此偏移另一預設的徑向數額，以便最佳化效能。

本發明的轉子實施例可用在各種不同的可能應用之中，並且具有效率、功率消耗、力矩、以及熱效能方面的優點。於特定的應用中，例如汽車應用中，可讓該等定子分段102’、104’、以及106’中一或多個被配置成用於供電，一或多個作為發電機，及/或一或多個用於制動。舉例來說，結合該等定子分段102’、104’、以及106’的前述不同用法便可促成再生性制動作用(舉例來說，利用兩個分段作為供電，而利用一個來制動)。在汽車與其它高功率應用中，根據本發明一實施例的分離轉子10與定子分段102’、104’、以及106’改良的封裝幾何所造成的改良的熱效能允許一高功率馬達持續地運轉。相反地，在單一定子100’上具有多相的習知多相電機馬達中則必須間歇性地運轉，方能提供足夠的時間來冷卻馬達。舉例來說，對必須持續運作的高功率汽車應用來說，此點非常有利，這會讓一永久磁鐵無刷式DC馬達足以媲美氣供電式引擎。應該明白的係，轉子10與定子100可被配置成用以輸出一瓦至數千瓦的一部份，甚至輸出高達約一電動汽車的100kw額定值。本發明亦可採用各種額定值並且均涵蓋於本發明的範疇內。

根據本發明一實施例的分離定子分段102’、104’、以及106’還具有方便製造的優點，尤其是針對內纏繞式馬達來說，因為每一個定子分段102’、104’、以及106’均僅需要被其中一相的繞線116纏繞，而不必在相同定子之上謹慎地纏繞多相。不過，此組態並不具任何限制意義。

有各種驅動電路可配合本發明的轉子10來使用，且下文僅係解釋性說明此驅動電路120。現在再次參考圖7，較佳的係，定子100的驅動電路120包含被連接至接地的邏輯與時序電路系統。該驅動電路120還具有會被連接至一低功率電流感測器的高位準與低位準驅動器及MOSFET，該低功率電流感測器同樣會被連接至接地。該邏輯與時序電路系統也會被連接至高位準與低位準驅動器及MOSFET。該等高位準與低位準驅動器及MOSFET還會被連接至霍爾效應感測器118，或者係被連接至一光學感測器，用以決定轉子10的該等永久磁鐵20a至20f、32a至32f、以及34a至34f的位置。該霍爾效應感測器118可能輸出該偵測信號給該等高位準與低位準驅動器及MOSFET，且該等高位準/低位準驅動器可將該信號供應給該特殊定子相102、104、以及106的繞線116。該控制電路與該時序電路可能還會進一步被連接至一正向/反向轉盤或按鈕，以便進一步控制該轉子10的正向或反向運作。驅動電路120可能還會進一步被連接至一開/關切換器(圖中並未顯示)。控制電路與該時序電路還會進一步被連接至一合宜的「電壓輸出」引線，而該等高位準與低位準驅動器及MOSFET則係被連接至一「電壓輸入」引線。

雖然本文已經參考本發明的示範實施例來特別顯示與說明過本發明，不過，熟習本技術的人士便會瞭解，仍可對本發明進行各種形式與細節的改變，而不會脫離隨附申請專利範圍所涵蓋之本發明的範疇。

10．．．轉子

12．．．第一相

14．．．第二相

16．．．第三相

18．．．護套

20a．．．永久磁鐵

20b．．．永久磁鐵

20c．．．永久磁鐵

20d．．．永久磁鐵

20e．．．永久磁鐵

20f．．．永久磁鐵

22．．．接收表面

22a．．．平坦面

22b．．．平坦面

22c．．．平坦面

24．．．轉子10的遠端

26．．．齒輪端

28．．．齒部

30．．．轉子軸線

32a．．．永久磁鐵

32b．．．永久磁鐵

32c．．．永久磁鐵

32d．．．永久磁鐵

32e．．．永久磁鐵

32f．．．永久磁鐵

34a．．．永久磁鐵

34b．．．永久磁鐵

34c．．．永久磁鐵

34d．．．永久磁鐵

34e．．．永久磁鐵

34f．．．永久磁鐵

36．．．護套

38．．．護套

40．．．馬達輸出軸桿

42．．．轉子輸出軸桿的遠端

44．．．可旋轉的支撐表面

100．．．定子

100’．．．定子

102．．．定子分段

102’．．．定子分段

104．．．定子分段

104’．．．定子分段

105．．．入口

105’．．．互連圓盤

105”．．．互連圓盤

105”’．．．互連圓盤

106．．．定子分段

106’．．．定子分段

107’．．．絕緣圓盤

107”．．．絕緣圓盤

108．．．馬達殼體

110．．．末端板

112．．．末端板

114．．．凹槽

116．．．繞線

118．．．霍爾效應感測器

118a．．．霍爾效應轉能器

118b．．．霍爾效應轉能器

118c．．．霍爾效應轉能器

118d．．．霍爾效應轉能器

120．．．驅動電路

122．．．軸承

124．．．軸承

126．．．支撐板

從隨附圖式中所圖解的本發明示範實施例的前面明確說明中便可明白本發明的發明內容，其中，不同圖式中相同的元件符號代表相同的部件。該等圖式並未依比例繪製，其重點僅在於解釋本發明的實施例。

圖1至3所示的係根據本發明的一轉子的立體圖、側視圖、以及正面圖；圖4所示的係根據本發明的轉子的分解圖；圖5所示的係延伸自一定子並且構成一電機馬達的圖1的轉子的立體圖；圖6所示的係以旋轉方式被支撐在該定子之中的轉子；圖7所示的係該定子的第一實施例的分解圖；以及圖8所示的係圖7的定子的一第二不同實施例的分解圖。

10．．．轉子

12．．．第一相

14．．．第二相

16．．．第三相

18．．．護套

26．．．齒輪端

28．．．齒部

Claims (22)

1. 一種用在一具有高力矩尺寸比的無刷直流電機馬達之中具有實質圓柱狀組態的轉子，該轉子包含一外周圍表面，該轉子包括：一中央轉子軸桿；第一固持末端與第二固持末端，其係位於該中央轉子軸桿之上且彼此分開；複數個永久磁鐵，其係被配置成用以在該中央轉子軸桿附近的定子來提供一電磁通量，該等複數個永久磁鐵係徑向設置在該軸桿之上；以及一位於該等徑向設置的永久磁鐵附近的護套，用以將該等磁鐵固定在該軸桿附近，其中該護套具有捲曲狀，並且係被組態用於最小化該定子與該轉子之間的空氣間隙。
2. 如申請專利範圍第1項之轉子，其中，該等永久磁鐵係徑向設置用以包圍該轉子軸桿。
3. 如申請專利範圍第1項之轉子，其中，該護套係由一剛性材料所製成。
4. 如申請專利範圍第1項之轉子，其中，至少一固持末端係被配置成用以將旋轉運動轉移至一齒輪。
5. 如申請專利範圍第1項之轉子，其中，該轉子軸桿係一六角形的六邊部件，在該等六邊的每一者之上係接收該等複數個磁鐵。
6. 如申請專利範圍第1項之轉子，其進一步包括設置在 一縱軸之中的複數個第二永久磁鐵，用以形成一第二相。
7. 如申請專利範圍第1項之轉子，其中，該等複數個磁鐵係在該轉子軸桿上形成至少三個旋轉相。
8. 如申請專利範圍第1項之轉子，其中，該等複數個磁鐵係在該轉子軸桿之中形成一第一相、一第二相、以及一第三相，且其中，該第一相包含在一第一位置之中徑向包圍該轉子軸桿的複數個磁鐵，而該護套則係實質包圍該第一相的該等複數個磁鐵。
9. 如申請專利範圍第8項之轉子，其中，該第二相包含在一第二位置之中徑向包圍該轉子軸桿的複數個磁鐵，該第二位置係與該第一位置分開，而一第二護套則係實質包圍該第二相的該等複數個磁鐵。
10. 如申請專利範圍第9項之轉子，其中，該第三相包含在一第三位置之中徑向包圍該轉子軸桿的複數個磁鐵，該第三位置係與該第二位置分開，而一第三護套則係實質包圍該第三相的該等複數個磁鐵。
11. 如申請專利範圍第10項之轉子，其中，該等第一相至第三相中的該等磁鐵係由一捲曲材料所製成的該等第一至第三個別護套來支撐。
12. 如申請專利範圍第1項之轉子，其中，該護套的重量輕且係最小化該等永久磁鐵以及該定子之間的間隙，用於旋轉該中央轉子軸桿，並且用以在該等磁鐵與該等定子繞線之間提供一電磁通量。
13. 一種用在一具有高力矩尺寸比的無刷直流電機馬達 之中具有實質圓柱狀組態的轉子，該轉子包含一外周圍表面，該轉子包括：一中央轉子軸桿，其具有第一接收表面至第六接收表面；第一相磁鐵，其係被配置成用以配合一定子來提供一磁通量，該等第一相磁鐵在第一位置中包含至少六個磁鐵，該等至少六個磁鐵係徑向設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近；第二相磁鐵，其係被配置成用以配合該定子來提供一磁通量，該等第二相磁鐵在與該第一位置分開的第二位置中包含至少六個磁鐵，該等至少六個磁鐵係徑向設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近；第三相磁鐵，其係被配置成用以配合該定子來提供一磁通量，該等第三相磁鐵在與該第二位置分開的第三位置中包含至少六個磁鐵，該等至少六個磁鐵係徑向設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近，其中該第二位置係位於該等第一位置與第三位置之間；以及一環狀裝置，其係被配置成用以將該等第一相磁鐵至第三相磁鐵中每一者固持在該中央轉子軸桿之上並且在該等第一相磁鐵至第三相磁鐵以及該定子的繞線之間提供一最小間隙距離，用於旋轉該中央轉子軸桿，其中該環狀裝置具有捲曲狀，並且係被組態用於最小 化該定子與該轉子之間的空氣間隙。
14. 如申請專利範圍第13項之轉子，其中，該環狀裝置係一護套，其係徑向延伸在該中央轉子軸桿的至少一部份附近。
15. 如申請專利範圍第13項之轉子，其中，該環狀裝置還進一步包括一第一捲曲護套，其實質上係包圍該等第一相磁鐵。
16. 如申請專利範圍第15項之轉子，其中，該環狀裝置還進一步包括一第二捲曲護套，其實質上係包圍該等第二相磁鐵。
17. 如申請專利範圍第16項之轉子，其中，該環狀裝置還進一步包括一第三捲曲護套，其實質上係包圍該等第三相磁鐵。
18. 如申請專利範圍第13項之轉子，其中，該等第一相磁鐵至第三相磁鐵係具有交錯北極-南極組態的永久磁鐵。
19. 一種具有高力矩尺寸比的無刷直流電機馬達，該馬達包含一轉子，其具有一中央旋轉縱軸；一定子，用以界定一中央定位的縱向開口；以及一軸承，用於將該轉子支撐在該定子之中並且用以讓該轉子繞著該中央旋轉縱軸來旋轉，該電機馬達包括：一中央轉子軸桿，其具有第一接收表面至第六接收表面；第一相磁鐵，其係被配置成用以配合該定子來提供一電磁通量，該等第一相磁鐵在第一位置中包含至少六個磁 鐵，該等至少六個磁鐵係徑向設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近；第二相磁鐵，其係被配置成用以配合該定子來提供一電磁通量，該等第二相磁鐵在與該第一位置分開的第二位置中包含至少六個磁鐵，該等至少六個磁鐵係徑向設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近；第三相磁鐵，其係被配置成用以配合該定子來提供一電磁通量，該等第三相磁鐵在與該第二位置分開的第三位置中包含至少六個磁鐵，該等至少六個磁鐵係徑向設置在該中央轉子軸桿的該等第一接收表面至第六接收表面中每一者附近，其中該第二位置係位於該等第一位置與第三位置之間；以及複數個護套，其係被配置成用以將該等第一相磁鐵至第三相磁鐵中每一者固持在該中央轉子軸桿之上，該等護套還會在該等第一相磁鐵至第三相磁鐵以及該定子之間提供一最小間隙距離，用以在定子繞線與該等第一相至第三相之間提供該電磁通量並且用以旋轉該中央轉子軸桿，其中該等護套具有捲曲狀，並且係被組態用於最小化該定子與該轉子之間的空氣間隙。
20. 如申請專利範圍第19項之電機馬達，其中，該等第一相磁鐵至第三相磁鐵中每一者均係直接被連接至該等個別的第一接收表面至第六接收表面。
21. 如申請專利範圍第20項之電機馬達，其中，該等第 一相磁鐵至第三相磁鐵中每一者係彼此偏移一預設徑向數額，且其中，該等磁鐵係耐熱，並且係被該等個別複數個護套以該偏移組態的方式固定在正確的位置處。
22. 一種將永久磁鐵連接至一被配置成用於一具有轉輪組態之無刷直流電機馬達的轉子輸出軸桿的方法，該方法包括：以交錯的北極-南極組態將至少兩個永久磁鐵放置在該轉子軸桿的一平面表面之上；以及捲曲一材料，用以實質包圍該等至少兩個永久磁鐵並且將該等至少兩個永久磁鐵固定在該轉子輸出軸桿之上的正確位置處，用以最小化定子與轉子之間的空氣間隙，以便在複數個定子繞線與該等至少兩個永久磁鐵之間提供一電磁通量。