TWI467889B - 複合式永磁同步電機 - Google Patents

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Jonq Chin Hwang
Chun Yu Hsiao
Sheng Nian Yeh
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Univ Nat Taiwan Science Tech
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Description

複合式永磁同步電機
本發明係與一種複合式永磁同步電機有關，尤指一種可任意切換為三相、六相或九相之不同的相位，而可與不同電壓110/220/440V之市電側進行並聯的複合式永磁同步電機。
電能對人類而言，已經成為一種不可或缺的能源。以目前而言，火力發電仍是目前世界上發電廠最多發電量也最大的一種發電方式。火力發電主要是以燃繞煤、石油、天然氣等化石燃料，來加熱水並產生蒸氣以推動發電機。然而，火力發電會對環境造成相當大的負擔，例如增加二氧化碳或增加酸雨機率等。
另外，核能發電亦是目前世界上相當常用的一種發電方式。核能發電是利用可控制的核反應來獲取能量，從而得到動力、熱量和電能。然而核能發電最大的缺點就是核廢料的處理。核廢料具有放射性，因此放射性廢料都需要與外界隔絕。雖然物質的放射性會隨時間而減弱，但核能發電所產發的核廢料通常需要封存數年，而某些高級廢料則有可能需要封藏上千年。
此外，由於全球能源日漸消耗，根據美國能源部經由美國能源資訊協會的國際能源展望2006年報告預測，在2003年到2030年，全球能源消秏將以每年成長2%的速度成長。相較之下，全球風力發電系統亦隨之快速成長，而由1995年的4.8GW到2005年的58GW平均每年成長24%，因此提高風力發電系統提高效率以及減少其之重量和體積便成為相關領域之未來發展趨勢。
風力發電是利用空氣流動來做功，並進而提供給人類一種可利用的能量。當空氣流速越高，動能就越大。人們可以用風車把風的動能轉化為旋轉的動作，來推動發電機以產生電力。相較於火力或是核能發電。風力發電於對環境的汙染相對較低，也不會有廢料的問題需要處理，再者，風能是大自然中取之不盡能源，亦不受到石化能源短缺的影響。
於風力發電系統中，由於其之發電機側的電流諧波很高，因此將對其發電機產生不良的影響，而造成例如機械效率的降低、諧波頻率易造成鐵損與銅損而導致發電機容易過熱、轉矩的損耗、產生噪音以及最後產生機械震動等等問題。因此，如何有效降低發電機側的電流諧波以提高效率，係為風力發電系統中，更甚至是所有發電系統中極欲改善的一問課題。
傳統上，電機結構多以三相電機結構為主，例如常見的三相發電機、或三相電動機。再者，為隨著科技的進步與人類用電量的提升，傳統的三相電機結構已無法滿足需求。因此，具有六相結構的電機結構便因應而生。除此之外，更有研究做出具有三相及六相切換的電機結構，除可 再提高導體的的利用率，亦可提高電機結構運轉時的可靠度及安全性。
然而，具有三相及六相切換的電機結構亦已無法達到現今業界的需求，業界極需要一種創新的電機結構。因此，本發明之發明人乃研發出一種創新的複合式電機結構，其係具有可任意切換至三相、六相或九相等之不同的相位。其中，由於單一九相電機結構係為一創新的電機結構，因為其之特殊的槽極數配置及電工角度的匹配等問題，使得九相電機結構在製作上便具有相當的難度，更不用說是建構出可進一步與三相及六相進行切換的電機結構。本發明之發明人係克服前述習知技藝之問題與困難，而進一步研發出本發明之可任意切換至三相、六相或九相的複合式電機結構，其不僅可適用於風力發電機中，亦可適用於任何電機結構中，實為業界帶來創新的發明。
本發明之一目的在於提供一永磁同步電機模組，俾使本發明之永磁同步電機模組能任意切換為三相、六相或九相之不同的相位。
本發明之另一目的在於提供一種複合式永磁同步電機，俾使本發明之複合式永磁同步電機能任意切換為三相、六相或九相之不同的相位。
本發明之再一主要目的在於提供一種複合式永磁同步電機，俾以使此複合式永磁同步電機能與不同電壓110/220/440V之市電側作並聯，亦可降低發電機之漣波因素，進而降低發電機在運轉時之噪音，同時提升發電機之輸出效率。
為達成上述目的，本發明之複合式永磁同步電機包括：一轉子單元；以及一定子單元，此定子單元係將此轉子單元包圍於其中；其中，此轉子單元係設置有P個轉子磁石，此定子單元則具有S個槽，其中，P係代表前述之永磁同步電機模組(或前述之複合式永磁同步電機)之極數，而S則代表其之槽數；此外相鄰之兩槽之間並具有一齒部，每一此等齒部均有一線圈纏繞於其上；其中，P為38N、S為36N，而N係為正整數；或P為34M、S為36 M，而M係為正整數。
為達成上述目的，本發明之複合式永磁同步電機包括：一永磁同步電機模組，此永磁同步電機模組包含一轉子單元及一定子單元，且此定子單元係將此轉子單元包圍於其中；一底座，此底座具有一容置部；一頂蓋，此頂蓋具有一前表面，並且係與此底座結合，以將此永磁同步電機模組夾置於此頂蓋與此底座之間；以及一軸承，此軸承係穿透此前表面，且與此轉子單元連接；其中，此轉子單元係設置有P個轉子磁石，此定子單元則具有S個槽；相鄰之兩槽之間並具有一齒部，每一此等齒部均有一線圈纏繞於其上；其中，P為38N、S為36N，而N係為正整數；或P為34M、S為36 M，而M係為正整數。
本發明之複合式電機結構，不僅可適用於風力發電機中，亦可適用於任何電機結構中，同時其亦可依需求切換至三相、六相或九相等不同相位之特性，而為該等電機結構提供了更多使用上的彈性，此外，由於本發明之電機結構可以進一步分別用來建構三相、六相或九相的電機結構，因此其可以使得相同的製作模具，具備更為廣泛的應用範圍，進一步降低製作成本。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。此外，本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，且本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，而在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
本發明之複合式永磁同步電機包括：一轉子單元；以及一定子單元，此定子單元係將此轉子單元包圍於其中；其中，此轉子單元係設置有P個轉子磁石，此定子單元則具有S個槽，其中，P為38N、S為36N，而N係為正整數；或P為34M、S為36 M，而M係為正整數。然而，在下述的說明內容中為了簡化相關說明，申請人擬分別就38極36槽以及34極36槽等之槽極比的結構來進行例示說明本發明之接線法，至於其他倍數之槽極比的接線法，習於此藝者自可由本案之揭示內容加以推演與變化，故不於此贅述。
實施例1：38極36槽永磁同步電機模組
請參閱圖1，圖1係為本發明實施例1之38極36槽永磁同步電機模組之轉子極數/定子槽數搭配態樣的示意圖。如圖1所示，於本發明實施例1之38極36槽永磁同步電機模組11中，其之轉子單元111係配置有38個轉子磁石1111，且這38個轉子磁石1111係由永久磁鐵所構成，其之材質可為銣鐵硼或氧化鐵。
但需注意的是，構成這些永久磁鐵的磁石材料可以包括(但不限於)：銣鐵硼(Nd-Fe-B)、氧化鐵(Ferrite)、釤鈷(SmCo)、或鋁鎳鈷(AlNiCo)等材料，但是前述之38個轉子磁石1111係較佳地由銣鐵硼所構成。除此之外，為了增加永磁同步電機模組11的運作效率，轉子單元111其具有一轉子矽鋼片1112，且轉子矽鋼片1112係位於前述之38個轉子磁石1111的內側。
另一方面，如圖1所示，永磁同步電機模組11之定子單元112則設置有36個槽1121，相鄰之兩個槽1121之間係具有一齒部1123。意即，定子單元112係具有36個齒部1123。再者，定子單元112更具有一設置於這36個槽1121之外側的定子矽鋼片1122。此外，這36個齒部1123係分別有一線圈纏繞於其上。除此之外，在本發明之永磁同步電機模組中，係利用38極36槽的搭配，藉此該等36個線圈係可以一多相定子繞組接線法來互相接線，並藉由此一多相定子繞組接線法，而使得本發明實施例1之38極36槽永磁同步電機模組能任意切換至三相、六相或九相等之不同的相位，俾能與不同電壓110/220/440V之市電側進行並聯。需再注意的是，上述之轉子矽鋼片1112與定子矽鋼片1122的設置並非為必要，此二矽鋼片係在進一步提高本發明實施例1之38極36槽永磁同步電機模組之效率，並不為本發明實施例1之38極36槽永磁同步電機模組能任意切換至三相、六相或九相等之不同的相位所需之必要元件。
以下將就前述之多相定子繞組接線法之接線方式進行詳細的說明。首先，請再參考圖1，其中所示之1至36的編號係為徑向定子單元112所具之36個齒部1123的編號，至於編號的方法則為：先任意選定一齒部為基準齒部，且將此基準齒部的編號訂為1。隨後，再以逆時針方向的順序，依序將剩下的35個齒部編上2至36的編號。如此，便可將所有36個齒部一一編號完畢。上述之编號方向並不侷限於逆時針方向，亦可為順時針方向。
隨後，請再參閱圖2，圖2係為本發明實施例1之38極36槽永磁同步電機模組之使用示意圖。如圖2所示，每一齒部1123皆有一線圈21纏繞於其上。需注意的是，線圈21係較佳地係先纏繞於一例如一絕緣之絕緣單元(圖中未示)上，再將絕緣單元套設於齒部1123。然而，將線圈先纏繞於一絕緣單元上再套設至齒部係為本發明所屬技術領域中慣用之技術手段，在此便不再贅述其實施方式。
接著，將每一纏繞於齒部1123上之線圈拉出2條接線端22。如圖2所示，圖2中之38極36槽永磁同步電機模組係具有36個齒部，每一齒部均纏繞有一線圈，因此其總共纏繞有36個線圈。再者，每一線圈均具有2條接線端，而因此其總共有72條接線端。而此72條接線端皆係連接至一切換裝置23。
其中，切換裝置23係用以切換本發明之38極36槽永磁同步電機模組之相位，意即切換裝置23係用於將本發明之38極36槽永磁同步電機模組，切換至三相、六相、或九相。當切換裝置23將本發明38極36槽永磁同步電機模組切換至三相時，切換裝置23係將前述之72條接線端，依三相之接線法進行接線以達成三相之功效。
更進一步來說，此三相之接線法接線係可為串聯式三相接線法、或為並聯式三相接線法。請參閱圖3a，圖3a係為本發明之38極36槽永磁同步電機模組之定子單元，所採用之三相串聯式定子繞組接線法之接線示意圖。其中，上述之串聯式三相接線法，可以使得本發明之38極36槽永磁同步電機模組，形成一包含abc三相之繞組，並藉此構成一三相串聯式永磁同步電機。詳言之，其係藉由將纏繞於此定子單元112之第1齒部、第2齒部、第3齒部、第4齒部、第5齒部、第6齒部、第19齒部、第20齒部、第21齒部、第22齒部、第23齒部、第24齒部之線圈依序進行接線，以構成此a相繞線；並將纏繞於此定子單元112之第13齒部、第14齒部、第15齒部、第16齒部、第17齒部、第18齒部、第31齒部、第32齒部、第33齒部、第34齒部、第35齒部、第36齒部之線圈依序進行接線，以構成此b相繞線；同時藉由將纏繞於此定子單元112之第7齒部、第8齒部、第9齒部、第10齒部、第11齒部、第12齒部、第25齒部、第26齒部、第27齒部、第28齒部、第29齒部、第30齒部之線圈依序進行接線，以構成此c相繞線。需注意的是，依據上述圖3a所示之接線法，可使本發明之38極36槽永磁同步電機模組，將會形成一三相串聯式永磁同步電機。其中，a相繞線、b相繞線及c相繞線三者之間的相位差係均為120度。
接著，請參閱圖3b，圖3b係為本發明之38極36槽永磁同步電機模組之徑向定子單元，所採用之三相並聯式定子繞組接線法之接線示意圖。其中，上述之並聯式三相接線法，係使得本發明之38極36槽永磁同步電機模組，形成一包含abc三相之繞組，並藉此構成一三相並聯式永磁同步電機。詳言之，其係藉由將纏繞於此定子單元112之第1齒部、第2齒部、第3齒部、第4齒部、第5齒部、第6齒部之線圈依序進行接線而構成之一a1 繞線、以及一將纏繞於此定子單元112之第19齒部、第20齒部、第21齒部、第22齒部、第23齒部、第24齒部之線圈依序進行接線而構成之一a2 繞線相互加以並聯，意即將此a1 繞線及此a2 繞線並聯以構成該a相繞線；將纏繞於此定子單元112之第13齒部、第14齒部、第15齒部、第16齒部、第17齒部、第18齒部之線圈依序進行接線而構成之一b1 繞線、以及一將纏繞於此徑向定子單元112之第31齒部、第32齒部、第33齒部、第34齒部、第35齒部、第36齒部之線圈依序進行接線而構成之一b2 繞線相互加以並聯，意即將此b1 繞線及此b2 繞線並聯以構成該b相繞線；將纏繞於此定子單元112之第7齒部、第8齒部、第9齒部、第10齒部、第11齒部、第12齒部之線圈依序進行接線而構成之一c1 繞線、以及一將纏繞於此定子單元112之第25齒部、第26齒部、第27齒部、第28齒部、第29齒部、第30齒部之線圈依序進行接線而構成之一c2 繞線相互加以並聯，意即將且此c1 繞線及此c2 繞線並聯以構成該c相繞線。需注意的是，依據上述圖3b所示之接線法，可使本發明之38極36槽永磁同步電機模組，將會形成一三相並聯式永磁同步電機。其中，a相繞線、b相繞線及c相繞線三者之間的相位差係均為120度。
再者，當切換裝置23將本發明之38極36槽永磁同步電機模組切換至六相時，切換裝置23係將72條接線端依據六相之接線法加以接線以達成六相之功效。
如圖4所示，前述之六相之接線法係用以使得本發明之38極36槽永磁同步電機模組，形成一包含abc三相之第一繞組以及一包含xyz三相之第二繞組，並藉此構成一六相永磁同步電機。詳細言之，其係藉由將纏繞於此定子單元112之第1齒部、第2齒部、第3齒部、第19齒部、第20齒部、第21齒部之線圈依序接線，以構成此a相繞線；並將纏繞於此定子單元112之第13齒部、第14齒部、第15齒部、第31齒部、第32齒部、第33齒部之線圈依序接線，以構成此b相繞線；同時藉由將纏繞於此定子單元112之第7齒部、第8齒部、第9齒部、第25齒部、第26齒部、第27齒部之線圈依序接線，以構成此c相繞線。再者，將纏繞於此定子單元112之之第4齒部、第5齒部、第6齒部、第22齒部、第23齒部、第24齒部之線圈依序接線，以構成此x相繞線；並纏繞於此定子單元112之第16齒部、第17齒部、第18齒部、第34齒部、第35齒部、第36齒部之線圈依序接線，以構成此y相繞線；同時藉由將纏繞於此定子單元112之第10齒部、第11齒部、第12齒部、第28齒部、第29齒部、第30齒部之線圈依序接線，以構成此z相繞線。需注意的是，依據上述圖4所示之接線，本發明之38極36槽永磁同步電機模組將會形成一六相永磁同步電機。其中，此第二繞組之x相繞線、y相繞線及z相繞線三者之間的相位差係均為120度，而此一介於此第一繞組之a相繞線及此第二繞組之x相繞線之間的相位差係為30度。
此外，當切換裝置23將本發明之38極36槽永磁同步電機模組切換至九相時，切換裝置23係將72條接線端依據九相之接線法接線以達成九相之功效。
如圖5所示，前述之九相的接線法係用以使得本發明之38極36槽永磁同步電機模組，形成一包含abc三相之第一繞組、一包含uvw三相之第二繞組及一包含xyz三相之第三繞組，並藉此構成一九相永磁同步電機。詳言之，其係藉由將纏繞於此定子單元112之第1齒部、第2齒部、第19齒部、第20齒部之線圈依序接線，以構成此a相繞線；並將纏繞於此定子單元112之第13齒部、第14齒部、第31齒部、第32齒部之線圈依序接線，以構成此b相繞線；同時藉由將纏繞於此定子單元112之第7齒部、第8齒部、第25齒部、第26齒部之線圈依序接線，以構成此c相繞線。再者，將纏繞於此定子單元112之第5齒部、第6齒部、第23齒部、第24齒部之線圈依序接線，以構成此x相繞線；並將纏繞於此定子單元112之第17齒部、第18齒部、第35齒部、第36齒部之線圈依序接線，以構成此y相繞線；同時藉由將纏繞於此定子單元112之第11齒部、第12齒部、第29齒部、第30齒部之線圈依序接線，以構成此z相繞線。此外，將纏繞於此定子單元112之第3齒部、第4齒部、第21齒部、第22齒部之線圈依序接線，以構成此u相繞線；並將纏繞於此定子單元112之第15齒部、第16齒部、第33齒部、第34齒部之線圈依序接線，以構成此v相繞線；同時藉由將纏繞於此定子單元112之第9齒部、第10齒部、第27齒部、第28齒部之線圈依序接線，以構成此w相繞線。需注意的是，依據上述圖5所示之接線法，本發明之38極36槽永磁同步電機模組便會形成一九相永磁同步電機。其中，此第三繞組之u相繞線、v相繞線及w相繞線三者之間的相位差係均為120度，而此一介於此第二繞組之x相繞線及此第三繞組之u相繞線之間的相位差係為20度。
除此之外，前述之多相定子繞組接線法(三相、六相、九相接線法)於各齒部上之繞組方向、匝數均係相同，是以其係藉由外部之接線方式，並依前述之三相、六相、或九相之接線方式，來形成一可任意切換為三相、六相、或九相之38極36槽永磁同步電機模組。
因此，切換裝置23係將本發明之38極36槽永磁同步電機模組切換至三相、六相、或九相之不同的相位。如此一 來，於不同的應用場合下，可任意切換本發明之38極36槽永磁同步電機模組之相位來滿足不同的需求。
綜上所述，於本實施例中，纏繞於每一齒部1123上的線圈21係拉出2條接線端至切換裝置23，以使其得以切換至不同之相位。例如，當切換裝置23將本發明之38極36槽永磁同步電機模組切換至三相時，切換裝置23係將線圈21之接線端依如圖3a或3b所示之接線方式接線；當切換裝置23將本發明之38極36槽永磁同步電機模組切換至六相時，切換裝置23係將線圈21之接線端依如圖4所示之接線方式接線；而例如當切換裝置23將本發明之38極36槽永磁同步電機模組切換至九相時，切換裝置23係將線圈21之接線端依如圖5所示之接線方式接線。
實施例2：34極36槽永磁同步電機模組
請參閱圖6，圖6係為本發明實施例2之永磁同步電機模組之轉子極數/定子槽數搭配態樣的示意圖。如圖6所示，於本發明實施例2之永磁同步電機模組61中，其轉子單元611係配置有34個轉子磁石6111，且這34個轉子磁石6111係由永久磁鐵所構成，其之材質可為銣鐵硼或氧化鐵。
但需注意的是，構成這些永久磁鐵的磁石材料可以包括(但不限於)：銣鐵硼(Nd-Fe-B)、氧化鐵(Ferrite)、釤鈷(SmCo)、或鋁鎳鈷(AlNiCo)等材料，但是前述之34個轉子磁石6111係較佳地由銣鐵硼所構成。除此之外，為了增加永磁同步電機模組61的運作效率，轉子單元611具有一轉子矽鋼片6112，且轉子矽鋼片6112係位於前述之34個轉子磁石6111的內側。
另一方面，如圖6所示，永磁同步電機模組61之定子單元612則設置有36個槽6121，相鄰之兩個槽6121之間係具有一齒部6123。意即，定子單元612係具有36個齒部6123。再者，定子單元612更具有一設置於這36個槽6121之外側的定子矽鋼片6122。此外，這36個齒部6123係分別有一線圈纏繞於其上。除此之外，在本發明之永磁同步電機模組中，係利用34極36槽的搭配，因此，這36個線圈係可以一多相定子繞組接線法而互相接線，並藉由多相定子繞組接線法而使得本發明實施例2之34極36槽永磁同步電機模組能任意切換至三相、六相或九相等之不同的相位，俾能與不同電壓110/220/440V之市電側進行並聯。
其中，需注意的是，本發明實施例2之34極36槽永磁同步電機模組的實施方式，係與本發明實施例1之38極36槽永磁同步電機模組的實施方式相似，其等皆係利用槽極數的搭配來達成可以在三相、六相、或九相等不同相位之間切換之功效。其等之間的差異處係在於：若選用34極36槽為基準之槽極數搭配，其之接線法係與圖3a、圖3b、圖4、及圖5中所示之接線法相同，並再將圖3a、圖3b、圖4、及圖5所示之b相與c相對調即可適用於34極36槽之槽極數搭配。
實施例3：38極36槽複合式永磁同步電機
請參閱圖7，其係為本發明實施例3之複合式永磁同步電機之爆炸示意圖。如圖7所示，本發明之複合式永磁同步電機係包括：一永磁同步電機模組71、一底座72、一頂蓋73、及一軸承74。其中，永磁同步電機模組71係包含一轉子單元711及一定子單元712，且定子單元712係將轉子單元711包圍於其中，藉以構成業界所謂之「內轉式架構」。此外，底座72係具有一容置部721。如圖7所示，本發明之複合式永磁同步電機之底座72與頂蓋73，係將前述之永磁同步電機模組71夾置於兩者之間。除此之外，頂蓋73係具有一前表面731，軸承74則係穿透頂蓋73之前表面731，而與轉子單元711連接。
需注意的是，於本發明實施例3之複合式永磁同步電機中，永磁同步電機模組71係可選用實施例1之38極36槽永磁同步電機模組、亦或可選用實施例2之34極36槽永磁同步電機模組。較佳地，於本發明實施例3之複合式永磁同步電機中，永磁同步電機模組71係選用實施例1之38極36槽永磁同步電機模組。
由實施例1中之說明可知，在本發明之複合式永磁同步電機中，這36個位於齒部上的線圈係利用前述之接線方式，並再配合一切換裝置來進行三相、六相及九相之間的切換作業，進而使其可與不同電壓110/220/440V之市電側搭配並進行並聯。此外，本發明之複合式永磁同步電機其之應用範圍相當廣泛，例如其可用於風力發電系統中，亦可用於洋流發電機中。再者，在將本發明之複合式永磁同步電機用來作為電動機使用時，其亦可應用在電動車、通用風扇、抽水泵浦等等中。由上述說明可知，本發明之複合式永磁同步電機之用途係非常廣泛。
除此之外，因為本發明具有之可切換成三相、六相及九相之特性，可以使得本發明之複合式永磁同步電機可適用於任何發電機或電動機系統中，並使得發電機或電動機系統達到高效率與高穩定性。
此外，本發明之複合式永磁同步電機亦可配合一全橋式二極體整流器以作為一發電機使用，並可與不同電壓110/220/440V之市電側進行並聯。如此一來，發電機便不需額外的控制，即可降低直流匯流排(DC-BUS)電流及電壓漣波成分，以減少發電機的抖動及噪音。同時，亦可減少直流電容使用容量以及減少發電機的製作成本，並提高發電機的效率。本發明之複合式永磁同步電機亦可搭配使用薄膜型電容器，以提高發電機的使用壽命。
再者，當本發明之複合式永磁同步電機運用於風力發電系統中時，在低風速時，三相並聯式繞組法或六相繞組法中的第一組三相，可與第二組的三相串聯以提高感應電動勢(意即於六相繞組中，將abc繞組與xyz繞組串聯；或於三相並聯式繞組中，將a1、b1、c1繞組分別與a2、b2、c2繞組串聯)；而在高風速時，三相並聯式繞組法或六相繞組法中的第一組三相可與第二組的三相並聯(意即於六相繞組中，將abc繞組與xyz繞組並聯；或於三相並聯式繞組中，將a1、b1、c1繞組分別與a2、b2、c2繞組並聯)，以滿足負載端所需，而感應所產生之多餘的電能則可搭配一額外的電池而儲存起來，如此即可達到高效率及多應用之性能。而上述之電池可以例如為鉛酸電池或鋰鐵電池。
綜上所述，本發明之複合式永磁同步電機係利用特殊之槽極比(如前述之38極36槽、34極36槽、或此二槽極比之倍數)，並搭配不同的接線方法來可達成一可以於三相、六相或九相之不同的相位間進行切換之複合式永磁同步電機。並於配合一切換裝置下，即可輕易藉由變更接線方式而切換成三相、六相或九相之不同的相位。再者，因本發明之複合式永磁同步電機同時具有三種不同的相位可供切換使用，使得本發明之複合式永磁同步電機於使用於例如發電機時，可降低發電機之漣波，進而降低發電機在運轉時之噪音，同時提升發電機之輸出效率。
例如，當本發明之複合式永磁同步電機從三相被切換至六相時，三相中之abc繞組接線即變為六相中之abc繞組與xyz繞組接線，而於三相中之±440V電壓波即降為六相中之±220V電壓波。如此，於±440V電壓波上之漣波即可被抑制。再者，當本發明之複合式永磁同步電機從六相被切換至九相時，六相中之abc與xyz繞組接線即變為九相中之abc繞組、xyz繞組、與uvw繞組接線，而於六相中之±220V電壓波即降為九相中之±110V電壓波。如此，於±220V電壓波上之漣波亦可被抑制，以達成降低漣波之功效。
需再注意的是，上述之三相/六相/九相接線法係以38極36槽為基準之槽極數搭配為例。若選用34極36槽為基準之槽極數搭配，其之接線法係與圖3a、圖3b、圖4、及圖5中所示之接線法相同，僅需將圖3a、圖3b、圖4、及圖5所示之b相與c相對調，即可適用於34極36槽之槽極數搭配。而其他實施方式係已於先前之段落說明，因此亦不再贅述。
再者，本發明之複合式永磁同步電機係可用於一風力發電系統中，其可直接耦合於一低速風車而不需額外的增速齒輪箱。而且，在額定轉速下，同一個發電機即可達到與不同電壓110/220/440V之市電側進行並聯之目的，藉此將可改善一般傳統常用的三相定子繞線的接線方法，亦可降低發電機之漣波因素，同時降低發電機運轉時之噪音並提升發電機之輸出效率。
需注意的是，於本發明之永磁同步電機模組(或複合式永磁同步電機)中，槽極數的搭配並不限於上述實施例中所用之槽極數(即實施例1之38極36槽、以及實施例2之34極36槽)，而是可以視需求而選更多的極數與槽數。例如，若槽極數以38極36槽為基礎，則可選用其倍數之76極72槽；而若槽極數以34極36槽為基礎，則可選用其倍數之68極72槽。
再者，於本發明之永磁同步電機模組(或複合式永磁同步電機)中，永磁同步電機模組並無限定為何種形式。然而，於前述之實施例中，永磁同步電機模組係為一徑向磁通型永磁同步電機模組，而徑向磁通型永磁同步電機模組中之轉子單元與定子單元，則分別為一徑向轉子單元與一徑向定子單元。
除此之外，轉子單元更佳可為一內轉式徑向轉子單元、或為一外轉式徑向轉子單元；而定子單元則更佳地可為一內轉式徑向定子單元、或為一外轉式徑向定子單元。
另外，此轉子單元係較佳地具有一徑向轉子矽鋼片，而此定子單元則係較佳地具有一徑向定子矽鋼片。其中，此徑向轉子矽鋼片及此徑向定子矽鋼片，係較佳地由矽鋼片或複合軟磁材質所構成。此外，此徑向轉子矽鋼片以及此徑向定子矽鋼片之厚度，係較佳地介於0.13至0.6 mm之間。
由上述說明可知，於本發明之永磁同步電機模組(或複合式永磁同步電機)中，係可選用38極36槽、或34極36槽為基礎(但不限於上述之槽極數，例如可為前述之成倍數關係之槽極數)，並藉由此一槽極數的搭配，而使得上述之齒部上纏繞的線圈，可藉由不同的接線方法而接出三相、六相、或九相之不同的相位，而上述之接線方法即為前述之多相定子繞組接線法，其可進一步區分為三相接線法、六相接線法、或九相接線法。再者，本發明之永磁同步電機模組(或複合式永磁同步電機)係可搭配一切換裝置使用，而此切換裝置係較佳地用以將本發明之永磁同步電機模組(或複合式永磁同步電機)，切換至三相、六相、或九相之不同的相位，以與不同電壓110/220/440V之市電側進行並聯。需再注意的是，前述之三相接線法係可為串聯式三相接線法、或為並聯式三相接線法。
上述各個實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
11、61、71．．．永磁同步馬達模組
111、611、711．．．轉子單元
112、612、712．．．定子單元
1111、6111．．．轉子磁石
1112、6112．．．轉子矽鋼片
1122、6122．．．定子矽鋼片
1121、6121．．．槽
1123、6123．．．齒部
21．．．線圈
22．．．接線端
23．．．切換裝置
72．．．底座
73．．．頂蓋
74．．．軸承
721．．．容置部
731．．．前表面
圖1係本發明實施例1之38極36槽永磁同步電機模組之轉子極數/定子槽數搭配態樣的示意圖。
圖2係本發明實施例1之38極36槽永磁同步電機模組之使用示意圖。
圖3a係本發明之38極36槽永磁同步電機模組之徑向定子單元，所採用之三相串聯式定子繞組接線法之接線示意圖。
圖3b係為本發明之38極36槽永磁同步電機模組之徑向定子單元，所採用之三相並聯式定子繞組接線法之接線示意圖。
圖4係為本發明之38極36槽永磁同步電機模組之徑向定子單元，所採用之六相定子繞組接線法之接線示意圖。
圖5係本發明之38極36槽永磁同步電機模組之徑向定子單元所採用之九相定子繞組接線法之接線示意圖。
圖6係本發明實施例2之永磁同步電機模組之轉子極數/定子槽數搭配態樣的示意圖。
圖7係為本發明實施例3之複合式永磁同步電機之爆炸示意圖。
11．．．永磁同步馬達模組
111．．．轉子單元
112．．．定子單元
1111．．．轉子磁石
1112．．．轉子矽鋼片
1122．．．定子矽鋼片
1121．．．槽
1123．．．齒部

Claims (12)

  1. 一種永磁同步電機模組，包括：一轉子單元；以及一定子單元，該定子單元係將該轉子單元包圍於其中，並包括第1至第36齒部；其中，該轉子單元係設置有P個轉子磁石，該定子單元則具有S個槽；相鄰之兩槽之間並具有一齒部，每一該等齒部均有一線圈纏繞於其上；其中，P為38N、S為36N，而N係為正整數；或P為34M、S為36M，而M係為正整數；一開關裝置連接至該等齒部上的線圈用以切換該永磁同步電機模組為不同相位，其係藉由將該等線圈連接為三相連接、六相連接及九相連接其中之一；當在N=1及M=1的情況下，該九相接法使得該永磁同步電機模組形成一包含abc三相之第一繞組、一包含uvw三相之第二繞組及一包含xyz三相之第三繞組；其中於該九相接法下，該a相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第1齒部、第2齒部、第19齒部及第20齒部之線圈依序接線所構成；該b相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第13齒部、第14齒部、第31齒部及第32齒部之線圈依序接線所構成；該c相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第7齒部、第8齒部、第25齒部及第26齒部之線圈依序接線所構成；該x相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第5齒部、第6齒部、第23齒部及第24齒部之線圈依序接線所構成；該y相 繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第17齒部、第18齒部、第35齒部及第36齒部之線圈依序接線所構成；該z相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第11齒部、第12齒部、第29齒部及第30齒部之線圈依序接線所構成；該u相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第3齒部、第4齒部、第21齒部及第22齒部之線圈依序接線所構成；該v相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第15齒部、第16齒部、第33齒部及第34齒部之線圈依序接線所構成；該w相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第9齒部、第10齒部、第27齒部及第28齒部之線圈依序接線所構成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之永磁同步電機模組，其中，該轉子單元具有一轉子矽鋼片，該定子單元則具有一定子矽鋼片，且該轉子矽鋼片及該定子矽鋼片係由矽鋼片或複合軟磁材質所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之永磁同步電機模組，其中，該轉子單元係為一內轉式徑向轉子單元、或為一外轉式徑向轉子單元。
  4. 一種複合式永磁同步電機，包括：一永磁同步電機模組，該永磁同步電機模組係包含一轉子單元及一定子單元，且該定子單元係將該轉子單元包圍於其中，並包括第1至第36齒部；一底座，該底座具有一容置部； 一頂蓋，該頂蓋具有一前表面，且係與該底座結合，以將該永磁同步電機模組夾置於該底座與該頂蓋之間；以及一軸承，係穿透該前表面，且與該轉子單元連接；其中，該轉子單元係設置有P個轉子磁石，該定子單元則具有S個槽；相鄰之兩槽之間並具有一齒部，每一該等齒部均有一線圈纏繞於其上；其中，P為38N、S為36N，而N係為正整數；或P為34M、S為36M，而M係為正整數；一開關裝置連接至該等齒部上的線圈用以切換該永磁同步電機模組為不同相位，其係藉由將該等線圈連接為三相連接、六相連接及九相連接其中之一；當在N=1及M=1的情況下，該九相接法使得該永磁同步電機模組形成一包含abc三相之第一繞組、一包含uvw三相之第二繞組及一包含xyz三相之第三繞組；其中於該九相接法下，該a相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第1齒部、第2齒部、第19齒部及第20齒部之線圈依序接線所構成；該b相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第13齒部、第14齒部、第31齒部及第32齒部之線圈依序接線所構成；該c相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第7齒部、第8齒部、第25齒部及第26齒部之線圈依序接線所構成；該x相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第5齒部、第6齒部、第23齒部及第24齒部之線圈依序接線所構成；該y相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第17齒部、第18齒部、 第35齒部及第36齒部之線圈依序接線所構成；該z相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第11齒部、第12齒部、第29齒部及第30齒部之線圈依序接線所構成；該u相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第3齒部、第4齒部、第21齒部及第22齒部之線圈依序接線所構成；該v相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第15齒部、第16齒部、第33齒部及第34齒部之線圈依序接線所構成；該w相繞線係藉由將纏繞於該定子單元之第9齒部、第10齒部、第27齒部及第28齒部之線圈依序接線所構成。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之複合式永磁同步電機，其中，該轉子單元具有一轉子矽鋼片，該定子單元則具有一定子矽鋼片，且該轉子矽鋼片及該定子矽鋼片係由矽鋼片、或複合軟磁材質所構成。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之複合式永磁同步電機，其中，該轉子單元係為一內轉式徑向轉子單元、或為一外轉式徑向轉子單元。
  7. 一種永磁同步電機模組，包括：一轉子單元；以及一定子單元，該定子單元係將該轉子單元包圍於其中，並包括第1至第36齒部；其中，該轉子單元係設置有P個轉子磁石，該定子單元則具有S個槽；相鄰之兩槽之間並具有一齒部，每一該等齒部均有一線圈纏繞於其上；其中，P為38N、S為36N，而N係為正整數；或P為34M、 S為36M，而M係為正整數；一開關裝置連接至該等齒部上的線圈用以切換該永磁同步電機模組為不同相位，其係藉由將該等線圈連接為三相連接、六相連接及九相連接其中之一；當在N=1及M=1的情況下，該三相接法使得該永磁同步電機模組形成一包含abc三相之第一繞組；其中於該三相接法下，該a相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第1齒部、第2齒部、第3齒部、第4齒部、第5齒部、第6齒部、第19齒部、第20齒部、第21齒部、第22齒部、第23齒部及第24齒部之線圈依序接線所構成；該b相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第13齒部、第14齒部、第15齒部、第16齒部、第17齒部、第18齒部、第31齒部、第32齒部、第33齒部、第34齒部、第35齒部及第36齒部之線圈依序接線所構成；該c相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第7齒部、第8齒部、第9齒部、第10齒部、第11齒部、第12齒部、第25齒部、第26齒部、第27齒部、第28齒部、第29齒部及第30齒部之線圈依序接線所構成。
  8. 一種永磁同步電機模組，包括：一轉子單元；以及一定子單元，該定子單元係將該轉子單元包圍於其中，並包括第1至第36齒部；其中，該轉子單元係設置有P個轉子磁石，該定子單元則具有S個槽；相鄰之兩槽之間並具有一齒部，每一該等齒部均有一線圈纏繞於其上； 其中，P為38N、S為36N，而N係為正整數；或P為34M、S為36M，而M係為正整數；一開關裝置連接至該等齒部上的線圈用以切換該永磁同步電機模組為不同相位，其係藉由將該等線圈連接為三相連接、六相連接及九相連接其中之一；當在N=1及M=1的情況下，該六相接法使得該永磁同步電機模組形成一包含abc三相之第一繞組及一包含xyz三相之第二繞組；其中於該六相接法下，該a相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第1齒部、第2齒部、第3齒部、第19齒部、第20齒部及第21齒部之線圈依序接線所構成；該b相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第13齒部、第14齒部、第15齒部第31齒部、第32齒部及第33齒部之線圈依序接線所構成；該c相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第7齒部、第8齒部、第9齒部、第25齒部、第26齒部及第27齒部之線圈依序接線所構成；該x相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第4齒部、第5齒部、第6齒部、第22齒部、第23齒部及第24齒部之線圈依序接線所構成；該y相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第16齒部、第17齒部、第18齒部、第34齒部、第35齒部及第36齒部之線圈依序接線所構成；該z相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第10齒部、第11齒部、第12齒部、第28齒部、第29齒部及第30齒部之線圈依序接線所構成。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之永磁同步電機模組，其中該x相繞組、該y相繞組及該z相繞組之中任二繞組間的 相位差係120度，以及該a相繞組、該b相繞組及該c相繞組之中任二繞組間的相位差係30度。
  10. 一種複合式永磁同步電機，包括：一永磁同步電機模組，該永磁同步電機模組係包含一轉子單元及一定子單元，且該定子單元係將該轉子單元包圍於其中，並包括第1至第36齒部；一底座，該底座具有一容置部；一頂蓋，該頂蓋具有一前表面，且係與該底座結合，以將該永磁同步電機模組夾置於該底座與該頂蓋之間；以及一軸承，係穿透該前表面，且與該轉子單元連接；其中，該轉子單元係設置有P個轉子磁石，該定子單元則具有S個槽；相鄰之兩槽之間並具有一齒部，每一該等齒部均有一線圈纏繞於其上；其中，P為38N、S為36N，而N係為正整數；或P為34M、S為36M，而M係為正整數；一開關裝置連接至該等齒部上的線圈用以切換該永磁同步電機模組為不同相位，其係藉由將該等線圈連接為三相連接、六相連接及九相連接其中之一；當在N=1及M=1的情況下，該三相接法使得該永磁同步電機模組形成一包含abc三相之第一繞組；其中於該三相接法下，該a相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第1齒部、第2齒部、第3齒部、第4齒部、第5齒部、第6齒部、第19齒部、第20齒部、第21齒部、第22齒部、第23齒部及第24齒部之線圈依序接線所構成；該b相繞組係藉 由將纏繞於該定子單元之第13齒部、第14齒部、第15齒部、第16齒部、第17齒部、第18齒部、第31齒部、第32齒部、第33齒部、第34齒部、第35齒部及第36齒部之線圈依序接線所構成；該c相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第7齒部、第8齒部、第9齒部、第10齒部、第11齒部、第12齒部、第25齒部、第26齒部、第27齒部、第28齒部、第29齒部及第30齒部之線圈依序接線所構成。
  11. 一種複合式永磁同步電機，包括：一永磁同步電機模組，該永磁同步電機模組係包含一轉子單元及一定子單元，且該定子單元係將該轉子單元包圍於其中，並包括第1至第36齒部；一底座，該底座具有一容置部；一頂蓋，該頂蓋具有一前表面，且係與該底座結合，以將該永磁同步電機模組夾置於該底座與該頂蓋之間；以及一軸承，係穿透該前表面，且與該轉子單元連接；其中，該轉子單元係設置有P個轉子磁石，該定子單元則具有S個槽；相鄰之兩槽之間並具有一齒部，每一該等齒部均有一線圈纏繞於其上；其中，P為38N、S為36N，而N係為正整數；或P為34M、S為36M，而M係為正整數；一開關裝置連接至該等齒部上的線圈用以切換該永磁同步電機模組為不同相位，其係藉由將該等線圈連接為三相連接、六相連接及九相連接其中之一；當在N=1及M=1的情況下，該六相接法使得該永磁同步 電機模組形成一包含abc三相之第一繞組及一包含xyz三相之第二繞組；其中於該六相接法下，該a相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第1齒部、第2齒部、第3齒部、第19齒部、第20齒部及第21齒部之線圈依序接線所構成；該b相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第13齒部、第14齒部、第15齒部第31齒部、第32齒部及第33齒部之線圈依序接線所構成；該c相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第7齒部、第8齒部、第9齒部、第25齒部、第26齒部及第27齒部之線圈依序接線所構成；該x相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第4齒部、第5齒部、第6齒部、第22齒部、第23齒部及第24齒部之線圈依序接線所構成；該y相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第16齒部、第17齒部、第18齒部、第34齒部、第35齒部及第36齒部之線圈依序接線所構成；該z相繞組係藉由將纏繞於該定子單元之第10齒部、第11齒部、第12齒部、第28齒部、第29齒部及第30齒部之線圈依序接線所構成。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之永磁同步電機，其中該x相繞組、該y相繞組及該z相繞組之中任二繞組間的相位差係120度，以及該a相繞組、該b相繞組及該c相繞組之中任二繞組間的相位差係30度。
TW100133617A 2011-09-19 2011-09-19 複合式永磁同步電機 TWI467889B (zh)

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