TWI574500B - Axial Flux Motor and Power Control System and Method for Hybrid Vehicle - Google Patents

Description

混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統及其方法

本發明係為一種混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統及其方法，特別是結合現今數位燃油控制系統之現代然機，以燃油控制之線性之輸出入關係來驅控電機，並且精確與快速的滿足負載需求之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統及其方法。

全球污染日益嚴重，引發環保意識的抬頭，近年來研究顯示怠速熄火有助於減少汽車碳排放量，全球新車製造的技術規範，已明文要求新製造的車輛需要具備，怠速熄火系統(start-stop system)裝置，期能減少石油不必要的浪費以及造成的污染，怠速熄火系統(start-stop system)的動力規則不只是改搭特殊得啟動馬達，而是朝著縮減排氣量的方向前進，同時也是更趨近於高度整合的油電混合動力的概念。

怠速熄火系統(start-stop system)裝置係提供當車輛需要額外動力時，不僅引擎的運轉負載降低，電池中儲存的電力也會傳送至扮演電動馬達角色，並且依靠與曲軸連結的MGU-K提供額外的高扭力輸出，將讓整套動力單元的最大動力輸出盡量處在在馬力與扭力最佳平衡的狀態下湧現。

怠速熄火系統車輛的動力來源部份，多是將一般之內燃機引擎連結電動機來完成，在目前工業應用的使用上，永磁無刷電動機已比感應電動機擁有更多吸引人的選擇了，尤其是使用稀土類磁鐵材料，如釹-鐵-硼(neodymium-iron-boron)的永磁電動機，它不只改善了電機的穩態效能，而且在能量密度、動態性能與品質上也有了顯著的改善，再加上近十年來半導體科技的不斷進步，使得永磁無刷電動機相關的驅動電路、控制法則，變為簡單更快速且更精確具有效率，再配合上陸續發展出許多新的控制法則與控制架構，因 此在馬達功率從1~15KW的應用上，永磁無刷電動機已取代了傳統的感應電機與開關磁阻電機(switch reluctance machine)。

永磁無刷馬達由於永久磁鐵與鐵心之齒槽磁交鏈作用，即使當無電流流動時亦會產生喀喀聲之脈動轉矩，此時之轉矩即稱為頓轉轉矩。因此馬達轉矩中頓轉轉矩部分將會導致脈動漣波轉矩產生，馬達在運轉中因而產生噪音、振動與搖擺等情形，這對馬達效率影響很大。尤其是針對高精密控制之機械，很有可能會造成馬達壽命之損耗。

傳統新能源車所使用的無刷馬達具有高轉數、高扭力、高功率密度、反應快、輕薄短小及易於控制的特性，但傳統直流無刷馬達是藉由馬達內部的磁場感測器做為電相轉換機制，此方式會使體積與成本增加，且馬達運轉所產生的溫度熱效應會改變電子零件的特性，而造成電相轉換時機不正常等缺點；因此開始採用無感測器的馬達驅動方式。無感測器馬達的電相轉換機制是依據未激磁相的反電動勢訊號做為電相轉換的基礎，即是利用反電動勢偵測法得知直流無刷馬達轉子的磁極位置。

1979年，美國物理學家Klaus Halbach在利用各種永磁鐵結構產生的磁場做電子加速實驗時，發現了特殊的永磁鐵結構，最先提出一種新型Halbach磁環陣列概念，並逐步完善這種結構，最終形成了所謂的「Halbach磁環」。Halbach磁環是將磁鐵徑向式與平行式排列結合在一起，利用永久磁鐵的分佈來形成正弦磁場，如果忽略端部效應，並把周圍的導磁材料的導磁率看作無窮大，那麼上述永磁體結構最終形成單邊磁場(one-sided field)，這就是Halbach一個顯著的特點。這一特點表示Halbach磁鐵在線性電機中有很好的應用價值。一般磁鐵多採用徑向或平行陣列結構，而Halbach磁環陣列是將徑向與平行陣列結合在一起，則是將永久磁鐵以節段式連結，並對每極之磁鐵以正弦規律充磁，使得磁環表面磁通分佈呈現弦波分佈。將此概念應用於電動機設計上，來改變轉子磁鐵排列方式，Halbach磁環結構方式相較於常規磁鐵結構方式而言，具有更好的磁場氣隙分佈，可減弱電機的齒槽頓轉效應。因此可大幅降 低永磁無刷電動機之頓轉轉矩及漣波轉矩效應，進一步改善電動機震動與噪音問題。而磁遮罩特性，可以減少電動機之漏磁現象，減少電動機對外部環境的電磁干擾，有助於降低成本，使轉子之轉動慣量相對變小，有助於提高電動機之運轉品質。

Halbach磁環陣列具有傳統馬達所不具備的特性包括功率密度大、定轉子不再需要斜槽、永久磁鐵利用率高以及轉子可採用非鐵心材料，分別詳述如下：

功率密度大：相較於傳統永磁電機架構，Halbach磁環分解後的平行磁場與徑向磁場的相互疊加使得另一側的磁場強度大幅度提升，這樣可有效地減小電機的體積，提升電機的功率密度。

定轉子不再需要斜槽：在傳統永磁電機中，由於氣隙磁場不可避免的存在諧波，一般在定轉子架構上採取斜槽結構以削弱其影響。在Halbach電機中，由於氣隙磁場正弦分佈程度較高，諧波含量小，故定轉子無需斜槽。

永久磁鐵利用率高：由於Halbach磁鐵可控制磁力方向，提升了永久磁鐵的利用率。

轉子可採用非鐵心材料：在普通永磁電機當中，由於磁極均為徑向或平行分佈，為了使磁路形成閉合迴路，轉子必須採用鐵磁材料，這樣轉子上的耗損不可避免，因而電機效率不可能保持較高水準。由於Halbach磁鐵遮罩效應所產生的單邊磁場分佈，轉子不再需要採用磁性材料為其提供通路，這樣不僅為轉子的材料提供了較大的選擇空間，而且可以使系統有較低的轉動慣量和較好的快速反應性能。

製作高效率馬達的主要性能指標為電磁轉換率，傳統馬達體積龐大，採用了較普遍的「徑向磁通」技術，以圓柱型的馬達構造，透過內外圈的方式組成，外側為磁鐵、內側為線圈，當圓柱的側面積愈大，所能產生的力矩就更高；如果只是直接降低厚度，環狀側面積也會縮減，就不足以產生能驅動電動車的力矩，如果由『徑向磁通』改為『軸向磁通』，可使馬達變得更為扁 平，不只能在產生相同力矩之下，大幅縮減馬達的厚度，同時還可輸出更高的扭力；也就是在最小的重量與體積下，能產生最大的力矩，提供更強的磁力，達到『高扭力密度』的目標。

可調磁場之軸向薄型馬達結構，具有盤狀定子與盤狀轉子的結構，此軸向磁通馬達動力輸出原理是藉著盤狀定子之電樞通電流形成電磁場，以及盤狀轉子上稀土磁鐵形成的磁場交互切割，使盤狀轉子轉動，馬達得以進行旋轉運動，定子盤與轉子盤之間有一環狀平面氣隙，主要磁力線由磁鐵出發沿軸向流動，經過氣隙到達定子側，再沿軸向回到轉子，經過轉子形成一封閉迴路，磁鐵外圈以軟磁複合材料包圍，而永久磁石材料外圈再繞線圈，藉著調整線圈激發磁力的電流即可調整磁場強度，磁場大小隨著定轉子相對位置不同而產生變化，進而改變馬達輸出之特性，軸向磁通馬達(Axial Flux Permanent Magnet Brushless Motor)在線圈成型部分，採分段電磁陣列技術，減小了定子損耗，並移除了傳統電機中的鐵心，不使用矽鋼片，也就減少了鐵耗及鐵心齒槽帶來的鐵磁飽和效應，在運行區間內馬達的最大轉矩曲線是線性的，可提高馬達轉矩2~3倍。消除了定子、轉子之間的磁拉力，減小了軸承載荷，減小了馬達的機械耗損，這使得馬達電/磁轉換效率可達到93%以上，且同一功率等級下，體積僅傳統馬達的10~30%，且重量為傳統馬達的1/10。

在此種架構下的電動機雖然具有等效作用力半徑大、轉子慣量小、直接驅動與結構簡單的特性，非常適合於混合動力載運工具的相關應用上，軸向磁通馬達比徑向磁通馬達具有更佳的輸出功率與輸出扭矩，也具有更薄的外型及更輕的重量；軸向式馬達(axial-flux motor)有別於一般徑向式馬達(radial-flux motor)，其磁力線流動方向與定子轉軸相互平行，而定子線圈則沿著徑向纏繞，具備了永磁同步馬達基本的特性與優點，在軸向式馬達的應用中，其馬達結構由一組定子繞組搭配單一轉子，但此結構具有馬達作用力不平衡的缺點，因此，藉由改變馬達結構為雙轉子搭配一組定子繞組(外轉式)或雙定子繞 組搭配單一轉子(內轉式)結構，便可使馬達作用力平衡且提升整體效能，也因其特殊結構之設計，可應用於電動載運工具。

軸向Halbach Array電機系統設計，具有低耗損、高效率、馬力大與體積小等優點，內部動力傳動以中空心軸直接連結曲軸轉接盤驅動，外部固定於引擎發電機介面，並透過自動調整對心設計與治具精密組裝配合，達到定子與轉子有相同同心度，在穩定且精準的環境下轉動發電/輸出。

然而，目前之軸向Halbach Array電機系統控制方法，結合傳統的燃機數位控制系統，並無法精確的控制軸向Halbach Array電機系統在d軸與q軸的電流分量，以滿足負載需求。

因此，如何設計出一精確的控制電動機在d軸與q軸的電流分量之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統及其方法，即成為相關設備廠商以及研發人員所共同期待的目標。

本發明人有鑑於習知技術之軸向Halbach Array電機系統控制方法，無法精確的控制軸向Halbach Array電機系統在d軸與q軸的電流分量之缺失，乃積極著手進行開發，以期可以改進上述既有之缺點，經過不斷地試驗及努力，終於開發出本發明。

本發明之第一目的，係提供一種結合燃機數位線性之輸出入關係來驅控電機，並且精確與快速的滿足負載需求之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統。

本發明之第二目的，係提供一種線性之輸出入關係來驅控電機，並且精確與快速的滿足負載需求之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法。

為了達成上述之目的，本發明之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統係用以控制安裝於一載運工具發動機之一軸向磁通電機，該載運工具發動機具有數位控制燃油系統，該混合動力載具之軸向磁通電機與動力控 制系統係包括一增量型編碼器、一電流感測器、一第一類比數位轉換電路、一轉子位置與速度計算電路、一電流刻度與平均值換算單元、一完整磁場導向控制器計算單元、一電壓空間向量演算單元、一空間向量脈波寬度調變單元以及一短路保護與訊號隔離放大電路。

該增量型編碼器係與該軸向磁通電機連接，並安裝於該載運工具發動機，該增量型編碼器係量測該軸向磁通電機之一轉子位置與一旋轉方向，並產生一轉子位置類比訊號與一旋轉方向類比訊號。

該電流感測器係與該軸向磁通電機連接，量測該軸向磁通電機之定子電流，並產生一定子電流類比訊號。

該第一類比數位轉換電路係與該增量型編碼器以及該電流感測器連接，接收該轉子位置類比訊號、該旋轉方向類比訊號以及該定子電流類比訊號，並將該轉子位置類比訊號、該旋轉方向類比訊號以及該定子電流類比訊號分別轉換為一轉子位置數位訊號、一旋轉方向數位訊號以及一定子電流數位訊號。

該轉子位置與速度計算電路係與該第一類比數位轉換電路連接，接收該轉子位置數位訊號以及該旋轉方向數位訊號，並利用該轉子位置數位訊號以及該旋轉方向數位訊號計算出該軸向磁通電機之一轉子位置資訊以及一旋轉速度資訊。

該電流刻度與平均值換算單元係與該第一類比數位轉換電路連接，接收該定子電流數位訊號，計算出該軸向磁通電機之一定子電流刻度資訊與一定子電流平均值資訊，把該定子電流數位訊號映射到正交d軸以及正交q軸上，得到一電磁轉矩電流軌跡資訊，其中一場磁鏈電流分量對正d軸(direct)，而一轉矩電流分量對正q軸(quadrature)。

該完整磁場導向控制器計算單元係與該轉子位置與速度計算電路以及該電流刻度與平均值換算單元連接，接收該軸向磁通電機之該轉子位置資訊、該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊，並利用該轉子位置資訊、 該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊，取得一操作限制下的最佳推進力與軸向力比值。

該電壓空間向量演算單元係與該完整磁場導向控制器計算單元連接，接收該最佳推進力與軸向力比值，並依據該最佳推進力與軸向力比值，輸出一電壓空間向量。

該空間向量脈波寬度調變單元係與該電壓空間向量演算單元連接，接收該電壓空間向量，輸出一電晶體閘極控制訊號。

該短路保護與訊號隔離放大電路係與該空間向量脈波寬度調變單元以及該軸向磁通電機連接，接收該電晶體閘極控制訊號，經由光耦合電晶體隔離控制與驅動兩側電路之後，傳送該電晶體閘極控制訊號到該軸向磁通電機，並驅動該軸向磁通電機。

為了達成上述之目的，本發明之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法，係用以控制安裝於一載運工具發動機之一軸向磁通電機，該載運工具發動機具有數位控制燃油系統，該混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法係包括步驟：步驟A：提供一增量型編碼器、一電流感測器、一第一類比數位轉換電路、一轉子位置與速度計算電路、一電流刻度與平均值換算單元、一完整磁場導向控制器計算單元、一電壓空間向量演算單元、一空間向量脈波寬度調變單元以及一短路保護與訊號隔離放大電路，其中該增量型編碼器係安裝於該載運工具發動機；步驟B：利用該增量型編碼器量測該軸向磁通電機之轉子位置與旋轉方向，並產生一轉子位置類比訊號與一旋轉方向類比訊號；步驟C：利用該電流感測器量測該軸向磁通電機之定子電流，並產生一定子電流類比訊號； 步驟D：利用該第一類比數位轉換電路將該轉子位置類比訊號、該旋轉方向類比訊號以及該定子電流類比訊號分別轉換為一轉子位置數位訊號、一旋轉方向數位訊號以及一定子電流數位訊號；步驟E：該轉子位置與速度計算電路利用該轉子位置數位訊號以及該旋轉方向數位訊號，計算出該軸向磁通電機之一轉子位置資訊以及一旋轉速度資訊；步驟F：該電流刻度與平均值換算單元利用該定子電流數位訊號，計算出該軸向磁通電機之一定子電流刻度資訊與一定子電流平均值資訊，把該定子電流數位訊號映射到正交d軸以及正交q軸上，得到一電磁轉矩電流軌跡資訊；步驟G：該完整磁場導向控制器計算單元利用該轉子位置資訊、該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊，取得一操作限制下的最佳推進力與軸向力比值；步驟H：該電壓空間向量演算單元依據該最佳推進力與軸向力比值，輸出一電壓空間向量；步驟I：該空間向量脈波寬度調變單元接收該電壓空間向量，輸出一電晶體閘極控制訊號；以及步驟J：該短路保護與訊號隔離放大電路接收該電晶體閘極控制訊號，經由光耦合電晶體隔離控制與驅動兩側電路之後，傳送該電晶體閘極控制訊號到該軸向磁通電機，並驅動該軸向磁通電機。

藉由上述之結構及方法，本發明透過在不同的轉子移動位置下，適當的調整定子側線圈所映射到正交d軸與q軸的等效電流，即可讓電動機達到同時能夠滿足負載需求與維持可接受軸向力的最佳操作情況。

(1)‧‧‧混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統

(10)‧‧‧增量型編碼器

(11)‧‧‧電流感測器

(12)‧‧‧第一類比數位轉換電路

(13)‧‧‧轉子位置與速度計算電路

(14)‧‧‧電流刻度與平均值換算單元

(15)‧‧‧完整磁場導向控制器計算單元

(16)‧‧‧電壓空間向量演算單元

(17)‧‧‧空間向量脈波寬度調變單元

(18)‧‧‧短路保護與訊號隔離放大電路

(19)‧‧‧即時電動機狀態觀測單元

(1A)‧‧‧第二類比數位轉換電路

(2)‧‧‧混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法

200至212 2060至206B‧‧‧步驟

(3)‧‧‧軸向磁通電機

圖1係本發明之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統之系統架構圖；圖2係本發明之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法之方法流程圖； 圖3係本發明之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法之細部方法流程圖；圖4係本發明之步驟206之細部方法流程圖；圖5係本發明之軸向磁通電機與動力控制系統及其方法之發明驗證與系統開發曲線圖。

為使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的，兹配合圖式將本發明之較佳實施例詳細說明如下。

請參考圖1所示，本發明之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統(1)係用以控制安裝於一載運工具發動機(圖未示)之一軸向磁通電機(3)，該載運工具發動機具有數位控制燃油系統，係包括一增量型編碼器(10)、一電流感測器(11)、一第一類比數位轉換電路(12)、一轉子位置與速度計算電路(13)、一電流刻度與平均值換算單元(14)、一完整磁場導向控制器計算單元(15)、一電壓空間向量演算單元(16)、一空間向量脈波寬度調變單元(17)以及一短路保護與訊號隔離放大電路(18)。

該增量型編碼器(10)係與該軸向磁通電機(3)連接，並安裝於該載運工具發動機，該增量型編碼器(10)係量測該軸向磁通電機(3)之一轉子位置與一旋轉方向，並產生一轉子位置類比訊號與一旋轉方向類比訊號。

該電流感測器(11)係與該軸向磁通電機(3)連接，量測該軸向磁通電機(3)之定子電流，並產生一定子電流類比訊號。

該第一類比數位轉換電路(12)係與該增量型編碼器(10)以及該電流感測器(11)連接，接收該轉子位置類比訊號、該旋轉方向類比訊號以及該定子電流類比訊號，並將該轉子位置類比訊號、該旋轉方向類比訊號以及該定子電流類比訊號分別轉換為一轉子位置數位訊號、一旋轉方向數位訊號以及一定子電流數位訊號。

該轉子位置與速度計算電路(13)係與該第一類比數位轉換電路(12)連接，接收該轉子位置數位訊號以及該旋轉方向數位訊號，並利用該轉子位置數位訊號以及該旋轉方向數位訊號計算出該軸向磁通電機之一轉子位置資訊以及一旋轉速度資訊。

該電流刻度與平均值換算單元(14)係與該第一類比數位轉換電路(12)連接，接收該定子電流數位訊號，計算出該軸向磁通電機(3)之一定子電流刻度資訊與一定子電流平均值資訊，把該定子電流數位訊號映射到正交d軸以及正交q軸上，得到一電磁轉矩電流軌跡資訊，其中一場磁鏈電流分量對正d軸(direct)，而一轉矩電流分量對正q軸(quadrature)。

該完整磁場導向控制器計算單元(15)係與該轉子位置與速度計算電路(13)以及該電流刻度與平均值換算單元(14)連接，接收該軸向磁通電機(3)之該轉子位置資訊以及該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊，並利用該轉子位置資訊、該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊，取得一操作限制下的最佳推進力與軸向力比值。

該電壓空間向量演算單元(16)係與該完整磁場導向控制器計算單元(15)連接，接收該最佳推進力與軸向力比值，並依據該最佳推進力與軸向力比值，輸出一電壓空間向量。

該空間向量脈波寬度調變單元(17)係與該電壓空間向量演算單元(16)連接，接收該電壓空間向量，輸出一電晶體閘極控制訊號。

該短路保護與訊號隔離放大電路(18)係與該空間向量脈波寬度調變單元(17)以及該軸向磁通電機(3)連接，接收該電晶體閘極控制訊號，經由光耦合電晶體隔離控制與驅動兩側電路之後，傳送該電晶體閘極控制訊號到該軸向磁通電機(3)，並驅動該軸向磁通電機(3)。

在本發明之一較佳實施例中，本發明之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統(1)更包括一即時電動機狀態觀測單元(19)以及一第二類比數位轉換電路(1A)。

該即時電動機狀態觀測單元(19)係與該完整磁場導向控制器計算單元連接，接收該軸向磁通電機(3)之該轉子位置資訊以及該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊以及最佳推進力與軸向力比值，產生一類比觀測資訊。

該第二類比數位轉換電路(1A)係與該即時電動機狀態觀測單元(19)連接，接收該觀測資訊，並將該類比觀測資訊數位化。

在本發明之另一較佳實施例中，該電流感測器(11)係為單極性閉迴路電流轉換器。

在本發明之又一較佳實施例中，該增量型編碼器(10)係利用A、B相上下緣動作訊號，透過一編碼器脈波電路(quadrature encoder pulse,QEP)，取得該軸向磁通電機(3)之該轉子位置類比訊號與該旋轉方向類比訊號。

在本發明之再一較佳實施例中，該增量型編碼器(10)係為鈑金沖壓圓盤，以定位銷與螺栓鎖附於該載運工具之飛輪啟動齒輪，與曲軸連動，邊緣有垂直方齒，每齒角度為6度，由一感測器感測編碼器方齒位置，主要功能為定義發動機轉動位置，感測器感測編碼器轉動方齒位置，將角度位置訊號傳回控制器，定義發動機轉動位置，以支架安裝於飛輪殼上端，接近編碼器位置處。

請參考圖1以及圖2所示，本發明之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法(2)，係用以控制安裝於一載運工具發動機之一軸向磁通電機(3)，該載運工具發動機具有數位控制燃油系統，該混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法(2)係包括步驟： 步驟200：提供一增量型編碼器(10)、一電流感測器(11)、一第一類比數位轉換電路(12)、一轉子位置與速度計算電路(13)、一電流刻度與平均值換算單元(14)、一完整磁場導向控制器計算單元(15)、一電壓空間向量演算單元(16)、一空間向量脈波寬度調變單元(17)以及一短路保護與訊號隔離放大電路(18)，其中該增量型編碼器(10)係安裝於該載運工具發動機； 步驟201：利用該增量型編碼器(10)量測該軸向磁通電機(3)之轉子位置與旋轉方向，並產生一轉子位置類比訊號與一旋轉方向類比訊號；步驟202：利用該電流感測器(11)量測該軸向磁通電機(3)之定子電流，並產生一定子電流類比訊號；步驟203：利用該第一類比數位轉換電路(12)將該轉子位置類比訊號、該旋轉方向類比訊號以及該定子電流類比訊號分別轉換為一轉子位置數位訊號、一旋轉方向數位訊號以及一定子電流數位訊號；步驟204：該轉子位置與速度計算電路(13)利用該轉子位置數位訊號以及該旋轉方向數位訊號，計算出該軸向磁通電機(3)之一轉子位置資訊以及一旋轉速度資訊；步驟205：該電流刻度與平均值換算單元(14)利用該定子電流數位訊號，計算出該軸向磁通電機(3)之一定子電流刻度資訊與一定子電流平均值資訊，把該定子電流數位訊號映射到正交d軸以及正交q軸上，得到一電磁轉矩電流軌跡資訊；步驟206：該完整磁場導向控制器計算單元(15)利用該轉子位置資訊、該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊，取得一操作限制下的最佳推進力與軸向力比值；步驟207：該電壓空間向量演算單元(16)依據該最佳推進力與軸向力比值，輸出一電壓空間向量；步驟208：該空間向量脈波寬度調變單元(17)接收該電壓空間向量，輸出一電晶體閘極控制訊號；以及步驟209：該短路保護與訊號隔離放大電路(18)接收該電晶體閘極控制訊號，經由光耦合電晶體隔離控制與驅動兩側電路之後，傳送該電晶體閘極控制訊號到該軸向磁通電機(3)，並驅動該軸向磁通電機(3)。

請參考圖1以及圖3所示，在本發明之一較佳實施例中，本發明之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法(2)更包括下列步驟： 步驟210：提供一即時電動機狀態觀測單元(19)以及一第二類比數位轉換電路(1A)；步驟211：該即時電動機狀態觀測單元(19)接收該軸向磁通電機(3)之該轉子位置資訊以及該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊以及最佳推進力與軸向力比值，以產生一類比觀測資訊；以及步驟212：該第二類比數位轉換電路(1A)接收該觀測資訊，並將該類比觀測資訊數位化。

請參考圖1以及圖4所示，在本發明之另一較佳實施例中，其中該步驟206係包括步驟：步驟2060：調整正交d軸之定子電流，減小該軸向磁通電機(3)之軸向力；步驟2061：建立該軸向磁通電機(3)的多重參考軸模型；步驟2062：推導出電磁轉矩軸向力的公式；步驟2063：畫出在不同電壓與速度下的幾何邊界輪廓；步驟2064：定義出操作邊界；步驟2065：把定子電流映射到d軸以及q軸上，其中場磁鏈的電流分量對正d軸(direct)，而轉矩的電流分量對正q軸(quadrature)；步驟2066：得到電磁轉矩電流軌跡；步驟2067：定義參數；步驟2068：三維有限元素分析；步驟2069：在不同的轉子移動位置θ_ei(0)下感變定子電流；步驟206A：計算推進力與軸向力比值；以及步驟206B：分析電磁轉矩電流軌跡以及推進力與軸向力比值，得到在操作限制下的最佳推進力與軸向力比值；其中該步驟2063、該步驟2064、該步驟2065以及該步驟2066係為一組步驟，該步驟2067、該步驟2068、該步驟2069以及該步驟206A係為一組步驟，兩組步驟係平行進行。

在本發明之另一較佳實施例中，其中該電流感測器(11)係為單極性閉迴路電流轉換器。

在本發明之再一較佳實施例中，其中該增量型編碼器(10)係利用A、B相上下緣動作訊號，透過一編碼器脈波電路(quadrature encoder pulse,QEP)，取得該轉子位置類比訊號與該旋轉方向類比訊號。

請參考圖5所示，該載運工具係為機車，但本發明並不以此為限，由於汽機車電機負載與行駛狀況相當，工作原理亦相同，在本發明之另一較佳實施例中，該載運工具係為2013年出廠的Honda GY6125CC引擎架構機車，並在車輛研究測試中心的標準實驗室進行怠速運轉測試，燃油則使用FTP五期測試用油(標準95無鉛汽油)。

在環境溫度設定在30℃，車輛怠速運轉以及行駛狀態下，以污染分析儀HORIBA MEXT-554JA與油耗計AVL 733L來量測發電機負載前後，車輛油耗與污染排放的變化情形，藉以探討車輛油耗與發電機負載的影響。

驗證車配置以軸向磁通馬達為主體，取代原本配置於發動機的飛輪，而發電機由引擎直接傳動改為非動力輪上配置軸向磁通馬達為基礎的慣性回收發電機，嘗試製作一種車輛油電共生傳動配置套件，經由加速度油耗測試、市區平均油耗、高速巡航油耗的實驗發現，在不變動原廠電池的情況下，僅以慣性回收取代引擎直接傳動的傳統發電機，即能減少車輛近28%的油耗，而以低速高扭力特性著稱的軸向磁通馬達做為低速扭力輔助動力單元，在相同的油耗下則可以增加近一倍的行駛距離，驗證車經實測發現，車輛動力的實用性為：加速快、低速扭力強才是現今日常生活中實用型車輛的王道，尤其在都會區，低速扭力表現好，更能符合爬坡、起步、加速等多項需求。

透過上述之結構及方法，本發明透過在不同的轉子移動位置下，適當的調整定子側線圈所映射到正交d軸與q軸的等效電流，即可讓電動機達到同時能夠滿足負載需求與維持可接受軸向力的最佳操作情況。再者，其結構型 態並非所屬技術領域中之人士所能輕易思及而達成者，實具有新穎性以及進步性無疑。

透過上述之詳細說明，即可充分顯示本發明之目的及功效上均具有實施之進步性，極具產業之利用性價值，且為目前市面上前所未見之新發明，完全符合發明專利要件，爰依法提出申請。唯以上所述著僅為本發明之較佳實施例而已，當不能用以限定本發明所實施之範圍。即凡依本發明專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

(1)‧‧‧混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統

(10)‧‧‧增量型編碼器

(11)‧‧‧電流感測器

(12)‧‧‧第一類比數位轉換電路

(13)‧‧‧轉子位置與速度計算電路

(14)‧‧‧電流刻度與平均值換算單元

(15)‧‧‧完整磁場導向控制器計算單元

(16)‧‧‧電壓空間向量演算單元

(17)‧‧‧空間向量脈波寬度調變單元

(18)‧‧‧短路保護與訊號隔離放大電路

(19)‧‧‧即時電動機狀態觀測單元

(1A)‧‧‧第二類比數位轉換電路

(3)‧‧‧軸向磁通電機

Claims (10)

1. 一種混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統，係用以控制安裝於一載運工具發動機之一軸向磁通電機，該載運工具發動機具有數位控制燃油系統，該混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統係包括：一增量型編碼器，係與該軸向磁通電機連接，並安裝於該載運工具發動機，該增量型編碼器係量測該軸向磁通電機之一轉子位置與一旋轉方向，並產生一轉子位置類比訊號與一旋轉方向類比訊號；一電流感測器，係與該軸向磁通電機連接，量測該軸向磁通電機之一定子電流，並產生一定子電流類比訊號；一第一類比數位轉換電路，係與該增量型編碼器以及該電流感測器連接，接收該轉子位置類比訊號、該旋轉方向類比訊號以及該定子電流類比訊號，並將該轉子位置類比訊號、該旋轉方向類比訊號以及該定子電流類比訊號分別轉換為一轉子位置數位訊號、一旋轉方向數位訊號以及一定子電流數位訊號；一轉子位置與速度計算電路，係與該第一類比數位轉換電路連接，接收該轉子位置數位訊號以及該旋轉方向數位訊號，並利用該轉子位置數位訊號以及該旋轉方向數位訊號計算出該軸向磁通電機之一轉子位置資訊以及一旋轉速度資訊；一電流刻度與平均值換算單元，係與該第一類比數位轉換電路連接，接收該定子電流數位訊號，計算出該軸向磁通電機之一定子電流刻度資訊與一定子電流平均值資訊，把該定子電流數位訊號映射到正交d軸以及正交q軸上，得到一電磁轉矩電流軌跡資訊，其中一場磁鏈電流分量對正d軸(direct)，而一轉矩電流分量對正q軸(quadrature)；一完整磁場導向控制器計算單元，係與該轉子位置與速度計算電路以及該電流刻度與平均值換算單元連接，接收該軸向磁通電機之該轉子位置資訊以及該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊，並利用該轉子位置資訊、該旋 轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊，取得一操作限制下的最佳推進力與軸向力比值；一電壓空間向量演算單元，係與該完整磁場導向控制器計算單元連接，接收該最佳推進力與軸向力比值，並依據該最佳推進力與軸向力比值，輸出一電壓空間向量；一空間向量脈波寬度調變單元，係與該電壓空間向量演算單元連接，接收該電壓空間向量，輸出一電晶體閘極控制訊號；以及一短路保護與訊號隔離放大電路，係與該空間向量脈波寬度調變單元以及該軸向磁通電機連接，接收該電晶體閘極控制訊號，經由光耦合電晶體隔離控制與驅動兩側電路之後，傳送該電晶體閘極控制訊號到該軸向磁通電機，並驅動該軸向磁通電機。
2. 如申請專利範圍第1項所述之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統，更包括一即時電動機狀態觀測單元以及一第二類比數位轉換電路，該即時電動機狀態觀測單元係與該完整磁場導向控制器計算單元連接，接收該軸向磁通電機之該轉子位置資訊以及該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊以及最佳推進力與軸向力比值，產生一類比觀測資訊，該第二類比數位轉換電路係與該即時電動機狀態觀測單元連接，接收該類比觀測資訊，並將該觀測資訊數位化。
3. 如申請專利範圍第1項所述之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統，其中該電流感測器係為單極性閉迴路電流轉換器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統，其中該增量型編碼器係透過一編碼器脈波電路(quadrature encoder pulse,QEP)，取得該該轉子位置類比訊號與該旋轉方向類比訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制系統，其中該增量型編碼器係為鈑金沖壓圓盤，以定位銷與螺栓鎖附於該載運工具之飛輪啟動齒輪，與曲軸連動，邊緣有垂直方齒，每齒角度為6度， 由一感測器感測編碼器方齒位置，主要功能為定義引擎曲軸轉動位置，感測器感測編碼器轉動方齒位置，將角度位置訊號傳回控制器，定義引擎曲軸轉動位置，以支架安裝於飛輪殼上端，接近編碼器位置處。
6. 一種混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法，係用以控制安裝於一載運工具發動機之一軸向磁通電機，該載運工具發動機具有數位控制燃油系統，該混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法係包括步驟：步驟A：提供一增量型編碼器、一電流感測器、一第一類比數位轉換電路、一轉子位置與速度計算電路、一電流刻度與平均值換算單元、一完整磁場導向控制器計算單元、一電壓空間向量演算單元、一空間向量脈波寬度調變單元以及一短路保護與訊號隔離放大電路，其中該增量型編碼器係安裝於該載運工具發動機；步驟B：利用該增量型編碼器量測該軸向磁通電機之轉子位置與旋轉方向，並產生一轉子位置類比訊號與一旋轉方向類比訊號；步驟C：利用該電流感測器量測該軸向磁通電機之定子電流，並產生一定子電流類比訊號；步驟D：利用該第一類比數位轉換電路將該轉子位置類比訊號、該旋轉方向類比訊號以及該定子電流類比訊號分別轉換為一轉子位置數位訊號、一旋轉方向數位訊號以及一定子電流數位訊號；步驟E：該轉子位置與速度計算電路利用該轉子位置數位訊號以及該旋轉方向數位訊號，計算出該軸向磁通電機之一轉子位置資訊以及一旋轉速度資訊；步驟F：該電流刻度與平均值換算單元利用該定子電流數位訊號，計算出該軸向磁通電機之一定子電流刻度資訊與一定子電流平均值資訊，把該定子電流數位訊號映射到正交d軸以及正交q軸上，得到一電磁轉矩電流軌跡資訊；步驟G：該完整磁場導向控制器計算單元利用該轉子位置資訊、該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊，取得一操作限制下的最佳推進力與軸向力比值； 步驟H：該電壓空間向量演算單元依據該最佳推進力與軸向力比值，輸出一電壓空間向量；步驟I：該空間向量脈波寬度調變單元接收該電壓空間向量，輸出一電晶體閘極控制訊號；以及步驟J：該短路保護與訊號隔離放大電路接收該電晶體閘極控制訊號，經由光耦合電晶體隔離控制與驅動兩側電路之後，傳送該電晶體閘極控制訊號到該軸向磁通電機，並驅動該軸向磁通電機。
7. 如申請專利範圍第6項所述之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法，更包括下列步驟：該步驟K：提供一即時電動機狀態觀測單元以及一第二類比數位轉換電路；該步驟L：該即時電動機狀態觀測單元接收該軸向磁通電機之該轉子位置資訊以及該旋轉速度資訊以及該電磁轉矩電流軌跡資訊以及最佳推進力與軸向力比值，以產生一類比觀測資訊；以及該步驟M：該第二類比數位轉換電路接收該觀測資訊，並將該類比觀測資訊數位化。
8. 如申請專利範圍第6項所述之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法，其中步驟G係包括步驟：步驟G1：調整正交d軸之定子電流，減小該軸向磁通電機之軸向力；步驟G2：建立該軸向磁通電機的多重參考軸模型；步驟G3：推導出電磁轉矩軸向力的公式；步驟G4：畫出在不同電壓與速度下的幾何邊界輪廓；步驟G5：定義出操作邊界；步驟G6：把定子電流映射到d軸以及q軸上，其中場磁鏈的電流分量對正d軸(direct)，而轉矩的電流分量對正q軸(quadrature)；步驟G7：得到電磁轉矩電流軌跡；步驟G8：定義參數； 步驟G9：三維有限元素分析；步驟G10：在不同的轉子移動位置θ_ei(0)下感變定子電流；步驟G11：計算推進力與軸向力比值；以及步驟G12：分析電磁轉矩電流軌跡以及推進力與軸向力比值，得到在操作限制下的最佳推進力與軸向力比值。
9. 如申請專利範圍第6項所述之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法，其中該電流感測器係為單極性閉迴路電流轉換器。
10. 如申請專利範圍第6項所述之混合動力載具之軸向磁通電機與動力控制方法，其中該增量型編碼器係透過一編碼器脈波電路(quadrature encoder pulse,QEP)，取得該軸向磁通電機之該轉子位置類比訊號與該旋轉方向類比訊號。