TWI594564B - Electronic control shift motor system and its brushless motor - Google Patents

Description

電控換檔的馬達系統及其無刷馬達

本發明係與無刷馬達有關，特別是指一種電控換檔的馬達系統及其無刷馬達。

隨著電動車產業發展，目前應用在電動車上的馬達通常選用以下兩種方式來達到提高運轉之扭力與轉速範圍的目的，第一種是直接增加馬達輸入電壓，第二種則是使用機械式變速機構。

若選用第一種方式時，工作電壓需求越高時，相對電池的數量也需要增加，如此，電動車的重量會增加。

若選用第二種方式，機械傳動的變速箱可以提高轉速範圍，且需使用減速機提生扭力範圍，這樣會讓齒輪磨耗增加，且變速箱需要較大的空間，因此，也會使電動車的體積增加。

有鑑於上述兩種方法產生的缺失，台灣發明第I298574號專利案係揭露一種具有可換檔之線圈裝置之馬達。該專利在進行檔位切換時，需要藉由調整開關的切換來改變淨線圈匝數，而達到換檔的目的。由於需要使用調整開關，因此，當調整開關使用機械式開關時，機械式開關會有磨耗與機械疲勞的問題，且換檔速度較慢的缺點。

有鑑於上述缺失，本發明的電控換檔的馬達系統係可藉由電控方式切換無刷馬達的轉速及扭力，且不需藉由開關調整無刷馬達的轉子線圈數量，來避免無刷馬達的體積增加，且更容易控制無刷馬的的轉速及扭力。

為達成上述目的，本發明提供一種電控換檔的馬達系統，其包括一無刷馬達及一換檔裝置。無刷馬達具有一轉子及一定子。轉子係可 相對定子轉動。定子具有多個軛部及多相繞組。該些相繞組係一對一的設在該些軛部上。每一相繞組具有不同匝數且不相互連接的一第一線圈、一第二線圈及一第三線圈。該些第一線圈的匝數係相同，且相互電連接。該些第二線圈的匝數係相同，且相互電連接。該些第三線圈的匝數係相同，且相互電連接。換檔裝置電連接該些相繞組的第一線圈、第二線圈及第三線圈，且分別同步控制每一相繞組的第一線圈、第二線圈及第三線圈的運作，來控制轉子的轉速及扭力。

如此，本發明的電控換檔的馬達系統係可藉由換檔裝置控制無刷馬達的每相繞組的運作，且不需切換各相繞組的線圈，使得本發明的電控換檔的馬達系統可以容易地控制轉速及扭力。

此外，本發明提供另一種無刷馬達，其包括一定子及一轉子。定子具有多個軛部及多相繞組。該些相繞組係一對一的設在該些軛部上。每一相繞組具有不同匝數且不相互連接的多組獨立的線圈。該些相繞組中相同匝數的該些獨立的線圈係相互電連接。轉子係可相對定子轉動。

每一相繞組的獨立線圈的數量係可被調整，且每一獨立的線圈的匝數也可以被調整，如此，本發明的無刷馬達的定子的繞組可以有更多的選擇，而被操作在更大範圍的轉速及扭力條件。

有關本發明所提供之電控換檔的馬達系統及其無刷馬達的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

10‧‧‧電控換檔的馬達系統

20‧‧‧無刷馬達

21‧‧‧轉子

22‧‧‧定子

23‧‧‧軛部

25、26、27‧‧‧相繞組

30‧‧‧換檔裝置

31‧‧‧第一驅動器

311‧‧‧輸入端

312、313、314‧‧‧輸出端

32‧‧‧第二驅動器

321‧‧‧輸入端

322、323、324‧‧‧輸出端

33‧‧‧第三驅動器

331‧‧‧輸入端

332、333、334‧‧‧輸出端

34‧‧‧控制器

N1‧‧‧第一線圈

N2‧‧‧第二線圈

N3‧‧‧第三線圈

U1、V1、W1‧‧‧輸入端

P1‧‧‧輸出端

U2、V2、W2‧‧‧輸入端

P2‧‧‧輸出端

U3、V3、W3‧‧‧輸入端

P3‧‧‧輸出端

S1‧‧‧第一控制訊號

S2‧‧‧第二控制訊號

S3‧‧‧第三控制訊號

第1圖是本發明的電控換檔的馬達系統的較佳實施例的示意圖。

第2圖是第1圖中沿2-2剖線的剖視圖。

第3圖是無刷馬達的定子的各相繞組的示意圖。

第4圖是控制器與無刷馬達的定子的各相繞組的連接電路圖。

第5圖是第4圖的連接電路圖省略各相繞組的電路圖。

第6圖是無刷馬達的定子的各相繞組的工作時序圖。

第7圖是本發明的電控換檔的馬達系統在實際運作後獲得的扭力及轉速的特性曲線圖。

以下，茲配合各圖式列舉對應之較佳實施例來對本發明的電控換檔的馬達系統的組成構件及達成功效來作說明。然各圖式中電控換檔的馬達系統的構件、尺寸、外觀及電路僅用來說明本發明的技術特徵，而非對本發明構成限制。

如第1圖所示，本發明的電控換檔的馬達系統10包括一無刷馬達20及一換檔裝置30。

如第2圖所示，無刷馬達20具有一轉子21及一定子22。轉子21係可相對定子22轉動，定子22具有多個軛部23及多相繞組(winding)25、26、27，該些相繞組25、26、27係一對一的設在該些軛部23上。

於此實施例中，馬達系統10係以三相無刷馬達為例來作說明，表示，定子22具有三個軛部23及三相繞組25、26、27，三相繞組25係一對一的設在該些軛部23上。

如第3圖所示，每一相繞組25、26、27具有獨立、不同匝數且不相互連接的一第一線圈(coil)N1、一第二線圈N2及一第三線圈N3。該些第一線圈N1的匝數相同，且相互電連接。該些第二線圈N2的匝數相同，且相互電連接。該些第三線圈N3的匝數相同，且相互電連接。於此實施例中，第一線圈N1的匝數為200匝，第二線圈N2的匝數為100匝，第三線圈N3的匝數為50匝。

對於每相繞組的連接關係以下詳加說明。每一第一線圈N1具有一輸入端U1、V1、W1及一輸出端P1，該些第一線圈N1的輸出端P1係相互電連接。每一第二線圈N2具有一輸入端U2、V2、W2及一輸出端P2，該些第二線圈N2的輸出端P2係相互電連接。每一第三線圈N3具有一輸入端U3、V3、W3及一輸出端P3，該些第三線圈N3的輸出端P3係相互電連接。表示，每相繞組25、26、27的第一線圈N1、第二線圈N2及第三 線圈N3是完全沒有連接關係，且獨立配置的。

其中，每相繞組25、26、27的第一線圈N1、第二線圈N2及第三線圈N3是可以重疊繞設在軛部上，以縮小軛部的體積，或者以其他方式繞設於軛部上，例如間隔並排的繞在軛部上。

如第3及4圖所示，換檔裝置30係電連接該些相繞組25、26、27的第一線圈N1、第二線圈N2及第三線圈N3，且分別同步控制每一相繞組25、26、27的第一線圈N1、第二線圈N2及第三線圈N3的運作，來控制轉子21的轉速及扭力。

於此實施例中，換檔裝置30的組成包括一第一驅動器31、一第二驅動器32、一第三驅動器33及一控制器34。第一驅動器31具有一輸入端311及多個輸出端312、313、314，第一驅動器31的輸出端312、313、314係一對一電連接該些第一線圈N1的輸入端U1、V1、W1，表示該些第一線圈N1是被第一驅動器31控制。

第二驅動器32具有一輸入端321及多個輸出端322、323、324，第二驅動器32的輸出端322、323、324係一對一電連接該些第二線圈N2的輸入端U2、V2、W2，表示該些第二線圈N2是被第二驅動器32控制。

第三驅動器33具有一輸入端331及多個輸出端332、333、334，第三驅動器33的輸出端332、333、334係一對一電連接該些第三線圈N3的輸入端U3、V3、W3，表示該些第三線圈N3是被第三驅動器控制33。

控制器34係電連接第一驅動器31的輸入端311、第二驅動器32的輸入端321及第三驅動器33的輸入端331。

如第4及5圖所示，第5圖係第4圖的簡化後的電路示意圖。控制器34係用以產生一第一控制訊號S1、一第二控制訊號S2及一第三控制訊號S3，且同步傳送至第一驅動器31、第二驅動器32及第三驅動器33。控制器34係控制第一控制訊號S1、第二控制訊號S2及第三控制訊號S3的占空比(duty cycle)。第一驅動器31具有相互並聯連接的多個第一電子開關組315，該些第一電子開關組315係一對一的連接該些第一線圈組N1的輸入端U1、V1、W1。第一控制訊號S1係用以控制該些第一電子開關組315的運作。

第二驅動器32具有相互並聯連接的多個第二電子開關組325，該些第二電子開關組325係一對一的連接該些第二線圈組N2。第二控制訊號S2係用以控制該些第二電子開關組325的運作。

第三驅動器33具有相互並聯連接的多個第三電子開關組335，該些第三電子開關組335係一對一的連接該些第三線圈組N3。第三控制訊號S3係用以控制該些第三電子開關組的運作。

於此實施例中，第一、第二及第三驅動器31、32、33係相同的電路結構，每一電子開關組(即第一、第二及第三電子開關組315、325、335)係由兩電晶體組成。

請再參照第5圖，隨後說明在換檔裝置控制下本發明的電控換檔的馬達系統的詳細運作，控制器34產生的第一控制訊號S1、第二控制訊號S2及第三控制訊號S3係被同步傳送至第一驅動器31、第二驅動器32及第三驅動器33，以使第一驅動器31、第二驅動器32及第三驅動器33以一次驅動一個相繞組的方式同步驅動每一相繞組25、26、27的第一線圈N1、第二線圈N2及第三線圈N3。

如第6圖所示，一次驅動一個相繞組的方式說明如下，第一、第二及第三驅動器31、32、33同步接收到不同占空比(duty cycle)的第一、第二及第三控制訊號S1、S2、S3後，第一、第二及第三驅動器31、32、33的第一、第二及第三電子開關組315、325、335就會開始運作而產生第6圖的工作時序圖，從工作時序圖可看出，定子的各相繞組係依序接收到經第一、第二及第三驅動器31、32、33的第一、第二及第三電子開關組315、325、335轉換後的驅動電流或電壓，而產生磁場，來驅動轉子轉動。

特別的，控制器34係可依據不同條件輸出不同占空比的第一控制訊號S1、第二控制訊號S2及第三控制訊號S3，而使第一、第二及第三驅動器31、32、33的第一、第二及第三電子開關組315、325、335轉換出驅動電流或電壓，來驅動各相繞組產生不同強度的磁場，及達到換檔的目的，換檔係指前述改變控制轉子的轉速及扭力。因此，本發明的電控換檔的馬達系統10係直接改變第一控制訊號S1、第二控制訊號S2及第三控制訊號S3就可控制無刷馬達的轉子的轉速及扭力，且不需要機械式開關 或電子開關來切換線圈。

如第7圖所示，該圖係本發明的電控換檔的馬達系統經實際運作後獲得的扭力及轉速的特性曲線。當本發明的電控換檔的馬達系統要獲得最大扭力時，控制器係產生100%占空比的第一控制訊號、50%占空比的第二控制訊號及25%占空比的第三控制訊號，來驅動第一、第二及第三驅動器，以使無刷馬達的轉子獲得低轉速及最大扭力，如圖中特性曲線A。

當本發明的電控換檔的馬達系統要獲得最高轉速時，控制器僅產生第三控制訊號，表示，僅有第三驅動器驅動該些第三線圈。由於，第三線圈的匝數最少，因此，轉子可輸出最高的轉速，但扭力最小，如圖中特性曲線B。

此外，控制器也可以選擇性的產生兩個控制訊號，圖中的特性曲線C係表示控制器產生100%占空比的第二控制訊號及50%占空比的第三控制訊號，此時，第一驅動器係沒有被驅動，表示第一線圈沒有運作。因此，本發明的電控換檔的馬達系統係可以依據實際扭力及轉速的需求，藉由改變控制器產生的每一控制訊號的占空比就可以達成瞬間切換無刷馬達的扭力及轉速特性，而提高無刷馬達的運轉範圍及節能效果。實際上，控制器也可以產生相同占空比的第一、第二及第三控制訊號，故不以本較佳實施例中所述不同占空比為限。

雖然，於此較佳實施例中，無刷馬達係以三相繞組為例來作說明，但實務中，無刷馬達也可以是兩相或三相以上，故無刷馬達的相繞組數量係不以三相為限。

再者，每一相繞組的線圈數量最少也可以是兩組獨立的線圈，但線圈數量也可以是三組以上的獨立的線圈，當每相繞組的獨立的線圈數量越多也就表示無刷馬達可以被操作的範圍就越大，所以，每相繞組的獨立的線圈數量也可以超過三個。由於，換檔裝置的驅動器數量會隨著獨立的線圈數量增加而增加，因此，驅動器的數量也不以三個為限。

此外，無刷馬達的換檔控制方式也可以選擇控制每一控制訊號的振幅方式，此時，控制訊號的振幅係弦波電壓訊號或弦波電流訊號的振幅，藉由改變控制訊號的振幅也可達到控制無刷馬達的轉速及扭力，故 控制器係不以控制該些控制訊號的占空比為限。

最後，再次強調，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

30‧‧‧換檔裝置

31‧‧‧第一驅動器

311‧‧‧輸入端

312、313、314‧‧‧輸出端

32‧‧‧第二驅動器

321‧‧‧輸入端

322、323、324‧‧‧輸出端

33‧‧‧第三驅動器

331‧‧‧輸入端

332、333、334‧‧‧輸出端

34‧‧‧控制器

N1‧‧‧第一線圈

N2‧‧‧第二線圈

N3‧‧‧第三線圈

U1、V1、W1‧‧‧輸入端

P1‧‧‧輸出端

U2、V2、W2‧‧‧輸入端

P2‧‧‧輸出端

U3、V3、W3‧‧‧輸入端

P3‧‧‧輸出端

Claims (8)

1. 一種電控換檔的馬達系統，包括：一無刷馬達，具有一轉子及一定子，該轉子係可相對該定子轉動，該定子具有多個軛部及多相繞組，該些相繞組係一對一的設在該些軛部上，每一相繞組具有不同匝數且不相互連接的一第一線圈、一第二線圈及一第三線圈，該些第一線圈的匝數係相同，且相互電連接，該些第二線圈的匝數係相同，且相互電連接，該些第三線圈的匝數係相同，且相互電連接；及一換檔裝置，係電連接該些相繞組的第一線圈、第二線圈及第三線圈，且分別同步控制每一相繞組的第一線圈、第二線圈及第三線圈的運作，來控制該轉子的轉速及扭力。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電控換檔的馬達系統，其中，每第一線圈具有一輸入端及一輸出端，該些第一線圈的輸入端係分別連接該換檔裝置，該些第一線圈的輸出端係相互電連接，每一第二線圈具有一輸入端及一輸出端，該些第二線圈的輸入端係分別連接該換檔裝置，該些第二線圈的輸出端係相互電連接，每一第三線圈具有一輸入端及一輸出端，該些第三線圈的輸入端係分別連接該換檔裝置，該些第三線圈的輸出端係相互電連接。
3. 如申請專利範圍第2項所述的電控換檔的馬達系統，其中，該換檔裝置包括一第一驅動器、一第二驅動器、一第三驅動器及一控制器，該第一驅動器係具有一輸入端及多個輸出端，該第一驅動器的輸出端係一對一電連接該些相繞組的第一線圈的輸入端，該第二驅動器具有一輸入端及多個輸出端，該第二驅動器的輸出端係一對一電連接該些相繞組的第二線圈的輸入端，該第三驅動器具有一輸入端及多個輸出端，該第三驅動器的輸出端係一對一電連接該些相繞組的第三線圈的輸入端，該控制器係電連接該第一驅動器的輸入端、該第二驅動器的輸入端及該第三驅動器的輸入端，且產生及傳送一第一控制訊號至該第一驅動器、傳送一第二控制訊號至該第二驅動器及傳送一第三控制訊號至該第三驅動器，以使該第一驅動器、該 第二驅動器及該第三驅動器以一次驅動一個相繞組的方式同步驅動每一相繞組的第一線圈、第二線圈及第三線圈。
4. 如申請專利範圍第3項所述的電控換檔的馬達系統，其中，該控制器係控制該第一控制訊號、該第二控制訊號及該第三控制訊號的占空比。
5. 如申請專利範圍第3或4項所述的電控換檔的馬達系統，其中，該第一驅動器具有相互並聯連接的多個第一電子開關組，該些第一電子開關組係一對一的連接該些第一線圈的輸入端，該第一控制訊號係用以控制該些第一電子開關組的運作，該第二驅動器具有相互並聯連接的多個第二電子開關組，該些第二電子開關組係一對一的連接該些第二線圈的輸入端，該第二控制訊號係控制該些第二電子開關組的運作，該第三驅動器具有相互並聯連接的多個第三電子開關組，該些第三電子開關組係一對一的連接該些第三線圈的輸入端，該第三控制訊號係控制該些第三電子開關組的運作。
6. 一種無刷馬達，包括：一定子，具有多個軛部及多相繞組，該些相繞組係一對一的設在該些軛部上，每一相繞組具有不同匝數且不相互連接的多組獨立的線圈，該些相繞組中相同匝數的該些獨立的線圈係相互電連接；及一轉子，係可相對該定子轉動。
7. 如申請專利範圍第6項所述的無刷馬達，其中，每一獨立的線圈具有一輸入端及一輸出端，該輸入端係用以接收一訊號，該些相繞組中相同匝數的該些獨立的線圈的輸出端係相互連接。
8. 如申請專利範圍第6項所述的無刷馬達，其中，每一相繞組的獨立的線圈係重疊繞設。