TWI825120B - 具有柵欄式ｈ型定子的盤式馬達及馬達/發電機 - Google Patents

Abstract

一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達及馬達/發電機，包括樞軸、盤式外轉子及柵欄式H型式定子；其中柵欄式H型式定子的每一H型鐵芯上下有大狹縫形成的四個角體，四個角體纏繞線圈，其中任兩組為短路的短路線圈，另兩組為連接的馬達線圈繞組；透過兩側或偏斜磁通，有效地且集中正交向量，使激磁磁通集中分布於四個角體磁極尖部，保持磁通偏移，達到降低啟動電流、改善頓轉轉矩及提升高速旋轉效率；另外，H型鐵芯除了有馬達線圈繞組外，還包含發電線圈繞組，使得動能所引起的磁感應，可以被有效轉換為電能輸出儲存，達到電能回收目的。

Description

具有柵欄式H型定子的盤式馬達及馬達/發電機

本發明涉及一種外盤式馬達及發電機電能回收領域，特別指一種具有柵欄式H型式定子的盤式馬達及馬達/發電機。

一種常見的永磁式交流伺服馬達9，如第1圖所示，將永久磁鐵91設置在馬達外層的轉子92處，而將電樞線圈93設置於核心的定子94處，無論是電流經過電樞線圈會因電阻而發熱，或是在換相過程中發生電流跳接時的驟熱，都難以輕易散出；且因受限於內外層包覆式的結構設計，使得面對輸出扭力變更、安裝空間限制等問題時，其應變的彈性也減少了。

盤式馬達與普通永磁電機結構基本相同，也包括有：定子、轉子和外殼，而區別在於盤式馬達的轉子通常是永磁體，安裝在定子鐵芯體上的激磁線圈產生磁場，對於轉子產生斥力與拉力，驅動永磁體轉子轉動。因為永磁體轉子帶磁性，被動地與定子磁場作用。因此，定子與轉子之問，不僅能夠產生拉力且也產生斥力，既然是磁拉力與斥力，便不僅有大、小的量差異，且有正、負的區別。由於馬達未啟動時轉子永磁體會吸住定子鐵芯體，使得馬達在啟動時，定子鐵芯體的線圈需要較大的啟動電流來產生拉力與推力，以及運轉時會產生較大的頓轉轉矩便成為難免。

盤式馬達的啟動電流問題，長期以來都未找到有效的解決辦 法，致使盤式馬達在高速的效率難以提高。如第2圖所示，習知盤式馬達8，雖揭露有盤式外轉子81的結構，但對上述的發熱及耗能問題並無適當解答。此外，永久磁鐵82和線圈83的數目未曾妥善匹配，也將導致磁迴路無法均勻作用，在每一作用週期中，都可能造成出力忽大忽小的轉動不均勻狀況。

盤式馬達降低磁吸力，主要通過減少永磁體轉子與定子鐵芯體的間隔較大距離，或將接觸面縮小來提高轉速的設計，降低轉子永磁體磁吸力來減少啟動電流，但僅適用於高速且低扭力，限制其應用場合。

從電磁場理論可推導出：電機單位體積力矩，在其它條件不變的情況下，與磁通變化量成正比。由於啟動電流原因，轉子永磁體數目大於一定數量後，隨著轉子永磁體數的增加因而降低轉子永磁體與定子鐵芯體之間的接觸面縮小，其啟動電流也會成倍降低，致使定子鐵芯體的磁通幅值的減少量與定子鐵芯體之體積減少量相當，輸出力矩不會隨槽數的增加而增加。

改善定子鐵芯體的磁路與永磁體在啟動過程的磁吸力或啟動電流，傳統上係增加永磁體與定子鐵芯體的磁路的距離，亦即是增加空氣隙的長度，其缺點即是因空氣隙磁阻的增加會導致馬達的效率降低且扭力降低。

又，永磁馬達在高速區域需要向定子鐵芯體的磁路的電磁鐵中流入更大的電流，使其產生與永磁鐵磁通相反的磁通。因為隨著馬達的旋轉速度加快，定子鐵芯體的磁路之電磁鐵的感應電壓將升至電源電壓上限，導致轉速無法繼續增加轉速。但是，流入更大的電流無益於馬達扭矩 的增加，最終使用的電流越大，效率越低。因此，如何提高速度或者降低啟動電流量即成為當今的盤式馬達主要研究課題。

本發明的一目的，為提供一種透過H型鐵芯本體上下大狹縫設計，將轉子永磁體與定子鐵芯體的將接觸面縮小，達到降低啟動電流，同時改善高速區域的效率。

為了要達到上述目的，其所採用的技術手段為：提供一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達，至少包括：一根沿軸向延伸的樞軸；二個彼此平行配置的盤式外轉子，每一盤式外轉子分別包括一個盤體及偶數個永久磁鐵，其中盤體分別以其中心垂直固設於樞軸，偶數個永久磁鐵設置於盤體，且以盤體為中心成環狀排列設置在盤體上，其中每一盤體上的每兩個相鄰永久磁鐵以相同磁極設置，而前述兩個盤式外轉子的盤體中的永久磁鐵為相異磁極彼此相對設置；一組柵欄式H型式定子，包括多數個H型鐵芯及馬達線圈繞組，其中所述每一H型鐵芯本體上下有大狹縫，使本體上下形成四個角體，其中H型鐵芯本體位於四個角體之間以橫向方式纏繞馬達線圈繞組，又多數個H型鐵芯分別以上述樞軸為圓心，且沿著軸向彼此平行均勻排列，前述每一H型鐵芯的四個角體的各自兩極分別近接對應前述兩個盤式外轉子中的永久磁鐵，又前述H型鐵芯數目大於上述永久磁鐵數目的一倍且低於二倍，或H型鐵芯數目小於上述永久磁鐵數目的0.5倍；一個轉子位置感測元件，供量測上述盤式外轉子的永久磁鐵位置，並輸出至少一個位置信號；及一個致能控制器，依據所收到的前述位置信號，提供交流的時脈式驅動信號至上述馬達線圈繞組，並使得每兩相鄰前述馬達線圈繞組的時 脈式驅動信號間，分別具有一均勻的相位差，且所有該組柵欄式定子的所有相鄰馬達線圈繞組間的前述相位差總和為360度的非零整數倍。

在上述一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達中，其特徵在於，所述一組柵欄H型式定子，包括多數個H型鐵芯、馬達線圈繞組及兩組短路線圈，其中所述每一H型鐵芯本體上下有大狹縫，使本體形成四個角體，四個角體上分別纏繞線圈，其中一側上下兩個角體以橫向方式纏繞連接成馬達線圈繞組，另一側上下兩個角體上則分別纏繞短路線圈。

本發明另一目的，為提供一種透過H型鐵芯本體的上下大狹縫形成的四支腳體，在其中一側對角的兩個角體上以橫向方式纏繞馬達線圈繞組，另一側對角的兩個角體上則分別纏繞短路線圈，達到降低啟動時的啟動電流，並且改善盤式馬達的頓轉轉矩，以及提升盤式馬達在高速的效率。

為了要達到上述目的，其所採用的技術手段為：提供一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達，至少包括：一根沿軸向延伸的樞軸；二個彼此平行配置的盤式外轉子，每一盤式外轉子分別包括一個盤體及偶數個永久磁鐵，其中盤體分別以其中心垂直固設於樞軸，偶數個永久磁鐵設置於盤體，且以盤體為中心成環狀排列設置在盤體上，其中每一盤體上的每兩個相鄰永久磁鐵以相同磁極設置，而前述兩個盤式外轉子的盤體中的永久磁鐵為相同磁極彼此相對設置；一組柵欄式H型式定子，包括多數個H型鐵芯、馬達線圈繞組及兩組短路線圈，其中所述每一H型鐵芯本體上下有大狹縫，使本體形成四支腳體，四個角體上分別纏繞線圈，其中一側對角兩個角體上以橫向方式纏繞連接成馬達線圈繞組，另一側對角兩個角體上則分 別纏繞短路線圈，又多數個H型鐵芯分別以上述樞軸為圓心，且沿著軸向彼此平行均勻排列，前述每一H型鐵芯的四個角體的各自兩極分別近接對應前述兩個盤式外轉子中的永久磁鐵，又前述H型鐵芯數目大於上述永久磁鐵數目的一倍且低於二倍，或H型鐵芯數目小於上述永久磁鐵數目的0.5倍；一個轉子位置感測元件，供量測上述盤式外轉子的永久磁鐵位置，並輸出至少一個位置信號；以及一個致能控制器，依據所收到的前述位置信號，提供交流的時脈式驅動信號至上述馬達線圈繞組，並使得每兩相鄰前述馬達線圈繞組的時脈式驅動信號間，分別具有一均勻的相位差，且所有該組柵欄式定子的所有相鄰馬達線圈繞組間的前述相位差總和為360度的非零整數倍。

本發明再一目的，為提供一種透過H型鐵芯本體的上下大狹縫形成的四個角體，四個角體上分別纏繞線圈，其中一側對角的兩個角體上以橫向方式纏繞連接成馬達線圈繞組，另一側對角的兩個角體上則分別纏繞短路線圈，且在H型鐵芯本體上下大狹縫部位以縱向方式纏繞發電線圈繞組，使本發明在定子的H型鐵芯上有馬達線圈繞組及發電線圈繞組，在不變更馬達單體的設計下，使得動能所引起的磁感應，可以被有效轉換為電能輸出儲存，同時可以使磁鐵和鐵芯間的磁阻降低，達到降低啟動電流、改善頓轉轉矩、提升高速旋轉效率、以及電能回收的目的。

本發明為了要達到上述目的，其所採用的技術手段為：提供一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達/發電機，至少包括：一根沿軸向延伸的樞軸；二個彼此平行配置的盤式外轉子，每一盤式外轉子分別包括一個盤體及偶數個永久磁鐵，其中盤體分別以其中心垂直固設於樞軸，偶數個 永久磁鐵設置於盤體，且以盤體為中心成環狀排列設置在盤體上，其中每一盤體上的每兩個相鄰永久磁鐵以相同磁極設置，而前述兩個盤式外轉子的盤體中的永久磁鐵為相同磁極彼此相對設置；一組柵欄式H型式定子，包括多數個H型鐵芯、馬達線圈繞組、兩組短路線圈及發電線圈繞組，其中所述每一H型鐵芯本體上下有大狹縫，使本體上下形成四個角體，四個角體上分別纏繞線圈，其中一側對角兩個角體上以橫向方式纏繞連接成馬達線圈繞組，另一側對角兩個角體上則分別纏繞短路線圈，所述發電線圈繞組以縱向方式纏繞在H型鐵芯本體上下大狹縫部位，又多數個H型鐵芯分別以上述樞軸為圓心，且沿著軸向彼此平行均勻排列，前述每一H型鐵芯的四個角體的各自兩極分別近接對應前述兩個盤式外轉子中的永久磁鐵，又前述H型鐵芯數目大於上述永久磁鐵數目的一倍且低於二倍，或H型鐵芯數目小於上述永久磁鐵數目的0.5倍；至少一個轉子位置感測元件，供量測上述盤式外轉子的永久磁鐵位置，並輸出至少一個位置信號；一個致能控制器，依據所收到的前述位置信號，提供交流的時脈式驅動信號至上述馬達線圈繞組，並使得每兩相鄰前述馬達線圈繞組的時脈式驅動信號間，分別具有一均勻的相位差，且所有該組柵欄式定子的所有相鄰馬達線圈繞組間的前述相位差總和為360度的非零整數倍；以及一組電能回收迴路，供接收儲存上述發電線圈繞組所發電能。

在上述一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達及盤式馬達/發電機中，其中每一H型鐵芯為複數取向性矽鋼片疊製成圓形或方形柱狀。

在上述一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達及盤式馬達/發電機中，其中柵欄式H型定子更包括有二個固持H型鐵芯的非導磁定子基座。

在上述一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達及盤式馬達/發電機中，其中H型鐵芯的四個角體頂部與近接對應的上述永久磁鐵的最短距離小於上述盤體厚度。

由於本發明一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達/發電機，包括二個彼此平行配置的盤式外轉子及一組柵欄式H型定子，藉由轉子與定子相互間的巧妙配置及一根樞軸的串接，一方面減少空氣隙的距離，使得磁通量主要經過H型鐵芯和永久磁鐵達成迴路，另一方面在柵欄式H型定子的H型鐵芯上的上下大狹縫部位以縱向方式纏繞發電線圈繞組，使得作為發電機時，磁通路仍能保持暢通，磁阻降低，發電效率藉此提升；且由於永久磁鐵和H型鐵芯的數目相互匹配，共同構成磁迴路，搭配彼此具有特定相位差的時脈式驅動訊號，讓轉子的運轉順暢；尤其，結合H型鐵芯數目大於上述永久磁鐵數目的一倍且低於二倍，或H型鐵芯數目小於上述永久磁鐵數目的0.5倍的結構特點，每一永久磁鐵都恰好搭配一個完整磁迴路，有效提升馬達/發電機的能量轉換效率，進而達成以上所述所有目的。

10、8、9:馬達

81、91、122:永久磁鐵

12、82、92:轉子

83、93、132:線圈

13、94:定子

11:樞軸

131:鐵芯

121:盤體

133:基座

134:狹縫

135、A、B、C、D:角體

136:感測元件

137:致能控制器

138:短路線圈

139:發電線圈

第1圖為習知外轉子永磁式交流伺服馬達示意圖，用以說明馬達定子與轉子的相對位置關係。

第2圖為習知盤式馬達架構示意圖，用以說明其永久磁鐵與線圈相對關係。

第3圖為本發明較佳實施例的立體分解示意圖，用以說明樞軸、二個盤式外轉子、盤體、永久磁鐵、柵欄式H型定子、H型鐵芯及定子基座的相對位置關係。

第4圖為H型鐵芯為圓形柱狀示意圖。

第5圖為H型鐵芯為方形柱狀示意圖。

第6圖為永久磁鐵相鄰相同極性且相對位置相異極性，H型鐵芯本體位於四個角體之間橫向纏繞馬達線圈繞組與永久磁鐵的相對關係示意圖。

第7為第6圖永久磁鐵與H型鐵芯內部產生的磁場變化剖視示意圖。

第8圖為永久磁鐵相鄰相同極性且相對位置相異極性，H型鐵芯本體D-B同側角體纏繞馬達線圈繞組，另一側角體A-C纏繞短路線圈與永久磁鐵的相對關係示意圖。

第9圖為永久磁鐵相鄰相同極性且相對位置相異極性，H型鐵芯本體A-C同側角體纏繞馬達線圈繞組，另一側角體B-D纏繞短路線圈與永久磁鐵的相對關係示意圖。

第10圖為永久磁鐵相鄰相同極性且相對位置相同極性，H型鐵芯本體對角C-D角體纏繞馬達線圈繞組，另一側對角A-B角體纏繞短路線圈與永久磁鐵的相對關係示意圖。

第11圖為永久磁鐵相鄰相同極性且相對位置相同極性，H型鐵芯本體A-B同側角體纏繞馬達線圈繞組，另一側角體C-D纏繞短路線圈與永久磁鐵的相對關係示意圖。

第12圖為永久磁鐵相鄰相同極性且相對位置相同極性，H型鐵芯本體對角角體纏繞馬達線圈繞組，另一側對角角體纏繞短路線圈與永久磁鐵的相對關係示意圖。

第13圖為第12圖永久磁鐵與H型鐵芯內部產生的磁場變化剖視示意圖。

第14圖為永久磁鐵相鄰相同極性且相對位置相同極性，H型鐵芯本體對角角體纏繞馬達線圈繞組，另一側對角角體設置短路線圈，本體上下大狹縫部位縱向纏繞發電線圈繞組與永久磁鐵的相對關係示意圖。

第15圖為第14圖永久磁鐵與H型鐵芯內部產生的磁場變化剖視示意圖。

第16圖為感測元件及智能控制器提供時脈式驅動訊號示意圖，用以說明致能控制器接收感測霍爾元件量測永久磁鐵的位置信號，提供交流時脈相鄰線圈組所接收時脈式驅動訊號相位差關係。

有關本發明的前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考附圖的較佳實施例的詳細說明中，將可清楚呈現；此外，在各實施例中，相同的元件將以相同標號表示，另外軸向、縱向的定義為沿著附圖的上下方向，橫向的定義為沿著附圖的左右方向。

如圖3所示，本發明一種具有柵欄式H型定子的外盤式馬達10，有一根沿軸向延伸的樞軸11、兩個彼此平行配置的盤式外轉子12、一組柵欄式H型式定子13；其中每一個盤式外轉子12包括一個盤體121及偶數個永久磁鐵122；柵欄式H型式定子13包括多數個H型鐵芯131及馬達線圈132。

在本實施例中的，所述盤體121為圓形盤狀，永久磁鐵122以6個為略呈長扁彎弧形；在本領域的技術人員所能輕易理解，即使此處的永久磁鐵122改採如馬蹄形或長方形，只要依前述方式設置於盤體121中，均無礙於本發明的實施。

又，在本實施例中，所述柵欄式H型式定子13包括9根等長度的圓形柱狀H型鐵芯131，且每一H型鐵芯131的長度均為3.5公分，H型是指形狀類似英文字母H；又如圖4及圖5所示，所述H型鐵芯131可為圓形或方形柱狀，均無礙於本申請實施。

另外，所述H型鐵芯131為以複數取向性矽鋼片構成，在本發明技術領域中，普通技術人員可以任意選擇，例如鐵粉壓鑄而成或其他 慣用磁導體作為H型鐵芯，均無礙於本申請實施。

如圖3所示，所述二個彼此平行配置的盤式外轉子12，每一前述盤式外轉子12分別包括一個盤體121及偶數個永久磁鐵122，其中盤體121分別以其中心垂直固設於樞軸11，所述偶數個永久磁鐵122以盤體121為中心成環狀排均勻，且平坦嵌設於盤體121中，其中盤體121上的每兩個相鄰永久磁鐵122以相同磁極設置，而兩個平行的盤式外轉子12的盤體中的永久磁鐵122為相異磁極彼此相對設置。

如圖3所示，所述柵欄式H型式定子13包括多數個H型鐵芯131及馬達線圈132，其中H型鐵芯131共同受二個非導磁定子基座133的固持，且多數個H型鐵芯131分別以樞軸11為圓心，並沿著軸向彼此平行均勻排列設置在二個非導磁定子基座133中間。

如圖3、圖4及圖5所示，每一H型鐵芯131本體上下有大狹縫134，使其形成四個角體135，其中H型鐵芯131本體位於四個角體之間以橫向方式纏繞馬達線圈132，所述四個角體135的各自兩極分別近接對應兩個盤式外轉子12中的永久磁鐵122，如第6圖所示；又H型鐵芯131數目大於上述永久磁鐵122數目的一倍且低於二倍，或H型鐵芯數目小於上述永久磁鐵數目的0.5倍，所以無論永久磁鐵122轉動至任何位置，都可以有部分永久磁鐵122恰好對應兩根相鄰的H型鐵芯131，且兩根相鄰的H型鐵芯131分別接近兩個永久磁鐵143N極和S極，而上下兩個完整磁迴路，如圖6及圖7所示。

如圖16所示，本發明還包括至少一個感測元件136及一個與感測元件136連接的致能控制器137；其中所述至少一個感測元件136設置在柵欄式H型式定子13位置，在本實施例中，所述至少一個感測元件136設置 在柵欄式H型式定子13的上下基座133外側，提供量測盤式外轉子12的永久磁鐵122位置，並可將量測的位置信號輸出到致能控制器138，致能控制器138可依據所收到來自感測元件136的位置信號，提供一個交流的時脈式驅動信號至每一個馬達線圈132，並使得每兩相鄰前述馬達線圈132的時脈式驅動信號間，分別具有一均勻的相位差，且所有該組柵欄式H型定子13的所有相鄰馬達線圈132間的前述相位差總和為360度的非零整數倍。

請參閱圖6及圖7所示，其中圖6為永久磁鐵相鄰相同極性且相對位置相異極性，H型鐵芯本體位於四個角體之間橫向纏繞馬達線圈繞組與永久磁鐵的相對關係示意圖。圖7為圖8永久磁鐵與H型鐵芯內部產生的磁場變化剖視示意圖。

如圖6及圖7所示，本發明在每一H型鐵芯131位於四個角體之間分別纏繞馬達線圈132，供接受一交流的時脈式驅動信號磁化H型鐵芯131產生主磁場；因在H型鐵芯131作用之下，利用H型鐵芯131本身的大狹縫134，在永久磁鐵122的磁極剛經過H型鐵芯131對應角體135端部，且將H型鐵芯131本體上的馬達線圈132之一交流的時脈式驅動訊號磁化H型鐵芯131的主磁通產生畸變偏移，有效地均勻集中於兩側且分布於四個角體135磁極尖部，增大交流的時脈式驅動訊號磁化H型鐵芯131的主磁通與永久磁鐵122的正交量，以及保持磁通偏移，來降低啟動電流，同時改善高速區域的效率。此外，在高速運轉時，具有較大的正交向量，以降低盤式永久磁鐵122與H型鐵芯131的磁吸力，達到讓馬達啟動電流降低的功效。

如圖7所示，當外盤式馬達1軸向上方的盤式外轉子12的永久磁鐵122的磁極自左至右以N-S、S-N、N-S…的方式排列設置於盤體121，相 對地位於軸向下方的盤式外轉子12的永久磁鐵122的磁極自左至右以S-N、N-S、S-N、…方式排列設置於盤體121，此時，若有一H型鐵芯131被驅動感應出的磁極正好與相互近接的上方的盤式外轉子12的永久磁鐵122的磁極相異，共同形成封閉的磁力線，另一方面則與下方永久磁鐵122磁極相同，因同磁極相斥，而由H型鐵芯131牽引永久磁鐵122沿著樞軸11旋轉運動，也就是上述盤式外轉子12被上述柵欄式H型定子13磁力驅動旋轉，而且在永久磁鐵122通過對應的H型鐵芯131本體四個角體135端部後，勵磁的時脈式驅動訊號又會逐漸換相，改以相反的磁性再度推動次一磁極繼續運轉。於本實施例中，會在圓週上每隔120度產生一處相同的推或拉的作用，使得上述外盤式馬達1中每一時相可產生三倍的推力或拉力。上方與下方的永久磁鐵122在圖7所示瞬間，磁力線是行經馬達線圈132，並且由下方H型鐵芯131本體內部及相鄰的H型鐵芯131本體返回而構成完整磁迴路。

請參閱如圖8到圖11所示，在本發明一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達中，藉由每二個彼此平行配置的盤式外轉子12之間設置一組由多數個H型鐵芯131構成的柵欄式H型定子13結構，利用H型鐵芯131本體的大狹縫134形成四個角體135，在四個角體135上纏繞四組線圈，在四組線圈選擇其中兩組線圈為短路線圈138，亦即是蔽極線圈(Shading Coil)功能，被選擇短路的繞組具有匝數少且亦可以使用銅環組成，成為高電阻、小電感抗的電阻性線圈。

將其中兩組線圈設為短路線圈138，且另兩組線圈連接為馬達線圈132，供接受一交流的時脈式驅動訊號磁化H型鐵芯。由於從兩組未被短路線圈(馬達線圈132)藉由交流的時脈式驅動訊號產生的主磁場中所產 生的互感磁通，將會在兩組短路線圈138中產生感應電壓，在經過短路會產生一個短路電流。這個短路電流與另兩組未被短路的線圈(馬達線圈132)接受一交流的時脈式驅動訊號所產生的激磁電流不是同步。根據楞次定律，此感應電勢使得兩組短路線圈138產生感應電流係反抗另兩組未被短路線圈(馬達線圈132)供接受一交流的時脈式驅動訊號磁化H型鐵芯的主磁通之磁通變化，故造成在短路線圈138的磁通相較於兩組未被短路線圈(馬達線圈132)供接受一交流的時脈式驅動訊號磁化的主磁通滯後90度，此滯後磁通可以改變兩組未被短路線圈(馬達線圈132)供接受一交流的時脈式驅動訊號磁化的主磁通之相位，亦即是短路線圈138的磁通與兩組未被短路線圈(馬達線圈132)供接受一交流的時脈式驅動訊號磁化的主磁通合成一個偏斜磁通的效果，可使得兩組未被短路線圈(馬達線圈132)供接受一交流的時脈式驅動訊號磁化的主磁通方向產生畸變。

由此可知，由兩組短路線圈138所產生的交變磁場理想地與兩組未被短路線圈(馬達線圈132)藉由交流的時脈式驅動訊號產生的主磁場落後且相移90度，這將會導致H型鐵芯體的兩個部分的磁場不會同時為零，且這個短路線圈138的短路電流又產生新磁場且抵銷一部份原來交流的時脈式驅動訊號產生的主磁場，並導致主磁通變化遲緩，繼而造成定子鐵芯體的角體磁極尖部主磁場輕微扭曲變形，且間接造成磁場的相移現象。

如圖8及圖9所示，由於短路線圈138設於H型鐵芯中，可根據盤式馬達的設於定子磁極兩端之中的四個角體135上。當永久磁鐵磁路設計不同且馬達需要轉向時，必須將主磁極鐵心翻面改變銅環短路放置位置，在永久磁鐵122相鄰相同極性，且上下相對位置相異極性時，必須將短路線 圈138設在H型鐵芯位於同一側，短路欲順時針方向旋轉時，如圖8所示，可將A、C銅環短路，而B、D銅環開路；而欲逆時針方向旋轉時，如圖9所示，則將A、C銅環開路，B、D銅環短路。

如圖10及圖11所示，在永久磁鐵122相鄰相同極性，且上下相對位置相同極性時，需要將短路線圈138設在H型鐵芯位於對角側，當馬達的轉向時，須將主磁極鐵心翻面改變銅環短路放置位置，欲順時針方向旋轉時，如圖10所示，可將A、B銅環短路，而C、D銅環開路；而欲逆時針方向旋轉時，如圖11所示，則將A、B銅環開路，C、D銅環短路。

由上得知，在盤式馬達10的盤式外轉子12啟動過程中，流過定子13與盤式外轉子12氣隙的合成磁通都是位於偏斜磁通或磁極兩側的，可以有效地集中產生正交向量，且激磁磁通集中分布於四個角體135磁極尖部，保持磁通偏移，達到降低啟動電流、改善盤式馬達的頓轉轉矩、以及提升盤式馬達在高速的效率，大幅提高性價比(性價比為性能/價格，為反映了單位付出所購得的商品性能)。

再請參閱圖12及圖13所示，其中圖12為永久磁鐵相鄰相同極性且相對位置相同極性，H型鐵芯本體一側對角的角體纏繞馬達線圈，另一側對角的角體纏繞短路線圈與永久磁鐵的相對關係示意圖。圖13為永久磁鐵與H型鐵芯內部產生的磁場變化剖視示意圖。

如圖12及圖13所示，每一H型鐵芯131本體一側對角兩個角體135纏繞馬達線圈132，另一側對角兩個角體135上則分別纏繞短路線圈138，在本實施例中，H型鐵芯131對角的兩組馬達線圈132連接，供接受一交流的時脈式驅動訊號(圖未示)磁化前述H型鐵芯131。由於這個短路線圈138的短 路電流又產生新磁場且抵銷一部份原來交流的時脈式驅動訊號產生的主磁場，並導致主磁通變化遲緩，繼而造成H型鐵芯131的角體135磁極尖部主磁場輕微扭曲變形，且間接造成磁場的相移現象，如圖13所示，上述軸向上方的盤式外轉子12的永久磁鐵122的磁極自左至右以N-S、S-N、N-S…方式排列設置於盤體121，而相對位於軸向下方的盤式外轉子12的永久磁鐵122的磁極自左至右以N-S、S-N、N-S…方式排列設置於盤體121，此時，若有一H型鐵芯131被驅動感應出的磁極正好與相互近接的上方盤式外轉子12的永久磁鐵122的磁極相異，共同形成封閉的磁力線，另一方面則與下方盤式外轉子12的永久磁鐵122的磁極相反，因異磁極相吸以及同磁極相斥，而由H型鐵芯131牽引永久磁鐵122沿著樞軸11旋轉運動，也就是上述盤式外轉子12被上述柵欄式H型定子13磁力驅動旋轉，於本實施例中，會在圓週上每隔120度產生一處相同的推或拉的作用，使得上述外盤式馬達1中每一時相可產生三倍的推力或拉力。在圖13所示，上方與下方的永久磁鐵143瞬間，磁力線是行經馬達線圈132，並且由H型鐵芯131本體下方內部橫桿及相鄰的H型鐵芯131本體返回而構成完整磁迴路。

由於本實施例中的H型鐵芯131數目為永久磁鐵的1.5倍，所以無論盤式外轉子14轉動至任何位置，都可以有部分永久磁鐵122恰好對應兩根相鄰的H型鐵芯131，且兩根相鄰的H型鐵芯131分別接近其N極和S極，使得上下方的盤式外轉子12相互對應的兩永久磁鐵122，分別可以藉由其中一個H型鐵芯131內部橫桿通過自己H型鐵芯131，返回該永久磁鐵122的另一極而構成上下兩個完整磁迴路。

此外，每一H型鐵芯131內部橫桿，使得永久磁鐵122的磁力 線將密集通過H型鐵芯131，磁阻因而大幅降低。當然，熟悉本領域人士可以理解，要構成上述對應的磁迴路，本發明前述H型鐵芯131的數目必須為相對於上述樞軸11呈現放射狀對稱分佈的正整數，且數目大於上述永久磁鐵122數目的一倍並低於二倍，或H型鐵芯數目小於上述永久磁鐵數目的0.5倍。

在請參閱圖14及圖15所示，其中圖14為永久磁鐵相鄰相同極性且相對位置相同極性，H型鐵芯本體一側對角的角體纏繞馬達線圈，另一側對角的角體纏繞短路線圈，本體上下大狹縫部位縱向纏繞發電線圈繞組與永久磁鐵的相對關係示意圖。圖15為永久磁鐵與H型鐵芯內部產生的磁場變化剖視示意圖。

如14及圖15所示，每一上述H型鐵芯131本體上下大狹縫134纏繞有一發電機線圈139，接受馬達線圈132所產生的磁化前述H型鐵芯131的交變互感磁通；在馬達運轉時，由於柵欄式H型定子13的旋轉，會使得設置於H型鐵芯131本體上下大狹縫134的發電線圈139在運動過程中切割磁力線，回收部分動能並且轉換為電能。

根據楞次定律，此感應電勢使得發電線圈繞139產生感應電流或負載電流係反抗馬達線圈132的時脈式驅動訊號磁化H型鐵芯131的主磁通之磁通變化，故造成在發電機線圈132的磁通相較於馬達線圈132供接受一交流的時脈式驅動訊號磁化的主磁通滯後90度，另因發電線圈139與馬達線圈132互差90度。因此，馬達磁通與發電機磁通可以設計達到同相位，提供永久磁鐵完整的磁力線通路，讓磁阻大幅降低，且永久磁鐵的旋轉移動可以週期性地減弱鐵芯受交流電訊號勵磁過程中的磁滯現象，讓磁滯現象 所帶來的發熱及能量耗損降低，藉此使得本發明所揭露的馬達在運轉過程中發熱量低，能量轉換效率高，達成超越現有技術的上述發明目的。

以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10‧‧‧馬達

11‧‧‧樞軸

12‧‧‧轉子

121‧‧‧盤體

122‧‧‧永久磁鐵

13‧‧‧定子

131‧‧‧鐵芯

132‧‧‧線圈

133‧‧‧基座

134‧‧‧狹縫

Claims (12)

1. 一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達，至少包括：一根沿軸向延伸的樞軸；二個彼此平行配置的盤式外轉子，每一盤式外轉子分別包括一個盤體及偶數個永久磁鐵，其中盤體分別以其中心垂直固設於樞軸，偶數個永久磁鐵設置於盤體，且以盤體為中心成環狀排列設置在盤體上，其中每一盤體上的每兩個相鄰永久磁鐵以相同磁極設置，而前述兩個盤式外轉子的盤體中的永久磁鐵為相異磁極彼此相對設置；一組柵欄式H型式定子，包括多數個H型鐵芯、馬達線圈繞組及兩組短路線圈，其中所述每一H型鐵芯本體上下有大狹縫，使本體上下形成四個角體，四個角體上分別纏繞線圈，其中一側上下兩個角體以橫向方式纏繞連接成馬達線圈繞組，另一側上下兩個角體上則分別纏繞短路線圈，又多數個H型鐵芯分別以上述樞軸為圓心，且沿著軸向彼此平行均勻排列，前述每一H型鐵芯的四個角體的各自兩極分別近接對應前述兩個盤式外轉子中的永久磁鐵，又前述H型鐵芯數目大於上述永久磁鐵數目的一倍且低於二倍，或H型鐵芯數目小於上述永久磁鐵數目的0.5倍；一個轉子位置感測元件，供量測上述盤式外轉子的永久磁鐵位置，並輸出至少一個位置信號；及一個致能控制器，依據所收到的前述位置信號，提供交流的時脈式驅動信號至上述馬達線圈繞組，並使得每兩相鄰前述馬達線圈繞組的時脈式驅動信號間，分別具有一均勻的相位差，且所有該組柵欄 式定子的所有相鄰馬達線圈繞組間的前述相位差總和為360度的非零整數倍。
2. 如申請專利範圍第5項所述的具有柵欄式H型定子的盤式馬達，其中每一上述H型鐵芯為複數取向性矽鋼片疊製成圓形或方形柱狀。
3. 如申請專利範圍第5項所述的具有柵欄式H型定子的盤式馬達，其中上述柵欄式H型定子更包括有二個固持H型鐵芯的非導磁定子基座。
4. 如申請專利範圍第5項所述的具有柵欄式H型定子的盤式馬達，其中上述H型鐵芯的四個角體與近接對應的上述永久磁鐵的最短距離小於上述盤體厚度。
5. 一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達，至少包括：一根沿軸向延伸的樞軸；二個彼此平行配置的盤式外轉子，每一盤式外轉子分別包括一個盤體及偶數個永久磁鐵，其中盤體分別以其中心垂直固設於樞軸，偶數個永久磁鐵設置於盤體，且以盤體為中心成環狀排列設置在盤體上，其中每一盤體上的每兩個相鄰永久磁鐵以相同磁極設置，而前述兩個盤式外轉子的盤體中的永久磁鐵為相同磁極彼此相對設置；一組柵欄式H型式定子，包括多數個H型鐵芯、馬達線圈繞組及兩組短路線圈，其中所述每一H型鐵芯本體上下有大狹縫，使本體形成四個角體，四個角體上分別纏繞線圈，其中一側對角兩個角體以橫向方式纏繞連接成馬達線圈繞組，另一側對角兩個角體上則分別纏繞短路線圈，又多數個H型鐵芯分別以上述樞軸為圓心，且沿著軸向彼此平行均勻排列，前述每一H型鐵芯的四個角體的各自兩極分別近 接對應前述兩個盤式外轉子中的永久磁鐵，又前述H型鐵芯數目大於上述永久磁鐵數目的一倍且低於二倍，或H型鐵芯數目小於上述永久磁鐵數目的0.5倍；一個轉子位置感測元件，供量測上述盤式外轉子的永久磁鐵位置，並輸出至少一個位置信號；及一個致能控制器，依據所收到的前述位置信號，提供交流的時脈式驅動信號至上述馬達線圈繞組，並使得每兩相鄰前述馬達線圈繞組的時脈式驅動信號間，分別具有一均勻的相位差，且所有該組柵欄式定子的所有相鄰馬達線圈繞組間的前述相位差總和為360度的非零整數倍。
6. 如申請專利範圍第9項所述的具有柵欄式H型定子的盤式馬達，其中每一H型鐵芯為複數取向性矽鋼片疊製成圓形或方形柱狀。
7. 如申請專利範圍第9項所述的具有柵欄式H型定子的盤式馬達，其中柵欄式H型定子更包括有二個固持H型鐵芯的非導磁定子基座。
8. 如申請專利範圍第9項所述的具有柵欄式H型定子的盤式馬達，其中H型鐵芯的四個角體頂部與近接對應的上述永久磁鐵的最短距離小於上述盤體厚度。
9. 一種具有柵欄式H型定子的盤式馬達/發電機，至少包括：一根沿軸向延伸的樞軸；二個彼此平行配置的盤式外轉子，每一盤式外轉子分別包括一個盤體及偶數個永久磁鐵，其中盤體分別以其中心垂直固設於樞軸，偶數個永久磁鐵設置於盤體，且以盤體為中心成環狀排列設置在盤體 上，其中每一盤體上的每兩個相鄰永久磁鐵以相同磁極設置，而前述兩個盤式外轉子的盤體中的永久磁鐵為相同磁極彼此相對設置；一組柵欄式H型式定子，包括多數個H型鐵芯、馬達線圈繞組、兩組短路線圈及發電線圈繞組，其中所述每一H型鐵芯本體上下有大狹縫，使本體形成四支腳體，四個角體上分別纏繞線圈，其中一側對角兩個角體以橫向方式纏繞連接成馬達線圈繞組，另一側對角兩個角體上則分別纏繞短路線圈，所述發電線圈繞組以縱向方式纏繞在H型鐵芯本體上下大狹縫部位，又多數個H型鐵芯分別以上述樞軸為圓心，且沿著軸向彼此平行均勻排列，前述每一H型鐵芯的四個角體的各自兩極分別近接對應前述兩個盤式外轉子中的永久磁鐵，又前述H型鐵芯數目大於上述永久磁鐵數目的一倍且低於二倍，或H型鐵芯數目小於上述永久磁鐵數目的0.5倍；至少一個轉子位置感測元件，供量測上述盤式外轉子的永久磁鐵位置，並輸出至少一個位置信號；一個致能控制器，依據所收到的前述位置信號，提供交流的時脈式驅動信號至上述馬達線圈繞組，並使得每兩相鄰前述馬達線圈繞組的時脈式驅動信號間，分別具有一均勻的相位差，且所有該組柵欄式定子的所有相鄰馬達線圈繞組間的前述相位差總和為360度的非零整數倍；及一組電能回收迴路，供接收儲存上述發電線圈繞組所發電能。
10. 如申請專利範圍第13項所述的具有柵欄式H型定子的盤式馬達/發電機，其中每一H型鐵芯為複數取向性矽鋼片疊製成圓形或方形柱狀。
11. 如申請專利範圍第13項所述的具有柵欄式H型定子的盤式馬達/發電機，其中柵欄式H型定子更包括有二個固持H型鐵芯的非導磁定子基座。
12. 如申請專利範圍第13項所述的具有柵欄式H型定子的盤式馬達/發電機，其中H型鐵芯的四個角體頂部與近接對應的上述永久磁鐵的最短距離小於上述盤體厚度。

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