TWI846552B - 動力傳動系統 - Google Patents

Abstract

一種動力傳動系統，包括一驅動馬達及一第一磁性齒輪電機，其中該驅動馬達包含一本體及一第一驅動軸，該第一磁性齒輪電機包含一第一內環轉子、一第一中環極片、一第一外環轉子、一第一機械輸入端、一第一電氣輸入端及一第一機械輸出端。透過驅動馬達及第一磁性齒輪電機的設計，不會有齒輪的磨耗與噪音產生的困擾，也能夠避免因轉速的不連續而造成該車輛的頓挫感。

Description

動力傳動系統

本發明係關於一種動力傳動系統，特別是關於一種利用雙磁性齒輪來進行連動的動力傳動系統。

電機驅動馬達與傳動齒輪的組合是工業應用上常見的動力傳動，驅動馬達作為系統的動力單元，係藉由磁能轉換機制，將電能轉換為動力系統所需的機械能。齒輪則是機械動能的調節單元，用以調配驅動馬達輸出端的機械能轉速（ω）與轉矩（T），使動力驅動源能有效輸出至負載作功。一般應用上，考量驅動馬達工作於高轉速區會具有較佳的機電轉換效率，而負載端相對會操作於低轉速區，因此驅動馬達動力單元一般會結合變速齒輪箱設計，成為一串接式的動力傳動模組，用於減速及增矩的應用場合。

然而，傳統動力模組在驅動馬達輸出端皆需要使用機械齒輪組進行減速與放大扭矩。此種架構使整體僅能擁有單一減速比，且功率輸出範圍僅能挑選電機輸出功率爲限。

另外，傳統車輛傳動模組，不論是有段式或無段式變速架構，在傳動系統中大都使用機械式齒輪作爲傳遞媒介。而機械齒輪本身結構上的因素，在囓合處有背隙的存在，造成齒輪的磨耗與噪音產生，因此需要定期進行潤滑保養，甚者需要更換部件，且齒輪箱設計上需要顧及配合精度等，若稍有不注意，會造成漏油的現象，導致使用環境的危險。

進一步來說，在車輛傳動系統的發展上，爲了使動力來源可以在不同轉速下維持足夠的與扭力穩定的輸出，因此便有有段式變速箱的發展，透過不同階段的齒比變化，來達到較爲連續的扭矩轉速變化曲線。但有段式變速箱結構的缺點便是在檔位切換的過程中，因轉速的不連續，會產生頓挫感，造成駕駛者以及乘客的不舒適。

隨着技術的演進，無段式變速箱的概念便被提出與設計，並應用於車輛傳動系統。透過行星齒輪系可以達到固定速比以及在兩個輸入源時的變速比，來使輸入端至輸出端的減速比呈現連續性的變化，減少駕駛所感受到的頓挫感。在現有架構中，不論是有段式或無段式變速架構，在傳動系統中大都使用機械式齒輪作爲傳遞媒介。而機械齒輪本身結構上的因素，在囓合處有背隙的存在，造成齒輪的磨耗與噪音產生，因此需要定期進行潤滑保養，甚者需要更換部件，且齒輪箱設計上需要顧及配合精度等，若稍有不注意，會造成漏油的現象，導致使用環境的危險

因此，為克服現有技術中的缺點和不足，本發明有必要提供改良的一種動力傳動系統，以解決上述習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種動力傳動系統，利用驅動馬達及第一磁性齒輪電機的設計，不會有齒輪的磨耗與噪音產生的困擾，也能夠避免因轉速的不連續而造成該車輛的頓挫感。

為達上述之目的，本發明提供一種動力傳動系統，該動力傳動系統包括一驅動馬達及一第一磁性齒輪電機，其中該驅動馬達包含一本體及一第一驅動軸，該第一驅動軸設置在該本體的一側；該第一磁性齒輪電機包含一第一內環轉子、一第一中環極片、一第一外環轉子、一第一機械輸入端、一第一電氣輸入端及一第一機械輸出端，該第一中環極片位於該第一內環轉子外側，該第一外環轉子位於該第一中環極片外側，該第一機械輸入端組合在該驅動馬達的第一驅動軸以及該第一內環轉子之間，該第一電氣輸入端配置為操控電磁場激磁，以提供該第一外環轉子用於轉動的電磁場轉矩，該第一機械輸出端設置在該第一中環極片上，而且該第一機械輸出端受到該第一中環極片帶動旋轉，其中該第一中環極片的轉速的公式為： ； 為該第一中環極片的轉速， 為該第一內環轉子的轉速， 為該第一外環轉子的轉速， 為該第一內環1轉子的磁鐵磁極對數， 為該第一中環極片的導磁極片數， 為該第一外環轉子的磁極對數。

在本發明之一實施例中，該驅動馬達包含一第二驅動軸，該第二驅動軸設置在該本體的另一側，該動力傳動系統另包括一第二磁性齒輪電機，該第二磁性齒輪電機包含一第二內環轉子、一第二中環極片、一第二外環轉子、一第二機械輸入端、一第二電氣輸入端及一第二機械輸出端，該第二中環極片位於該第二內環轉子外側，該第二外環轉子位於該第二中環極片外側，該第二機械輸入端組合在該驅動馬達的第二驅動軸以及該第二內環轉子之間，該第二電氣輸入端配置為操控電磁場激磁，以提供該第二外環轉子用於轉動的電磁場轉矩，該第二機械輸出端設置在該第二中環極片上，而且該第二機械輸出端受到該第二中環極片帶動旋轉，其中該第二中環極片的轉速的公式為： ； 為該第二中環極片的轉速， 為該第二內環轉子的轉速， 為該第二外環轉子的轉速， 為該第二內環轉子的磁鐵磁極對數， 為該第二中環極片的導磁極片數， 為該第二外環轉子的磁極對數。

在本發明之一實施例中，該驅動馬達的第一驅動軸及第二驅動軸、該第一磁性齒輪電機的第一機械輸出端以及該第二磁性齒輪電機的第二機械輸出端皆沿著同一中心軸旋轉。

在本發明之一實施例中，該動力傳動系統的一傳動方式包含一定速模式及一差速模式，在該定速模式中，該驅動馬達將動力輸出至該第一內環轉子及該第二內環轉子，而且該第一外環轉子及該第二外環轉子的轉速為0；在該差速模式中，透過電磁場激磁調控該第一外環轉子及該第二外環轉子的轉速，使得該第一機械輸出端及該第二機械輸出端的轉速形成速差。

在本發明之一實施例中，該第一磁性齒輪電機的第一機械輸出端與該第二磁性齒輪電機的第二機械輸出端分別安裝在一車輛的一左輪及一右輪，該左輪及該右輪的一調速比為： ； ； ； ； 為差速， 為傳輸指數， 為該驅動馬達的轉速， 為左輪速度， 為右輪速度， 為轉彎半徑， 為旋轉角速度； 當 時，該左輪及該右輪之間沒有速差，該車輛以直線行駛； 當 時，該左輪及該右輪轉速相同且方向相反，該車輛以一中心原地旋轉； 當 或 時，該車輛分別是以該右輪或該左輪為中心進行旋轉；及 當 或 時，該車輛分別為左轉或右轉。

在本發明之一實施例中，該第一外環轉子的轉速 以及該第二外環轉子的轉速 分別定義為： ； ； 為該驅動馬達的轉速， 為傳輸指數， 為調速比。

在本發明之一實施例中，該左輪及該右輪設置在該車輛的一車體的一中區段或一後區段。

在本發明之一實施例中，該第一磁性齒輪電機另包含二個第一位置感測器，該等第一位置感測器分別安裝在該第一內環轉子、該第一中環極片及該第一外環轉子中的其中二個，以獲得對應的電氣角。

在本發明之一實施例中，該等第一位置感測器分別安裝在該第一內環轉子及該第一中環極片上，以獲得對應的一第一內環電氣角及一第一中環電氣角，該第一外環轉子的一第一外環電氣角透過計算為： ； 為該第一內環電氣角， 為該第一中環極片的導磁極片數， 為該第一外環轉子的磁極對數。

在本發明之一實施例中，該第一內環轉子為永久磁鐵環，該第一中環極片為調磁鐵芯環，該第一外環轉子為線圈磁鐵環。

如上所述，透過該驅動馬達、該第一及第二磁性齒輪電機的設計，可分別控制左輪及右輪以該定速模式或該差速模式進行轉動，藉此克服傳統動力模組只能夠操作在單一減速比且功率輸出範圍僅能挑選電機輸出功率爲限的問題。同時，以該第一及第二磁性齒輪電機來進行驅動，不會有齒輪的磨耗與噪音產生的困擾，也能夠避免因轉速的不連續而造成該車輛的頓挫感。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照圖1A所示，為根據本發明一實施例的一種動力傳動系統，其中該動力傳動系統包括一驅動馬達2、一第一磁性齒輪電機3及一第二磁性齒輪電機4，本發明將於下文詳細說明各元件的細部構造、組裝關係及其運作原理。

續參照圖1A所示，該驅動馬達2包含一本體21、一第一驅動軸22及一第二驅動軸23，其中該第一驅動軸22設置在該本體21的一側，該第二驅動軸23設置在該本體21的另一側。示例地，該第一驅動軸22配置為透過該第一磁性齒輪電機3帶動一車輛100的一左輪101轉動，該第二驅動軸23配置為透過該第二磁性齒輪電機4帶動該車輛100的一右輪102轉動，在本實施例中，該左輪101及該右輪102設置在該車輛100的一車體103的一後區段（見圖1A的四輪車輛及圖1B的三輪車輛），在其他實施例中，也可以將該左輪101及該右輪102設置在該車輛100的車體103的中區段（見圖1C的六輪車輛及圖1D的四輪車輛）。

請參照圖1A、圖2及圖3所示，該第一磁性齒輪電機3包含一第一內環轉子31、一第一中環極片32、一第一外環轉子33、一第一機械輸入端34、一第一電氣輸入端35及一第一機械輸出端36。具體來說，該第一中環極片32位於該第一內環轉子31外側，該第一外環轉子33位於該第一中環極片32外側，該第一機械輸入端34組合在該驅動馬達2的第一驅動軸22以及該第一內環轉子31之間，該第一電氣輸入端35配置為操控電磁場激磁，以提供該第一外環轉子33用於轉動的電磁場轉矩，示例地，該第一磁性齒輪電機3利用一第一控制器301及一第一逆變器302將三相激勵電流（ 、 、 ）由該第一電氣輸入端35對該第一磁性齒輪電機3的一第一激磁元件39進行激磁。在本實施例中，該第一內環轉子31為永久磁鐵環，該第一中環極片32為調磁鐵芯環，該第一外環轉子33為線圈磁鐵環。

續參照圖1A、圖2及圖3所示，該第一機械輸出端36設置在該第一中環極片32上，而且該第一機械輸出端36受到該第一中環極片32帶動旋轉，其中該第一中環極片32的轉速的公式為： ； 為該第一內環轉子的轉速， 為該第一中環極片的轉速， 為該第一外環轉子的轉速， 為該第一內環轉子的磁鐵磁極對數， 為該第一中環極片的導磁極片數， 為該第一外環轉子的磁極對數。

續參照圖1A、圖2及圖3所示，該第二磁性齒輪電機4包含一第二內環轉子41、一第二中環極片42、一第二外環轉子43、一第二機械輸入端44、一第二電氣輸入端45及一第二機械輸出端46。具體來說，該第二中環極片42位於該第二內環轉子41外側，該第二外環轉子43位於該第二中環極片42外側，該第二機械輸入端44組合在該驅動馬達2的第二驅動軸23以及該第二內環轉子41之間，該第二電氣輸入端45配置為操控電磁場激磁，以提供該第二外環轉子43用於轉動的電磁場轉矩，示例地，該第二磁性齒輪電機4利用一第二控制器401及一第二逆變器402將三相激勵電流（ 、 、 ）由該第二電氣輸入端45對該第二磁性齒輪電機4的一第二激磁元件49進行激磁。在本實施例中，該第二內環轉子41為永久磁鐵環，該第二中環極片42為調磁鐵芯環，該第二外環轉子43為線圈磁鐵環。

續參照圖1A、圖2及圖3所示，該第二機械輸出端46設置在該第二中環極片42上，而且該第二機械輸出端46受到該第二中環極片42帶動旋轉，其中該第二中環極片42的轉速的公式為： ； 為該第二內環轉子的轉速， 為該第二中環極片的轉速， 為該第二外環轉子的轉速， 為該第二內環轉子的磁鐵磁極對數， 為該第二中環極片的導磁極片數， 為該第二外環轉子的磁極對數。

在本實施例中，該驅動馬達2的第一驅動軸22及第二驅動軸23、該第一磁性齒輪電機3的第一機械輸出端36以及該第二磁性齒輪電機4的第二機械輸出端46皆沿著同一中心軸旋轉。

示例地，該動力傳動系統的一傳動方式包含一定速模式及一差速模式，在該定速模式中，該驅動馬達2將動力輸出至該第一內環轉子31及該第二內環轉子41，而且該第一外環轉子33及該第二外環轉子43的轉速為0；在該差速模式中，透過電磁場激磁調控該第一外環轉子33及該第二外環轉子43的轉速，使得該第一機械輸出端36及該第二機械輸出端46的轉速形成速差。

配合圖4所示，為動力傳動系統的車輛相對於座標軸X及Y之位置在行進或轉動的示意圖，該車輛100的轉向中心（Momentary Center, ICC）， 為該車輛100（Automation Guided Vehicle, AGV）速度方向與直角坐標的夾角， 為行進速度，該第一磁性齒輪電機3的第一機械輸出端36與該第二磁性齒輪電機4的第二機械輸出端46分別安裝在該車輛100的左輪101及右輪102，其中該左輪101及該右輪102的一調速比 為： ； ； ； ； 為差速， 為傳輸指數， 為該驅動馬達2的轉速， 為左輪速度， 為右輪速度， 為轉彎半徑， 為旋轉角速度； 當 時，該左輪101及該右輪102之間沒有速差，該車輛100以行進速度 直線行駛（見圖5）； 當 時，該左輪101及該右輪102轉速相同且方向相反，該車輛100以一中心 原地旋轉（見圖6）； 當 或 時，該車輛100分別是以該右輪102或該左輪101為中心進行旋轉；及 當 或 時，該車輛100分別為左轉（見圖7）或右轉（見圖8）。

示例地，該第一外環轉子33的轉速 以及該第二外環轉子43的轉速 分別定義為： ； ； 為該驅動馬達的轉速， 為傳輸指數， 為調速比。

請參照圖1A、圖2及圖3所示，該第一磁性齒輪電機3另包含二個第一位置感測器37、38，該等第一位置感測器37、38分別安裝在該第一內環轉子31、該第一中環極片32及該第一外環轉子33中的其中二個，以獲得對應的電氣角。在本實施例中，該等第一位置感測器37、38分別安裝在該第一內環轉子31及該第一中環極片32上，以獲得對應的一第一內環電氣角及一第一中環電氣角；同理，第二位置感測器47、48可分別安裝在該第二內環轉子41及該第二中環極片42上，以獲得對應的一第二內環電氣角 及一第二中環電氣角 。

該第一外環轉子的一第一外環電氣角 透過計算為： ； 為該第一中環極片的導磁極片數， 為該第一外環轉子的磁極對數。

依據上述的結構，本發明動力傳動系統透過該驅動馬達2驅動二相對側的第一磁性齒輪電機3及該第二磁性齒輪電機4轉動，以帶動該車輛100所對應的左輪101及右輪102以該定速模式或該差速模式進行轉動，進而能夠達到固定減速比（單輸入單輸出），或變速比（雙輸入單輸出）的功能。

如上所述，透過該驅動馬達2、該第一及第二磁性齒輪電機3、4的設計，可分別控制左輪101及右輪102以該定速模式或該差速模式進行轉動，藉此克服傳統動力模組只能夠操作在單一減速比且功率輸出範圍僅能挑選電機輸出功率爲限的問題。同時，以該第一及第二磁性齒輪電機3、4來進行驅動，不會有齒輪的磨耗與噪音產生的困擾，也能夠避免因轉速的不連續而造成該車輛100的頓挫感。

雖然本發明已以實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:車輛 101:左輪 102:右輪 103:車體 2:驅動馬達 21:本體 22:第一驅動軸 23:第二驅動軸 3:第一磁性齒輪電機 31:第一內環轉子 32:第一中環極片 33:第一外環轉子 34:第一機械輸入端 35:第一電氣輸入端 36:第一機械輸出端 37、38:第一位置感測器 39:第一激磁元件 301:第一控制器 302:第一逆變器 4:第二磁性齒輪電機 41:第二內環轉子 42:第二中環極片 43:第二外環轉子 44:第二機械輸入端 45:第二電氣輸入端 46:第二機械輸出端 47、48:第二位置感測器 49:第二激磁元件 401:第二控制器 402:第二逆變器 :第一內環轉子的轉速 :第二內環轉子的轉速 :第一中環極片的轉速 :第二中環極片的轉速 :第一外環轉子的轉速 :第二外環轉子的轉速 :第一、第二內環轉子的磁鐵磁極對數 :第一、第二中環極片的導磁極片數 :第一、第二外環轉子的磁極對數 :調速比 :驅動馬達的轉速 :傳輸指數 :左輪速度 :右輪速度 :行進速度 :轉彎半徑 :旋轉角速度 :夾角 X、Y:座標軸 :中心 、 、 、 、 、 :三相激勵電流 ICC:轉向中心

圖1A是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的四輪車輛的示意圖。 圖1B是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的三輪車輛的示意圖。 圖1C是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的六輪車輛的示意圖。 圖1D是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的另一種四輪車輛的示意圖。 圖2是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的第一或第二磁性齒輪電機操控電磁場激磁的示意圖。 圖3是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的驅動馬達與第一及第二磁性齒輪電機之間的動力傳輸關係的示意圖。 圖4是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的車輛相對於X及Y座標軸之位置在行進或轉動的示意圖。 圖5是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的車輛直線行駛的示意圖。 圖6是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的車輛原地旋轉的示意圖。 圖7是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的車輛進行左轉的示意圖。 圖8是依據本發明一實施例的一種動力傳動系統的車輛進行右轉的示意圖。

100:車輛

101:左輪

102:右輪

103:車體

2:驅動馬達

21:本體

22:第一驅動軸

23:第二驅動軸

3:第一磁性齒輪電機

4:第二磁性齒輪電機

Claims (10)

1. 一種動力傳動系統，包括： 一驅動馬達，包含一本體及一第一驅動軸，該第一驅動軸設置在該本體的一側；及 一第一磁性齒輪電機，包含： 一第一內環轉子； 一第一中環極片，位於該第一內環轉子外側； 一第一外環轉子，位於該第一中環極片外側； 一第一機械輸入端，組合在該驅動馬達的第一驅動軸以及該第一內環轉子之間； 一第一電氣輸入端，配置為操控電磁場激磁，以提供該第一外環轉子用於轉動的電磁場轉矩；及 一第一機械輸出端，設置在該第一中環極片上，而且該第一機械輸出端受到該第一中環極片帶動旋轉，其中該第一中環極片的轉速的公式為： ； 為該第一中環極片的轉速， 為該第一內環轉子的轉速， 為該第一外環轉子的轉速， 為該第一內環轉子的磁鐵磁極對數， 為該第一中環極片的導磁極片數， 為該第一外環轉子的磁極對數。
2. 如請求項1所述之動力傳動系統，其中該驅動馬達包含一第二驅動軸，該第二驅動軸設置在該本體的另一側，該動力傳動系統另包括一第二磁性齒輪電機，該第二磁性齒輪電機包含： 一第二內環轉子； 一第二中環極片，位於該第二內環轉子外側； 一第二外環轉子，位於該第二中環極片外側； 一第二機械輸入端，組合在該驅動馬達的第二驅動軸以及該第二內環轉子之間； 一第二電氣輸入端，配置為操控電磁場激磁，以提供該第二外環轉子用於轉動的電磁場轉矩；及 一第二機械輸出端，設置在該第二中環極片上，而且該第二機械輸出端受到該第二中環極片帶動旋轉，其中該第二中環極片的轉速的公式為： ； 為該第二中環極片的轉速， 為該第二內環轉子的轉速， 為該第二外環轉子的轉速， 為該第二內環轉子的磁鐵磁極對數， 為該第二中環極片的導磁極片數， 為該第二外環轉子的磁極對數。
3. 如請求項2所述之動力傳動系統，其中該驅動馬達的第一驅動軸及第二驅動軸、該第一磁性齒輪電機的第一機械輸出端以及該第二磁性齒輪電機的第二機械輸出端皆沿著同一中心軸旋轉。
4. 如請求項2所述之動力傳動系統，其中該動力傳動系統的一傳動方式包含： 一定速模式，該驅動馬達將動力輸出至該第一內環轉子及該第二內環轉子，而且該第一外環轉子及該第二外環轉子的轉速為0；及 一差速模式，透過電磁場激磁調控該第一外環轉子及該第二外環轉子的轉速，使得該第一機械輸出端及該第二機械輸出端的轉速形成速差。
5. 如請求項2所述之動力傳動系統，其中該第一磁性齒輪電機的第一機械輸出端與該第二磁性齒輪電機的第二機械輸出端分別安裝在一車輛的一左輪及一右輪，該左輪及該右輪的一調速比為： ； ； ； ； 為差速， 為傳輸指數， 為該驅動馬達的轉速， 為左輪速度， 為右輪速度， 為轉彎半徑， 為旋轉角速度； 當 時，該左輪及該右輪之間沒有速差，該車輛以直線行駛； 當 時，該左輪及該右輪轉速相同且方向相反，該車輛以一中心原地旋轉； 當 或 時，該車輛分別是以該右輪或該左輪為中心進行旋轉；及 當 或 時，該車輛分別為左轉或右轉。
6. 如請求項5所述之動力傳動系統，其中該第一外環轉子的轉速 以及該第二外環轉子的轉速 分別定義為： ； ； 為該驅動馬達的轉速， 為傳輸指數， 為調速比。
7. 如請求項5所述之動力傳動系統，其中該左輪及該右輪設置在該車輛的一車體的一中區段或一後區段。
8. 如請求項1所述之動力傳動系統，其中該第一磁性齒輪電機另包含二個第一位置感測器，該等第一位置感測器分別安裝在該第一內環轉子、該第一中環極片及該第一外環轉子中的其中二個，以獲得對應的電氣角。
9. 如請求項8所述之動力傳動系統，其中該等第一位置感測器分別安裝在該第一內環轉子及該第一中環極片上，以獲得對應的一第一內環電氣角及一第一中環電氣角，該第一外環轉子的一第一外環電氣角透過計算為： ； 為該第一內環電氣角， 為該第一中環極片的導磁極片數， 為該第一外環轉子的磁極對數。
10. 如請求項1所述之動力傳動系統，其中該第一內環轉子為永久磁鐵環，該第一中環極片為調磁鐵芯環，該第一外環轉子為線圈磁鐵環。