TWI441424B - 磁性變速組合裝置及其分段相位驅動馬達 - Google Patents

Description

磁性變速組合裝置及其分段相位驅動馬達

本提案係為一種變速組合裝置(transmission assembly)，特別是一種磁性變速組合裝置。

變速器係應用於動力傳輸，除了能將動力進行中繼與傳送外，另具有將動力源的轉速減速或增速的功能。應用於傳統汽車引擎的變速組合裝置有機械式的變速箱及油壓式變速箱。應用於電動車或油電混合車的則有磁性變速器。

變速馬達之技術可見於西元1976年9月14日公告之美國第3,980,937號專利「Fractional Horsepower Gear Motor」，其係將馬達所輸出的動力經過機械式齒輪組以達到扭力轉換及變速效果。

另於西元1998年10月20日公告之美國第5,825,111號專利「Single-phase induction motot 4/6 pole common winding connection with magnetic motive force symmetrically distributed」及西元2009年10月6日公告之美國第7,598,648號專利「2/6 pole single-phase induction motor having shared windings」，係揭露利用改變感應馬達定子的極數的方式來達 成變速之目的。

磁性變速器之相關技術亦可見於由K.Atallah及D.Howe於國際電機電子工程師學會期刊在西元2001年7月發表的文章「A Novel High-Performance Magnetic Gear」(IEEE Transactions on Magnetics,Vol.37,No.4,July,2001)。

前述機械式變速器係有噪音大與重量重之缺點，而一般磁性變速器雖可減少振動與噪音，但亦不能減少重量。此外，在電動車的應用上，電動馬達須配合不同的行車扭力及行駛速度之需求，亦須兼顧高效率運轉之要求，故常將馬達與變速器搭配，在此種搭配模式下，馬達與變速器整體的驅動功率密度通常不易提高(因馬達與變速器的總重量重)。

基於上述問題，所提出之磁性變速組合裝置係易與電動機(如電動馬達)或發電機做內部整合而具有重量輕之特色，故能提高驅動功率密度。

依據一實施例，一種磁性變速組合裝置包含轉子、定子及導磁元件。轉子與定子係同軸套設，轉子具有多個磁極並具有R個極對數。定子具有多個磁極及ST1個極對數。導磁元件位於轉子與定子之間並具有多個導磁體。當導磁元件被致動時，導磁元件係選擇性地使PN1個或PN2個該些導磁體對應於轉子與定子之間，其中，PN1-3≦R+ST1≦ PN1+3，PN2-3≦R+ST1≦PN2+3。

依據導磁元件的一實施例，前述導磁元件包含第一環及第二環，第一環與第二環係軸向連接，第一環具有PN1個導磁子塊，第二環具有PN2個導磁子塊，當導磁元件被軸向致動時，導磁元件係選擇性地使第一環或第二環被移至轉子與定子之間。

依據導磁元件的第二實施例，前述導磁元件包含第一環及第二環，第一環係位於第二環之徑向外側且第一環與第二環配置於定子與轉子之間，當導磁元件被致動時，第一環與第二環係相對位移於第一位置與第二位置之間，當第一環與第二環位於第一位置時，導磁元件具有PN1個該導磁體，當第一環與第二環位於第二位置時，導磁元件具有PN2個該導磁體。

依據另一實施例，定子包含多個感應線圈及極數調變電路，感應線圈被導電時係形成磁極，而極數調變電路係選擇性地切換感應線圈於前述ST1個極對數及一ST2個極對數之間。其中，PN2-3≦R+ST2≦PN2+3。

依據又一實施例，磁性變速組合裝置包含轉子、定子及導磁元件。轉子具有多個磁極，轉子的磁極具有R個極對數。定子與轉子同軸套設，定子並具有多個磁極，定子的磁極具有ST1個極對數。導磁元件被配置於轉子與定子之間並具有PN1個導磁子塊，PN1個導磁子塊對應配置於轉子 與定子之間，其中，PN1-3≦R+ST1≦PN1+3。

前述導磁元件配置於定子與轉子之間，藉由導磁元件可選擇性地變動導磁體數量(意即其磁隙數量亦變動)的設計，即可在定子與轉子間產生不同的變速比(定子轉速比轉子轉速)。其次，在另一實施例中，定子的磁對數亦具有可變換之設計，如此一來，搭配導磁元件與轉子，亦能達到產生不同變速比之目的。前述的導磁元件、定子及轉子均可為中空環形之設計，使得整個磁性變速組合裝置之體積及重量都相當小，並能夠易於與電動馬達做內部整合，得到較高的驅動功率密度(瓦/公斤，W/Kg或瓦/體積，W/m3)。

有關本提案的特徵與實作，茲配合圖式及實施例說明如下。

20‧‧‧轉子

30‧‧‧定子

300‧‧‧繞線臂

32a,32b‧‧‧凸塊

34a,34b,34c,34d‧‧‧感應線圈

35a,35b‧‧‧線圈組

36‧‧‧極數調變電路

360,362‧‧‧切換開關

40,50,60,70,80,90,99‧‧‧導磁元件

42,52,62,82,92‧‧‧第一環

420,422,440,442‧‧‧導磁子塊

429,449‧‧‧弧段

44,54,64,84,94‧‧‧第二環

46a,46b‧‧‧導磁體

48a,48b,48c,48d‧‧‧磁隙

53,55,57,59‧‧‧導磁子塊

51a,51b,51c,51d‧‧‧導磁體

56,96‧‧‧第三環

58‧‧‧第四環

63,65,72‧‧‧導磁子塊

66a,66b,66c,74a,74b‧‧‧電絕緣元件

820,840,920,940,960‧‧‧導磁子塊

88‧‧‧致動元件

990‧‧‧空隙

第1圖為依據本提案磁性變速組合裝置第一實施例的立體結構示意圖。

第2圖為依據本提案磁性變速組合裝置第一實施例的立體分解示意圖。

第3圖為依據本提案磁性變速組合裝置第一實施例的定子的磁對數示意圖。

第4A圖為依據本提案磁性變速組合裝置第一實施例之導磁元件之剖面示意圖。

第4B圖為「第4A圖」之導磁元件第一實施例的局部放大剖面示意圖。

第4C圖為「第4A圖」之導磁元件的第一實施例另一局部放大剖面示意圖。

第5A圖為依據本提案磁性變速組合裝置之定子的另一實施例的繞線示意圖。

第5B圖為「第5A圖」的定子的另一實施例的動作示意圖。

第6圖為「第5A圖」及「第5B圖」極對數切換之示意圖。

第7A圖、第7B圖及第7C圖為依據本提案磁性變速組合裝置之導磁元件的第二實施例示意圖。

第8圖為依據本提案磁性變速組合裝置之導磁元件的第三實施例示意圖。

第9圖為依據本提案磁性變速組合裝置第二實施例的立體分解示意圖。

第10A圖為依據本提案磁性變速組合裝置之導磁元件的第四實施例示意圖。

第10B圖及第10C圖各別為「第10A圖」在10B-10B位置之局部剖面示意圖及狀態示意圖。

第11A圖為依據本提案磁性變速組合裝置之導磁元件的第四實施例示意圖。

第11B圖及第11C圖各別為「第11A圖」在11B-11B位置之局部剖面示意圖及狀態示意圖。

第11D圖為「第11B圖」之另一狀態示意圖。

第12圖為依據本提案應用於分段相位驅動馬達之結構示意圖。

首先，請同時參閱「第1圖」及「第2圖」，其係分別為依據本提案一實施例的立體結構示意圖及立體分解圖。圖中可以見悉，磁性變速組合裝置係包含轉子20、定子30及導磁元件40(亦可稱為導磁變速元件)。磁性變速組合裝置可適於與電動機(如電動馬達)或發電機進行整合。例如若與電動車之電動馬達進行整合，由馬達驅動器輸出電力予磁性變速組合裝置，則磁性變速組合裝置即能從轉子處產生旋轉動力，同時，由馬達驅動器適當地控制磁性變速組合裝置之變速比，磁性變速組合裝置即能輸出不同的功率(功率=驅出扭力×轉速)。由於此磁性變速組合裝置同時包含了電動機與變速器之功能，整體體積及重量較低，因而能得到較高的驅動功率密度。此處的驅動功率密度可以是但不限於輸出功率除以體積，或者是輸出功率除以重量(即(輸出扭力×轉速)/體積、或(輸出扭力×轉速)/重量)。

其次，若是將磁性變速組合裝置應用於電動機中，則可由轉子20承接旋轉動力，定子30的線圈(容後詳述)即可輸出經磁場切割所產生的電力。此電力可經過整流及穩壓電路後輸出。由於磁性變速組合裝置可以經由控制而產生 變速比，故當輸入的旋轉動力有較大的變動，或者欲得到較佳的系統轉換效率，可以由控制器調整磁性變速組合裝置的變速比來達成。

請續參閱「第1圖」及「第2圖」，定子30可為固定磁鐵或感應磁鐵(或稱電磁鐵)，在本實施例中係以感應磁鐵為例。定子30之內側係環形配置有多個凸塊32a,32b。各凸塊32a,32b係纏繞有感應線圈(容後詳述)，感應線圈被通電時，即可形成磁極。以圖式的實施例為例，定子30具有48個凸塊32a,32b，每個凸塊32a,32b被通電後即可形成一磁極對。在此例中，共有四相(4 phases)，每一相即有12個極對數(20 Pole Pairs)。請同時參照「第3圖」，其係為依據本提案一實施例的定子30的磁對數示意圖。圖中可以看出，相鄰的磁極為相反極性(磁北極N與磁南極S)。二個相鄰相反極性的磁極為一磁對(例如圖式的S1,N1為一磁對)。從圖中可以看出共有12個極對數，此極對數僅為一實施態樣，本提案並不限於此磁對數，以下以ST1個極對數表示。

轉子20可為固定磁鐵或感應磁鐵，在本實施例中，轉子20係以固定磁鐵為例進行說明。轉子20具有多個磁極並具有R個極對數，在本實施例中，轉子20係以具有20個極對數為例。定子30與轉子20係同軸配置(同軸套設)，且在此實施例中，轉子20係配置於定子30的徑向內側，但並不以此為限。亦可將定子30配置於轉子20的徑向內側，仍 能達到本提案之目的。其次，轉子20的磁極(磁力線)的方向係朝向定子30的磁極(磁力線)的方向。

導磁元件40可以是薄片鋼(laminated steel)，其材料可以是軟磁材料(Soft Magnetic Composite,SMC)，以減少渦電流(Eddy Current)及鐵損。

請再參閱「第1圖」及「第2圖」，導磁元件40包含第一環42及第二環44。第一環42係位於第二環44之徑向外側，且第一環42與第二環44配置於定子30與轉子20之間。第一環42與第二環44係可相互接觸或相距一間隙(圖係採相距一間隙方式實施)。第一環42具有多個導磁子塊420,422。第二環44亦具有多個導磁子塊440,442。當第一環42位於第二環44之徑向外側時，導磁子塊420,422,440,442即可形成多個導磁體(容後詳述)。當第一環42或/與第二環44被致動時，兩者可相對運動(相對轉動)於第一位置及第二位置之間，此時，導磁體之數量亦會隨之變化，如下說明。

請參考「第4A圖」。「第4A圖」係為依據本提案一實施例之導磁元件第一實施例之剖面示意圖。此剖面示意圖係為「第2圖」中之第一環42套於第二環44徑向外側後，依垂直於軸向的平面為切面所為之剖面示意圖。為了便於說明第一環42與第二環44的相對轉動之動作，茲再將「第4A圖」中標示為429及449的弧段於「第4B圖」進行放大。弧段429,449所夾之弧角為45度，故整個第一環42與第二環 44則共有8個弧段429,449。「第4B圖」係為第一環42與第二環44位於第一位置之狀態的局部放大剖面示意圖。「第4C圖」則為第一環42與第二環44位於第二位置之狀態的局部放大剖面示意圖。

從「第4B圖」中可以見悉，第一環42的導磁子塊420與第二環44的導磁子塊440係呈相連狀態(或重疊)並形成導磁體46a。同樣地，第一環42的導磁子塊422與第二環44的導磁子塊442係呈相連狀態並形成導磁體46b。而在導磁體46a,46b之間即具有三個磁隙48a,48b,48c。由於整個第一環42與第二環44具有相同的8個弧段429,449，故整個第一環42與第二環44則會有24個磁隙48a,48b,48c(3×8=24，亦即具有24個導磁體46a,46b)。

續請參閱「第4C圖」，此為第一環42與第二環44位於第二位置之狀態的局部放大剖面示意圖。第一環42的導磁子塊420與第二環44的導磁子塊440係呈相連狀態並形成導磁體46a。同樣地，第一環42的導磁子塊422與第二環44的導磁子塊442係呈相連狀態並形成導磁體46b。從圖中可以看出，弧段429,449內有四個磁隙48a,48b,48c,48d，亦具有四個導磁體46a,46b。是以，整個第一環42與第二環44則會有32個(4×8=32)磁隙48a,48b,48c,48d。

前述導磁子塊420,440呈相連狀態係指距離相近，而非僅指相接觸之狀態，距離相近亦可為導磁子塊420, 440兩者不相接觸但在徑向上重疊，或者導磁子塊420,440不相接觸且徑向上或圓周方向上有一間距。申言之，若導磁子塊420,440未相接觸，則導磁子塊420,440之間係有二個距離，其一為徑向距離，其二為沿圓周方向的距離。就前者之徑向距離而言，經實驗，若該徑向距離在5毫米(mm)以內，均能達到形成單一導磁體46a之效果。當然此距離亦與定子30磁力線的強度有關，若磁力線強度愈強，此距離可以愈大。也就是說，此徑向距離可視磁性變速組合裝置本身的大小及磁力線強度做改變。

就前述後者之圓周方向的距離(弧長)亦可表述為導磁子塊420,440邊界對應到圓心(定子圓心)的夾角，例如以「第4B圖」為例，導磁子塊420的左側邊與導磁子塊440的右側邊的夾角。為能進一步定義此夾角或弧長，茲將導磁子塊420的左側邊與導磁子塊440的右側邊的距離所形成的空間定義為氣縫。由於磁性變速組合裝置在運作時，每個磁隙48a,48b,48c(「第4B圖」)係會產生一個磁極(以下稱磁隙磁極)，當導磁子塊420,440間具有氣縫時，此氣縫亦會具有磁極(以下稱氣縫磁極)，為能讓導磁子塊420,440形成前導磁體46a之效果，此氣縫磁極之磁場強度較佳者為小於氣隙磁極的磁場強度的百分之二十(20%)。再經由此氣縫磁極之磁場強度所回推而得之該弧長或該夾角則為較佳之圓周方向的間距。

導磁子塊420,422,440,442之材料係可選用任何 可導磁的材料，例如鐵基之材料或軟鐵。前述第一環42與第二環44之相對運動之驅動方式係可採用機械式或電磁式方式驅動。而驅動時，係可單獨驅動第一環42或第二環44，或者是第一環42與第二環44同時驅動，只要能使得第一環42與第二環44之相對位置能位移於第一位置與第二位置之間即可。

綜合「第4B圖」與「第4C圖」之說明可知，當導磁元件40被致動時，第一環42與第二環44係相對運動於第一位置(如「第4B圖」之位置)與第二位置(如「第4C圖」之位置)之間，當第一環42與第二環44位於第一位置時，導磁元件40具有24個(以下稱PN1個)導磁體46a,46b，當第一環42與第二環44位於第二位置時，導磁元件40具有32個(以下稱PN2個)導磁體46a,46b。

導磁元件40藉由第一環42與第二環44可相對運動之設計，導磁元件40可選擇性地使PN1個或PN2個導磁體46a,46b對應於轉子20與定子30之間。藉由PN1個或PN2個導磁體46a,46b配合轉子20的磁場與定子30的磁場，即可產生一個增減速(變速)的效果。此增減速比可由下述計算公式(1)而得：

其中，G為變速比(即增減速比)，m,k為簡諧波 (harmonics)級數，p為轉子20的極對數(pole pairs)、n為導磁體46a,46b的數目(number of steel pieces)。於主簡諧波(fundamental harmonics)狀態下，m=-k=1，而本實施例中，轉子20的極對數為20，以第一環42與第二環44位於第一位置為例，導磁體46a,46b的數量為24，套入上列公式，可得G=(1×20)/(1×24-1×20)=5，即定子的轉速比上轉子的轉速為5：1。若以第一環42與第二環44位於第二位置為例，導磁體46a,46b的數量為32，套入上列公式，可得G=(1×20)/(1×32-1×20)=1.6，即定子30的轉速比上轉子20的轉速為1.6：1。

由此可知，藉由導磁元件40、定子30與轉子20之適當配置與設計，即可使得磁性變速組合裝置具有變速之效果。

其次，為了能進一步提升變速比的穩定性，經實驗可得定子30的極對數ST1、轉子20的極對數R、及導磁元件40的導磁體46a,46b的數量PN1,PN2維持在下述關係，將可得到穩定之變速比與驅動力：PN1-3≦R+ST1≦PN1+3 式(2)

PN2-3≦R+ST1≦PN2+3 式(3)

以本實施例為例，導磁元件40位於第二位置時，恰滿足式(3)PN2-3≦R+ST1≦PN2+3。而導磁元件40位於第一位置時，則雖未能滿足式(2)PN1-3≦R+ST1≦PN1+3，但仍屬能變速之要求。而在本實施例中，若欲同時滿 足式(2)與式(3)，則可以利用修改導磁元件40的導磁子塊420,422,440,442之設計，使得能滿足式(2)即可，例如，若ST1為12，而PN1與PN2各別為35及29即同時滿足上式(2)與(3)。

在本實施例中，若不變更導磁元件40之設計，欲同時滿足式(2)與式(3)(但式(3)須做些微變動，容後詳述)，則可使用「第5A圖」及「第5B圖」之定子30的實施例。「第5A圖」為依據本提案磁性變速組合裝置之定子30的另一實施例的繞線示意圖。「第5B圖」為「第5A圖」的定子30的另一實施例的動作示意圖。

從圖中可以見悉，定子30的另一實施例包含多個感應線圈34a,34b,34c,34d及極數調變電路36。感應線圈34a,34b,34c,34d係各別繞於凸塊32a,32b。在「第5A圖」及「第5B圖」中係僅繪製三個磁極對(N1,N2,N3,S1,S2,S3)的感應線圈34a,34b,34c,34d，但並不表示定子30僅包含感應線圈34a,34b,34c,34d。極數調變電路36包含二個切換開關360,362。當切換開關360,362位於「第5A圖」之狀態並通入電源時，各感應線圈34a,34b,34c,34d所形成的磁極即如「第3圖」所示之極性，意即定子30共具有12個極對數。當切換開關360,362位於「第5B圖」之狀態並通入電源時，原形成N1,S3之感應線圈34c,34d因反向通入電源，故所形成的磁極即會相反(即N1變為磁南極，S3變為磁北極)，請參閱「第6圖」，其為「第5A圖」及「第5B圖」極對數切換之 示意圖。

圖中可以見悉，虛線框中所表示的即為切換開關360,362位於「第5B圖」時，所形成的磁極極性的示意圖。圖中N1,N4,N7,N10在「第5A圖」中係為磁北極，S3,S6,S9,S12在「第5A圖」中係為磁南極，此時定子30共具有12個(以下稱ST1個)極對數(即N1,S1,N2,S3…N12,S12)，但是在「第5B圖」中，因為切換開關360,362及電路之巧妙設置，使得N1,N4,N7,N10通電後變為磁南極，而S3,S6,S9,S12則變為磁北極，其餘維持不變，是以定子30共具有4個(以下稱ST2個)極對數(如虛線框N1’,S1’,N2’,S2’,N3’,S3’,N4’,S4’所示)。換句話說，當感應線圈34a,34b,34c,34d被切換至ST1個極對數時，相鄰之感應線圈34a,34b,34c,34d之極性(磁極性)係相反，當感應線圈34a,34b,34c,34d被切換至ST2個極對數時，感應線圈34a,34b,34c,34d係被群組為多個線圈組35a,35b，且相鄰之線圈組35a,35b之極性係相反。在此實施例中，每一線圈組35a,35b係包含三個依序相鄰的感應線圈34a,34b,34c,34d。此處的依序相鄰係為相連接的，例如「第5B圖」中的S1,N1,S2即屬依序相鄰的感應線圈34a,34b,34c,34d。

綜上說明，定子30藉由極數調變電路36而能選擇性地切換感應線圈34a,34b,34c,34d於12個(ST1個)極對數及4個(ST2個)極對數之間。將「第5A圖」之定子30實施例 與導磁元件40導磁體數量之切換整合後，即可得到如下表之變速比(定子轉數：轉子轉速)，並滿足上述式(2)與下式(4)。

PN2-3≦R+ST2≦PN2+3 式(4)

極數調變電路36雖僅以「第5A圖」為實施例之一，但並不以此為限。經過適當電路及開關設計，可以使定子30的極對數有不同比例的增減。除此之外，定子30的繞線方式亦可以用更為複雜且多樣的設計，例如採用一個繞線表(winding chart)的方式，以得到更多樣的極對數需求，此繞線方式可以是但不限於LRK(Lucas,Retzbach and Kühfuss)繞線方式、或D-LRK(distributed LRK)繞線方式、或ABC繞線方式，關於此應用，容後詳述。

關於前述「第4A圖」導磁元件40之其他實施方式，係可見於「第7A圖」、「第7B圖」、及「第7C圖」。「第7A圖」及「第7B圖」、及「第7C圖」之導磁元件50(第二實施例)係為類似「第4B圖」之示意方式。圖中可以見悉，導 磁元件50包含第一環52、第二環54、第三環56及第四環58。第一環52、第二環54、第三環56及第四環58係徑向疊置並各別具有導磁子塊53,55,57,59(亦可分別稱第一、第二、第三、第四導磁子塊)。當導磁元件50位於「第7A圖」之位置時(第一位置)，導磁子塊53,55,57,59間有相連接關係，使得在此弧段中即具有二個導磁體51a,51b及二個磁隙(磁隙即為導磁體在圓周方向上所分隔出來的空隙)。當導磁元件50位於「第7B圖」之位置時(第二位置)，導磁子塊53,55,57,59間則相互分離，使得在此弧段中即具有四個導磁體51a,51b,51c,51d及四個磁隙。此外，當導磁元件50位於如「第7C圖」所示位置時(亦可稱為第三位置)，其導磁子塊53,55,57,59呈在徑向完全重疊之狀態，此時，導磁元件50即具有二個導磁體51a,51b及二個磁隙，所導磁元件50在「第7A圖」及「第7C圖」的位置時，雖然所得到的導磁體51a,51b的數量相同，但其磁通量不同，因此，所能傳遞的扭力亦隨之變化，因此，導磁元件50可以經由適當之設計及控制，即可改變其變速比，亦可改變其所傳遞的扭力。

從上述「第4A圖」與「第7A圖」之導磁元件40,50係同樣採用多個環狀(圓筒狀)的導磁環(即前述第一環42,52等)徑向疊置，導磁環之數量係可依實際設計之需求而變動，意即可以有三個或五個導磁環之結合設計，但並不限於此數量。導磁環中的導磁子塊的尺寸、排列及數量亦可經 由適當地設計而能產生不同數量的磁隙，藉以得到所需的變數比。

續參閱「第8圖」，其為依據本提案磁性變速組合裝置之導磁元件的第三實施例示意圖。此導磁元件60包含第一環62與第二環64。第一環62與第二環64係軸向連接。導磁元件60係配置於前述定子30與轉子20之間。第一環62與第二環64係可在定子30與轉子20間軸向移動，使得在同一時間內，僅會有第一環62及第二環64其中之一被夾置於定子30與轉子20內。易言之，當導磁元件60被軸向致動時，導磁元件60係選擇性地使第一環62或第二環64移至轉子20與定子30之間。前述被夾置的第一環62或第二環64方能與定子30與轉子20的磁場產生作用，而具有特定變速比。前述第一環62導磁子塊63的數量(例如PN1個導磁子塊)係相異於第二環64導磁子塊65的數量(例如PN2個導磁子塊)。在「第8圖」實施例中，第一環62導磁子塊63的數量為32，而第二環64導磁子塊65的數量為24，即為適於置換「第1圖」實施例中的導磁元件40。在本實施例中的每一導磁子塊63,65即個別形成並等效於「第4B圖」與「第4C圖」中的導磁體46a,46b。

如上所述，第一環62及第二環64係同軸連接，請再參閱「第8圖」，第一環62及第二環64係藉由一電絕緣元件66a而同軸連接。同時在第一環62與第二環64的二個外 側端亦各別具有電絕緣元件66b,66c。電絕緣元件66a,66b,66c係用以固定第二環64的導磁子塊65及第一環62的導磁子塊63。

再者，請續參閱「第9圖」，其係為依據本提案磁性變速組合裝置第二實施例的立體分解示意圖。從圖中可以得知，磁性變速組合裝置係包含轉子20、定子30及導磁元件70。轉子20具有多個磁極，轉子20的磁極具有R個極對數。定子30與轉子20同軸套設，定子30並具有多個磁極，定子30的磁極具有ST1個極對數。導磁元件70被配置於轉子20與定子30之間並具有PN1個導磁子塊72(亦可稱導磁體)，PN1個導磁子塊72對應配置於轉子20與定子30之間，其中，PN1-3≦R+ST1≦PN1+3。因此，當R為20、PN1為32而ST1為12時，此磁性變速組合裝置之加減速比即為1.6：1(依據上述式(1))。

其次，從「第9圖」可以見悉，導磁子塊72的兩端係由電絕緣元件74a,74b而固定，因此，導磁子塊72因切割定子30與轉子20磁場而感應的電流將會被限制於每個導磁子塊72內而不致洩漏。

依據「第9圖」之實施例，每一導磁元件70、定子30及轉子20均為中空環形之設計，使得整個磁性變速組合裝置之體積及重量都相當小，並能夠易於與電動馬達做內部整合，得到較高的驅動功率密度(瓦/公斤，W/Kg或瓦/體 積，W/m3)。依據前述實施例，經由導磁元件40,50,60之不同實施態樣，即可使得磁性變速組合裝置能切換於不同的變速比之間。接著，若在導磁元件40,50,60所能切換的導磁體46a,46b,51a,51b,51c,51d的數量未能符合式(2)及式(3)時，則亦可採用「第5A圖」之定子30的實施態樣(符合式(2)與式(4))，而能提高不同變速比狀態下的穩定性。

再者，關於前述式(2)、式(3)、及式(4)，其係以定子30的主簡諧波為基礎所列之關係式，而若將該些關係式中的定子30的極對數以高階導磁性簡諧波(higher-order permeance harmonics)進行設計，則可得下述關係式：PN1-3≦R+ST1’≦PN1+3 式(5)

PN2-3≦R+ST1’≦PN2+3 式(6)

PN2-3≦R+ST2’≦PN2+3 式(7)

其中，ST1’及ST2’分別為定子30的高階導磁之極對數。舉例而言，若定子30之主簡諧波的極對數為4，則其三階導磁(the third permeance harmonics)之極對數即為12，因此，在設計轉子20的極對數R、及導磁元件40的導磁體46a,46b的數量PN1,PN2時則有更大的彈性選擇空間。

此外，在上述關係式中，定子30所產生的磁場除了採用與轉子20的極對數R及導磁元件40的導磁46a,46b同步方式之外，亦可採用非同步之設計。當然，亦可藉由控制定子30之極對數及/或導磁元件40而在同步與非同步之間 做切換。

接著，請續參考「第10A圖」、「第10B圖」、及「第10C圖」，其各別為依據本提案磁性變速組合裝置之導磁元件的第四實施例示意圖、「第10A圖」在10B-10B位置之局部剖面示意圖及動作示意圖。

圖中可以見悉，導磁元件80包含有第一環82及第二環84。第一環82具有多個相互平行、呈條狀並以環形方式排列之導磁子塊820(亦可稱第一導磁子塊)。第二環84亦包含多個相互平行、呈條狀並以環形方式排列之導磁子塊840(亦可稱第二導磁子塊)。第一環82之導磁子塊820與第二環84之導磁子塊840係在徑向交互列置並夾置於於定子30與轉子20(請參閱「第1圖」)之間。意即第一環82之導磁子塊820與第二環84之導磁子塊840係位於相同或相接近之半徑位置，此點可以從「第10B圖」中看出。

「第10B圖」為「第10A圖」在10B-10B位置之局部剖面圖，此局部剖面之方式係類似於「第4B圖」與「第2圖」及「第4A圖」之剖面關係。意即，「第10B圖」所示意的僅為「第10A圖」部分弧段之剖面圖。

「第10B圖」係示意導磁元件80之第一環82與第二環84位於第一位置之狀態，在此第一位置時，導磁子塊820,840相互之間均具有一個距離，且各導磁子塊820,840自成一個導磁體。此處所述之距離在圖式中雖呈等距狀態，但 並不以此為限，只要兩兩導磁子塊820,840間形成前述之氣隙，而使得相鄰之導磁子塊820,840不形成前述之導磁體作用時，即可，即使導磁子塊820,840間的距離非等距亦可。

而在「第10C圖」中則示意導磁元件80之第一環82與第二環84位於第二位置之狀態，在第二位置時，二相鄰之導磁子塊820,840相互靠攏，使得兩兩靠攏的導磁子塊820,840形成一個導磁體。此處所述之靠攏係指兩相鄰之導磁子塊820,840之間的距離足夠小到使該兩相鄰之導磁子塊820,840形成單一導磁體之狀態。

從「第10B圖」及「第10C圖」可以得知，在「10B圖」所形成之導磁體數量係為「第10C圖」之導磁體數量的兩倍。因此，導磁元件80可以經由控制而改變其導磁體數量。

關於控制導磁元件80變化其導磁體數量之致動元件88(請參閱「第10A圖」)，係可以採用電動馬達或氣壓閥等元件。此致動元件88亦可應用於「第1圖」、「第7A圖」、「第8圖」、及「第11A圖」之實施例中。當然，若將此致動元件88改成固定式，由人工撥動控制亦可。

續，請參閱「第11A圖」、「第11B圖」、及「第11C圖」，其各別為依據本提案磁性變速組合裝置之導磁元件的第四實施例示意圖、「第11A圖」在11B-11B位置之局部剖面示意圖及動作示意圖。其圖式表示方式與「第10A圖」、「第10B圖」、及「第10C圖」相似，故不再贅述。

從圖中可以看出導磁元件80之第四實施例包含第一環92、第二環94、及第三環96。第一環92、第二環94及第三環96各別具有多個導磁子塊920,940,960(亦可各別稱為第一、第二、第三導磁子塊)，第一導磁子塊920、第二導磁子塊940、及第三導磁子塊960係在徑向依序列置並被夾置於該定子30與該轉子20之間，各導磁子塊920,940,960係位於相同或相接近之半徑位置(即距離圓心的半徑相當)，因此，當第一環92、第二環94及第三環96位於如「第11B圖」所示之第一位置時，各導磁子塊920,940,960各自成為一個獨立的導磁體，使此導磁元件90具有PN1個導磁體，而第一環92、第二環94及第三環96位於如「第11C圖」所示之第二位置時，相鄰的三個導磁子塊920,940,960相互靠攏並形成一個導磁體，使此導磁元件90具有PN2個導磁體，因此，位於第一位置之導磁元件90所形成的導磁體的數量PN1係為位於第二位置之導磁體的數量PN2的三倍。

除此之外，請參閱「第11D圖」，其係為第一環92、第二環94及第三環96位於第三位置之示意圖，圖中可以看見，第三環96之導磁子塊960係與第二環94之導磁子塊940相互靠攏，而第一環92之導磁子塊920則未與(第二、第三)導磁子塊940,960靠攏(或稱接近或接觸)，因此，靠攏的導磁子塊940,960形成導磁體，而(第一)導磁子塊920則獨立形成一個導磁體，使導磁元件90具有PN3個導磁體，是以「第 11D圖」所形成之導磁體的數量PN3為「第11C圖」所形成導磁體數量PN2的二倍。其中PN3可滿足下式(5)：PN3-3≦R+ST1≦PN3+3 式(8)

再者，第一環92、第二環94及第三環96之相對位置亦可採用非等距之方式排列，而使得導磁體所佔弧長與磁隙所佔弧長不相等，亦能達到傳遞動力之目的，唯其所傳遞之扭矩亦將有所變動。

關於前述式(1)中m與k之關係，除了上述的m=-k=1之外，亦可採用m=k=1，如此一來，定子30的極對數ST1、轉子20的極對數R、及導磁元件40的導磁體46a,46b的數量PN1,PN2的關係式即須進行調整，其中，當轉子20的極對數R大於定子30的極對數ST1時，其關係式如下：R-3≦PN1+ST1≦R+3 式(9)

R-3≦PN2+ST1≦R+3 式(10)

R-3≦PN3+ST1≦R+3 式(11)

PN3-3≦R+ST1≦PN3+3、或R-3≦PN3+ST1≦R+3、或ST1-3≦PN3+R≦ST1+3。

當當轉子20的極對數R小於定子30的極對數ST1時，其關係式如下：ST1-3≦PN1+R≦ST1+3 式(12)

ST1-3≦PN2+R≦ST1+3 式(13)

ST1-3≦PN3+R≦ST1+3 式(14)

上述式(9)到式(14)中的定子30極對數ST1,ST2亦可分別替換前述之高階導磁之極對數ST1’或ST2’(即將式(5)到式(7)中的ST1,ST2替換為ST1’,ST2’)。

最後，關於前述將本提案之磁性變速組合裝置應用於分段相位驅動(Split phase)或電磁變速之馬達之方式，茲說明如下。其中分段相位驅動所得到之變速比係大於1，而電磁變速方式之變速比則可能大於或小於1。

請搭配「第12圖」閱覽之。圖中可以見悉，定子30是位於轉子20之徑向內側，而導磁元件99則位於定子30與轉子20之間。定子30具有繞線臂300，從圖中可以看出，定子30共有12個繞線臂300。在使用傳統之分段相位驅動(Split phase)或電磁變速之馬達時，須參考一繞線表(winding chart，或稱分段相位繞線表)，如下表所示，此繞線表並非用以限制本提案之範圍。

當將此繞線表應用於未有本提案之導磁元件99之結構下(也就是將「第12圖」中之導磁元件99移除之結構)，可用以得知定子30之各繞線臂300所需繞線之方式及可得之減速比。圖中所示之A,B,C各別表示第一相位繞線方式、第二相位繞線方式、第三相位繞線方式，而a,b,c則各別表示與第一相位反相之繞線方式、與第二相位反相之繞線方式、及與第三相位反相之繞線方式。在未採用導磁元件99之結構時，若轉子20之磁數為4，而定子30繞線臂300的數量為9，且其採用ABaCAcBCb方式繞線，則可得到2：1的減速比。

其中ABaCAcBCb每個字母均代表一個繞線臂300的繞線方式，並依定子30的繞線臂300採順時針或逆時針方式配置，以上述ABaCAcBCb繞線方式為例，第一繞線臂300採用第一相位繞線方式(A)、第二繞線臂300採用第二相位繞線方式、第三繞線臂300採用與第一相位相反之繞線方式(a)、而第四繞線臂300則採用第三相位繞線方式(C)，以下依此類推。前述第一、二、三、四繞線臂300係在定子30上依順時針方式依序相鄰之繞線臂300。

請再參考「第12圖」之應用例，其定子30具有12個繞線臂300，若每一個繞線臂300獨立繞設線圈且相鄰繞線臂300繞設不同相位之線圈時，則此定子30將具有12個磁極數，亦即定子30的極對數ST1為6(磁極數為極對數之兩倍)。而轉子20的極對數R為10(即磁極數為20)。導磁元件99之導磁體的數量PN1為8，因此，依下述式(15)可以得知在導磁元件99與定子30之間的空隙990中的定子側極對數R2即為2。是以該定子側磁極數為4。

R2=|R-PN1| 式(15)

接著，以該定子側磁極數4與定子的繞線臂300的磁極數12查上述繞線表，可得到其繞線方式為AcBaCbAcBaCb，是以在導磁元件99與定子30間可得到之減速比為2：1，另外，在轉子20與導磁元件99間的減速比則為5(R/R2=10/2=5)，是以「第12圖」的整個分段相位驅動馬達的減速比將達到10：1(即2：1乘上5：1)。

此外，若將上述定子30中兩兩相鄰之繞線臂300視為一繞線臂組並繞有相同相位之繞線，則定子30將具有6個磁極數，而增加其變化性。

其次，上述的導磁元件99若經由致動後，其導磁體之數量變化為6(PN2)，此時之定子側極對數即為4(套用式(15)，因此，使用繞線表時，磁數即為8，而能夠產生不同之減速比。

再者，用以計算定子側極對數之式(15)亦可變化為下式(16)。

R2=R+PN1 式(16)

前述馬達定子線圈之驅動方式(或稱激磁方式)可以採用交流電流方式(AC current)驅動(如同步馬達方式驅動)，亦可採用脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)方式所產生之方波或弦波(如無刷直流馬達之驅動方式)。

綜上所述，由於實施例中的磁性變速組合裝置包含了電動馬達或發電機之定子與轉子的設計，並具有變速之結構設計，能易於與電動馬達之馬達驅動器或發電機之取電電路(如整流穩壓等電路)做整合，而形成可變速之電動馬達或可變速之發電機，此整合後之可變速電動馬達同時具有產生旋轉動力及變速之功能，但體積及重量則僅約為原電動馬達之體積及重量，達到較高的驅動功率密度。同時，磁性變速組合裝置採用電磁式之變速，故能降低振動及噪音。再者，在電動車產業的應用中，此可變速電動馬達即能配合不同的行車扭力需求及行駛速度要求，且能保持高效率運轉。

雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

20‧‧‧轉子

30‧‧‧定子

32a,32b‧‧‧凸塊

40‧‧‧導磁元件

42‧‧‧第一環

420,422,440,442‧‧‧導磁子塊

44‧‧‧第二環

Claims (21)

1. 一種磁性變速組合裝置，包含：一轉子，具有多個磁極，該轉子的該些磁極具有R個極對數；一定子，與該轉子同軸套設，該定子具有多個磁極，該定子的該些磁極具有ST1個極對數；以及一導磁元件，位於該轉子與該定子之間並具有多個導磁體，該導磁元件包括PN1個該些導磁體及PN2個該些導磁體二者，且當該導磁元件被致動時，該導磁元件係選擇性地使PN1個或PN2個該些導磁體對應於該轉子與該定子之間，其中，PN1-3≦R+ST1≦PN1+3、或R-3≦PN1+ST1≦R+3、或ST1-3≦PN1+R≦ST1+3。
2. 如請求項第1項所述之磁性變速組合裝置，其中PN2-3≦R+ST1≦PN2+3、或R-3≦PN2+ST1≦R+3、或ST1-3≦PN2+R≦ST1+3。
3. 如請求項第1項所述之磁性變速組合裝置，其中該導磁元件包含一第一環及一第二環，該第一環與該第二環係軸向連接，該第一環具有PN1個導磁子塊，該第二環具有PN2個導磁子塊，當該導磁元件被軸向致動時，該導磁元件係選擇性地使該第一環或該第二環移動至該轉子與該定子之間。
4. 如請求項第1項所述之磁性變速組合裝置，其中該導磁元件包含一第一環及一第二環，該第一環係位於該第二環之徑向外側且該第一環及該第二環係配置於該定子與該轉子之間，當該導磁元件被致動時，該第一環與該第二環係相對運動於一第一位置與一第二位置之間，當該第一環與該第二環位於該第一位置時，該導磁元件具有PN1個該導磁體，當該第一環與該第二環位於該第二位置時，該導磁元件具有PN2個該導磁體。
5. 如請求項第4項所述之磁性變速組合裝置，其中該第一環具有多個第一導磁子塊，該第二環具有多個第二導磁子塊，當該第一環與該第二環位於該第一位置時，兩相鄰的該些第一導磁子塊與該些第二導磁子塊形成該PN1個導磁體之一，當該第一環與該第二環位於該第二位置時，該些第一導磁子塊與該些第二導磁子塊各別形成該PN2個導磁體之一。
6. 如請求項第1項所述之磁性變速組合裝置，其中該定子包含多個感應線圈，該些感應線圈被通電時係形成該些磁極。
7. 如請求項第6項所述之磁性變速組合裝置，其中該定子另包含一極數調變電路，該極數調變電路係選擇性地切換該些感應線圈於該ST1個極對數及一ST2個極對數之間。
8. 如請求項第7項所述之磁性變速組合裝置，其中該定子另包含環形配置之多個凸塊，該些感應線圈係各別繞於該些凸塊，當該些感應線圈被切換至該ST1個極對數時，相鄰之該些感應線圈之極性係相反，當該些感應線圈被切換至該ST2個極對數時，該些感應線圈係被群組為多個線圈組，且相鄰之該些線圈組之極性係相反。
9. 如請求項第8項所述之磁性變速組合裝置，其中PN2-3≦R+ST2≦PN2+3。
10. 如請求項第8項所述之磁性變速組合裝置，其中每一該些線圈組係包含三個依序相鄰的該些感應線圈。
11. 如請求項第8項所述之磁性變速組合裝置，其中該導磁元件包含一第一環及一第二環，該第一環與該第二環係軸向連接，該第一環具有PN1個導磁子塊，該第二環具有PN2個導磁子塊，當該導磁元件被軸向致動時，該導磁元件係選擇性地使該第一環或該第二環被移至該轉子與該定子之間。
12. 如請求項第8項所述之磁性變速組合裝置，其中該導磁元件包含一第一環及一第二環，該第一環與該第二環係徑向接觸並夾置於該定子與該轉子之間，當該導磁元件被致動時，該第一環與該第二環係相對位移於一第一位置與一第二位置之間，當該第一環與該第二環位於該第一位置時，該導磁元件具有PN1個該些導磁體，當該第 一環與該第二環位於該第二位置時，該導磁元件具有PN2個該些導磁體。
13. 如請求項第1項所述之磁性變速組合裝置，其中該導磁元件包含一第一環及一第二環，該第一環具有多個環狀列置之第一導磁子塊，該第二環具有多個環狀列置之第二導磁子塊，該些第一導磁子塊與該些第二導磁子塊係在徑向交錯列置並被夾置於該定子與該轉子之間，當該導磁元件被致動時，該第一環與該第二環係相對運動於一第一位置與一第二位置之間，當該第一環與該第二環位於該第一位置時，兩相鄰的該些第一導磁子塊與該些第二導磁子塊形成該PN1個導磁體之一，當該第一環與該第二環位於該第二位置時，該些第一導磁子塊與該些第二導磁子塊各別形成該PN2個導磁體之一。
14. 如請求項第1項所述之磁性變速組合裝置，其中該導磁元件包含一第一環、一第二環、及一第三環，該第一環具有多個環狀列置之第一導磁子塊，該第二環具有多個環狀列置之第二導磁子塊，該第三環具有多個環狀列置之第三導磁子塊，該些第一導磁子塊、該些第二導磁子塊、及該些第三導磁子塊係在徑向依序列置並被夾置於該定子與該轉子之間，當該導磁元件被致動時，該第一環、該第二環及該第三環係相對運動於一第一位置、一第二位置及一第三位置之間，當該第一環、該第二環及 該第三環位於該第一位置時，三相鄰的該些第一導磁子塊、該些第二導磁子塊及該些第三導磁子塊形成該PN1個導磁體之一，當該第一環、該第二環及該第三環位於該第二位置時，該些第一導磁子塊、該些第二導磁子塊及該些第三導磁子塊各自形成該PN2個導磁體之一，當該第一環、該第二環及該第三環位於該第三位置時，兩相鄰的該些第二導磁子塊及該些第三導磁子塊形成PN3個導磁體之一，且該些第一導磁子塊各自形成該PN3個導磁體之一，其中PN3-3≦R+ST1≦PN3+3、或R-3≦PN3+ST1≦R+3、或ST1-3≦PN3+R≦ST1+3。
15. 如請求項第1項所述之磁性變速組合裝置，其中該導磁元件之材料為軟磁材料(Soft Magnetic Composite,SMC)。
16. 一種磁性變速組合裝置，包含：一轉子，具有多個磁極，該轉子的該些磁極具有R個極對數；一定子，與該轉子同軸套設，該定子具有多個磁極，該定子的該些磁極具有ST1個極對數及ST1’個高階導磁之極對數；以及一導磁元件，位於該轉子與該定子之間並具有多個導磁體，該導磁元件包括PN1個該些導磁體及PN2個該些導磁體二者，且當該導磁元件被致動時，該導磁元件係選擇性地使PN1個或PN2個該些導磁體對應於該轉子 與該定子之間，其中，PN1-3≦R+ST1’≦PN1+3、或R-3≦PN1+ST1’≦R+3、或ST1’-3≦PN1+R≦ST1’+3。
17. 如請求項第16項所述之磁性變速組合裝置，其中PN2-3≦R+ST1’≦PN2+3、或R-3≦PN2+ST1’≦R+3、或ST1’-3≦PN2+R≦ST1’+3。
18. 如請求項第16項所述之磁性變速組合裝置，其中該導磁元件包含一第一環及一第二環，該第一環與該第二環係軸向連接，該第一環具有PN1個導磁子塊，該第二環具有PN2個導磁子塊，當該導磁元件被軸向致動時，該導磁元件係選擇性地使該第一環或該第二環移動至該轉子與該定子之間。
19. 如請求項第16項所述之磁性變速組合裝置，其中該導磁元件包含一第一環及一第二環，該第一環係位於該第二環之徑向外側且該第一環及該第二環係配置於該定子與該轉子之間，當該導磁元件被致動時，該第一環與該第二環係相對運動於一第一位置與一第二位置之間，當該第一環與該第二環位於該第一位置時，該導磁元件具有PN1個該些導磁體，當該第一環與該第二環位於該第二位置時，該導磁元件具有PN2個該些導磁體。
20. 如請求項第19項所述之磁性變速組合裝置，其中該第一環具有多個第一導磁子塊，該第二環具有多個第二導磁 子塊，當該第一環與該第二環位於該第一位置時，兩相鄰的該些第一導磁子塊與該些第二導磁子塊形成該PN1個導磁體之一，當該第一環與該第二環位於該第二位置時，該些第一導磁子塊與該些第二導磁子塊各別形成該PN2個導磁體之一。
21. 一種分段相位驅動馬達，包含：一轉子，具有多個磁極，該轉子的該些磁極具有R個極對數；一定子，與該轉子同軸套設，該定子具有多個磁極，該定子的該些磁極具有ST1個極對數；以及一導磁元件，配置於該轉子與該定子之間並具有PN1個導磁子塊，該些導磁子塊對應於該轉子與該定子之間並形成一定子側極對數R2，其中R2=|R-PN1|或R2=R+PN1，而R2與ST1則符合一分段相位繞線表(Winding Chart)，該分段相位繞線表包括： 其中，A、B及C分別表示一第一相位繞線方式、一第二相位繞線方式及一第三相位繞線方式，a、b及c分別表示一與該第一相位反相之繞線方式、一與第二相位反相之繞線方式及及一與第三相位反相之繞線方式。