TWI448047B

TWI448047B - 多級可變磁阻電動機／發電機、其設計方法及控制邏輯與電路控制系統

Info

Publication number: TWI448047B
Application number: TW098105887A
Authority: TW
Inventors: John A Davis; Iain C Davis; Feisal A Hurzook
Original assignee: Sunco Invest Ltd
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2014-08-01
Also published as: TW201032443A

Description

多級可變磁阻電動機/發電機、其設計方法及控制邏輯與電路控制系統

本發明關於可變速之電動機，特別是關於一種能高效率操作之多級可變磁阻機構，即高轉矩電動機及高效率發電機之設計、構造、冷卻及控制。

本發明係關於一機電裝置之結構，即眾所周知的可變磁阻電動機。電動機能透過環繞固定設置之定子(stator)及於其內部旋轉之轉子(rotator)的電磁結構，將電能轉換成為動力及轉矩。一般而言習知技術的定子係由複數個謹慎設置的圓形突出部或極部(pole)所構成，並且極部係向內朝向轉子。相對之轉子則向外延伸朝向定子極配置而構成。為確保能自行啟動(self-starting)，可變磁阻發電機之設計必定會使一定子極永遠朝一轉子元件對置，因此需於複數個定子極與轉子極之間有不同之間距(pitch)。

於每一通電循環週期依序通電時，定子極之每一相對之極對的電磁線圈會產生磁場，磁場會吸引位置最接近的轉子極，使其與該些通電定子極之一對齊而產生旋轉及轉矩。因此在通電程序中任何一個時間點，都僅會有一極對會位在正確的位置(由於定子極與轉子極之間具有不同之間距)，因而僅能獲得較低之轉矩。因此相較於穩定操作效能之裝置尺寸，製造商多半會製作超過該尺寸之裝置以實現前述之穩定操作效能，而導致外殼變形、震動、噪音、機構轉矩輸出產生大轉矩漣波效應(torque ripple effect)以及在電動機的工作範圍內電動效能低的問題。

Richardson等人申請之美國專利第5,365,137號揭示透過與定子數目相同之對應轉子極之配置，能使轉子極同時被通電，而達成產生較高之轉矩但不會伴隨過度轉矩漣波並且避免其他設計常見外殼變形之目的。透過此配置，轉子係被分成多段(segments)或多級(級次；stages)。每一級次具有隨角度不同但連續設置之轉子極，以允許自行啟動(self-starting)。藉由對一級次內之所有轉子極通電以及對每一級次依序通電，電動機便能自行啟動而產生較高之轉矩、較低之轉矩漣波、震動及噪音。

其他旋轉之電動機配置可見於美國專利第6,927,524號、第6,762,524號、第6,617,746號、第5,433,282號、第5,727,560號及第5,365,137號。

切換電路則可見於美國專利第5,115,181號、第5,404,091號及第5,012,177號。

美國專利第5,545,964號及美國專利第4,143,308號則顯示可變磁阻發電機控制系統以及控制方法。美國專利第7,009,360號揭示一可變磁阻發電機之控制方法。美國專利第.6,509,710號則揭示利用指示轉子角度位置訊號控制可變磁阻發電機之方法。美國專利第7,250,734號及美國專利第6,864,658號亦揭示了控制可變磁阻發電機之方法。

美國專利公開第31,950號揭示極腳位係相對於轉子軸歪斜。並且，美國專利第4,670,696號也揭示疊片式轉子，相對旋轉軸向歪斜之內容。

用於可變磁阻發電機之冷卻系統則可見於美國專利第7,049,716號、第7,193,342號、第6,815,848號、第7,244,110號、第7,156,195號、第6,897,584號、第7,091,635號、第 6,300,693號、第5,372,213號、第2,824,983號、第3,663,127號、第3,518,468號、第4,743,176號以及第5,222,874號。

美國專利第6,153,956號係揭示具備查找表(look up table)之第一計算裝置的電路。查找表係用以提供參考磁鏈值(reference flux linkage value)相位電流(phase current)以及軸角(shaft angle)間之關係。

美國專利第7,230,361號揭示一決定電子裝置設計之方法，基於對一關鍵設計方程式之分析，前述關鍵設計方程式係能再以給定速度之條件下，得出具有最佳化轉矩之軸向空隙。

美國專利公開第2005/0162031號以及第2005/0099082號係揭示極部歪斜或沿圓周地設置之內容。

本發明提出確有配合改善設計技術以最佳化電動機/發電機之配置、建構、效能、控制及冷卻，而能使電動機/發電機能產生高轉矩、低轉矩漣波、低震動及低噪音之需求。

本發明之目的在於提供一種改良之多級可變磁阻電動機/發電機及其製造、設計之方法。

本發明之另一目的在於提供一種多級可變磁阻電動機/發電機包括：一軸桿，具有一旋轉軸；複數個隔開之級次，設置於旋轉軸四周；每一級次具有相同數目之定子極與轉子極，用以定義對稱地設置於旋轉軸四周，其間具有空隙之定子與轉子極對；第一供電裝置，用以於選定期間同時對一級次之所有定子極進行通電；以及第二供電裝置，用以對該級次以外的該些級次之所有定子極依序重複進行通電，其中於該些級次中之每一定子與轉子極對具有實質相同之物理特性及電磁特性。

本發明之又一目的在於提供一種能設計多樣之多級可變磁阻電動機/發電機之方法，多級可變磁阻電動機/發電機具有複數個隔開之級次，設置於一旋轉軸四周，其中每一級次具有相同數目之定子極與轉子極，用以定義對稱地設置於旋轉軸四周，其間具有空隙之定子與轉子極對，該方法包括：為每一級次選擇單一定子與轉子對；自該級次的單一定子與轉子對所能具有之物理特性及電磁特性之特性組中，選定該單一定子與轉子對之標準；以及根據該單一定子與轉子對之標準，製造該級次所有的定子極與轉子極。

本發明之又一目的在於提供一種控制邏輯與電路控制系統，用以最佳化多級可變磁阻電動機/發電機之物理特性及電磁特性，多級可變磁阻電動機/發電機具有複數個隔開之級次，設置於旋轉軸四周，其中每一級次具有相同數目之定子極與轉子極，用以定義對稱地設置於旋轉軸四周，其間具有空隙之定子與轉子極對，該系統包括：於記憶體中儲存每一級次的單一定子與轉子對之規格；計算自該級次的單一定子與轉子對所能具有之物理特性及電磁特性之特性組中，選定之單一定子與轉子對之標準；以及利用計算步驟，決定該級次所有的定子極與轉子極。

本發明並提供亦可變轉矩裝置，具有對繞阻接線的改造，以增加本發明低速轉矩之輸出及基速操作特性。另一方面，本發明每一級次中線圈具備之電磁特性，能裝置之低速轉矩輸出最大化，同時提高裝置之基速及最大速度效能特性。

相較於習知多級可變磁阻電動機裝置，本發明於設計技術、建構、控制及效能方面均具有更多優點。基於本發明電動機具有複數個級次，每一級次之轉子及定子段配置相同極數，利用更為先進之設計技術，能最佳化本發明裝置之配置、建構、效能、冷卻以及控制。由於本發明之簡潔特性及相關之電磁結構，允許本發明設計元件之最佳化或是精準預測機構效能所需之特殊化、高度先進之計算模組化設計技術之發展，而滿足設計上廣泛的需求。本發明之設計技術優點在於，為配合各種應用，本發明中所有元件針對其所需之物理、熱力學、電磁特性，均能精確模組化(塑型)，以使總體效能達到最佳化。

是以，本發明係為結合許多有關裝置建構之改良，不僅能減少總體複雜性，更同時有效地改善產生轉矩之性能及總體操作效能。本發明利用多級性，每一級此具有相同極數之定子與轉子部分，其中各級次之定子極與對應級次之轉子極構成各別之極對，且所有極對均以相同方式對齊。相較於Richardson之專利，本發明具備許多重要之改善。每一級次之定子部分係以疊片式磁性元件，構成護鐵(back iron)與定子部分的極部結構。於一較佳實施例中，每一級次之定子部分係整體為環狀之疊片式定子部分。固定於每一定子極之電磁線圈為單純機械式纏繞之裝置，可大量生產且容易組裝至機構內部。

當固定於每一級次之定子極的線圈同步被通電時，機構內之電力分布係簡單且直接。本發明能利用將電力供給分為二等分，而更進一步縮小每一級次內之電力分布系統。透過前述二等分之各分支，將部分電能通入各級所分派之複數個線圈。於操作期間，給定級次中相鄰線圈之電流均相等，因此與其它電動機配置一樣，不會有短路的可能。相較於Richardson之專利，本發明之定子結構具有更小、更簡化、更輕之構造。並且，由於本發明之定子結構可對裝置提供一更有效率之熱排，因而可更進一步提高本發明結構之積密度。

根據機構效能特性所需，本發明之每一轉子級亦由疊片式磁性元件構成，包括向外極結構以及與軸桿之連接。於一較佳一級次之轉子極以輻射狀配置，各級次則沿本發明之軸心配置，因此隨時均穩定。由於複數級次與轉子極具有移置角度之結合，轉子極之級次會與對應定子極之級次正確地對齊，而在極對間形成許多空隙，當定子線圈通電時，所在位置之電磁回路便吸引所有正確對齊之轉子極至對應之定子極，使轉子組件旋轉，傳送轉矩至轉子軸桿。一旦開始旋轉，相繼之級次便會正確地對齊，使本發明之電力供給控制邏輯及電路元件推進電能至本發明之下一級次，以確保級次間順利並連續地傳送轉矩之軸桿並使其旋轉。相反地，當由外部機械動力源使其旋轉，讓極對正確地對齊時，結合同步低電平通電電壓供給至對應級次之定子線圈，會讓該級次之定子線圈產生較大之電流。加上連續級次之轉子線圈產生之電流，僅要外部機械動力源持續供給至軸桿，即具備產生連續動力之性能。

本發明特別的是，每一級次各別轉子極係沿著旋轉軸偏斜。就對客製化組件而言，每一連續之疊片即提高每一轉子級次之磁質量，疊片以輻射狀設置並實級次轉子極偏斜。由於使轉子極相對定子極偏斜一角度，極對間之空隙即產生交疊，若以並聯配置定子與轉子極對對各別定子極通電，則會使極對間之磁阻逐漸減小。同樣地，當級次之轉子極逐漸遠離對應通電之定子極的磁場影響時，亦會產生空隙間逐漸變小之磁阻能。操作中，偏斜轉子極角度證實能更進一步降低當自一級次轉移電能/機械能至下一級次時所產生之轉矩漣波/電流漣波之能階。

轉子半徑、極數、極部長度、極部寬度、護鐵厚度、疊片數目及厚度、電磁線圈之尺寸及形狀係均根據本發明之設計技術決定。本發明設計技術之輸入值(設計之目標值)包括但並非限定：所需輸出轉矩/電流、所需電動機/發電機轉速範圍、尺寸限制之空間限制條件、輸入/輸出電壓以及輸入/輸出電流。

當本發明之相關能耗主要發生在定子之繞阻時，本發明之結構能允許以有效之機構冷卻組件。由質輕、剛強、高熱導性材料所構成且具支撐性之外殼以能傳導熱之方式，緊密地與機構定子連接。視本發明之特殊需求或使用預設而定，本發明之冷卻系統可採用，但並非限制：強制氣冷式、增壓液態冷卻、打氣式噴嘴冷卻等。

對於較大型之應用而言，相較於專利第5,365,137號，本發明機構之外殼能允許更進一步之改善。本發明機構之外殼導入結構內部之內部軸承之概念，相較於以往，能以更小直徑職支撐軸桿，即能發展高之轉矩/電流輸出。本發明機構之內部軸承之導入使得發展大型結構，高轉矩/電流之輸出成為可能。

本發明有效能之操作需要正確的時機以及控制送至/來自本發明各級次之電能傳送；為控制本發明之時機期間及送至/來自各級次之電能傳送量，本發明之磁阻能無限制地改變，以為特定之設計用途產生速度及轉矩/電流輸出。轉子半徑、極次長度、線圈尺寸及冷卻方法均為可變因素，在設計過程中均能改變本發明之尺寸及效能，以便適用於各種應用。此外，本發明設計技術能複制時機(timing)及電能之輸入/輸出，以最佳化本發明相關之控制邏輯與電路控制。作為本發明設計技巧之一部分，一特定之控制邏輯係已利用動態之總線電壓，發展出控制電動機/發電機效能之必要邏輯；利用即時操作模式中之點火角度預測，發展出對速度與轉矩/電流輸出之控制。

本發明之配置，會使自行啟動裝置顯示出從電動機轉矩乃至電動機外殼之平衡反應；然而，相較於習知技術之實施例，本發明所揭示設計技術之實施例、建構及控制更顯示出架構簡單、尺寸更小、重量輕盈、高轉矩輸出、高效能、低體積/動力比、低成本/動力比以及低轉矩漣波等優點。本發明之電力控制部份更較習知技術先進，能將原本一傳送動力至轉子軸桿之電動機應用結構即刻轉換成為一效率高的電能產生系統。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，配合所附圖式，作詳細說明如下，惟請注意本發明之目的並非以此為限：請參考第1圖至第5(a)、(b)、(c)圖顯示本發明之一實施例，其電動機(馬達)/發電機性能適用於大型運輸工具，如：汽車、公路貨車、越野車、自動礦業設備、水路推進系統、鐵路推進系統之動力機具，並且能源循環具有正向設計之特性，能有效降低驅動系統之能耗。如就重型工業電動機而言，本發明可具有多方之應用，例如泵驅動、空壓機驅動以及運送裝置驅動。如就重型工業發電機而言，本發明則可應用在風力渦輪機、廢氣渦輪機、水力渦輪機、備用發電機及其他相似之機具等。然，前述尚僅列舉因本發明電動機/發電機之性能，可應用之眾多，非僅範例羅列爾爾。

請參考第1圖，即本發明之機構或多級可變磁阻電動裝置/發電裝置10之一實施例。多級可變磁阻電動裝置/發電裝置10包含定子(stator)、轉子組件(rotor assembly)以及外殼50。定子具有複數段(segment)、複數級(級次；stage)或著複數結構(construction)。轉子組件亦具有複數段(segment)、複數級(級次；stage)或著複數結構(construction)。於第1圖之此實施例中，一般之構成係為三個獨立之定子結構20伴有三個獨立之轉子結構30，與磁性材料之薄疊片以非導電性之被覆物分別區隔，以防止磁漏並保持疊片間的傳導性，然非必定如此。轉子係由複數個電磁轉子極35(rotor pole)所構成。電磁轉子極35係對應相似數目，牢固於電磁線圈26之定子極25。於一較佳實施例中，電磁線圈26可為自動纏繞之銅製變壓器用配線所覆蓋，纏繞披覆並包覆特殊機構之定子極25的實際外觀。當如第2圖中所示般進行組裝時，定子極25及轉子極35之徑向面間會具有徑向空隙40(radial air gap)。徑向空隙40之尺寸形狀係依據本發明相關之設計技術而定且待詳述於後。

如第1圖至第5圖中所示之機構10係詳述於Richardson等人申請之美國專利第5,365,137號電動機之改良，其所揭櫫係於此以助清楚說明之參考。具體而言，本發明為美國專利第5,365,137號之許多改良方式，其進一步提供更簡單之定子構成架構，以縮小機構10之尺寸及複雜度；其能以相同裝置利用外界機械動力以產生電力；其能利用導入轉子30之轉子極35偏斜角39，以減低轉矩漣波(torque ripple)、振動及噪音；其提供封裝之外殼50不同之冷卻系統裝置，能具有如同對機構10內部直接使用冷卻劑之效用；其提供之內部軸承(bearing)32能允許發展出較以往更大型結構之可能性。前述諸多改善將均於後詳述。

固定於外殼50之軸承(bearings)32及軸封(seal)31係用以支撐轉子之軸桿36，同時如圖所示並定義定子結構(stator structures)20及定子極繞阻線圈(stator pole winding coils)26之間、級間間距(例如：相鄰定子結構20之間距或相鄰轉子結構30之間距)或軸承內外位置的空間關係，並且外殼50亦同心地支撐定子級(stator stages)、定子繞阻(stator windings)於操作期間避免變形。轉子組件係同心地設置於軸桿36周邊。因外殼50係相對於軸桿36同心地安裝，以維持定子極與轉子極間之空隙(air gap)。間隔桿(spacer bars，未顯示)則設置於機構組件內以維持各別定子級24間之間距與各別轉子級37間之間距。端板(End plate)301係利用卡環(split rings)302固定軸桿36用以維持轉子與電動機軸承之間距。

第3(a)圖顯示每一轉子結構30均透過軸桿具有之兩個鍵槽(keyway)34固定於同心軸桿(concentric shaft)36，並且利用環繞軸桿之楔鍵33嵌入固定之設計，使本發明操作時產生之力矩能有效轉換。第3(b)圖顯示每一轉子級(rotor stage)37具有對應指定之鍵槽34，以使轉子級37環繞旋轉軸對應指定極部相對於軸桿上之位置產生偏移(offset)38。前述偏移之量測係以相鄰轉子極35對應位置間之徑向差或偏移為對象。前述偏移可即如第3(b)圖所示之角度38。此外亦能使轉子極35設置成為各別轉子極35相對於機構10之軸桿36均具有偏斜角39。

轉子之偏移可視轉子極對與轉子級之數目而定。如圖中所示之轉子偏移可為10度。並且轉子之偏斜亦為可變，圖中所示之偏斜可為3~5度之間。

根據本發明之另一實施例，如第3(c)圖所示之機構10，亦能使各別之定子極25具有偏斜角303。第3(d)圖顯示本發明另一實施例，其中各別定子極25具有徑向偏移305及306，設置於機構10之各別定子級24之間，以對應前述之轉子極偏移38。比較第3(c)圖，如第3(d)圖所示，藉由偏移定子級24，第3(c)圖中之定子級間空隙304能於軸桿方向明顯地縮短，而相較於前案能有效地縮短定子總長(total stator length)307，亦即所有轉子段(all stator segments)之總長，是以能縮短機構10之總長。換言之，使定子極25或一定子級偏移，使其能設置於相鄰定子級24之相鄰定子極25間。僅能藉由使每一轉子級37之轉子極35產生偏移38，方能以此方式堆疊定子級24；則電流於被激能定子(energized stator)308之每一對相鄰之定子線圈中，會以相反方向309，310流動。由於電流以相反方向流動，是以能降低相鄰定子級24中未激能定子線圈(non-energized stator coils)311中感應電流產生的可能性。轉子之偏移可視轉子極對與轉子級之數目而定。如圖中所示之轉子偏移可為18度。並且轉子之偏斜亦為可變，圖中所示之偏斜可為3~5度之間。

如第4圖所示，複數個楔子(wedges)26(例如：可為酚醛樹脂塑造)，置入相鄰線圈捆束26於定子極25之上，以固定線圈26。材料為Dacron^TM/Mylar^TM/Dacron^TM之絕緣層23則置於線圈繞阻(coil windings)25、定子20及定子極25之間，以避免與定子20金屬可能發生之接觸而導致對線圈絕緣造成損害。當完整之定子組件組裝完成後，則會含浸於清漆(varnish)裏。

電動機/發電機冷卻

本發明之較佳實施例係利用以熱導材料形成之電動機/發電機機構外殼(casing)50，以能傳導熱之方式，緊密地與機構定子20連接。下述為本發明所採取之數個熱排方案：第5(a)圖係顯示外殼50採用空冷之實施例，利用外部散熱鰭片(cooling fins)51增加從機構定子結構20至外界大氣之熱傳遞。於圖顯示空冷之實施例中，鰭片51由外罩(shroud)65所環繞，利用風扇60導入空氣於形成之內部空間，通過鰭片51與外罩65間。外罩65係固定於電動機之軸桿，鰭片51能更進一步有助於外殼50之對流及輻射冷卻，是以能冷卻機構10。

第5(b)圖係顯示外殼50採用內部冷卻通道(cooling passages)52之實施例，利用液態冷卻劑經由覆蓋之組件，相關具有液體循環泵71及氣液熱交換器72之增壓液態冷卻循環70，能更有效地提高定子20之熱散。利用管內節溫器73，能使本發明之操作溫度維持於一預設溫度點。

第5(c)圖係顯示更增設噴嘴(spray nozzle)55至機構外殼50之液態冷卻劑通道，利用自機構內部之傳導及/或蒸發，以更進一步提高熱排效率。配合內部液態冷卻劑噴嘴55，並提供污水槽(sump)56，可收集液態冷卻劑，藉由相關具有液體/氣化循環泵(liquid/vapour recirculation pump)76及熱交換器/冷卻器(heat exchanger/condenser)77之液體或氣化冷卻系統(liquid or vapour cooling system)75，能使噴灑冷卻劑57之凝結或霧氣能排出機構外殼。

請參照第6圖及機構外殼50，顯示對較大尺寸之機構，利用內部軸承(internal bearings)32對習知技術之改良。內部軸承32係設置於機構10兩端之間，於此機構外殼設計之實施例中，係利用具有內部冷卻通道52之可分離式外殼59。可分離式外殼59能便於對內部軸承32及軸承支件(bearing support)33進行檢查或移除/置換。外殼螺栓53則能依據設計規格組裝並上扭矩，以確保機構之結構整體性。軸承支件33之一端連接至外殼50，另一端則支撐內部軸承32，使其與軸桿36接觸。

電動機/發電機電力供給

第7圖係顯示本發明對每一定子級24之主要電流供給22分為兩半部，每一半部供給特定定子級24中相對之定子極25。此改進不但能縮小機構外殼50內電導體之尺寸，同時消除當供給/接受定子級24電力控制中，斷電(power down)時產生之反電動勢電流(back EMF currents)。

電動機/發電機模組化(Modelling)

本發明具有多種用途，對於每一種用途(電動及/或發電)確切之效能規格並無法預設，而需發展一可靠方法，以確認決定性之用途設計特徵，以符合應用之特定效能需求。本發明模組化任何應用型態的效能之方法包括定義操作之決定範圍(critical regions)。例如，若應用本發明於一具有恒轉矩(constant torque)範圍及恆動力(constant power)範圍之牽引電動機(traction motor)，電動機10之基速(base speed)則如第8(a)圖所示定義為兩範圍之交叉點。由第8(a)圖可知，本發明之漸進響應代表伴隨一”恒動力”範圍之一線性衰減”恒轉矩”範圍。值得一提的是，若如第8(a)圖中之漸進效能地圖所繪示，本發明之牽引應用能於一非常短之期間內傳送密集之峰值力矩。

本發明之基速代表對機構及其電子控制裝置而言均為最有效率之範圍，因此必須考量機構效能與總體效能以謹慎選擇此點。本發明之機電設計(electro/mechanical design)須依據特定規格所需之轉矩(動力)，確定或選擇基速。於前述轉矩相對轉速(torque vs.rpm)之平面上，基速可為任意點。然當基速越遠離原點，總線電壓(bus voltage)即需增加。再者，亦可減少機構之線圈匝數(coil turns)，維持總線電壓，增加級電流。

極速(maximum speed)則藉由有效場變弱導致不可測之機構效能範圍來定義。本發明之操作應限制在極速之下。

根據經驗法則，極速可由下列關係式定義：

換言之，極速應小於或等於基速之150%。

當本發明作為牽引電動機之型態應用時，峰值轉矩下降(peak torque roll-off)係由第8(a)圖中之位於恆峰值轉矩範圍與恆動力範圍之交叉點RO定義。而由於此範圍內之轉矩漸近下降，有時接近轉折點之機構峰值操作並無法實現。

對於作為牽引電動機之型態應用而言，根據對機構系統效能之多方初步評估，而產生如第8(b)圖所示之效能範圍地圖。揭示一優異之功耗機構必然與電子控制電路之相關轉換功耗息息相關，需用盡心思，方能建構一能於機構額定操作包絡(nominal operating envelope)中各方面能耗最小適當之機電設計。因此，若藉由使用設計工具能使對本發明特定實施例之設計簡單、相對地容易。

本發明可在一適當之模組化環境中，發展機構之基線機械幾何尺寸，利用選定變數之最佳化而將靜態轉矩之產生簡化表達，以達成所需之機構效能。

設計固定變數：

●最大線圈電流(Maximum Coil Current；I_Coil)

●機構外徑(Machine Outer Diameter；R_OD)

●機構驅動軸直徑(Machine Driveshaft Diameter；R_SH)

●機構極數(Number of Machine Poles；N_P)

●機構額定空隙長度(Machine Nominal Air-Gap Length；G)

效能最佳化選定之變數：

●設計常數(Design Constants；K₁,K₂,K₃)

●機構堆疊長度(Machine Stack Length；S_L)

●核心材料特性(Core Material Properties)

●總線電壓(Bus Voltage；V_Bus)

●線圈匝數/幾何尺寸(Coil Turns & Geometry；N,X_Coil,Y_Coil)

●轉子偏斜角Rotor Skew Angle(α_s)

進行評估之機構效能：

●機構轉矩包絡/轉矩下降(Machine Torque Envelope & Roll-Off)

●最大起始轉矩(Maximum Starting Torque)

●機構效率(Machine Efficiencies)

●控制器額定伏安最小化(Minimization of Controller Volt-Ampere Rating)

●機構飽和特性(Machine Saturation Characteristics；Peak Operational Conditions)

●機構操作溫度(Machine Operating Temperatures)

由於本發明機構必然之對稱性，每一級次均係完全獨立，並且該些級次能以第9(a)圖所示之單一極對模組完整表達。每一級次具有相同之定子極與轉子極，各級次依序通電。

於一實施例中，線圈設計係由下述定義參數開始：

●方均根級電流：(RMS stage current；I_Stage)；固定

●繞阻匝數：(Number of winding turns；N)；可變

一旦決定一適當之方均根級電流(I_Stage)之後，繞線直徑及絕緣厚度即能基於以單一直徑(D_W)表示特定機構之操作環境而決定。

基於空隙大小(定義為定子齒部(突出部位)總寬度、定子齒部深度以及定子齒部與轉子齒部距離)、磁核心(magnetic core properties)特性、磁核心幾何尺寸(magnetic core geometry)、所欲之最大操作速度(總線電壓之函數)以及操作轉矩，便能選擇基線繞阻匝數(baseline winding turns；N)。此變數使機構設計具有最佳之優點，必需審慎評估此特定參數之效力。

如第9(b)圖所示，線圈幾何尺寸(coil geometry)必須設計使定子極齒部接觸面積最大而使前述齒部總距離最小。因此，線圈尺寸應以長方形為較佳，例如以Y_Coil為長邊。

一旦匝數總數及每層匝數決定，線圈尺寸則可由下列關係式決定：

定子疊片(stator lamination)設計則係由下列定義參數開始：

●定子疊片外徑：(Stator Lamination Outer Radius；R_OD)；固定

●極數：(Number of Poles；N_P)；固定

●中心線之線圈至定子頂端最大間隙：(Maximum coil to stator pole tip clearance at center line；Z_min)；固定

●線圈尺寸：(Coil Dimensions；X_Coil,Y_Coil)；可變

●定子線圈對半定子極寬度比：(Ratio of stator core width to half stator pole width；K₁)；可變

●極角度對極間距比：(Ratio of pole angle to pole pitch；K₂)；可變

下列方程式係用於完整定義定子疊片之幾何尺寸：注意：於此例中所有尺寸單位係為公分(cm)

R _SC=R _OD-CW _S (5)

TH _S=R _SC-R _S (6)

結合前述方程式之結果，有關定子半徑(R_S)之二級方程式如下：

其中之變數係可由下述關係式根據已知量表達：

利用二次方程式即能決定定子半徑(R_S)(注意：取正值)

一旦定子半徑(R_S)為已知，其他之尺寸即能由前述方程式(3)-(6)得出。

注意：為確保相鄰線圈不會發生重疊，下述方程式必需滿足：

空隙(air gap)40之尺寸主要依據機構尺寸及其應用而定。雖然空隙為最敏感且為設計需求最主要之參數，下述關係式則為配合製作公差及機械變形之考量之基線近似值，為機構尺寸之函數。注意：於此實施例中空隙之單位為毫米(mm)。

轉子疊片(rotor lamination)設計則係由下列定義參數開始：

●定子半徑：(Stator Radius；R_S)；固定

●驅動軸桿半徑：(Driveshaft Radius；R_SH)；固定

●轉子極高度對極間距比：(Ratio of rotor pole height to pole pitch；K₃)；可變

下列方程式係用於完整定義轉子疊片之幾何尺寸：注意：於此例中所有尺寸單位係為公分(cm)

R _R=R _S-G

TH _R=K ₃．R _R．Θ_P

R _RC=R _R-TH _R

CW _R=R _RC-R _SH

注意：為使最大核心效能(maximum core efficiency)最佳化，核心寬度(C_WR)應滿足下述關係式：

由於本發明必然之對稱性，一完整之磁路(magnetic path)可被解析如第9(c)圖所示之等效電路。

透過封閉磁路環(closed magnetic circuit loop)作用於驅動通量(drive Flux)之總磁動勢(Magneto-Motive Force；)係由下述關係式定義：

其中感應係數(L(θ _R))為相對轉子角度(relative rotor angle；θ _R)之函數，由下述關係式定義：

由極對對轉子產生之轉矩(Torque；T _fld)為繞阻電流(winding current；I _Coil)之函數，由下述關係式定義：

第10(a)圖表示用於定義相對轉子角度(θ _R)之座標系統。途中顯示當轉子軸(rotor axis)與磁軸(magnetic axis)完全對齊或為第10(a)圖所示12點鐘方向時，空隙區域(air gap area)為最大。

空隙之橫截面積區域係根據計算定子及轉子極頂端(tip)所規範該區域之表面積分而決定，以下述關係式表示：

忽略邊緣通量(fringing)的影響，空隙之橫截面積區域為相對轉子角度(θ _R)之函數，呈線性變化：

總等效回路空隙磁阻(total equivalent circuit air-gap reluctance)亦為相對轉子角度(θ _R)之函數，由下述關係式表示：

其中未對齊轉子角度(unaligned rotor angle；θ _U)由下述關係式決定：

假定機構為逆時針方向轉動，推動區域(Motoring Region)係定義為當相對轉子角度(θ _R)介於下述範圍內時：

正反饋區域(Regeneration Region)則定義為當相對轉子角度(θ _R)介於下述範圍內時：

忽略漏電感(leakage inductances)並假定磁核心具有無限之導磁性(permeability)，當轉子軸(rotor axis)與磁軸(magnetic axis)完全對齊時，會產生最大等效回路電感(maximum equivalent circuit inductance)，由下述關係式定義：

其中等效回路電感為相對轉子位置之函數，由下述關係式定義：

前述關係式可預測當轉子位於未對齊位置(θ _U)時，電感為零，但實際上於此位置時，電感係為一有限值。

由等效回路極對(equivalent circuit pole pair)產生之峰值轉矩(T _fld)，由下述關係式定義：

總級次峰值轉矩(total stage peak torque；T _M)可由下述關係式決定：

有時，機構設計會需對轉子加入機械性偏斜角39(mechanical skew)。機械性偏斜角會影響機構產生之轉矩波形。如第10(b)圖所示，會於空隙之重疊區域降低機械性偏斜角39的影響。

第10(b)圖中之陰影區域可由下述式子計算得出：

其中淨有效空隙區域(net effective air gap area)由下述方程式決定：

定子磁阻(stator reluctance)可被分解為兩個獨立磁阻，由下述方程式定義：

總定子磁阻(total stator reluctance)則由下述式子得出：

總核心磁阻(total core reluctance)則由下述式子得出：

忽略漏電感(leakage inductances)，當轉子軸(rotor axis)與磁軸(magnetic axis)完全對齊時，會產生最大等效回路電感(maximum equivalent circuit inductance)，由下述關係式定義：

由等效回路極對(equivalent circuit pole pair)產生之峰值轉矩()，由下述關係式定義：

總級次峰值轉矩(total stage peak torque；)可由下述關係式決定：

由於本發明必然之對稱性(亦即每一級次中均具有相同數目之定子極25與轉子極24)，本發明機構之每一級次均係完全獨立，並且該些級次能以第9(a)圖所示之等效之突出模組完整表達。圖中係表示一定子極25與一轉子極24之組合，以構成通電時，有關每一定子/轉子極對之一基本磁回路，即顯示本發明為一特定設計評估，而固定了不同元件之間各種尺寸關係的一種可能之幾何關係。亦由於此對稱性，完整之磁路可被解析為如第9(c)圖所示之等效電路，研究如第8(a)圖所示關於角度動作(angular motion)及空隙40效應對效能之影響。簡言之，本發明之設計技術可歸約為如第9(a)及9(c)圖所顯示之模擬環境。

模組化設計(Modelling Design)係能利用一簡單之磁性設計元件，包括一定子極及其相對轉子極，其並與轉子直徑、定子繞阻安匝數(winding ampere turns)、空隙大小、轉子極長度、定子極長度、定子極與轉子極之相對角度移動、定子護鐵(back iron)厚度、轉子底部深度以及軸桿直徑均有關。

當參數確認後，利用有限元件分析(Finite Element Analysis；FEA)軟體程式，能用於模擬當改變對定子繞阻所供給電能時之磁通量及產生之力量/電流。

利用數學程式則能算出機構中每一級次所有極部產生之磁通量及力量/電流之總合。

根據本發明中所建立之電動機/發電機控制規範，當以一控制程序對機構之三個級次通電時，響應面模型(Response Surface Model)能對一給定條件之多級可變磁阻電動機/發電機進行模擬並映射產生之磁通量及力量/電流。

電動機/發電機控制器

本發明之較佳實施例所具有之電能控制系統包括電子開關設備(electrical switchgear)、感測元件(感測轉子位置、電壓、電流、電感、轉矩及溫度)、可編程控制器以及採用可支援級電感值切換，以透過機構之操作範圍調節轉矩的控制演算法之軟體。制動(braking)或正反饋(regeneration)均利用延遲級繞阻點火角度(firing angle)來達成。

特別的是，本發明之控制系統包括比例積分控制器(PI Controller)、點火角度控制器(Firing Angle Controller)、選通控制器(Gating Controller)，用以傳送適當之選通信號至H橋(H-bridge)選通信號，以驅動多級磁阻電動機(Multi Stage Reluctance Motor)，即MSRM。

於第11圖係顯示一典型編碼器控制形式之實施範例，其中轉子位置係直接自電動機軸桿(motor shaft)取得。轉子位置資訊回饋至一積分器，配合所需之速度，傳送一錯誤訊號至該些控制器單元。比例積分控制器(PI Controller)係以非連續時間方式作動，根據接受之速度錯誤訊號產生所需之轉矩。點火角度控制器(Firing Angle Controller)則根據所需轉矩配合實際速度及總線電壓，用以決定最佳點火角度及峰值繞阻電流，以產生所欲之轉矩。如第12圖所示，點火角度(θon與θoff)係定義為當供給繞阻電流時之轉子角度位置。轉子位置係可由內插法得自固定於軸桿之編碼器或可由數學外插法得自先前或當下繞阻電流狀態之結果電流波形。當下轉子位置、供給之總線電壓及轉子旋轉速度用以配合數學方程式及/或查找表(Look up table)，來決定繞阻激發(winding excitation)之適當On及Off角度。

此些角度係為動態(dynamic)方式利用前述之資訊，而有利於轉子之效能及效率。

第13圖中顯示之波形係表示繞阻激磁於啟動”on”之週期。於此補充說明，其亦與轉動期間之非整流絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor；IGBT)相關。

第14圖係顯示無編碼器控制形式之一實施例。於此實施例中，位置估測單元(Position Estimator Block)能查看通過繞阻之電流並確知機構之通量關聯狀態，以及決定一極對之角度位置。將此資訊反饋至選通控制器(Gating Controller)，進一步整合後得出機構之估測速度。

由於此技術於低速操作及啟動期間可能會效能較差，位置估測單元便可利用整流選通訊號之頻率，決定即時瞬間電感，並以此決定角度位置。

若導入i(t)，則可省略能提供最精確的高速估測之位置估測單元，而僅利用選通訊號即能進行位置估測。此一較新方法能降低處理器需求，實現一成本較低廉之設計。

有關本發明之前述內容顯示一內部縱向軸之外殼，其能支撐內部複數轉子組件之旋轉，並且能支撐同心固定之軸桿。軸桿則能支撐並使轉子組件能轉動。此外，外殼使內部定子相對於轉子之旋轉動作，固定於靜態之位置，並且提供機構內部熱散外部及內部之冷卻。再者，外殼同時亦支撐內含之至少兩個軸承/軸封(bearing/seal)組件，承受其重量及轉子組件產生之力量。

複數個定子組件分別具有整體重量及相對機構旋轉軸一確定之長度，其由具磁滲透(magnetically permeable)、各別絕緣(individually insulated)之金屬疊片所構成，以使複數個定子極朝向機構之旋轉軸中心，平均地環繞外殼中心軸分布，相互支托且由一般支托結構或護鐵分隔。

複數個轉子組件分別具有整體重量及相對機構旋轉軸一確定之長度，其亦由具磁滲透(magnetically permeable)、各別絕緣(individually insulated)之金屬疊片所構成，以使複數個轉子極以機構旋轉軸為中心朝外，以徑向間距相同之方式分布。

電磁線圈組件(electro-magnetic coil assemblies)可由具高傳導性之材料所構成，其形式可為繞線、薄片或條狀物。線圈組件之數目與每一定子組件中之定子極數目相同。線圈組件係緊繞著每一定子組件中之每一定子極而構成，僅留下朝向極面朝向中心之部分未被纏繞。

於本發明之一實施例中，任兩相鄰定子極繞阻係以相反極性纏繞，以消去前述線圈產生之總磁通量的一半，以形成第9(c)圖中之等效電路。

本發明之一模式係關於一能透過轉子軸桿提供轉矩至一機械載荷之機構。

於一發電機模式中，機械動力輸入來源係透過主軸桿傳遞至轉子，配合可利用產生電能之一電力負載及/或可存儲產生電能存儲之系統使用。

於本發明之一具有三級次之實施例中，可為前述每一級次具有一定子組件與一轉子組件。於每一級組件中較佳之結構例如可具有12個定子極與12個轉子極。

再者，例如：每一不同轉子級之極部可在結構上相互偏移一10度之徑向角度(以前述三級次、12極結構為例)，並且每一不同轉子級之極部均相對旋轉軸偏斜一預定之角度。

於本發明之一實施例中，可設置轉子環繞定子。

有關前述本發明揭示之多級可變磁阻電動機/發電機之設計技術主要包括：

(a)一簡單之磁性設計元件，包括一定子極及其相對轉子極，其並與轉子直徑、定子繞阻安匝數(winding ampere turns)、空隙大小、轉子極長度、定子極長度、定子極與轉子極之相對角度移動、定子護鐵(back iron)厚度、轉子底部深度以及軸桿直徑均有關。

(b)有限元件分析(Finite Element Analysis；FEA)軟體程式，能用於模擬當改變對定子繞阻所供給之電能時之磁通量及產生之力量/電流。

(c)數學程式，能算出機構中每一級次所有極部產生之磁通量及力量/電流之總合。

(d)響應面模型(Response Surface Model)，根據本發明中所建立之電動機/發電機控制規範，當以一控制程序對機構之三個級次通電時，能對一給定條件之多級可變磁阻電動機/發電機進行模擬並映射產生之磁通量及力量/電流。

前述本發明揭示電動機/發電機外殼設計之多樣性，以熱導材料形成之電動機/發電機機構外殼，使其以能傳導熱之方式，緊密地與機構定子連接。並且具有數個熱排方案，例如：多樣性之散熱鰭片，設置於外殼表面，有助於外殼之對流及輻射冷卻；增加外罩包覆外部鰭片，於外殼、鰭片及外罩間形成可進行強制空冷之空間；多樣性之內部通道或管路，利用液態冷卻劑配合泵及熱交換器使用，對外殼排熱；多樣性之內部通道配合內部噴嘴，利用液態冷卻劑或蒸發冷卻劑配合泵及熱交換器/冷卻器，對外殼排熱。

前述本發明亦揭示一電能控制系統包括電子開關設備(electrical switchgear)、感測元件(感測轉子位置、電壓、電流、電感、轉矩及溫度)、可編程控制器以及採用可支援級電感值切換，以透過機構之操作範圍調節轉矩的控制演算法之軟體。制動(braking)或正反饋(regeneration)均利用延遲級繞阻點火角度(firing angle)來達成。

如前所述，本發明每一級次中之線圈係以相同方式纏繞且並聯通電，以實現對裝置適用之多樣利用，能確切地定義一定之基速及基本輸出轉矩/輸出電流。線圈電流直接有助於裝置內之轉矩產生。於一選定之轉矩輸出及基本操作速度，總線電壓與級次電流則可設定為其之額定值，額定後便可決定裝置內之裝置控制器之額定規格及電導體規格。

而當應用於短期間內需高於額定之轉矩輸出時，於機構內以超出電導體之規格處理較高之電流負載，並無法允許改善裝置之峰值輸出操作。然而，裝置內空間及熱傳導之限制會避免使用裝置之最大效能。並且，對各別之應用而言，電能控制系統係為裝置設計於特殊效能需求所額定之基本電壓/電流操作。若要求大於控制系統所需之輸出電流，控制系統亦將超出規格，而必須於短期間內增加裝置之轉矩輸出，而影響此些應用之效能效率與生產成本。

於本發明之一實施例中，如關於裝置之每一級次中之線圈並聯。當線圈為並聯時，線圈電流為基本級次電流之1/Np(其中Np為極數目)。當給定一總線電壓時，由於能達成一較高之基速，因此對裝置之並聯安排為較佳。然而由於等效級電感與電阻較低，並聯之線圈於低速時可能會產生問題，因此增加轉換功耗及轉矩漣波效應(torque ripple effects)。

是以裝置需為特殊應用而構成，視裝置之額定及瞬間設計需求，決定各別級線圈並聯(如前述)或串聯。

當線圈串聯時，線圈電流能接近基本級次電流，因此能達成非常高之起始轉矩。若級線圈串聯，於一給定之總線電壓/電流下，控制系統之設計能產生較大之轉矩。串聯之線圈具有較高之等效級電感及電阻，因此能對轉換功耗及轉矩漣波效應(torque ripple effects)有所改善，但會降低裝置之基速設計。

於本發明之另一實施例中，各別之級線圈組均可於並聯或串聯模式下操作。並且可視設計上之特殊需求，於每一級次中將線圈配置於一串聯鏈中，或於每一級次中將一組線圈為並聯後，再將各組線圈相互串聯。

並聯操作與串聯操作間之切換可採取機械方式或電子方式控制，此類切換當然亦可以採取械方式或電子方式之輸入。

如第16(a)圖及第16(b)圖所示，本發明電路部份之一實施例，顯示本發明典型三級次之複數個線圈中之三個。其為裝置每一級次中之線圈1(400)、線圈2(401)以及線圈3(402)。每一線圈均具有線圈之繞阻方向403，每一線圈具有交替之旋轉，以使相鄰線圈之繞組具有相反之纏繞方向。

第16(a)圖係顯示並聯時之線圈繞阻方向，切換開關404則將電流導向每一線圈之相同邊。切換開關404於一實施例中可為一機械開關，利用裝置之旋轉速度操作；或者，切換開關404於一實施例中亦可為一電子開關，利用流經切換開關之電流操作，電流則會遵循繞組403之方向。

第16(b)圖係顯示串聯時之線圈繞阻方向，切換開關405則將電流導向每一線圈之相反邊。切換開關405於一實施例中可為一機械開關，利用裝置之旋轉速度操作；或者，切換開關405於一實施例中亦可為一電子開關，利用流經切換開關之電流操作。

於第16(b)圖中，電流起始於左下角，其中線圈400、線圈401以及線圈402具有不同壓降之相同電流。

雖然本發明已就較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之變更和潤飾。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。

10‧‧‧多級可變磁阻電動機/發電機

20‧‧‧定子結構

22‧‧‧主要電流供給

23‧‧‧絕緣層

24‧‧‧定子級

25‧‧‧定子極

26‧‧‧線圈

30‧‧‧轉子結構

31‧‧‧軸封

32‧‧‧軸承

33‧‧‧楔鍵

34‧‧‧鍵槽

35‧‧‧轉子極

36‧‧‧軸桿

37‧‧‧轉子級

38‧‧‧偏移

39‧‧‧偏斜角

40‧‧‧空隙

50‧‧‧外殼

51‧‧‧散熱鰭片

52‧‧‧內部冷卻通道

53‧‧‧外殼螺栓

55‧‧‧噴嘴

56‧‧‧污水槽

57‧‧‧噴灑冷卻劑

59‧‧‧可分離式外殼

60‧‧‧風扇

65‧‧‧外罩

70‧‧‧增壓液態冷卻循環

71‧‧‧液體循環泵

72‧‧‧氣液熱交換器

73‧‧‧管內節溫器

75‧‧‧液體或氣化冷卻系統

76‧‧‧液體/氣化循環泵

77‧‧‧熱交換器/冷卻器

301‧‧‧端板

302‧‧‧卡環

303‧‧‧偏斜角

304‧‧‧定子級間空隙

305‧‧‧徑向偏移

306‧‧‧徑向偏移

307‧‧‧定子總長

308‧‧‧被激能定子

309‧‧‧電流方向

310‧‧‧電流方向

311‧‧‧未激能定子線圈

400‧‧‧線圈1

401‧‧‧線圈2

402‧‧‧線圈3

403‧‧‧繞阻方向

404‧‧‧切換開關

405‧‧‧切換開關

R_OD‧‧‧外半徑

R_SC‧‧‧定子核心半徑

R_S‧‧‧定子半徑

R_R‧‧‧轉子半徑

R_RC‧‧‧轉子核心半徑

R_SH‧‧‧軸桿半徑

G‧‧‧空隙

Θ_P‧‧‧極間距

CW_R‧‧‧轉子核心寬度

TH_R‧‧‧轉子齒部高度

TW_R‧‧‧轉子齒部寬度

β_R‧‧‧轉子極角度

CW_S‧‧‧定子核心寬度

TH_S‧‧‧定子齒部高度

TW_S‧‧‧定子齒部寬度

β_S‧‧‧定子極角度

第1圖係顯示本發明三級可變磁阻機構主要零件之***圖。

第2圖係本發明機構第1圖中之組件於已組裝狀態之縱向剖面圖。

第3(a)圖係本發明機構中一個級次之主要零件之橫剖面圖。

第3(b)圖係本發明機構三級轉子之平面圖，顯示該些轉子級逐一組合並使轉子極相對於旋轉軸偏斜。

第3(c)圖係顯示本發明具有偏斜定子極的三級轉子之平面圖。

第3(d)圖係顯示本發明具有徑向偏移定子極的三級轉子之平面圖。

第4圖係轉子對及定子線圈組件製作部件之放大橫剖面圖。

第5(a)圖至第5(c)圖係為可用於外殼冷卻設計之數個實施例。

第6圖係顯示具有內部軸承之機構外殼之一實施例。

第7圖係本發明機構中一個級次及其電力饋送接線之橫剖面圖。

第8(a)圖係顯示本發明之漸進效能關係圖。

第8(b)圖係顯示本發明結合之系統效能關係圖。

第9(a)圖係顯示本發明代表所有級次具有之單一極對模組。

第9(b)圖係顯示本發明轉子線圈之橫剖面圖。

第9(c)圖係顯示本發明之等效電路圖。

第10(a)圖係本發明相對角度參考系統之橫剖面圖。

第10(b)圖係顯示轉子極機構偏斜一實施例之平面圖。

第11圖係顯示典型編碼器控制形式之實施例。

第12圖係顯示點火角度對轉子極角度位置之關係圖。

第13圖係顯示繞阻激磁於啟動”on”週期之波形圖。

第14圖係顯示非編碼器控制形式之實施例。

第15圖係顯示電動機/發電機設計成形程序之流程圖。

第16(a)圖係顯示並聯時之線圈繞阻方向及電性連接。

第16(b)圖係顯示串聯時之線圈繞阻方向及電性連接。