TWI459685B - 變極定子繞組之繞線方法及其動力與電力轉換裝置 - Google Patents

Description

變極定子繞組之繞線方法及其動力與電力轉換裝置

本揭露係關於一種定子繞線技術，尤其是指一種變極定子繞組之繞線方法及其動力與電力轉換裝置。

為了降低二氧化碳排放，減少石油依賴，電動車已成未來汽車的趨勢。而電動車中馬達是動力的核心，藉由轉動提供電動車所需的動力。

但在電動車中的應用中，隨著路況的不同需要有不同的馬達轉速以對電動車提供適當的動力，因此馬達如果可以根據路況需要改變轉速，則可以提供電動車廣域轉速的動力，而增加電動車的競爭力。而改變馬達轉速，如果透過控制器的控制，通常對於馬達輸出的動力改變相當受限，不過如果定子磁場極數改變時，所輸出的動力曲線卻能有大幅度的不同，如永磁馬達、感應馬達等，和發電機皆是。因此改變馬達極數成為控制馬達轉速的一個有效的方法。

但極數的切換首重成本，因此所需的功率切換元件之數量必須要有適當的控制，另外，也不能影響佔槽率，以使輸出功率下降，這些因素都為變極技術的關鍵。在習用技術之中，如美國專利US.Pat.No.7,598,648號或US.Pat.No.5,825,111號分別揭露一種變極技術，其係利用複數個功率電子元件，加上串並聯電路的設計，來對馬達進行變極，進而改變馬達的轉速。

本揭露提供一種變極定子繞組之繞線方法，其係對單層線圈繞組或多層線圈繞組的定子，根據極數對應、電流流向以及相數等關係，建立複數種分類條件，將符合分類條件的定子槽所具有的線圈電性連接形成複數個線圈組，然後再藉著串聯與並聯電路的開關切換控制，能夠改變定子的極數。

在一實施例中，本揭露提供一種變極定子繞組之繞線方法，其係包括有下列步驟：根據一定子具有之複數個槽、一相數以及預計相互切換的複數種極數，形成一定子繞組，每一槽上繞設有一線圈；根據該複數種極數、該相數以及切換極數前後的每一槽的線圈所具有之電流特徵決定複數個分類條件；分別將符合每一分類條件之槽所具有的線圈相連接，以得到分別對應該複數個分類條件之複數個線圈組，每一線圈組對應有至少一種極數、該相數中之至少一相以及對應該至少一種極數所具有的電流特徵；以及將該複數個線圈組以複數個切換元件電性連接，以形成以可變化極數之一變極定子繞組。

在另一實施例中，本揭露提供一種動力與電力轉換裝置，包括：一定子，其係具有之複數個槽，每一槽上繞設有一線圈，該定子更具有複數個線圈組，每一個線圈組係由符合一分類條件之槽所具有的線圈相連接，每一線圈組對應有至少一種極數、一相數中之至少一相以及對應該至少一種極數所具有的電流特徵；複數個切換元件，其係與該複數個線圈組電性連接；一控制單元，其係根據要切換 的極數，控制該切換元件，以改變該定子之極數；以及一轉子，其係設至於該定子內，以於該定子內進行轉動。

在另一實施例中，本揭露提供一種動力與電力轉換裝置，其係具有2N：6N極數之切換，其中N為自然數，該動力與電力轉換裝置包括：一定子，其係具有之18N個槽，每一槽上繞設有一線圈，其中該定子之2N極U相的所有槽上的線圈串聯以形成一第一線圈組、2N極V相的所有槽上的線圈串聯以形成一第二線圈組、2N極W相的所有槽上的線圈串聯以形成一第三線圈組、6N極U相的所有槽上的線圈串聯以形成一第四線圈組，以及6N極W相的所有槽上的線圈串聯以形成一第五線圈組；其中，該定子在2N極操作情況下，該第一線圈組、第二線圈組以及第三線圈組以一第一耦接方式相耦接；在6N極操作情況下，該第一線圈組、第二線圈組、第三線圈組相連接以形成一6N極V相電路，該第四線圈組以及第五線圈組以一第二耦接方式相耦接。

請參閱第1圖所示，該圖係為本發明實施例之變極定子繞組之繞線方法流程示意圖。該變極定子繞組之繞線方法包括有下列步驟，首先以步驟20根據一定子具有之複數個槽、一相數以及相互切換的複數種極數，形成一定子繞組，每一槽上繞設有一線圈。

請參閱第2圖所示，該圖係為本發明實施例之定子繞組示意圖。圖中的編號代表槽數，本實施例具有27個槽30。 每一槽30上繞設有一線圈31。在本實施例中，該定子繞組3為具有雙層繞組32與33之定子繞組3，其中外層繞組32代表6極之繞組，內層繞組33代表18極的繞組。要說明的是，該定子繞組3之槽30的數量並不以圖中所示之數量為限制；另外，該定子繞組3也不以兩層繞組為限制，亦可以為單一繞組，其係可以根據使用者之需求而定。此外，相數的部分，可以為單相或者是多相，在本實施例中，係以3相，亦即包含U相、V相以及W相來進行說明。而相互切換的極數可以根據需求而定，一般而言，特定的槽數可以根據本發明的精神設計為特定極數的切換，以本實施例為例，槽數為27的定子結構，其可以被設計為6極與18極的切換。要說明的是，該定子繞組3可以為馬達或者是發電機所使用的定子繞組；該馬達可以為感應馬達、磁組馬達或者是永磁馬達。本實施例之轉子係為鼠籠式轉子，但不以此為限制，例如：繞線式轉子亦可以實施。再回到第1圖所示，決定的定子繞組的結構之後，接著進行步驟21，根據該複數種極數、該相數以及切換極數前後的每一槽的線圈所具有之電流特徵決定複數個分類條件。其中，該電流特徵，可以為電流方向或者是電流方向與大小其中之一，在本實施例中，該電流特徵為電流之方向，另外要說明的是雖然本實施例中的分類電流特徵為電流方向，但在線圈的電流是從無至有，或有至無的實施例中，也可以考慮電流大小。該複數個分類條件包括有：a. N極時為U相，M極時為U相，變極前後電流方向相同； b. N極時為U相，M極時為U相，變極前後電流方向相反；c. N極時為U相，M極時為V相，變極前後電流方向相同；d. N極時為U相，M極時為V相，變極前後電流方向相反；e. N極時為U相，M極時為W相，變極前後電流方向相同；f. N極時為U相，M極時為W相，變極前後電流方向相反；g. N極時為V相，M極時為U相，變極前後電流方向相同；h. N極時為V相，M極時為U相，變極前後電流方向相反；i. N極時為V相，M極時為V相，變極前後電流方向相同；j. N極時為V相，M極時為V相，變極前後電流方向相反；k. N極時為V相，M極時為W相，變極前後電流方向相同；l. N極時為V相，M極時為W相，變極前後電流方向相反；m. N極時為W相，M極時為U相，變極前後電流方向相同；n. N極時為W相，M極時為U相，變極前後電流方 向相反；o. N極時為W相，M極時為V相，變極前後電流方向相同；p. N極時為W相，M極時為V相，變極前後電流方向相反；q. N極時為W相，M極時為W相，變極前後電流方向相同；r. N極時為W相，M極時為W相，變極前後電流方向相反；s. N極時不通電，M極時為U相；t. N極時不通電，M極時為V相；u. N極時不通電，M極時為W相；v. N極時為U相，M極時不通電；w. N極時為V相，M極時不通電；以及x. N極時為W相，M極時不通電。

上述的分類條件總共有24種，每一種分別對應有極數、相以及關於電流的特徵，該電流特徵包括電流方向以及不同電的組合。在本實施例中，M極代表6極，而N極代表18極，相則包含有U相、V相以及W相。

決定了分類條件之後，則可以進行步驟22，根據該分類條件對分別將符合每一分類條件之槽所具有的線圈相連接，以得到分別對應該複數個分類條件之複數個線圈組，每一線圈組對應有至少一種極數、該相數中之至少一相以及對應該至少一種極數所具有的電流方向。實施步驟22時，首先以步驟220將滿足每一分類條件之槽中，分別將兩 電流方向相反之槽所具有的線圈相連接以形成複數組子線圈組。

在步驟220中主要是根據上述a~x的條件逐一比對，先找出滿足每一條件的槽。以第3A至3B圖來作說明，第3A至3B圖為第2圖中之定子繞組在不同極數下，U相以及W相電流關係示意圖，其中第3A圖顯示出定子繞組3在U相時6極與18極的電流方向；以及第3B圖顯示出定子繞組3在W相時6極與18極的電流方向。在第3A與3B圖中，可以歸納找到滿足分類條件e的槽，其中，U相18極定子分布和W相6極定子分布比較之後，可以得知W相6極的第1槽線圈，和U相18極的第1槽線圈電流方向相同，W相6極的第5槽線圈，和U相18極的第5槽線圈電流方向相同。同理，W相6極的第10槽線圈和U相的18極第10槽線圈電流方向相同，W相6極的第14槽線圈和U相18極的第14槽線圈電流方向相同。W相6極的第19槽線圈和U相的18極第19槽線圈電流方向相同，W相6極的第23槽線圈和U相18極的第23槽線圈電流方向相同。完成步驟220中所述之找到滿足各個分類條件之槽後，接著再於各相中將兩電流方向相反之槽所具有的線圈相連接以形成複數組子線圈組。例如：以U相為例，第1槽線圈和第5槽線圈的電流流向相反，其中第1槽線圈為進入方向，而第5槽線圈電流為流出方向，因此兩電流方向相反，因此將第1槽線圈和第5槽線圈串接，並且命名為第1-第5線圈，此線圈在6極和18極可以共用，但在6極時為W相，而在18極時為U相。同理，將第10槽線圈和第14槽線圈串接，並且命名為第10-第14線圈，以及將第19槽線圈和 第23槽線圈串接，並且命名為第19-第23線圈，以上結果，在第3A圖、第3B圖裡，使用耦接線段340U以及340W表示，各個耦接線段340U以及340W即為步驟220中的子線圈組。在6極和18極間互相作切換時，這三組子線圈組皆繼續保持通路，且電流方向不變，但是相位改變。

接著再由第3A與第3B圖可以歸納滿足分類條件n的槽，可以發現U相6極第3槽線圈與W相18極第3槽線圈流方向相反，亦可以發現U相6極第7槽線圈與W相18極第7槽線圈電流方向相反。將第3和第7槽線圈串連，並且命名為第3-第7線圈，此線圈可以共用，遇到變極時，令以不同相位、相反方向電流。同理，U相6極第12槽線圈與W相18極第12槽線圈流方向相反，亦可以發現U相6極第16槽線圈與W相18極第16槽線圈電流方向相反，將第12和第16槽線圈串連，並且命名為第12-第16線圈，當遇到變極時，令此一線圈通以不同相位、相反電流；同理，把第21和第25槽線圈串聯，並且命名為第21-第25線圈。以上三組子線圈組，遇到變極時，令其電流相反、相位改變。以上結果，在第3A圖、第3B圖裡，使用耦接線段341U以及341W表示。

請參閱第3C至3D圖所示，該圖為第2圖中之定子繞組在不同極數下，V相以及W相電流關係示意圖，其中第3C圖顯示出定子繞組3在V相時6極與18極的電流方向；以及第3D圖顯示出定子繞組3在W相時6極與18極的電流方向。在第3C與第3D圖中，可以找到滿足分類條件k之槽，可以歸納得知V相18極第2槽線圈和W相6極第2槽線圈電流方向相同，V相18極第6槽線圈和W相6極第6槽線圈電流方向也 相同，因此將兩槽線圈串聯起來，並且命名為第2-第6線圈。此線圈可以共用，在6極時為W相，在18極時為V相。同理，V相18極第11槽線圈和W相6極第11槽線圈電流方向相同，V相18極第15槽線圈和W相6極第15槽線圈電流方向也相同，亦將其線圈串聯，並且命名為第11-第15線圈。同理，將第20槽線圈和第24槽線圈串接，並且命名為第20-第24線圈。以上串接結果，在第3C圖以及第3D圖中分別以耦接線段342V以及342W表示。令以上三組子線圈組，在變極前後線圈保持通路，電流方向不變、相位改變。

另外，根據第3C以及第3D圖也可以找到滿足分類條件p的槽，其中，V相6極定子分布和W相18極定子分布比較之後，可以得知V相6極第27槽線圈與W相18極第27槽線圈流方向相反，亦可以發現V相6極第4槽線圈與W相18極第4槽線圈電流方向相反。將第4和第27槽線圈串連，並且命名為第4-第27線圈，當遇到變極時，令此一線圈通以不同相位、相反方向電流。同理，V相6極第9槽線圈與W相18極第9槽線圈流方向相反，亦可以知道V相6極第13槽線圈與W相18極第13槽線圈電流方向相反，將第9和第13槽線圈串連，並且命名為第9-第13線圈，當遇到變極時，令此一線圈通以不同相位、方向相反電流；同理，把第18和第22槽線圈串聯，並且命名為第18-第22線圈。以上三組子線圈組在變極時，令其電流相反、相位改變。以上結果，在第3C與第3D圖裡，在分別以耦接線段343V以及343W表示。

再回到第3A圖所示，在U相6極與18極的切換條件下，可以發現滿足分類條件a的槽，在圖中框344U所圈起來的第 2、11、16、20以及25的槽，其所具有的線圈在變極前後電流方向一樣，且相位皆為U相。同樣將U相中任兩電流相反的線圈串接，在本實施例中，第2槽線圈和第25槽線圈串接，第7槽線圈和第11槽線圈串接，第16槽線圈和第20槽線圈串接，以上三組線圈分別命名為第2-第25槽線圈、第7-第11槽線圈和第16-20槽線圈，以上三組子線圈組在變極前後，電流方向不變，相位相同，皆為U相。結果如耦接線段345U所表示。

又再第3B圖中，可以找到滿足分類條件r的槽，其中，框344W圈起來的第1、6、10、15、19以及24槽，其所具有之線圈在變極前後電流方向相反，且相位同為W相。把第1槽線圈和第24槽線圈串接，第6槽線圈和第10槽線圈串接，第15槽線圈和第19槽線圈串接，以上三組線圈分別命名為第1-第24槽線圈、第6-第10槽線圈和第15-19槽線圈，以上三組子線圈組在變極前後，電流方向相反，相位相同，都是W相。結果如耦接線段345W所表示。

又在第3C圖中，可以找到滿足分類條件i的槽，其中，框344V圈起來的第5、9、14、18、23以及27槽，其所具有之線圈在變極前後電流方向相同，且相位同為V相。把第27槽線圈和第23槽線圈串接，第5槽線圈和第9槽線圈串接，第14槽線圈和第18槽線圈串接，以上三組線圈分別命名為第23-第27槽線圈、第5-第9槽線圈和第14-18槽線圈，以上三組子線圈組在變極前後，電流方向不變，相位相同，都是V相。結果如耦接線段345V所表示。

請參閱第3E至3F圖所示，該圖為第2圖中之定子繞組在 不同極數下，U相以及V相中未共用之槽的電流關係示意圖，其中第3E圖顯示出定子繞組3在U相時6極與18極的電流方向；以及第3F圖顯示出定子繞組3在V相時6極與18極的電流方向。在第3E與3F圖中，所示的槽係為對應第3A至3E圖下的分類條件下，尚未串接的槽線圈。其中，在第3E圖中，可以找到滿足分類條件s之槽，其係屬於6極U相線圈，分別是第3槽線圈和第8槽線圈，第12槽線圈和第17槽線圈，第21槽線圈和第26槽線圈，以上三組子線圈組分別命名為第3-第8槽線圈、第12-第17槽線圈和第21-第26槽線圈，此三組線圈在6極時通電，以耦接線段346U表示。也可找到符合分類條件v的槽，其係屬於18極U相線圈，第4線圈和第8線圈串接，第13線圈和第17線圈串接，第22線圈和第26線圈串接，以上三組子線圈組分別命名為第4-第8槽線圈、第13-第17槽線圈和第22-第26槽線圈，此三組線圈在18極時通電，以耦接線段347U表示。

其中，在第3F圖中，可以找到滿足分類條件t之槽，其係屬於6極V相線圈，分別是第4定子線圈和第8定子線圈，第13定子線圈和第17定子線圈，第22定子線圈和第26定子線圈，以上三組線圈分別命名為第4-第8定子線圈、第13-第17定子線圈和第22-第26定子線圈，此三組子線圈組在6極時通電，以耦接線段348V表示。也可找到符合分類條件w的槽，其係屬於18極V相線圈，第3線圈和第26線圈串接，第8線圈和第12線圈串接，第17線圈和第21線圈串接，以上三組線圈分別命名為第3-第26定子線圈、第8-第12定子線圈和第17-第21定子線圈，此三組子線圈組在18極時通電， 以耦接線段349V表示。

以上為步驟220之說明，完成步驟220之後，進行步驟221，將滿組每一分類條件中之該複數個子線圈組經由一耦接方式相互耦接在一起以形成每一線圈組。該耦揭方式可以選擇為串聯連接或者是並聯連接。在本步驟221中，可以參閱第4A至第4C圖所示，該圖為本發明第2圖實施例之定子繞組中，綜合各分類條件，各相之中相串接的線圈示意圖。其中，第4A圖為U相所有定子連接圖，第4B圖為V相所有定子連接圖，第4C圖是W相所有定子連接圖。根據上述的子線圈組串接結果，可以再將第2-第25定子線圈、第7-第11定子線圈和第16-第20定子線圈三組線圈並聯，並稱之為U+/u+線圈組，即為步驟221中的線圈組。其中，大寫的U代表6極時為U相，小寫的u代表18極時亦為U相，斜線之前的+和斜線之後的+代表變極前後電流方向不變，整體來說，此組線圈在變極前後皆為U極，且變極前後電流方向不變。

同理，將第3-第7定子線圈、第12-16定子線圈、第21-第25定子線圈三組線圈並聯，並稱之為U+/w-線圈組，大寫的U代表6極時為U相，小寫的w代表18極時為W相，斜線之前的+和斜線之後的-代表變極前後電流方向相反。將第3-第8定子線圈、第12-第17定子線圈和第21-第26定子線圈並聯，稱之為U/0線圈，代表6極時為U相，18極時不通電。將U+/u+線圈組、U+/w-線圈組、U/0線圈組線圈組通以適當電流，即可形成6極U相。

將第5-第9定子線圈、第14-第18定子線圈和第23-第 27定子線圈三組線圈並聯，並稱之為V+/v+線圈組，大寫的V代表6極時為V相，小寫的v代表18極時亦為V相，斜線之前的+和斜線之後的+代表變極前後電流方向不變，整體來說，此組線圈在變極前後皆為V相，且變極前後電流方向不變。將第4-第27線圈、第9-第13線圈、第18-第22線圈並聯，並稱之為V+/w-線圈組，大寫的V代表6極時為V相，小寫的w代表18極時為W相，斜線之前的+和斜線之後的-代表變極前後電流方向相反。將第4-第8定子線圈、第13-第17定子線圈和第22-第26定子線圈並聯，稱之為V/0線圈，代表6極時為V相，18極不通電。將V+/v+線圈組、V+/w-線圈組、V/0線圈組線圈組通以適當電流，即可形成6極V相。

將第1-第24線圈、第6-第10線圈和第15-第19線圈並聯，稱之線圈為W+/w-線圈組，其大寫W代表六極時為W相，小寫w代表18極為W相，斜線前+和斜線後的-代表電流方向相反。把第1-第5線圈、第10-第14線圈和第19-第23線圈三組線圈並聯，稱之線圈為W+/u+線圈組，其大寫W代表6極時為W相，小寫u代表18極為U相，斜線前+和斜線後的+代表變極前後電流方向相同。使第2-第6線圈、第11-第15線圈和第20-第24線圈三組線圈並聯，並稱之為W+/v+線圈組，其大寫W代表6極時為W相，小寫v代表18極為V相，斜線前+和斜線後的+代表變極前後電流方向相同。將W+/w-線圈組、W+/u-線圈組和W+/v-線圈組通以適當電流，即可形成6極W相。

將第4-第8線圈、第13-第17線圈和第22-第26線圈三 組線圈並聯，形成0/u線圈組，0代表在6極時不通電，小寫u代表在18極時U相。將第3-第26線圈、第8-第12線圈和第17-第21線圈三組線圈並聯，形成0/v線圈組，0代表在6極時不通電，小寫v代表在18極時V相。

步驟221所形成的線圈組，可以參閱下表一所示。

再回到第1圖所示，步驟22之後，進行步驟23，將該複數個線圈組以複數個切換元件電性連接，以形成以可變化極數之一變極定子繞組。在本步驟中，將U+/u+線圈組、0/u 線圈組和W+/u+線圈組通以適當電流即可形成18極U相。將V+/v+線圈組、0/v線圈組和W+/v+線圈組通以適當電流即可形成18極V相。把W+/w-線圈組、U+/w-線圈組和V+/w-線圈組通以正確方向電流即可形成18極W相。上述將U+/u+線圈組、U+/w-線圈組以及U/0線圈組透過適當連接可以形成6極U相。而將V+/v+線圈組、V+/w-線圈組以及V/0線圈組透過適當連接可以形成6極V相。又，將W+/u+線圈組、W+/v+線圈組以及W+/w-線圈組透過適當連接，可以形成6極W相。因此，透過適當的切換元件將上述的線圈組聯接起來，透過切換控制，即可形成感應馬達6極電路或形成18極感應馬達電路。要說明的是切換元件，可以為機械開關、繼電器或功率電子元件。

請參閱第5A與第5B圖所示，該圖係為根據步驟23所形成的獨立相接之變極定子繞組的電路示意圖。在第5A圖中，代表獨立相接的基本架構，其中電源60,61以及62分別與U,V以及W線圈組相耦接。根據第5A架構之精神，可以將表一所示之各個線圈組獨立相接，各線圈組之間可以藉由控制單元39對透過功率元件35a~35k的控制來作線路切換，以形成如第5B圖之電路。例如當要進行U相6極的切換時，電流經由線圈端360進入，此時切換元件35a與35b將線路連接到U+/w-線圈組，切換元件35c將線路連接到U/0線圈組，最後再由線圈端361流出，以完成U相6極的的運作。同樣，如果要切換承18極W相，由於U+/w-線圈組、V+/w-線圈組以及W+/w-線圈組是相互並聯，因此當電流由線圈端362進入時，切換元件35c將線路切換至V+/w-線圈組，切 換元件35f以及35k將線路切換至W+/w-線圈組，同時切換元件35j將線路切換至V+/w-線圈組，切換元件35e將線路切換至U+/w-線圈組，而切換元件35b則將線路切換至由線圈端363，以完成W相18極的的運作。

要說明的是，上述的分類條件，並非全部會被使用到，這是涉及到槽數，相數以及要切換的極數。不管如何，在槽數、相數、極數決定之後的定子繞組，在各相以及對應的極數下，各槽的線圈一定會有電流的流向，因此可以根據上述24種的分類法則，來對各相以及對應的極數下，各槽的線圈的電流流向進行分類。此外，對於滿足特定分類條件下的各槽的線圈連接，可以根據使用者的決定，來選擇哪幾槽的線圈相互串接。一般而言，可以選擇位置相近的槽，將其線圈串接，可以減少線材的使用量以及降低電阻。

請在參閱第6圖所示，該圖係為本發明實施例之變極定子繞組之繞線方法另一流程示意圖。在本實施例中，基本上與第1圖之流程類似，差異的是，本實施例更包括有進形步驟24檢驗對應每一種極數下，各相之中，相互電性連接的一線圈組合其等效電阻抗是否相稱。在步驟24中，以第5圖為例，在切換18極時，U相連接方式主要為U+/u+線圈組、0/u線圈組以及W+/u+線圈組間的串聯；又V相時為V+/v+線圈組、0/v線圈組以及W+/v+線圈組間的串聯。只有在W相時為W+/w-線圈組、V+/w-線圈組以及U+/w-線圈組並聯的狀態，因此在18極狀態時，W相是線圈組間的並聯，造成等效電阻抗與18極U相以及V相不同，而有不相稱 之線圈組合情況，因此可以再以步驟25加一補償線圈。如第7圖所示，補償線圈37耦接在18極W相的線圈端363上。該補償線圈37可以使各相之各極繞組所具有的等相組抗相等或消弭高次磁動勢(magnetomotive force,MMF)諧波。

另外，如第8A與8B圖所示，該圖係為本發明線圈組耦接方式另一實施例示意圖。除了如第5或第7圖之線圈組獨立相接之耦接方式之外，也可以如第8A與8B圖所示，將線圈組以Y接的方式來形成變極定子線圈繞組。在第8A圖代表Y接的基本架構，其中U,V以及W代表各相線圈組。而在第8B圖中，則為根據第8A圖所示的架構將第5圖或第7圖之電流流出之線圈端361,364~368全部耦接在一起，以形成Y接的電路。此外，在另一實施例中，也可以如第8C與8D圖所示，將線圈組以△接的方式來形成變極定子線圈繞組。在第8C圖代表△接的基本架構，其中U,V以及W代表各相線圈組。而在第8D圖中，則為根據第8C圖所示的△接架構將第5圖或第7圖之線圈組對應耦接在一起，以形成△接的電路。

除了先前設計的利用27定子槽、雙層繞組，6極與18極變極之外，在另一實施例中，藉由第1圖之設計流程作延伸，探討2N：6N變極感應馬達、定子槽數18N的擴展，其中N為自然數。

如第9圖所示，該圖係為本發明之另一實施例定子線圈繞組實施例示意圖。在本實施例中，同樣以步驟21，提供一定子線圈繞組4，該定子線圈繞組為4感應馬達之定子線圈繞組，其係具有單層線圈繞組40、三相以及36個槽，每 個槽上具有線圈。本實施例，為定子槽數為18N，2N：6N變極感應馬達，其中N為自然數。以下所舉的實施例為當N為2的推廣，亦即4極變12極。該單層線圈繞組40具有內外兩層線圈，內層為4極，外層為12極。其中，標號410U~413U代表為四極U相之內層槽，標號410V~413V代表4極V相之內層槽，標號410W~413W代表為是4極W相之內層槽。此外，標號414a~413L代表為12極U相之外層槽，標號415a~415L代表12極V相之外層槽，標號416a~416L代表為是12極W相之外層槽。又實心點代表電流流出，「X」代表電流流入之方向。

接著進行步驟22，由電流方向與各槽的關係尋找符合前述a~x種分類法則的線圈。比較可以發現，12極U相和12極W相在4極時不通電。12極V相變為4極時會有三種情況，第一個情況，12極V相變為4極時是U相，且電流方向不變，即第7、16、25、34槽之線圈所示的電流情形。第二個情況，12極V相變為4極時是V相，且電流方向不變，即第1、10、19、28槽之線圈所示之電流的情形。第三個情況，12極V相變為4極時是W相，且電流方向不變，即第4、13、22、31槽之線圈所示之電流情形。此外，在將4極不通電以及12極為U相的情況下，可以得到為第2、5、8、11、14、17、20、23、26、29、32與35槽之線圈所示之電流情形。在將4極不通電以及12極為W相的情況下，可以得到為第3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33與36槽之線圈所示之電流情形。然後再以步驟22據該分類條件對分別將符合每一分類條件之槽所具有的線圈相連接，以得到分別對應該複 數個分類條件之複數個線圈組，如下表二所示。其中，在代表線圈組欄位之中，”/”前段的大寫U、V或W代表4極操作下的線圈組，而”/”後段的小寫u或w代表12極操作下的線圈組，而+/+代表切換極前後電流方向相同。

最後再以步驟23利用切換元件，將上述線圈組與以組合形成如第10圖所示電路，即可達到4極和12極變極之目的。其中，元件42a~42d代表切換元件。

同樣根據上述第9圖與第10圖所示實施例的延伸，對於具有單層線圈40之定子繞組4，定子槽數為18N，2N：6N變極感應馬達，當N為3即槽數為54，且為6極變18極時的架構，如第11圖所示。其中，內層為6極，外層為18極，而內層第7、16、25、34、43以及52槽代表為6極U相之內層槽，內層第1、10、19、28、37、46代表為6極V相之內層槽，而內層第4、13、22、31、40、49代表為6極W相之內層槽。又外層第3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45、48、51以及54槽代表為18極U相之內層槽， 外層第1、4、7、10、13、16、19、22、25、28、31、34、37、40、43、46、49、52代表為18極V相之外層槽，而外層2、5、8、11、14、17、20、23、26、29、32、35、38、41、44、47、50、53代表為18極W相之外層槽。又實心點代表電流流出，「X」代表電流流入之方向。

經過比較可以發現，18極U相和18極W相在6極時不通電。18極V相變為6極時會有三種情況，第一個情況，18極V相變為6極時是U相，且電流方向不變，即第7、16、25、34、43、52槽之線圈所示之電流的情形。第二個情況，18極V相變為6極時是V相，且電流方向不變，即第1、10、19、28、37、46槽之線圈所示之電流的情形。第三個情況，18極V相變為6極時是W相，且電流方向不變，即第4、13、22、31、40、49槽之線圈所示之電流的情形。分類結果如下表三所示。

最後再以步驟23利用切換元件，將上述線圈組與以組合形成如第12圖所示電路，即可達到6極和18極變極之目 的。其中，元件41a~41d代表切換元件。其中，在代表線圈組欄位之中，”/”前段的大寫U、V或W代表6極操作下的線圈組，而”/”後段的小寫u或w代表18極操作下的線圈組，而+/+代表切換極前後電流方向相同；+/-代表切換極前後電流方向相反。

由第10圖以及第12圖可以看的出來，在2N：6N，定子槽為18N情況之下，不管N為多少，電路圖結構是一樣的。由於在2N極中，U相只會在第1組發生、V相會在第2組發生以及W相只會在第3組組發生。因此在2N極的切換操作中，可以直接將2N極U相的所有槽之線圈串聯、2N極V相的所有槽之線圈串聯、2N極W相的所有槽之線圈串聯，再將2N極三相的電路予以Y接或△接。至於Y接與△接之方式，可以根據前述第8A與第8C圖所示的連接方式，分別對每一極數所對應之U、V與W相線圈組來耦接。又在6N極操作中，U相發生在第4組，W相發生在第5組，V相發生在1、2與3組串接時。因此，在6N極操作情況下，將表格中的第1,2與3組線圈組串接以形成一6N極V相電路組，再將6N極U相電路組(第4組線圈組)和6N極W相電路組(第五組線圈組)予以Y接或△接；以及將2N極U相電路組、2N極V相電路組和2N極W相電路組串接為6N極V相電路。前述歸納之線圈組耦接方式，可以讓定子線圈繞組4做為動力與電力轉換裝置之定子，再搭配轉子的組合可以形成進行2N：6N的變極切換控制。該動力與電力轉換裝置可以為馬達或者發電機。

第13圖所示，該圖係為本發明實施例之對應第9圖之4極/12極切換另一實施例示意圖。在第9圖中，變極感應馬 達中的4極，原本每極每相激磁數為1，而在本實施例中，則將內層4極中的每極每相激磁數更改為3，以減少諧波效應，增加感應馬達效率。該單層線圈繞組40具有內外兩層線圈，內層為4極，外層為12極。其中，標號410U~413U代表為4極U相之內層槽，標號410V~413V代表4極V相之內層槽，標號410W~413W代表為是4極W相之內層槽。此外，標號414a~413L代表為12極U相之外層槽，標號415a~415L代表12極V相之外層槽，標號416a~416L代表為是12極W相之外層槽。又實心點代表電流流出，「X」代表電流流入之方向。同樣將每個定子予以分類，下表四可以看出分出以下九類：

其中4極V相/12極V相、4極W相/12極V相和4極U相/12極V相變極前後電流方向不變，4極V相/12極U相、4極W相/12極U相、4極U相/12極U相、4極V相/12極W相、4極W相/12極W相、4極U相/12極W相變極前後電流方向相反。

將各情形線圈透過複數個切換元件43a~43p串接成線圈組，並以如第14圖的接法。其中，V+/v+，V+/w-，V+/u+這三組線圈組可以藉由切換元件43a~43d來切換，而形成4極V相；W+/v+，W+/w-，W+/u+這三組線圈組可以藉由切換元件43e~43j來切換，而形成4極W相；而U+/v+，U+/w-，U+/u-這三組線圈組可以藉由切換元件43k~43p來切換，而形成4極U相。V+/v+，W+/v+，U+/v+這三組線圈組可以藉由切換元件43a,43e,43f,43k以及431來切換，而形成12極V相；V+/w-，W+/w-，U+/w-這三組線圈組可以藉由切換元件43c,43b,43g,43h,43n以及43m來切換，而形成12極W相；而V+/u+，W+/u-，U+/u-這三組線圈組可以藉由切換元件43d,43j,43i,43p以及43o來切換，而形成12極U相。要說明的是，第14圖的線圈組電路，可以依照需要將三相電路予以Y接、△接或獨立相接，即是4/12極變極感應馬達電路，其中4極的每極每相激磁數為3。至於Y接、△接或獨立相接之連接方式為本領域之人所熟之，且可以根據需求而定。

前述所揭露的實施例為雙層三相或者是單層三相的變極定子繞組的接線方式，在另一實施例中，根據本揭露第1圖或第6圖所示的流程也可以應用於單相的變極馬達的設計。請參閱第15圖所示，其係為2極/6極變極的雙層線圈定 子繞組示意圖。由第15圖可以看出，對應第1圖之步驟20，也是決定出一定子繞組5，其係具有雙層線圈繞組50以及51。再根據對應第1圖之步驟21所示的分類條件，以步驟22進行尋找滿足步驟21中的分類條件的線圈，在本實施例中，從2極變到6極，第2定子槽和第5定子槽，變極前後電流不一樣，其他定子槽變極前後電流一樣，因此，可以將電流分為兩組線圈，如表5。

此外，要說明的是，單相感應馬達之定子線圈繞組需要一組輔助線圈52a~52f，輔助線圈和主要線圈機械角相差90度，結果如第16圖所示，輔助線圈52a~52f具有電流流向。如第17圖所示，該圖係為根據第1圖步驟23形成的電路示意圖。左半部的線圈組合54代表第15圖所示的主要線圈組，右半部線圈組合55代表第16圖所示的輔助線圈組52a~52f所形成的線圈組合。由於輔助線圈之電機相位和主要線圈電機相位相差90度，因此需要串聯一電容53，整體電路圖，其利用切換元件56切換使第1組線圈(+/+)以及第2組線圈(+/-)之電流方向相同或不同產生變極。另外，由於第1組線圈(+/+)比第2組線圈(+/-)等效阻抗不相等，因此在第2組線圈(+/-)上串聯一補償線圈57平衡兩組線圈間的阻抗。

此外，根據第16圖所示，也可以進行兩相變極的切換。兩相變極馬達和單相變極馬達定子分布情況相同，不同之處在於，單相馬達是在輔助線圈加上一電容製造90度的相位差，而在兩相馬達直接加上相差90度的電源，即在第16圖當中，輔助線圈52a~52f改為利用第二相電源充電，第二相電源和第一相電源相差90度，其電路圖如第18圖所示，左邊主要線圈組54為第一相電源充電，右邊輔助線圈組55組為第二相電源充電，兩相電源相差90度，亦為利用切換元件56開關造成第1組線圈(+/+)以及第2組線圈(+/-)之電流流向不同來變極。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

2‧‧‧變極定子繞組之繞線方法

20~25‧‧‧步驟

3‧‧‧定子繞組

30‧‧‧槽

31‧‧‧線圈

32,33‧‧‧雙層繞組

340U,340V,340W,341U,341V,341W 342U,342V,342W,343U,343V,343W 344U,344V,344W,345U,345V,345W 346U,346V,346W,348U,348V,348W,347U,349V‧‧‧耦接線段

35a~35k‧‧‧切換元件

360~368‧‧‧線圈端

37‧‧‧補償線圈

38‧‧‧轉子

39‧‧‧控制單元

4‧‧‧定子線圈繞組

40‧‧‧單層線圈繞組

410U~413U,410V~413V,410W~413W‧‧‧內層槽

414a~413L,415a~415L,416a~416L‧‧‧外層槽

42a~42d‧‧‧切換元件

43a~43p‧‧‧切換元件

5‧‧‧定子線圈繞組

50,51‧‧‧雙層線圈繞組

52a~52f‧‧‧輔助線圈

53‧‧‧電容

54,55‧‧‧線圈組合

56‧‧‧切換元件

57‧‧‧補償線圈

60~62‧‧‧電源

第1圖係為本發明實施例之變極定子繞組之繞線方法流程示意圖。

第2圖係為本發明實施例之定子繞組示意圖。

第3A至3F圖為第2圖中之定子繞組在不同極數下，U相以及W相電流關係示意圖。

第4A至第4C圖為本發明第2圖實施例之定子繞組中，根據各分類條件，各相之中相串接的線圈示意圖。

第5A與5B圖係為本發明實施例形成的獨立相接之變 極定子繞組的電路示意圖。

第6圖係為本發明實施例之變極定子繞組之繞線方法另一流程示意圖。

第7圖係為本發明實施例形成具有補償線圈之變極定子繞組的電路示意圖。

第8A與8B圖係為本發明線圈組Y接方式實施例示意圖。

第8C與8D圖係為本發明線圈組△接方式實施例示意圖。

第9圖係為本發明之另一實施例定子線圈繞組實施例示意圖。

第10圖係為對應第9圖之線圈組耦接方式示意圖。

第11圖係為本發明之又一實施例定子線圈繞組實施例示意圖。

第12圖係為對應第11圖之線圈組耦接方式示意圖。

第13圖係為本發明實施例之對應第9圖之4極/12極切換另一實施例示意圖。

第14圖係為對應第13圖之線圈組耦接方式示意圖。

第15圖係為單相2極/6極變極的雙層線圈定子繞組示意圖。

第16圖係為具有輔助線圈組之單相2極/6極變極的雙層線圈定子繞組具有輔助線圈組示意圖

第17圖係為單相2極/6極變極的雙層線圈定子繞組電路示意圖。

第18圖係為雙相2極/6極變極的雙層線圈定子繞組電 路示意圖。

2‧‧‧變極定子繞組之繞線方法

20~23‧‧‧步驟

Claims (30)

1. 一種變極定子繞組之繞線方法，其係包括有下列步驟：根據一定子具有之複數個槽、一相數以及相互切換的複數種極數，形成一定子繞組，每一該槽上繞設有一線圈；根據該複數種極數、該相數以及切換極數前後的該每一槽的該線圈所具有之電流特徵決定複數個分類條件；分別將符合該每一分類條件之槽所具有的線圈相連接，以得到分別對應該複數個分類條件之該複數個線圈組，該每一線圈組對應有至少一種極數、該相數中之至少一相以及對應該至少一種該極數所具有的電流特徵；以及將該複數個線圈組以複數個切換元件電性連接，以形成以可變化極數之一變極定子繞組。
2. 如申請專利範圍第1項所述之變極定子繞組之繞線方法，其係更包括有下列步驟：檢驗對應每一種極數下，各相之中，相互電性連接的一線圈組合其等效電阻抗是否相稱；以及如果有不相稱之線圈組合，則於該線圈組合之末端耦接一補償線圈。
3. 如申請專利範圍第1項所述之變極定子繞組之繞線方法，其中該複數種極數為M極與N極，該相數為U、V與W三相，該複數個分類條件係為a至x中之兩種以上 條件的組合，其中a至x之條件為：a. N極時為U相，M極時為U相，變極前後電流方向相同；b. N極時為U相，M極時為U相，變極前後電流方向相反；c. N極時為U相，M極時為V相，變極前後電流方向相同；d. N極時為U相，M極時為V相，變極前後電流方向相反；e. N極時為U相，M極時為W相，變極前後電流方向相同；f. N極時為U相，M極時為W相，變極前後電流方向相反；g. N極時為V相，M極時為U相，變極前後電流方向相同；h. N極時為V相，M極時為U相，變極前後電流方向相反；i. N極時為V相，M極時為V相，變極前後電流方向相同；j. N極時為V相，M極時為V相，變極前後電流方向相反；k. N極時為V相，M極時為W相，變極前後電流方向相同；l. N極時為V相，M極時為W相，變極前後電流方向相反； m. N極時為W相，M極時為U相，變極前後電流方向相同；n. N極時為W相，M極時為U相，變極前後電流方向相反；o. N極時為W相，M極時為V相，變極前後電流方向相同；p. N極時為W相，M極時為V相，變極前後電流方向相反；q. N極時為W相，M極時為W相，變極前後電流方向相同；r. N極時為W相，M極時為W相，變極前後電流方向相反；s. N極時不通電，M極時為U相；t. N極時不通電，M極時為V相；u. N極時不通電，M極時為W相；v. N極時為U相，M極時不通電；w. N極時為V相，M極時不通電；以及x. N極時為W相，M極時不通電。
4. 如申請專利範圍第1項所述之變極定子繞組之繞線方法，其中將符合該每一分類條件之槽所具有的該線圈相連接，以得到分別對應該複數個分類條件之該複數個線圈組之步驟中更包括有：將滿足每一分類條件之槽中，分別將兩電流方向相反之槽所具有的線圈相連接以形成複數組子線圈組；以及 將滿組每一分類條件中之該複數個子線圈組經由一耦接方式相互耦接在一起以形成每一線圈組。
5. 如申請專利範圍第4項所述之變極定子繞組之繞線方法，其中該耦接方式係為串聯或並聯。
6. 如申請專利範圍第1項所述之變極定子繞組之繞線方法，其中將該複數個線圈組以複數個功率切換元件電性連接之方式係可以選擇為Y接、△接或獨立相接法。
7. 如申請專利範圍第1項所述之變極定子繞組之繞線方法，其中該切換元件係為機械開關、繼電器或功率電子元件。
8. 如申請專利範圍第1項所述之變極定子繞組之繞線方法，其中該變極定子繞組係為變極感應馬達繞組、變極磁組馬達繞組、變極永磁馬達繞組或發電機定子繞組。
9. 如申請專利範圍第1項所述之變極定子繞組之繞線方法，其中該定子繞組可以是單層繞組或是多層繞組。
10. 如申請專利範圍第9項所述之變極定子繞組之繞線方法，其中該定子繞組為單層繞組，該複數個槽之數量為18N以及相互切換的複數種極數為2N：6N，其中N為自然數。
11. 如申請專利範圍第1項所述之變極定子繞組之繞線方法，其中該電流特徵係選擇為電流方向或者是電流之方向與大小之組合其中之一。
12. 一種動力與電力轉換裝置，包括：一定子，其係具有之複數個槽，每一槽上繞設有一線 圈，該定子更具有複數個線圈組，每一個線圈組係由符合一分類條件之槽所具有的線圈相連接，每一線圈組對應有至少一種極數、一相數中之至少一相以及對應該至少一種極數所具有的電流特徵；複數個切換元件，其係與該複數個線圈組電性連接；一控制單元，其係根據要切換的極數，控制該切換元件，以改變該定子之極數；以及一轉子，其係設至於該定子內，以於該定子內進行轉動。
13. 如申請專利範圍第12項所述之動力與電力轉換裝置，其中，該控制單元控制該切換元件使該定子於每一種極數下，各相之線圈組相互連接而形成複數個對應各相的一線圈組合。
14. 如申請專利範圍第13項所述之動力與電力轉換裝置，其係更包括有一補償線圈，與該複數個線圈組合中等校電阻抗不相稱的線圈組合之末端相耦接。
15. 如申請專利範圍第12項所述之動力與電力轉換裝置，其中每一分類條件係為a至x中之其中一種，其中a至x之條件為：a. N極時為U相，M極時為U相，變極前後電流方向相同；b. N極時為U相，M極時為U相，變極前後電流方向相反；c. N極時為U相，M極時為V相，變極前後電流方向相同； d. N極時為U相，M極時為V相，變極前後電流方向相反；e. N極時為U相，M極時為W相，變極前後電流方向相同；f. N極時為U相，M極時為W相，變極前後電流方向相反；g. N極時為V相，M極時為U相，變極前後電流方向相同；h. N極時為V相，M極時為U相，變極前後電流方向相反；i. N極時為V相，M極時為V相，變極前後電流方向相同；j. N極時為V相，M極時為V相，變極前後電流方向相反；k. N極時為V相，M極時為W相，變極前後電流方向相同；l. N極時為V相，M極時為W相，變極前後電流方向相反；m. N極時為W相，M極時為U相，變極前後電流方向相同；n. N極時為W相，M極時為U相，變極前後電流方向相反；o. N極時為W相，M極時為V相，變極前後電流方向相同；p. N極時為W相，M極時為V相，變極前後電流方 向相反；q. N極時為W相，M極時為W相，變極前後電流方向相同；r. N極時為W相，M極時為W相，變極前後電流方向相反；s. N極時不通電，M極時為U相；t. N極時不通電，M極時為V相；u. N極時不通電，M極時為W相；v. N極時為U相，M極時不通電；w. N極時為V相，M極時不通電；以及x. N極時為W相，M極時不通電。
16. 如申請專利範圍第12項所述之動力與電力轉換裝置，其中每一線圈組更包括有複數組子線圈組，其係為將滿足每一分類條件之槽中，分別將兩電流方向相反之槽所具有的線圈相連接而成，該複數個子線圈組經由一耦接方式相互耦接在一起以形成每一線圈組。
17. 如申請專利範圍第16項所述之動力與電力轉換裝置，其中該耦接方式係為串聯或並聯。
18. 如申請專利範圍第12項所述之動力與電力轉換裝置，其中該複數個線圈組與複數個功率切換元件電性連接之方式係可以選擇為Y接、△接或獨立相接法。
19. 如申請專利範圍第12項所述之動力與電力轉換裝置，其中該切換元件係為機械開關、繼電器或功率電子元件。
20. 如申請專利範圍第12項所述之動力與電力轉換裝置，其中該定子係為感應馬達之定子、磁組馬達之定子、永 磁馬達之定子或發電機之定子。
21. 如申請專利範圍第12項所述之動力與電力轉換裝置，其中該定子為單層線圈繞組或是多層線圈繞組。
22. 如申請專利範圍第21項所述之動力與電力轉換裝置，其中該定子繞組為單層繞組，該複數個槽之數量為18N以及相互切換的複數種極數為2N：6N，其中N為自然數。
23. 如申請專利範圍第12項所述之動力與電力轉換裝置，其中該電流特徵係選擇為電流方向或者是電流之方向與大小之組合其中之一。
24. 一種動力與電力轉換裝置，其係具有2N：6N極數之切換，其中N為自然數，該動力與電力轉換裝置包括：一定子，其係具有之18N個槽，每一槽上繞設有一線圈，其中該定子之2N極U相的所有槽上的線圈串聯以形成一第一線圈組、2N極V相的所有槽上的線圈串聯以形成一第二線圈組、2N極W相的所有槽上的線圈串聯以形成一第三線圈組、6N極U相的所有槽上的線圈串聯以形成一第四線圈組，以及6N極W相的所有槽上的線圈串聯以形成一第五線圈組；其中，該定子在2N極操作情況下，該第一線圈組、第二線圈組以及第三線圈組以一第一耦接方式相耦接；在6N極操作情況下，該第一線圈組、第二線圈組、第三線圈組相連接以形成一6N極V相電路，該第四線圈組以及第五線圈組以一第二耦接方式相耦接。
25. 如申請專利範圍第24項所述之動力與電力轉換裝置，其中該第一耦接方式係為Y接或△接。
26. 如申請專利範圍第24項所述之動力與電力轉換裝置，其中該第二耦接方式係為Y接或△接。
27. 如申請專利範圍第24項所述之動力與電力轉換裝置，其中，在6N極操作情況下，該第一線圈組、第二線圈組、第三線圈組透過一切換元件相串接以形成該6N極V相電路。
28. 如申請專利範圍第27項所述之動力與電力轉換裝置，其中該切換元件係為機械開關、繼電器或功率電子元件。
29. 如申請專利範圍第24項所述之動力與電力轉換裝置，其中該定子係為感應馬達之定子、磁組馬達之定子、永磁馬達之定子或發電機之定子。
30. 如申請專利範圍第24項所述之動力與電力轉換裝置，其中該定子為單層線圈繞組或是多層線圈繞組。