TWI465004B - 電機及配置於其中之定子裝置 - Google Patents

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TWI465004B
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Description

電機及配置於其中之定子裝置
本發明大致上係關於電機。更特定言之，本發明係關於一種具有一永磁式轉子或移動器結構且轉動或線性移動的三相橫向通量型電機。此類型之電機可取決於應用之領域而經利用作為一馬達或一發電機。一線性移動電機亦可表示一線性電機、一橫向移動電機或一平移移動電機。
橫向通量型電機(TFM)拓撲為一調極電機的一實例。已知橫向通量型電機拓撲具有超越習知電機的若干優點。一單面徑向通量式定子之基本設計之特徵為平行於氣隙的一單一、簡單相位繞線且具有一大致U形磁軛區段，該磁軛區段圍繞該繞線且原則上暴露面對該氣隙的兩平行列之齒。最先進多相配置之特徵為磁堆疊垂直於轉子或移動器之運動之方向的個別單相單元。接著為一三相配置電位移並磁位移該等相位120度以使操作順暢且獨立於該轉子或移動器之位置而產生一大致連貫的力或扭矩。此處注意到所指之角度係在等效於機械角度乘以磁極之對數的電角度下給定。
一圓柱形馬達使用一同心定子及轉子，且接著其運動被視為轉動的或為一種永動旋轉。一線性電機使用通常不為一閉合運動型樣而可為沿一「線」之往復運動的平動。線性電機或驅動器具有一移動器來代替一轉子。在一轉子及移動器二者中可由相同的基本磁原理配置磁路，但是其幾何配置將不同。
如例如Jack等人之專利申請案WO2007/024184中所述，一有效轉子或移動器配置之一實例為組合軟磁磁極區段或軟磁磁極件而使用所謂埋入式磁體以容許在與運動成橫向之一方向上永磁場可在通量上集中或為可撓。
WO2007/024184揭示一種電力、轉動型電機，該電機包含大體上為圓形且包含複數個齒之一第一定子核心區段、大體上為圓形且包含複數個齒之一第二定子核心區段、配置在該第一圓形定子核心區段與該第二圓形定子核心區段之間之一線圈，以及包含複數個永磁體的一轉子。該第一定子核心區段、該第二定子核心區段、該線圈及該轉子環繞一共同幾何軸，且該第一定子核心區段之複數個齒及該第二定子核心區段之複數個齒係配置成朝向該轉子突出。額外地，該第二定子核心區段之齒係相對於該第一定子核心區段作周向位移，且該轉子中之永磁體係藉由軸向延伸由軟磁材料製成之磁極區段而在周向方向上彼此分開。
個別定子相位區段之堆疊通常係基於該等個別相位區段之間的一物理磁分離，以減少操作期間可具有減少有效通量之一效果的該等相位之間之磁耦合。
在一些應用中期望提供一種在幾何上儘可能緊緻以密合於一給定限制之空間中且可具有一高體積比效能(例如表述為每體積扭矩[Nm/m3 ])的電機。
在操作之時間循環期間，一習知、平衡的120度相移、三相正弦或梯形驅動方案並未完全磁接合核心，且因此總定子核心體積之很大一部分總是使用不充分。
因此，先前技術揭示在相位量級0°、120°及240°下調諧一組三相單元。
尚有最佳化效能數量或值諸如每體積扭矩及/或每電流扭矩的一問題。
EP 1005136揭示具有組合相位的一橫向通量型電機。但是，尚可期望提供此一電機的一更簡單構造。
所揭示為一種包括一定子裝置及一移動裝置的電機，其中該定子裝置為包括複數個相位的一多相定子裝置，該複數個相位並排配置在垂直於該移動裝置之運動之一方向的一側向方向上，其中該定子裝置包括複數組齒，各齒朝向該移動裝置突出且包括面對該移動裝置的一介面表面，其中各組之該等齒係沿運動之該方向分佈，其中該複數組齒包括兩個周邊組及在該側向方向上配置在該等周邊組之間的複數個內部組；其中在該側向方向上，該等內部組之該等齒比該等周邊組之該等齒更寬且提供由兩個相鄰相位共用的一共同磁通量路徑。
在該電機之實施例中，該移動裝置包括複數個永磁體，該複數個永磁體藉由經形成為在該側向方向上被拉長之直線桿的磁極區段而在運動之該方向上彼此分開，且該等磁極區段側向延伸跨越該定子的全部相位。特定言之，該等周邊組之該等齒之該等介面表面可界定在該側向方向中量測的該定子裝置與該移動裝置之間之一作用氣隙區的一側向範圍；且該等桿可提供延伸跨越該作用氣隙之該側向範圍的一磁通量路徑。
在該電機之實施例中，該等各自組之該等齒係配置成在相對於其他組之該等齒之運動之方向中位移。
該定子裝置之各相位可由兩個定子核心區段形成，其中兩相鄰相位之一第一者之一第一定子核心區段之齒與該兩相鄰相位之一第二者之一第二定子核心區段之對應齒係形成為提供由相鄰相位二者共用之一共同磁通量的一共同組之齒。
因此，相鄰相位之齒在磁力上用作對於兩相鄰/鄰接相位而言是共同的，且由該兩個相鄰/鄰接相位磁共用的一組共同齒。該移動裝置及該定子裝置具有涉及少量部件的一簡單構造。該移動裝置之該等部件之各者具有一簡單的幾何形狀，因此容許具效率且具成本效益的構造。
該兩個相鄰相位之該第一者之該第一定子核心區段之該等齒可定位於與該兩個相鄰相位之該第二者之該第二定子核心區段之該等對應齒相同的位置(沿垂直與該移動裝置之運動之該方向的方向)，亦即該等相鄰相位之鄰接定子核心區段之該等齒可在垂直於該移動裝置之運動之該方向的方向上彼此對準。一第一相位之第一定子核心區段及一第二相位之一第二定子核心區段可形成為背對背配置的兩個獨立單元，例如彼此抵靠，或其等可形成為一單一單元，因此形成對於該等相鄰相位而言為共同的一共同定子核心區段。
結果，由於在操作期間組合相位以磁共用一定子核心區段以總是有效使用總定子核心體積之很大一部分為前提，所以組合相位是一優點。
由於通量路徑在該等相鄰相位之間共用，所以改良磁化之工作循環是一優點。
定子裝置用作一單面橫向通量型電機會是一優點，因為據此會改良體積及重量比效能。因此可改良例如每體積扭矩及/或每電流扭矩的效能數量。
由於該等相位之間之一磁分離區段導致一更大的幾何寬度，所以可減少垂直於運動之該方向之一方向中的該電機之幾何寬度是一優點。
此外，一電力、轉動型電機可包括相較於具有分開相位之一習知定子裝置在軸向上具有更短之總長度的永磁體是一優點。軸向上更短之永磁體將導致更低成本是一進一步優點。
當相鄰相位之共同定子區段係形成為一單一單元時，由於一定子核心區段在兩個或兩個以上的相位之間共用，所以該定子裝置需要一減少數量的組件。在先前技術定子裝置中，各相位具有其自身之個別組定子核心區段。
此外，諸組件有一更高水準之整合是一優點，因為據此該定子裝置可更具穩健性且可更易於製造。
一組齒係定義為一群組的齒，諸如複數個齒。
由於相位係在垂直於該移動裝置之運動之方向的一方向中並排配置，所以在一轉動型電機中該方向將為軸向的。
在一轉動移動裝置中一移動裝置可為一轉子，或者在一線性移動裝置中該移動裝置可為一移動器。
在一些實施例中，定子核心區段為一軟磁結構。改良利用軟磁結構造成改良的每體積效能是一優點。在一實施例中，定子核心區段係由軟磁粉製成。藉由由軟磁粉製成該等定子核心區段可簡化定子裝置的製造，利用有效三維通量路徑之優點的磁通量集中可更具效率。
各定子核心區段可包括一定子核心背區段及自該定子核心區段延伸的一組齒，其中該定子核心背區段連接該等齒且在運動之該方向上在相鄰齒之間提供一通量路徑。一定子核心區段可進一步包括一磁軛區段，該磁軛區段在側向方向上朝向包括相同相位之齒組之另一者的另一定子核心區段提供一通量路徑。
在一些實施例中，該定子裝置包括一單一磁軛區段，該磁軛區段連接全部相位的定子核心區段。在一轉動型電機中，通量橋可為經配置成與該第一定子核心區段及該第二定子核心區段同心的一定子磁軛區段。藉由配置此一定子核心區段，可便利定子總成之部件的製造過程及該定子總成的組裝過程且使其更具成本效益。
因此，該定子核心區段可經製造以便僅包括少量的部件，且容許一組齒之各齒與相同相位之另一組齒之一個以上之齒磁連通。
在一些實施例中，該定子裝置為一三相定子。奇數個相位是有利的，因為電流之即時總數為零，此意謂著至該電機的電源配線可减少一條，且轉換器中所需的切換裝置之數量可減少兩個。因此多重奇數相位之最少數量為三。亦可提供其他奇數個相位，諸如五個、七個，九個等相位。因此，通常言之，一多相定子裝置可包括n個相位(n為一整數且n>1)，該n個相位包含各具有一單一相鄰相位的兩個周邊相位，以及各具有兩個相鄰相位的n-2個內部相位；其中各內部相位包括兩個共同組的齒，各共同組之齒對該內部相位之該等各自相鄰相位之一者而言是共同的/由該內部相位之該等各自相鄰相位之一者共用，其中各周邊相位包括一組周邊齒及一組共同齒，該等共同齒對該周邊相位之該各自相鄰相位而言是共同的/由該周邊相位之該各自相鄰相位共用。
此外，亦可提供偶數個相位，但是可能不如上述奇數個相位般有利。
在一些實施例中，該電機為一轉動型電機。該移動裝置為一轉子。在此情形中，該第一定子核心區段、該第二定子核心區段、該線圈及該轉子可環繞一共同幾何軸。在一轉動型電機中，側向方向為該電機的一軸向方向，且運動之方向為該電機的一周向方向。
藉由側向延伸直線桿形式之磁極區段可在運動之方向中將該移動裝置中之永磁體彼此分開。該等磁極區段可由一軟磁粉製成。可在運動之方向中且以交替的定向來磁化該等永磁體。通常言之，該等永磁體亦可為在側向方向上拉長的直線桿；該等桿可延伸跨越該作用氣隙的側向範圍。
在一些實施例中，該電機為諸如一橫向通量型電機的一調極型電機。
在習知電機中，線圈明確形成磁場的多磁極結構，且磁核心之功用僅為輸送此多磁極場以鏈接磁體及/或其他線圈。
在一調極型電機中，磁路從由線圈所產生之一低得多且通常為兩個的磁極場處形成多磁極磁場。在一調極型電機中，磁體通常明確形成匹配的多磁極場但其可具有自一單磁體形成多磁極場的磁路。
該調極電機具有利用定子及移動裝置二者中之橫向方向中(例如移動裝置為一轉子之情況，一轉動電機中的軸向方向中)之磁通量路徑的一三維(3D)通量路徑。當利用組合相位定子時該3維通量路徑尤為適用。
因此，在一些實施例中，該定子裝置及/或該移動裝置包括一三維(3D)通量路徑，該三維(3D)通量路徑包含相對於運動之方向之橫向方向中的一通量路徑分量。
具有調變之優點在於每個磁極得見線圈之磁動勢(MMF)之全部，使得隨著磁極數量增加，磁場強度(MMF/米)會在不對線圈有任何改變下而隨磁極數量之增加而增加。此可與隨著磁極數量增加線圈之數量亦增加且因此各線圈變得更小的一習知線圈相比較。但是極距亦隨磁極數量降低，使得隨著磁極數量增加，由於MMF/線圈減少與極距之減少相平衡而使一習知電機中的磁場強度大致恆定。
一調極型電機之屬性設計在於設計一高磁極數量。此可得到極高的電負載，亦即磁場強度，可能同時適度需要所需導體的體積。
因此，一調極型電機將在磁極數量較高且使用習知線圈之可能電負載較低之環境中展示其最大的優點。
在一些實施例中，該調極型電機包括一爪型磁極配置或延伸部。
就自一周向/軸向表面形成扭矩之一幾何配置經採取為固定的調極型電機(亦即一徑向場電機)而言，可利用磁路在周向上以一個極距徑向跨越氣隙輸送場，此可在定子或轉子或者部分在二者中且軸向地在兩個方向中完成，以圍封該線圈。若該線圈四周之定子中的軸向電路為封閉，則產生爪型磁極配置。
可連同組合相位一起使用一爪型磁極配置或延伸部，但是軸向爪型延伸部應受到限制或較小以不造成洩漏。當該等爪彼此重疊時由於此等重疊面可提供用於洩漏通量之一非所需的路徑，所以可發生洩漏。即使爪拉伸至一半相位軸向寬度，其等仍可靠近地近接且此可造成大量非所需的磁洩漏，因此當使用組合相位時應僅使用小型或微型的爪。因此可使用微型爪(定義為半爪型磁極)以調整極尖區域，但是由於組合相位之相移阻礙爪跨越定子軸向延伸部之自由延伸，所以該等爪可能無法軸向重疊。
本發明涉及包含上文所述以及下文所述之定子裝置的不同態樣，以及其對應方法、裝置及/或產品構件，各產生針對最初提及之態樣而描述的一個或多個優勢及優點，且各具有一項或多項實施例，該一項或多項實施例對應於針對最初提及之態樣所描述及/或附屬技術方案中所揭示的諸項實施例。
將參考附圖由本發明之諸實施例之下列說明性且非限制性詳細描述來進一步闡明本發明的以上及/或額外目的、特徵及優點。
在下列描述中，參考舉例說明展示可如何實踐本發明的附圖。
圖1至圖4展示具有分開相位之一三相電機的實例，此電機可稱為一分相調極型電機(SPMPM)。
圖1a)至圖1b)展示一先前技術三相徑向型電機的一實例。一轉動型電機包括一定子總成及一轉子。為本文之目的，用'上標之參考數字通常指一第一相位的一特徵部，用"上標之參考數字指一第二相位的一對應特徵部，用'''上標之參考數字指一第三相位的特徵部，同時不具上標之參考數字指全部相位的對應特徵部。展示有三個定子總成10'、10"、10'''，且各定子總成包括一第一定子核心區段14、一第二定子核心區段16、一定子磁軛區段18及一線圈20。展示有三個轉子12'、12"、12'''，且各轉子12包括永磁體22及磁極區段24。展示有其上安裝轉子的一軸50。各定子核心區段14、16在形狀上基本上為圓形且包含複數個徑向延伸的齒26。該等齒經配置以朝向轉子12延伸用於搭配該轉子12而形成一閉路通量路徑。
相位區段之各者(即單相電機)係展示為包含其自身的一轉子，亦即各相位區段完全對應於一單相電機。
圖1c)展示根據先前技術相位之間之空間分開的一實例。在該圖中，展示有各相位的第一定子核心區段14'、14"、14'''。此實例中之空間分開指一個相位之定子核心區段之齒26係相對於其他相位之定子核心區段之齒作周向位移。
圖1d)中具有分開相位之一定子裝置之示意性實例展示三個分開相位，定子總成10'之相位1、定子總成10"之相位2及定子總成10'''之相位3。
各基本單元或相位單元包括一單一線圈或核心20、一第一定子核心區段14、一第二定子核心區段16及一定子磁軛區段18。此相位單元建立一單向但脈動的扭矩。
圖2展示一三相之分相調極型電機(SPMPM)的一截面。相位1由A、定子核心區段14'及定子總成10'指示，相位2由B、定子核心區段14"及定子總成10"指示，且相位3由C、定子核心區段14'''及定子總成10'''指示。針對各相位單元而展示第一定子核心區段14、第二定子核心區段16及定子磁軛區段18。
得見轉子12，且得見轉子與定子總成10'、10"、10'''之各者之間的氣隙30。得見相位之各者的磁通量Ψ路徑，相位A的ΨA 、相位B的ΨB 、相位C的ΨC 。亦展示氣隙30處的個別通量之值(+或-)。
圖3展示分相單元的一磁通量相量圖。相位單元之位移為120°。相位1之磁通量由ΨA 指示、相位2之磁通量由ΨB 指示，且相位3之磁通量由ΨC 指示。
圖4展示相位單元-相位A、相位B及相位C相對於轉子磁極之位移的一實例。該轉子磁極參考由跨越相位A、相位B及相位C的點矩形121指示。展示有該等相位單元的齒26及線圈20。如圖1b)所見，該等齒26為定子核心區段的部分。得見該等相位單元之間有120°的位移且該等位移由數字0°、120°、240°及360°的位置指示。
如圖1b)所見，此等相位單元之各者具有兩組電樞齒26，其中第一定子核心區段14包含一組齒且第二定子核心區段16包含另一組齒。當受一特定方向之電樞電流驅動時，一組(齒)自線圈20之左側放射且具有一北磁極；當受相同方向之電流驅動時，另一組(齒)自該線圈20之右側放射且具有一南磁極。
當使用多相單元時，該等多相單元在軸向上彼此分開，且此意謂著最左單元之右側上之齒與下一相位單元之左側的齒靠近地近接，且具有面對側之單元之各者依此類推。
但是，此靠近近接對齒之角位移的最明顯選擇不利。
圖5至圖9展示具有組合相位之一三相電機的實例，此電機可稱為組合相位調極型電機(CPMPM)。
組合相位型電機包括如圖5及圖6所見的一定子總成10，以及如圖6所見的一移動裝置12，例如一轉子。在圖5、圖6及圖8中，帶'之參考數字指一第一相位的一特徵部，帶"之參考數字指一第二相位的一特徴部，且帶'''之參考數字指一第三相位的一特徵部。
圖5展示出定子總成10包括三個相位，相位1、相位2及相位3。相位1及相位3可定名為周邊相位且相位2可定名為一內部相位。各相位包括一單一線圈或核心20，該單一線圈或核心20可由不同電壓例如正弦波或方波供應以供操作。各相位進一步包括一第一定子核心區段14，以及一第二定子核心區段16。如該圖中所見，相位2之第一定子核心區段14"與相位1之第二定子核心區段16'係形成為一單一單元。類似地，相位3之第一定子核心區段14'''與相位2之第二定子核心區段16"係形成為一單一單元。此外，相位1之第一定子核心區段14'為不與任何其他相位共用的一單一單元，且同樣地相位3之第二定子核心區段16'''為一單一單元。因此，存在四個單一單元，其中該等單一單元之兩個各在兩個不同相位之間被共用。
定子總成10包括一定子磁軛區段18，此磁軛區段18對於全部相位而言是共同的且由該等相位共用。該定子磁軛區段經配置以在定子核心區段之間提供一磁通量路徑，藉此充當一通量橋。用於定子磁軛區段之材料可為軟磁粉以便利定子之組裝並在一第一定子核心區段與一第二定子核心區段之間提供一相對低的磁阻轉變。
未在圖5中展示一移動裝置，但是一移動裝置將經組態以配置在該圖的頂部，使得該移動裝置靠近線圈20。
圖6展示三相之組合相位調極型電機(CPMPM)的一截面。定子總成10包括由A指示的相位1、由B指示的相位2及由C指示的相位3。針對各相位單元而展示第一定子核心區段14及第二定子核心區段16。定子磁軛區段18由三個相位共用且對於該等相位而言是共同的。
展示有可為一轉子或移動器的一移動裝置12，且該移動裝置包括含有永磁體的區段及可由軟磁材料製成的磁極區段(未展示)。該等磁極區段係配置在永磁體之間，藉此將永磁體彼此分開。更多關於磁極區段、永磁體及通量見述於WO2007/024184。
若移動裝置12為一轉子，則可將該轉子12配置於一軸或軸件(未展示)上，並設置在定子總成10的中心中，或者若該轉子為一外部轉子類型，則繞著該定子總成。若該移動裝置12為一移動器，則該裝置可為不具如轉子一般之任何內側或外側的一扁平、線性裝置，代替地該移動器僅向上與向下或向右或向左地移動。
圖6中亦展示共同定子總成10與移動裝置12之間的一氣隙30。
該移動裝置12(例如轉子)係經配置以與全部三個相位區段相互作用，亦即，該轉子可在軸向上延伸以與全部三個相位區段相互作用。該電機可包括徑向相位區段或軸向相位區段或一組合。
如圖6所見，各定子核心區段14'、16'、14"、16"、14'''及16'''在形狀上可基本上為圓形且包含複數個徑向延伸的齒。該等齒經配置以朝向移動裝置12(例如轉子)延伸，用於搭配該轉子12而形成一閉路通量路徑。該等齒可向內朝向一內部轉子延伸，或者可將該轉子配置於定子核心區段14、16的外側，藉此應代以將該等齒配置成徑向向外延伸。
得見相位之各者的磁通量Ψ路徑，相位A的ΨA 、相位B的ΨB 、相位C的ΨC 。亦展示氣隙30處之組合通量的值。
第一定子核心區段14與第二定子核心區段16可相對於彼此作軸向位移且其等可配置在一共同軸線的周圍。各線圈20可配置在該第一定子核心區段14與該第二定子核心區段16之間。如此配置線圈20之優點在於MMF(磁動勢)之全部者得以為每個磁極所見，且因此，針對給定大小及/或成本而導致高電負載及高輸出。定子磁軛區段18可配置成與該第一定子核心區段14及該第二定子核心區段16同心。該定子磁軛區段18在軸向方向上可大體上為對應於第一定子核心區段14及第二定子核心區段16以及線圈20之總成之寬度的一寬度，以在該第一定子核心區段14與該第二定子核心區段16之間經配置為一通量橋。相較於定子磁軛區段由層壓薄片製成的一實施例，藉由用軟磁粉製成定子磁軛區段18，得以增加從第一定子核心區段14及第二定子核心區段16行進至定子磁軛區段18之三維通量路徑的效率。此外，第一定子核心區段14及第二定子核心區段16之一者可相對於該第一定子核心區段14及該第二定子核心區段16之另一者轉動地位移。此位移導致該第一定子核心區段14之齒及該第二定子核心區段16之齒(參看圖8)被設置在不同於該第一定子核心區段14或該第二定子核心區段16之另一者之齒之周向位置的一周向位置。該第一定子核心區段14或該第二定子核心區段16之一者之各齒係可在周向方向上設置於該第一定子核心區段14或該第二定子核心區段16之另一者之兩個齒之間的間隙當中。
為有效使用上述者且最有效地設計移動裝置，相對於第一定子核心區段14或第二定子核心區段16之一者之齒而位移另一定子核心區段之齒的概念是有利的。
圖8展示組合相位單元一相位A、相位B及相位C相對於移動裝置磁極(例如轉子磁極)的位移。該轉子磁極參考121係由跨越相位A、相位B及相位C的點矩形指示。展示有該等相位單元之各者的線圈20。各相位一A、B、C包括一第一定子核心區段(未展示)，以及一第二定子核心區段(未展示)，且該等定子核心區段包括齒。如圖5所見，相位2之第一定子核心區段14"(此處其對應於相位B)與相位1之第二定子核心區段16'(此處其對應於相位A)係形成為一單一單元。因此，齒27係由相位A及相位B共用。類似地，相位3之第一定子核心區段14'''(此處其對應於相位C)及相位2之第二定子核心區段16"(此處對應於相位B)係形成為一單一單元，且因此，齒28係由相位B及相位C共用。此外，相位1之第一定子核心區段14'(此處對應於相位A)為一單一單元，且齒26'不為兩個相位所共用。同樣地相位3之第二定子核心區段16'''(此處對應於相位C)為一單一單元，且齒26"'不為兩個相位共用。因此，存在四個單一單元，其中該等單一單元之兩個各由兩個不同相位共用，藉此齒27之組及齒28之組之各者係由兩個不同相位共用。
得見該等相位之間有位移且該等位移分別由數字0°、150°、270°及60°的位置指示，下文中將更詳細描述此等位移。
因此代替使用個別相位單元而可使用一單組齒來共用連續相位。各組齒之適當定向之選擇可提供一重要優點。舉例而言，參看圖8，若提供具有軸向配置之三個線圈的一三相電機，則此給定四組齒，在任一端部各有一組，且一組在相位1與相位2之間且另一組在相位2與相位3之間。角度之選擇非為直觀的，但是對於從一端部至另一端部得到的四個齒組之各者，其角度應靠近0°、150°、270°及60°。
根據一些實施例，如圖8所見，相較於端部之齒組，中間組之齒具有一不同的軸向寬度，其在軸向寬度上提供一稍微調整以在三個相位之間產生一尤為平衡的通量鏈組及扭矩。
圖9中展示具有組合相位之一三相轉動型電機之結構的一實例。
圖9展示一定子裝置10及一轉子形式之一移動裝置12。帶'之參考數字指一第一相位的一特徵部，帶"之參考數字指一第二相位的一特徴部，且帶'''之參考數字指一第三相位的一特徵部。該定子裝置10包括三個相位，其中各相位包括一線圈20、一第一定子核心區段14及一第二定子核心區段16。展示有圍封該定子裝置10的一轉子12。該轉子12包括沿整個定子裝置10延伸的永磁體22及磁極區段24。可提供於其上安裝該定子的一軸(未展示)。各定子核心區段14、16在形狀上基本上為圓形且包含一定子核心背區段29及自該定子核心背區段延伸之複數個徑向延伸的齒。該等齒經配置以向外朝向該轉子12延伸用於搭配該轉子12而形成一閉路通量路徑。該定子核心背區段29在周向方向上連接該等齒。該等定子核心區段進一步包括一磁軛區段23，該磁軛區段23自該定子核心背區段29軸向延伸朝向相鄰定子核心區段以便提供一軸向通量橋。
相位1之第二定子核心區段16'及相位2之第一定子核心區段14"係配置成一個單元-亦即一組合定子核心區段，藉此相位1與相位2共用一定子核心區段。因此，組合相位單元之齒27係配置成在相位1與相位2之間共用，藉此相位2之第一定子區段14"之齒組與相位1之第二定子核心區段16'之齒之組係形成為一個單元。
組合相位單元之齒28係配置成在相位2與相位3之間共用，藉此相位3之第一定子區段14'''之齒之組與相位2之第二定子核心區段16"之齒組係形成為一個單元。
定子裝置10之各端部處之齒26不在兩個相位之間共用，且因此，齒26'僅屬於相位1且齒26'''僅屬於相位3。此外，周邊相位1之齒26'及周邊相位3之齒26'''界定分別在該等齒26'與該等齒26'''之周邊邊緣之間軸向延伸的定子之作用氣隙區的軸向範圍。永磁體22及磁極區段24軸向延伸跨越整個作用氣隙區，亦即，在面對該轉子之齒26'及齒26'''之表面的軸向外部邊緣之間。
圖10a)中展示出具有組合相位之一三相線性移動型電機之結構的一實例。圖10b)展示一線性移動型電機。
圖10a)展示一定子裝置10及一移動器之形式的一移動裝置12，該移動裝置12經調適以沿該定子裝置線性移動或橫向移動。帶'之參考數字指一第一相位的一特徵部，帶"之參考數字指一第二相位的一特徴部，且帶'''之參考數字指一第三相位的一特徵部。該定子裝置10包括三個相位，其中各相位包括一線圈20、一第一定子核心區段14及一第二定子核心區段16。該移動器12包括沿整個定子裝置10延伸的永磁體22及磁極區段24。各定子核心區段14、16在形狀上基本上為圓形且包含複數個線性延伸的齒。該等齒經配置以朝向該移動器12延伸用於搭配該移動器12而形成一閉路通量路徑。
相位1之第二定子核心區段16'及相位2之第一定子核心區段14"係配置成一個單元-亦即一組合定子核心區段，藉此相位1與相位2共用一定子核心區段。因此，組合相位單元之齒27係配置成在相位1與相位2之間共用，藉此相位2之第一定子區段14"之齒之組與相位1之第二定子核心區段16'之齒之組係形成為一個單元。
組合相位單元之齒28係配置成在相位2與相位3之間共用，藉此相位3之第一定子區段14'''之齒之組與相位2之第二定子核心區段16"之齒之組係形成為一個單元。
定子裝置10之兩個端部之各者處之齒26之組不在兩個相位之間共用，且因此，齒26'僅屬於相位1且齒26'''僅屬於相位3。
在圖10b)中，全部三個相位係分開的，且因此不在任何相位之間共用第一定子核心區段14與第二定子核心區段16。因此在圖10b)之電機中，僅有個別齒26之組，亦即僅屬於一個相位的齒。
圖11中展示具有組合相位及半爪型磁極之三相電機之結構的實例。
圖11a)及圖11b)展示一定子裝置10及一移動裝置12。在圖11a)中，該移動裝置12係展示成圍封該定子裝置10的一轉子，且在圖11b)中，該移動裝置12為經調適沿該定子裝置線性移動或橫向移動的一移動器。帶'之參考數字指一第一相位的一特徵部，帶"之參考數字指一第二相位的一特徴部，且帶'''之參考數字指一第三相位的一特徵部。該定子裝置10包括三個相位，其中各相位包括一線圈20、一第一定子核心區段14及一第二定子核心區段16。該移動裝置12包括沿整個定子裝置10延伸的永磁體22及磁極區段24。各定子核心區段14、16包含複數個延伸齒。該等齒經配置以朝向該移動裝置12延伸用於搭配該移動裝置12而形成一閉路通量路徑。
相位1之第二定子核心區段16'及相位2之第一定子核心區段14"係配置成一個單元-亦即一組合定子核心區段，藉此相位1與相位2共用一定子核心區段。因此，組合相位單元之齒27係配置成在相位1與相位2之間共用，藉此相位2之第一定子區段14"之齒之組與相位1之第二定子核心區段16'之齒之組係形成為一個單元。
組合相位單元之齒28之組係配置成在相位2與相位3之間共用，藉此相位3之第一定子區段14'''之齒之組與相位2之第二定子核心區段16"之齒之組係形成為一個單元。
定子裝置10之各端部處之齒26之組不在兩個相位之間共用，且因此，齒26'之組僅屬於相位1且齒26'''僅屬於相位3。
此外，圖11a)及圖11b)之組合相位型電機包括半爪型磁極40，該等半爪型磁極40為重疊線圈20之齒26'、27、28及26"之組中之齒的短延伸部。該等半爪型磁極為短、小或微型的爪型磁極，亦即，不沿一相位之整個軸向寬度延伸但僅沿該軸向寬度之一小部分延伸的爪型磁極，藉此避免或減少磁洩漏。圖11a)及圖11b)展示出半爪型磁極40係與該等齒成一體地配置。各在兩個相位之間共用的齒27之組與齒28之組在該等齒之端部二者中包括該等半爪型磁極(亦即鄰接線圈20)，而不在兩個相位之間共用但僅屬於一個相位的齒26'之組與齒26"之組僅在鄰接各自線圈20'及線圈20'''之齒的端部中包括該等半爪型磁極。
相較於先前技術電機，當使用相同磁體、相同定子磁動勢、相同孔徑及相同氣隙寬度時，可在扭矩上實現30%的改良。
當代替僅採用一個相位而採用在角度位置上機械並電位移的多相位單元時，可建立一更大且更平滑的扭矩。舉例而言，一三相電機在使用延伸通過或繞著三個定子之一單一移動裝置結構(例如一轉子結構)同時，可使相位單元機械地位移一對磁極的1/3間距或120度電角度，且在時間上使相位電流分開相同角度。
使用在周向位置上全部對準但受時間上隔開120度之電流供應以與三個移動裝置區段(例如轉子區段)(各相位一個且係周向以120度位移)組合動作的三個定子單元，可得到一類似效果。
如上所述，一先前技術的分相三相調極型電機具有三個相位，其中如圖3所見各相位之間有一120°位移。各相位由位移180°的兩組齒組成，形成一組北磁極及一組南磁極。該三相電機由六組齒(呈三對)加上三個線圈組成。參看圖2，各相位與鄰接相位分開一小距離或氣隙以確保相位之間的最小磁耦合。
如圖5、圖6及圖8所見，當代替分開相位而組合相位時，鄰接齒此時具有一共用通量路徑(如圖6所見)。參看圖8，合併鄰接齒可導致一電機具有四組齒及三個線圈，且其中一共同移動裝置(例如轉子)拉伸該電機的整個軸向寬度。
參看圖7，應以一特定角度設置各組齒，且聚集一特定量的通量以確保一平衡的三相操作，其中各線圈鏈接含有一相等量值且分別在0°、120°、及240°之相位角的通量。
為計算造成一平衡三相組之線圈通量的狀況，按下列假定分析該組合相位調極型電機：
-氣隙通量密度在軸向方向上為恆定的且在周向方向上作正弦變化；
-進入一齒之通量Ψ=ba，其中b為氣隙通量密度且a為該齒之氣隙表面積；
-該齒之角位置(周向上)判定進入該齒之通量之相位角度；
-在軸向方向上往返通過核心背而直接至一線圈上之通量等於鏈接該線圈的通量。
在下文中，參考圖3及圖7中的相量圖。
一平衡三相電機具有下列線圈通量鏈：
ΨA=|Ψ|<0°
ΨB=|Ψ|<120°
ΨC=|Ψ|<240°
該等齒在軸向方向上被編號為1、2、3、4，加上進入各齒的通量：
Ψ1=ΨA
Ψ2=Ψb-ΨA
Ψ3=ΨC-ΨB
Ψ4=-ΨC
如圖7之相量圖中所展示，使齒通量相關於所需要的平衡三線圈通量，導致下列齒通量：
Ψ1=|Ψ|<0°
Ψ2=|3Ψ|<150°
Ψ3=|3Ψ|<270°
Ψ4=|Ψ|<60°
因此就一平衡三相電機而言，可將齒(1、2、3、4)設置在0°、150°、270°、60°之一相位角度，其中360°之一相位角度對應於相鄰齒之間之周向間距距離。因此，相對於該等組之齒之一者之齒的角度位移為0°/N、150°/N、270°/N、60°/N，其中N為各組齒中之齒的數量。此外，當各自組之齒中之齒之相對軸向寬度分別為1、、及1時，可確保一正確的表面積。因此相較於不在相位之間共用但僅屬於一單一相位的周邊齒，在兩個相鄰相位之間共用之內部齒更寬的一因數。
圖7展示組合相位的一磁通量相量圖，其中展示有角度，亦分別展示有1單位、單位、單位及1單位的軸向寬度。亦得見組合相位的磁通量。
圖12展示定子裝置及移動裝置中之通量路徑的一實例。調極型電機具有利用該定子及該移動裝置(例如轉子)中之「軸向」橫向方向中之磁通量路徑二者的一三維(3D)通量路徑。
在圖12中，從相對於勾勒出其三個齒26之定子裝置10的徑向向外位置處得見一移動裝置12(例如一轉子)。描繪出移動裝置/定子裝置的軸向方向304及切線方向305。移動裝置中之若干永磁體22係展示為磁極區段24介於其間的陰影區域。在草圖中，定子齒26係在恰相對一磁極區段24之處，產生由粗線展示的主磁通量路徑300。如可見，通過該等永磁體22之的通量方向主要為2維，而通過磁極區段24的通量為3維。此外，磁通量主要集中於兩相鄰磁極區段之間之各永磁體22的中心區301中。因此移動裝置12之 此設計實現來自永磁體的通量集中，使得面對一定子齒26之移動裝置12之表面可將相鄰永磁體之二者之總磁通量呈現在該齒的表面。通量濃度可視為面對各磁極區段之永磁體之面積除以面對一齒之面積的一函數。各磁極區段之此等通量集中特性使得在移動裝置中使用低成本的永磁體作為永磁體成為可能且可達成極高氣隙通量密度。由軟磁粉製成之磁極區段可便利通量集中，從而實現所繪示的有效三維通量路徑。
即使未在圖12中展示，在定子裝置中仍有一對應3維通量路徑。
如圖8所見，該3維通量路徑包括移動裝置12的軸向通量路徑或橫向通量路徑，其中通量路徑係橫向於運動方向。當利用組合相位定子時，定子裝置及移動裝置中之3維通量路徑尤為適當。
一徑向型電機或一軸向型電機或軸向與徑向之一混合型二者皆為可行的。
在軸向通量版本之情形中，面對氣隙之齒區域可形成同心列且線圈或繞線係介於此等列之間。因此可用三個個別組來設計一三相版本，其中兩同心列之齒及一線圈或繞線之各者與最接近的相位組分開一距離以避免磁耦合。因此，軸向、組合相位配置可以與徑向氣隙通量版本(參看例如圖8)相同的方式組合兩個相鄰或鄰接列的齒。
通常，本文所述之定子結構可由軟磁粉，例如具有已用一電絕緣物塗覆之不規則形狀顆粒的實質上純水霧化鐵粉或海綿鐵粉製成。本文中術語「實質上純」意謂著粉應實質上無夾雜物且雜質O、C及N之量應保持在一最小值。平均粒徑通常低於300 μm且高於10 μm。
但是，只要軟磁屬性充分且粉適於模壓製，則可使用任何軟磁金屬粉或金屬合金粉。
粉顆粒的電絕緣物可用無機材料製成。尤其適用者為揭示於US 6348265(該案以引用的方式併入本文中)中之絕緣物的類型，此案涉及含有由具有一絕緣含氧且含磷之障壁之基本上純鐵組成之一基粉的顆粒。具有絕緣顆粒之粉可以Somaloy500、550或700從瑞典Hgans AB購買。
儘管已詳細描述且展示一些實施例，但是本發明不受限於該等實施例，且亦可以下列請求項中所界定之標的之範圍內的其他方式體現本發明。特定言之，應理解在不脫離本發明之範圍下可利用其他實施例且可對結構及功能進行修改。
在列舉若干構件之裝置請求項中，此等構件之若干者可由同一項目的硬體體現。不爭的事實是在互不相同之附屬請求項中述及某些措施並不指示不能有利使用此等措施之組合。
應強調的是，採用本說明書中使用時之術語「包括(「comprises/comprising」)」以指定所聲明之特徵、整數、步驟或組件的存在，但是並不排除存在或增加有更多其他的特徵、整數、步驟、組件或其等之群組。
10、10'、10"、10'''．．．定子總成
12、12'、12"、12'''．．．移動裝置
14、14'、14"、14'''．．．第一定子核心區段
16、16'、16"、16'''．．．第二定子核心區段
18．．．定子磁軛區段
20、20'、20"、20'''．．．線圈/核心
22．．．永磁體
23．．．磁軛區段
24．．．磁極區段
26、26'、26"、26'''．．．齒
27．．．齒
28．．．齒
29．．．定子核心背區段
30．．．氣隙
40．．．半爪型磁極
50．．．軸
121．．．點矩形
300．．．主磁通量路徑
301．．．永磁體之中心區
304．．．軸向方向
305．．．切線方向
圖1展示具有分開相位之一先前技術電機及定子裝置的實例；
圖2展示具有分開相位之三相電機之一截面的一實例；
圖3展示具有分開相位之一三相電機之一磁通量相量圖的一實例；
圖4展示具有分開相位之一三相電機之一定子配置的一實例，該實例從氣隙平面之垂直方向展示一定子；
圖5展示具有磁組合相位之一定子裝置的一實例；
圖6具有磁組合相位之一三相電機之一截面的一實例；
圖7展示具有磁組合相位之一三相電機之一磁通量相量圖的一實例；
圖8展示具有磁組合相位之一三相電機之一定子配置的一實例，該實例從該氣隙平面之垂直方向展示一定子；
圖9展示具有磁組合相位之一三相電機之結構的一實例；
圖10展示一三相線性移動型電機之結構的一實例；
圖11展示具有磁組合相位及半爪型磁極之三相電機之結構的一實例；及
圖12展示定子裝置及移動裝置中之通量路徑的一實例。
10．．．定子總成
12．．．移動裝置
14'、14"、14'''．．．第一定子核心區段
16'、16"、16'''．．．第二定子核心區段
20'、20"、20'''．．．線圈/核心
22．．．永磁體
23．．．磁軛區段
24．．．磁極區段
26'、26'''．．．齒
27、28．．．齒
29．．．定子核心背區段

Claims (24)

  1. 一種電機，其包括一定子裝置(10)及一移動裝置(12)，其中該定子裝置為包括三個相位(A、B、C)的一三相定子裝置，該三個相位並排配置在垂直於該移動裝置之運動方向的一側向方向上，其中該定子裝置包括四組齒，各齒(26'、26'''、27、28)朝向該移動裝置突出且包括面對該移動裝置的一介面表面，其中各組之該等齒係沿運動之該方向分佈，其中該四組齒包括兩個周邊組(26'、26''')及在該側向方向上配置在該等周邊組之間的兩個內部組(27、28)，各個組包含N個齒，N係為一大於1之整數；其中在該側向方向上，該等內部組之該等齒比該等周邊組之該等齒更寬且提供由兩個相鄰相位共用的一共同磁通量路徑；其中該等周邊組之該等齒之該等介面表面界定該定子裝置與該移動裝置之間之一作用氣隙區的一側向範圍；其中該移動裝置包括複數個永磁體(22)，該複數個永磁體藉由經形成為在該側向方向上被拉長之直線桿的磁極區段(24)而在運動之該方向上彼此分開，該等桿提供延伸跨越該作用氣隙區之該側向範圍的一磁通量路徑；其特徵在於該等各自組之齒之該等齒係配置成相對於該等組之齒之一第一者之該等齒以角度0°/N、150°/N、270°/N、60°/N作周向位移。
  2. 如請求項1之電機，其中該定子裝置包括複數個定子核心區段(16)，各定子核心區段包括該等組之齒的一者。
  3. 如請求項2之電機，其中該等定子核心區段係由軟磁粉製成。
  4. 如請求項2至3中任一項之電機，其中該定子裝置包括配置在各自定子核心區段之間的複數個繞線(20)。
  5. 如請求項2至3中任一項之電機，其中各定子核心區段包括一定子核心背區段(29)及自該定子核心背區段延伸的一組齒，其中該定子核心背區段連接該等齒且在運動之該方向上在相鄰齒之間提供一通量路徑。
  6. 如請求項5之電機，其中各定子核心區段進一步包括一磁軛區段(23)，該磁軛區段在側向方向上朝向包括相同相位之另一組齒的另一定子核心區段提供一通量路徑。
  7. 2或3之電機，其包括三個的相位，該等三個相位包含各具有一單一相鄰相位的兩個周邊相位，以及一個內部相位；其中該內部相位包括兩組共同的齒，各共同組之齒係由該等各自周邊相位之一者磁共用，其中該等各自周邊相位之一者包括一組周邊齒及一組共同齒，該等共同齒係由該周邊相位之該各自相鄰相位磁共用，且其中該等共同齒在垂直於運動方向的一方向上具有大於該等周邊齒之對應寬度且小於該等周邊齒之對應寬度之兩倍的一寬度。
  8. 2或3之電機，其中該電機為一轉動型電機，且其中該移動裝置為一轉子。
  9. 2或3之電機，其中該四組齒之側向寬度分別為1單位、單位、單位及1單位。
  10. 2或3之電機，其中該移動裝置為配置成在該移動裝置之運動之該方向中線性移動的一移動器。
  11. 2或3之電機，其中該電機為一調極型電機。
  12. 2或3之電機，其中該定子裝置及/或該移動裝置提供一三維(3D)通量路徑，該三維通量路徑包含相對於運動之該方向之橫向方向中的一通量路徑分量。
  13. 一種經調適以配置在一電機中的定子裝置(10)，其中該電機進一步包括一移動裝置(12)，其中該定子裝置為一三相定子裝置，其中該三個相位(A、B、C)係並排配置在垂直於該移動裝置之運動方向的一方向中，且其中各相位包括兩個定子核心區段(16)，該等定子核心區段各具有一各自組之齒(26、27、28)、連接該等定子核心區段之一通量橋(29)，以及一線圈(20)，且其中該等齒係配置成朝向該移動裝置突出；其中該定子裝置包括四組齒(26'、27、28、26''')，各組包括N個齒，N為大於1的一整數，且其中兩個相鄰相位之一第一者之一第一定子核心區段之該等齒與該兩個相鄰相位之一第二者之一第二定子核心區段之該等對應齒提供由相鄰相位二者共用的一共同磁通量路徑，且其中在垂直於該移動裝置之運動之該方向的方向中，該兩個相鄰相位之該第一者之該第一定子核心區段之該等齒係定位於與該兩個相鄰相位之該第二者之該第二定子核心區段之該等對應齒相同的位置； 其特徵在於，該等各自組之齒之該等齒係配置成相對於該等組之齒之一第一者之該等齒以角度0°/N、150°/N、270°/N、60°/N作周向位移。
  14. 如請求項13之定子裝置，其中各定子核心區段為一軟磁結構。
  15. 如請求項13或14之定子裝置，其中各相位之該等各自定子核心區段之該等組之齒係配置成在垂直於該移動裝置之運動之該方向的方向中相對於彼此而位移一各自位移，且其中該等相位之至少兩者具有不同的位移。
  16. 如請求項13或14之定子裝置，其中各自定子核心區段之該等齒在垂直於該移動裝置之運動之該方向的方向中具有一各自寬度，且其中一第一定子核心區段之該等齒具有不同於一第二定子核心區段之該等齒之一寬度的一寬度。
  17. 如請求項13或14之定子裝置，其中該第一定子核心區段及該第二定子核心區段係形成為包括一組共同齒的一單一單元，該組共同齒對於該第一定子核心區段及該第二定子核心區段而言是共同的。
  18. 如請求項13或14之定子裝置，其包括數量n個的相位，該等相位包含各具有一單一相鄰相位的兩個周邊相位，以及各具有兩個相鄰相位的n-2個中心相位；其中各中心相位包括兩個共同組的齒，各共同組之齒係由該中心相位之該等各自相鄰相位之一者磁共用，其中各周邊相位包括一組周邊齒及一組共同齒，該等共同齒係由該周邊 相位之該各自相鄰相位磁共用，且其中該等共同齒在垂直於運動方向的一方向上具有大於該等周邊齒之對應寬度且小於該等周邊齒之該對應寬度之兩倍的一寬度。
  19. 如請求項13或14之定子裝置，其中該四組齒之軸向寬度分別為1單位、單位、單位及1單位。
  20. 如請求項13或14之定子裝置，其中該電機為一轉動型電機，且其中該移動裝置為一轉子。
  21. 如請求項13或14之定子裝置，其中該移動裝置為配置成在該移動裝置之運動之該方向中線性移動的一移動器。
  22. 如請求項13或14之定子裝置，其中該線圈係配置在該第一定子核心區段與該第二定子核心區段之間。
  23. 如請求項13或14之定子裝置，其中該定子裝置及該移動裝置構成一調極型電機。
  24. 如請求項13或14之定子裝置，其中該定子裝置及/或該移動裝置包含一三維(3D)通量路徑，該三維通量路徑包含相對於運動之該方向之橫向方向中的一通量路徑分量。
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