TWI475782B - 旋轉電機 - Google Patents

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Tsukasa Shimizu
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Yamaha Motor Co Ltd
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Description

旋轉電機
本發明係關於一種旋轉電機，其較佳用作電動馬達而作為(例如)各種電動載具(包括電動機車)及各種電機之驅動力。
習知地，作為用作(例如)各種電動載具(包括電動機車)及各種電氣產品之驅動力之電動馬達，徑向間隙型旋轉電機及軸向間隙型旋轉電機係廣泛已知的。徑向間隙型旋轉電機包括具有永久磁體且經組態以圍繞一旋轉軸旋轉之轉子，及具有定子繞組且經由一間隙配置於該轉子之徑向方向上之圓筒形定子。另一方面，軸向間隙型旋轉電機包括具有定子繞組之定子，及具有永久磁體且經由一間隙在該定子之軸向方向上配置於該定子之一個末端側上之圓盤形狀之轉子。
近年來，亟需作為包括電動機車之各種電動載具之驅動力的小且高效能之電動馬達。在此類型之電動馬達中，若自高扭矩低轉速範圍至低扭矩高轉速範圍之操作範圍寬廣，則可不使用具有內燃機之載具通常所需之變速器而獲得載具操作所需之驅動力。當考慮將此馬達安裝於載具上時，較佳地，電動馬達之大小要儘可能小。因此，為了獲得小且高效能之電動馬達，較佳將儘可能多的繞組配置於定子之有限繞組可配置區域中，且已提出各種建議。根據某些建議，據稱，繞組之空間因數已被改良，且因此可提 供能夠產生高扭矩之緊湊電動馬達。
然而，歸因於電動馬達之特性，電動馬達具有如下問題：雖然可在低轉速範圍中產生高扭矩，但在高轉速範圍中轉速之上限將受限。亦即，在電動馬達中，雖然可在低轉速範圍中產生高扭矩，但隨著轉數增加，將由設置於轉子處之永久磁體之磁通量在配置於定子上之定子繞組處產生之感應電壓(亦即，反電動勢)增加。當轉速增加且達到特定速度時，定子繞組處所誘發之感應電壓變得等於電動馬達之所施加電壓，從而防止定子繞組中之電流流動。此又防止轉速之進一步增加。為了解決此問題，(例如)藉由執行磁場削弱控制來減小感應電壓(亦即，反電動勢)。
然而，磁場削弱控制需要額外電功率來抵消感應電壓。因此，在以自外部供應電功率之狀態使用電動馬達之產品的情況下，增加之功率消耗不導致縮短之可驅動時間。然而，在諸如藉由車上安裝之電池驅動之電動機車之產品的情況下，由於電池容量有限，故經供應以抵消在定子繞組中所誘發之感應電壓之電流導致增加之電功率消耗，從而導致縮短之可驅動時間。由於此原因，要求儘可能多地減少功率消耗。
發明者建議能夠消除對誘發額外功率消耗之磁場削弱控制之需要的新定子結構。在此建議中，上面配置有繞組的定子之齒狀物部分被以相對可移動方式劃分成至少兩個經劃分齒狀物部分，使得該等部分之相對移動改變磁通量之流動以在高轉速時減少定子繞組之磁通鏈。根據此建議， 由於高轉速時的定子繞組之磁通鏈可藉由實體手段來調整，故磁場削弱控制習知所需之電功率可減少或消除，此使得能夠提供能夠減少功率消耗之旋轉電機。
在具有前述結構之此旋轉電機中，亟需進一步擴大自高扭矩低轉速範圍至低扭矩高轉速範圍之操作範圍。
專利文件
專利文件1：日本未審查特許公開專利申請公開案第2006-191782號
本發明係考慮到前述習知問題而產生，且目的在於提供一種能夠進一步擴大自一高扭矩低轉速範圍至一低扭矩高轉速範圍之操作範圍之旋轉電機。
本發明之另一態樣為提供一種徑向間隙型旋轉電機，即使使用強永久磁體作為轉子之永久磁體，其亦能夠擴大自一高扭矩低轉速範圍至一低扭矩高轉速範圍之操作範圍，該操作範圍可得到有效控制。
本發明之其他目標及優點將自以下較佳實施例顯而易見。
將在下文解釋根據本發明之旋轉電機之結構。根據本發明之旋轉電機包括具有一永久磁體且經組態以圍繞一旋轉軸旋轉之一轉子及經配置為經由一間隙面對該轉子之一定子。
該定子包括：一齒狀物部分，其經配置為經由該間隙面對該轉子；一定子磁軛部分，其與該齒狀物部分一起形成一定子磁路徑；及一或複數個繞組，該一或複數個繞組經配置因而佔用由該定子磁軛部分及該齒狀物部分包圍之一繞組可配置區域之至少一部分；以及一磁阻改變機構，其經組態而藉由以機械方式改變由該定子磁軛部分及該齒狀物部分形成之該定子磁路徑來改變該定子磁路徑之一磁阻。
前述磁阻改變機構經組態而以機械方式使該定子磁路徑在該定子磁路徑之磁阻為小之一第一狀態與該定子磁路徑之磁阻相對大於該定子磁路徑在該第一狀態下之磁阻之一第二狀態之間改變。
該一或複數個繞組包括一載流繞組，一電流在該定子磁路徑藉由該磁阻改變機構變為該第二狀態之一狀態下通過該載流繞組。
該繞組可配置區域之範圍為自該載流繞組之一定子磁軛部分側末端至該繞組可配置區域之一轉子側末端之一區域在該齒狀物部分之一中間位置處在該轉子之一徑向方向上被劃分成配置於一轉子側上之一第一區域及配置於一定子磁軛部分側上之一第二區域。由存在於該第一區域中之該載流繞組之一實際總繞組橫截面面積與該第一區域之一橫截面面積之比所定義的一載流繞組空間因數經設定為相對小於由存在於該第二區域中之該載流繞組之一實際總繞組橫截面面積與該第二區域之一橫截面面積之比所定義的一 載流繞組空間因數(載流繞組佔用比)。
較佳地，前述磁阻改變機構包括藉由在該旋轉軸之一徑向方向上劃分該齒狀物部分而形成的複數個經劃分齒狀物部分。該複數個經劃分齒狀物部分中的該等經劃分齒狀物部分中之至少一者構成可相對於另一經劃分齒狀物部分在該旋轉軸之一圓周方向上相對移動之一可移動經劃分齒狀物部分。該可移動經劃分齒狀物部分經構成以使得該可移動經劃分齒狀物部分可在該圓周方向上移動以使該定子磁路徑之磁阻在該第一狀態與該第二狀態之間改變。
該旋轉電機可經組態以使得，該載流繞組之該轉子側末端係配置於朝向該定子側而與該繞組可配置區域之該轉子側末端相隔一預定距離之一位置處，使得於該繞組可配置區域中之一轉子側區域中未形成繞組。在此情況下，在該第二狀態下，與繞組鏈接之磁通鏈較少，此顯著地控制在繞組中誘發之感應電壓(反電動勢)。此又可增加轉子之轉速之上限。
在前述旋轉電機中，用於固定該繞組之一繞組固定部件可配置於該載流繞組之該轉子側末端與該繞組可配置區域之該轉子側末端之間。
在前述旋轉電機中，其可經組態以使得前述一或複數個繞組係以整個繞組朝向該定子磁軛部分側偏心地定位之一方式配置。
或者，可形成該一或複數個繞組，使得匝數在該繞組可配置區域中自該轉子側末端朝向該定子磁軛部分側末端增 加。
根據本發明之另一態樣，旋轉電機包括具有一永久磁體且經組態以圍繞一旋轉軸旋轉之一轉子，及經配置為經由一間隙面對該轉子之一定子。該定子包括經配置為經由該間隙面對該轉子之一齒狀物部分。前述齒狀物部分在自一轉子側末端部分朝向該齒狀物部分之一相反側末端部分之一方向上被劃分成複數個經劃分齒狀物部分。該複數個經劃分齒狀物部分包括經配置為經由該間隙面對該轉子之一第一齒狀物部分，及配置於該第一齒狀物部分之相反側末端部分上之一第二齒狀物部分。該定子進一步包括該第二齒狀物部分所固定至之一定子磁軛部分，及配置於由該齒狀物部分及該定子磁軛部分包圍之一繞組可配置區域中因而佔用該繞組可配置區域之至少一部分的一或複數個繞組。該齒狀物部分之該複數個經劃分齒狀物部分中的該等經劃分齒狀物部分中之至少一者構成可相對於另一經劃分齒狀物部分相對移動之一可移動經劃分齒狀物部分。前述可移動經劃分齒狀物部分可在由該齒狀物部分之該等經劃分齒狀物部分形成之一磁路徑之一磁阻為小之一第一位置與由該齒狀物部分之該等經劃分齒狀物部分形成之一磁路徑之一磁阻相對大於該第一位置中之該磁阻之一第二位置之間移動。前述一或複數個繞組包括一載流繞組，一電流在該可移動經劃分齒狀物部分配置於該第二位置中之一狀態下通過該載流繞組。該繞組可配置區域之範圍為自該載流繞組之一定子磁軛部分側末端至該繞組可配置區域之一 轉子側末端之區域在該齒狀物部分之一中間位置處在該轉子之一徑向方向上被劃分成配置於一轉子側上之一第一區域及配置於一定子磁軛部分側上之一第二區域。由存在於該第一區域中之該載流繞組之一實際總繞組橫截面面積與該第一區域之一橫截面面積之比所定義的一載流繞組空間因數經設定為相對小於由存在於該第二區域中之該載流繞組之一實際總繞組橫截面面積與該第二區域之一橫截面面積之比所定義的一載流繞組空間因數。
在此旋轉電機中，例如，該載流繞組之該轉子側末端可配置於朝向該定子側而與該繞組可配置區域之該轉子側末端相隔一預定距離之一位置處，且於該繞組可配置區域中之一轉子側區域中未形成繞組。
此外，用於固定該繞組之一繞組固定部件可配置於該載流繞組之該轉子側末端與該繞組可配置區域之該轉子側末端之間。此外，前述一或複數個繞組可經配置以使得該一或複數個繞組係朝向該定子磁軛部分側偏心地定位。或者，可形成前述一或複數個繞組，使得匝數在該繞組可配置區域中自該轉子側末端朝向該定子磁軛部分側末端增加。
前述旋轉電機中之任一者可被形成為一徑向間隙型機器，其中轉子包括一柱狀轉子主體及配置於該轉子主體之一外部周邊邊緣部分處之一永久磁體，且定子包括具有一第一齒狀物部分之一圓筒形第一定子部分、配置於該第一定子部分外、具有一第二齒狀物部分及一定子磁軛部分之 一圓筒形第二定子部分，以及配置於形成於該齒狀物部分周圍之該繞組可配置區域中因而佔用該繞組可配置區域之至少一部分的一或複數個繞組，且該第二定子部分可相對於該第一定子部分在兩個定子部分之一圓周方向上相對移動。
或者，旋轉電機可被形成為一軸向間隙型機器，其中轉子包括可圍繞一旋轉軸旋轉之一圓盤形狀之轉子主體及配置於該轉子主體之一個表面上之一永久磁體，且定子經配置為在該旋轉軸之一軸向方向上面對該轉子主體。
在前述徑向間隙型旋轉電機中，可使用包括以一嵌式方式沿著一圓周方向以特定間隔配置於轉子主體之一個表面上之複數個永久磁體之轉子。
在前述軸向間隙型旋轉電機中，可使用包括以向外暴露方式沿著一圓周方向以特定間隔配置於轉子主體之一個表面上之複數個永久磁體之轉子。
在徑向間隙型或軸向間隙型之旋轉電機中，釹磁體可用作永久磁體。
在徑向間隙型或軸向間隙型之旋轉電機中，前述第一齒狀物部分包括一本體部分及在一圓周方向上自該本體部分之一轉子側末端部分之兩個圓周側延伸的一對側面突出部分。
在前述旋轉電機中，若旋轉電機經組態以使得，在可移動經劃分齒狀物部分配置於第一位置處之一狀態下，自齒狀物部分之鄰近對中之一者之轉子側末端部分經由該定子 磁軛部分延伸至齒狀物部分之鄰近對中之另一者之轉子側末端部分之一路徑之一磁阻經設定為小於該對鄰近齒狀物部分之一對鄰近側面突出部分之間的一磁阻，且在可移動經劃分齒狀物部分配置於第二位置處之一狀態下，自齒狀物部分之鄰近對中之一者之轉子側末端部分經由該定子磁軛部分延伸至齒狀物部分之鄰近對中之另一者之轉子側末端部分之路徑之磁阻經設定為大於該對鄰近齒狀物部分之該對鄰近側面突出部分之間的磁阻，則可藉由相對地移動可移動經劃分齒狀物部分來改變轉子之永久磁體之磁通鏈之流動。
根據本發明之其他目標，可提供一種配備有前述旋轉電機之載具。
根據本發明之另外其他目標，可提供一種配備有前述旋轉電機之電氣裝置。
根據本發明，可提供一種能夠在一高轉速範圍中擴展轉速之上限且進一步擴大操作範圍之旋轉電機。亦可提供一種能夠減少或消除用於習知磁場削弱控制之電功率之旋轉電機。此外，即使在使用強永久磁體之情況下，亦可在低轉速範圍中獲得高扭矩，且高轉速範圍中之轉速之上限及操作範圍亦可被擴大。另外，有可能提供一種旋轉電機，其可藉由減少永久磁體中所產生之焦耳損失之出現而控制效率之減少，控制由焦耳損失引起之熱產生所導致的永久磁體之磁矯頑力之減少，及控制電動馬達之效率之減少。
將參看附加圖式解釋本發明之較佳實施例。如根據本發明之實施例之旋轉電機R的電動馬達適合用於包括(例如)需要低轉速下之高扭矩及高轉速下之低扭矩之電動機車及其他載具的多種載具V中之主要驅動源或輔助驅動源(參見圖10)。根據本發明之旋轉電機不限於供此等載具使用，而可用於(例如)作為電氣產品E中之驅動力的電動馬達，該等電氣產品包括諸如(例如)洗衣機之家用電子設備或諸如(例如)DVD播放器之辦公室自動化裝置(參見圖11)。
[第一實施例]
圖1及圖5概視顯示根據本發明之第一實施例之適合用作電動機車之電動馬達的徑向間隙型馬達。如該等圖式中所示，徑向間隙型馬達包括：柱狀轉子2，其具有以一嵌式方式在一圓周方向上以特定間隔配置於一外部周邊邊緣部分上且經組態以圍繞一旋轉軸旋轉的複數個永久磁體M；圓筒形定子3，其經配置為經由一間隙在徑向方向上面對轉子2之一外部周邊邊緣部分；及旋轉機構4，其經組態以使構成定子3之一可移動經劃分齒狀物部分(其將稍後加以解釋)相對地移動。
如圖2中所示，轉子2包括具有位於軸向中心處之旋轉軸1之圓筒形轉子主體10。各具有矩形橫截面之複數個(在此實施例中，六個)板狀永久磁體塊M以恆定間隔以一嵌式方式在轉子2之圓周方向上配置於轉子主體10之外部周邊邊緣部分中。
在永久磁體塊M中，例如，可使用釹磁體。在使用強永久磁體之情況下，在習知電動馬達中，可產生高扭矩，但將在高轉速範圍時在定子繞組中誘發大的感應電壓(反電動勢)，此使最大轉速降低。然而，在根據本發明之旋轉電機中，可藉由將於下文解釋之繞組配置結構而解決此問題。
本發明不限於使用此等強永久磁體之情況，且允許使用具有普通磁力之習知可用永久磁體。此外，在本發明中不特定限制永久磁體之材料、特性、尺寸及數目。
永久磁體塊M經形成為沿著軸向方向X延伸之具有一矩形橫截面形狀之一板形狀且嵌入於狹槽S中並固定至狹槽S，狹槽S具有對應橫截面形狀且在與外部圓周表面徑向向內地相隔一預定距離之一位置處形成於轉子主體10之外部周邊邊緣部分中。因此，即使轉子主體10以高轉速圍繞旋轉軸1旋轉，因為永久磁體塊M以固定方式裝設於狹槽S中，所以永久磁體塊M亦不會因離心力而在徑向方向上掙脫至外部。
轉子主體10係藉由(例如)在軸向方向X上結合各自藉由衝壓製程而形成為一預定形狀之複數個薄矽鋼片形成，使得可減小歸因於轉子主體10中之磁通量變化而產生之可能渦電流損失。
在該實施例中，如上所述，前述永久磁體塊M係以一嵌式方式配置於轉子主體10之外部周邊邊緣部分中，且該複數個永久磁體塊M係配置於圓周方向上，但本發明不限於 以上情況。舉例而言，複數個永久磁體塊M可配置於轉子主體10之外部圓周表面上，且用(例如)圓筒形支撐部件固定，使得該等永久磁體塊不會由於轉子主體10之旋轉所產生之離心力而在徑向方向上掙脫至外部。此外，替代該複數個分離且獨立之永久磁體塊，可使用整體形成為圓筒形形狀並加以磁化之一體式永久磁體。
定子3係經由一預定間隙與轉子2以同軸方式配置且配置於轉子2的徑向外部以面對前述轉子2。如圖2及圖3中所示，定子3包括經由一預定間隙而與轉子主體2以同軸方式配置且配置於轉子主體2之外部周邊表面外之圓筒形第一定子部分3A，及經由一預定間隙而與轉子2以同軸方式配置且配置於第一定子部分3A的徑向外部之圓筒形第二定子部分3B，該第二定子部分3B處於可相對於第一定子部分3A在圓周方向上移動之一狀態下。
如圖4A中所示，定子3包括沿著轉子2之圓周方向(間隙形成於轉子2的徑向外部)以預定間隔配置的複數個齒狀物部分30。每一齒狀物部分30在較接近於與一轉子側末端部分相反之一末端部分之一部分處在徑向方向上被劃分成兩個經劃分齒狀物部分，亦即，經配置為較接近於該轉子側之第一齒狀物部分31及配置於第一齒狀物部分31外之第二齒狀物部分32。
第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32係經由一預定間隙配置，使得兩個齒狀物部分可相對移動。第一齒狀物部分31與第二齒狀物部分32之間的間隙經設定為小於第一齒 狀物部分31之轉子側末端邊緣與轉子2之外部周邊表面之間的間隙。亦即，在第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32係以徑向對準之方式配置之狀態下，第一齒狀物部分31與第二齒狀物部分32之間的磁阻Rk(Rk1)小於第一齒狀物部分31之轉子側末端邊緣與轉子2之外部周邊邊緣之間的磁阻Rh(參見圖5A)。
形成第一齒狀物部分31中之每一者，使得本體部分之轉子側末端部分之末端邊緣被形成為對應於轉子2之外部圓周形狀之一圓弧形狀，且整體地具備在圓周方向上在本體部分之轉子側末端部分之兩個圓周側面部分上延伸之側面突出部分31a及31a。
鄰近的第一齒狀物部分31及31之側面突出部分31a及31a之間的間隙經設定為大於第一齒狀物部分31與第二齒狀物部分32之間的間隙。具體言之，側面突出部分31a及31a之間的間隙經設定，使得鄰近的第一齒狀物部分31及31之側面突出部分31a及31a之間的磁阻Rj大於在第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32係以徑向對準之方式配置之一狀態下的第一齒狀物部分31與第二齒狀物部分32之間的磁阻之2倍2Rk(2Rk1)(參見圖5A)。
每一第一齒狀物部分31具備繞組40。如圖2中所示，用樹脂模具使具有此等繞組40之複數個第一齒狀物部分31構成圓筒形第一定子部分3A。繞組40可為單一繞組或複數個分離且獨立之繞組。在此實施例中，使用單一繞組。稍後將解釋繞組40之配置結構。
如圖4A中所示，第二齒狀物部分32係以第二齒狀物部分32自圓筒形定子磁軛部分50之內部圓周表面向內突出之方式與定子磁軛部分50整體地形成，且對應於第一齒狀物部分31而配置。在此實施例中，第二齒狀物部分32為具有定子磁軛部分50之整體結構，但其可經組態以使得，第二齒狀物部分32係與定子磁軛部分50分開地形成且被連接並固定至定子磁軛部分50。如圖2中所示，第二齒狀物部分32與定子磁軛部分50構成圓筒形第二定子部分3B。
在構成第二定子部分3B之定子磁軛部分50之外部周邊表面上，如圖2中所示，在圓周區域之一部分上，在定子磁軛部分50之縱向方向上沿著整個長度形成具有複數個齒狀物之齒輪部分51。如圖1中所示，齒輪部分51與盤齒輪4c嚙合，該盤齒輪4c由旋轉機構4之驅動馬達4a經由減速機構4b以旋轉方式驅動。
驅動馬達4a經結構化以藉由圖中未示之一控制器在兩個相反方向上旋轉，且驅動馬達4a之旋轉力係經由減速機構4b傳遞至盤齒輪4c。盤齒輪4c之旋轉被傳遞至定子磁軛部分50(第二定子部分3B)之齒輪部分51，且第二定子部分3B相對於第一定子部分3A在圓周方向上相對地移動，且第二齒狀物部分32可在第一齒狀物部分31之圓周方向上在一特定範圍中自由地且相對地移動。以此方式，藉由控制驅動馬達4a，第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32之相對位置可被任意地且連續或不連續地改變。
藉由控制驅動馬達4a，作為可移動經劃分齒狀物部分之 第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31之相對位置可在磁阻最小位置(在該位置中，如圖4A中所示，由以徑向對準之方式配置之第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32形成之磁路徑之磁阻Rk1最小)與磁阻最大位置(在該位置中，如圖4B中所示，第二齒狀物部分32定位於一對鄰近的第一齒狀物部分31及31之間且由第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32形成之磁路徑之磁阻Rk2最大)之間連續或不連續地自由改變。
當將如圖4A中所示之磁阻最小位置定義為一第一位置且將如圖4B中所示之磁阻最大位置定義為一第二位置時，控制可移動經劃分齒狀物部分(第二齒狀物部分32)以使得該等可移動經劃分齒狀物部分在該第一位置與該第二位置之間移動。
在本發明中，不要求該第一位置及該第二位置分別準確地對應於磁阻最小位置及磁阻最大位置。舉例而言，在本發明中，旋轉電機可經組態以使得，磁阻最小位置與磁阻最大位置之間的兩個任意位置分別經定義為第一位置及第二位置，且可移動經劃分齒狀物部分(第二齒狀物部分)32在該第一位置與該第二位置之間移動。此外，在本發明中，當將由定子磁軛部分50及齒狀物部分30形成之定子磁路徑之磁阻為小之狀態定義為一第一狀態，且將該定子磁路徑之磁阻相對大於第一狀態之狀態定義為一第二狀態時，本發明包括以機械方式改變該定子磁路徑使得該定子磁路徑之磁阻在該第一狀態與該第二狀態之間改變之情 況。以下解釋係使用前述語言(亦即，該第一位置及該第二位置)進行，但應理解，當此等語言為第一狀態及第二狀態所替換時，可達到相同效果。
在此實施例中，例示了在半徑方向上被劃分成兩個部分之齒狀物部分30，但齒狀物部分不限於此。在本發明中，齒狀物部分30可在半徑方向上被劃分成(例如)三個或三個以上部分。當齒狀物部分30被劃分成三個或三個以上部分時，將最接近於轉子2配置之經劃分齒狀物部分定義為第一齒狀物部分31，且將配置於最外部相反側處之經劃分齒狀物部分定義為第二齒狀物部分32。在齒狀物部分被劃分成三個或三個以上經劃分齒狀物部分之情況下，齒狀物部分可經組態以使得，該複數個經劃分齒狀物部分中之至少一者構成可相對於其他經劃分齒狀物部分相對移動之一可移動經劃分齒狀物部分，且由該等經劃分齒狀物部分形成之磁路徑之磁阻可藉由該可移動經劃分齒狀物部分之相對移動來調整。
在此實施例中，進行以下解釋以使得每一齒狀物部分被劃分成第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32，但該結構可被理解如下。亦即，可理解為，第一齒狀物部分31構成一齒狀物部分；第二齒狀物部分32及定子磁軛部分50構成一定子磁軛部分；凹面部分50a(參見圖5A)形成於定子磁軛部分50之內部圓周表面上；且該定子磁軛部分可相對於該齒狀物部分(第一齒狀物部分31)在圓周方向上相對移動。當理解了齒狀物部分30具有在徑向方向上未被劃分之 一結構時，可理解定子3具備一磁阻改變機構，其中定子磁路徑之磁阻值在以機械方式改變由定子磁軛部分50及齒狀物部分30形成之定子磁路徑時改變。前述磁阻改變機構不限於如實施例中所示的齒狀物部分被劃分之類型，而是可具有任何其他結構，只要以機械方式改變由定子磁軛部分50及齒狀物部分30形成之定子磁路徑使得該定子磁路徑之磁阻值可改變便可。舉例而言，經修改磁阻改變機構之一個實例包括一機構，其中在不劃分每一齒狀物部分之情況下，定子磁軛部分50在圓周方向上被劃分以在定子磁軛部分50之一部分處形成一磁間隙，使得該磁間隙可為可調整的。
與此同時，在此類型之旋轉電機之領域中，在電動馬達中，為了在減小大小之同時改良效能，已習知地提出用於將儘可能多的繞組配置於定子上之各種建議。舉例而言，已建議藉由改變繞組配置在定子上之方式或繞組本身之形狀來改良繞組之每單位面積之空間因數。換言之，習知建議僅針對將儘可能多的繞組配置於有限的繞組可配置區域中之方式。
總之，在習知建議中，已嘗試藉由將儘可能多的繞組配置於有限的繞組可配置區域中而在防止馬達本身之增大之同時增加扭矩。
然而，作為積極的實驗及研究之結果，本發明者發現如下事實：用以在防止馬達本身之增大之同時改良扭矩之前述目標可藉由前述嘗試來達成，但難以達成自高扭矩低轉 速範圍至低扭矩高轉速範圍之操作範圍之進一步增加。基於前述發現及關於需要另外的嘗試之體認，發明者完成本發明。換言之，發明者自習知觀點改變其觀點，且建議與增加繞組之空間因數之習知理念完全相反之一新理念。亦即，發明者敢於使用「減少繞組之空間因數」之方法，該方法從未被習知馬達開發工程師考慮，因為該方法導致扭矩之減小及馬達大小之增加。
此外，如根據實施例之旋轉電機中所示，在齒狀物部分被劃分成複數個齒狀物部分且該等經劃分齒狀物部分中之任一者可相對於另一經劃分齒狀物部分相對移動之結構中，發明者使用改變「繞組之空間因數(繞組之佔用比)」之平衡之方法。此外，該旋轉電機經組態以使當由複數個齒狀物部分形成之磁路徑之磁阻為大時鏈接定子繞組之馬達之永久磁體之磁通量與當該磁路徑之磁阻為小時鏈接定子繞組之馬達之永久磁體之磁通量之間的差增加。以此方式，可增加自高扭矩低轉速範圍至低扭矩高轉速範圍之操作範圍。將在下文進行具體解釋。
在此實施例中，如上所述，齒狀物部分30具備配置於齒狀物部分30之周邊上之繞組40。將由圖5A中之虛線表示之區域定義為繞組可實際配置於當中之繞組可配置區域A，其中繞組可配置區域A為藉由相等地劃分由鄰近齒狀物部分30及30之對及位於鄰近齒狀物部分30及30之對之圓周中間位置處之定子磁軛部分50包圍之一區域所獲得之多個區域中之一者。
在根據此實施例之馬達中，如圖5A及圖5B中所示，繞組40僅配置於繞組可配置區域A之一部分中。詳言之，繞組40配置於繞組可配置區域A中之一區域中，繞組可配置區域A由自繞組可配置區域A之轉子側末端部分Ain朝向轉子側移位一特定距離L之一位置及第一齒狀物部分31之徑向最外部末端部分界定且在該兩者之間。
如圖5A中所示，繞組40構成載流繞組40E，在第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32以徑向對準之方式配置之第一位置處，電流通過繞組40之整個部分以產生一磁場。另一方面，如圖5B中所示，繞組40亦構成載流繞組40E，甚至在作為可移動經劃分齒狀物部分之第二齒狀物部分32在圓周方向上移動且配置於鄰近第一齒狀物部分31及31之對之間的第二位置處，電流亦通過繞組40之整個部分以產生一磁場。因此，在此實施例中，該第一位置處之載流繞組40E及該第二位置處之載流繞組40E係相同的。
圖5B顯示可移動經劃分齒狀物部分32處於第二位置中之狀態，在該第二位置中，可移動經劃分齒狀物部分32相對於另一經劃分齒狀物部分31相對地移動使得由經劃分齒狀物部分31及32形成之磁路徑之磁阻Rk(Rk2)為大的。在此第二位置狀態下，在齒狀物部分30之經劃分齒狀物部分31及32經配置於之方向上之中間位置處，將自繞組可配置區域A中的載流繞組40E(在此實施例中，所有繞組)之定子磁軛部分側末端(亦即，外部末端)Aout至繞組可配置區域A之轉子側末端Ain(亦即，內部末端)之區域劃分成配置於轉 子側上之第一區域A1及配置於定子磁軛部分側上之第二區域A2，如雙虛線所示。
本發明中之「中間位置」不僅僅意味幾何上及嚴格等分之位置，而且意味在徑向中間區域中具有特定範圍之任意中間位置。舉例而言，使用此實施例作為一實例，在此實施例中，將中間位置定義為第一經劃分齒狀物部分31之徑向最外部末端側Aout(亦即，第一經劃分齒狀物部分31之定子磁軛部分側末端)與繞組可配置區域A之最內部轉子側末端Ain之間的距離被等分之位置。然而，在本發明中，除了如上所述之嚴格且等分之位置之外，亦可將「中間位置」定義為中間區域之徑向方向上的在定子磁軛部分側末端Aout與最內部轉子側末端Ain之間具有特定寬度之任意位置。換言之，本發明中之「中間位置」不僅是幾何上嚴格之中間位置，而且應被理解為包括具有一般意義之近似中間位置，包括具有在幾何上嚴格之中間位置周圍之特定寬度之位置。此解釋亦應適用於以下其他實施例。
經定義為配置於第一區域A1中之載流繞組40E之實際總繞組橫截面面積S40E 與第一區域A1之橫截面面積SA1 之比的載流繞組空間因數(S40E /SA1 )經設定為相對小於經定義為配置於第二區域A2中之載流繞組40E之實際總繞組橫截面面積S40E與第二區域A2之橫截面面積SA2 之比的載流繞組空間因數(S40E /SA2 )。
在本發明中，如上所述地設定載流繞組空間因數之原因為如下。如圖4A及圖5A中所示，在作為可移動經劃分齒 狀物部分之第二齒狀物部分32處於第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32以徑向對準之方式配置之第一位置中之狀態下，當轉子2以低轉速旋轉時，由於旋轉時的永久磁體塊M之磁通量而在繞組40中產生感應電壓(反電動勢)。當轉速慢時，感應電壓與繞組40之施加電壓相比相對較小，且因此轉速可進一步增加。
然而，隨著轉子2之轉速增加，繞組40中所產生之感應電壓由於永久磁體塊M之旋轉磁通量而逐漸增加。當轉速達到一特定轉速時，施加至繞組40之電壓及繞組40中所產生之感應電壓變得相等，且因此轉速達到上限。當然，在此情況下，可藉由增加施加至繞組40之電壓來增加轉速之上限。然而，由於功率消耗顯著增加，故此方法不可取。
作為用於藉由解決馬達之旋轉特性之弱點來增加轉速之方法(亦即，自高扭矩低轉速變至低扭矩高轉速之方法)，磁場削弱控制方法係已知的。作為能夠替換或支援習知磁場削弱控制方法之方法，如上文所解釋，發明者建議藉由用一機械結構改變磁通量之流動以在高轉速時減少永久磁體之磁通量的定子繞組之磁通鏈來控制感應電壓之一方法。
亦即，發明者建議將定子之齒狀物部分劃分成至少兩個經劃分部分，使得該等經劃分齒狀物部分可相對地移動以改變磁通量之流動，藉此在高轉速時藉由永久磁體之磁通量來減少定子繞組之磁通鏈。然而，在使用較強永久磁體之情況下，雖然可能使扭矩增加，但出現轉速之上限減小 之新問題，其阻礙操作範圍之進一步增加。
為了解決此新問題，在本發明中，如上文所解釋，設計繞組40之配置結構。亦即，設定經定義為每一第一區域A1及第二區域A2中之載流繞組40E之實際總繞組橫截面面積S40E 與第一區域A1及第二區域A2之橫截面面積之比的載流繞組空間因數，使得第一區域A1中之空間因數相對小於第二區域A2中之空間因數。
如圖5A中所示，在第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32以徑向對準之方式配置之第一位置狀態下，第一齒狀物部分31與第二齒狀物部分32之間的間隙之磁阻Rk(Rk1)相對顯著小於形成於鄰近第一齒狀物部分31及31之轉子側末端部分上之側面突出部分31a及31a之間的磁阻Rj(亦即，2Rk(2Rk1)<Rj)。因此，自鄰近齒狀物部分30及30之對中之一者經由定子磁軛部分50延伸至鄰近齒狀物部分30及30之對中之另一者之磁路徑之總磁阻2Rk(2Rk1)小於形成於鄰近第一齒狀物部分31及31之轉子側末端部分上之側面突出部分31a及31a之間的磁阻Rj。由於此原因，來自轉子2之永久磁體塊M之磁通量之大部分通過自一對鄰近齒狀物部分30及30中之一者經由定子磁軛部分50延伸至該對鄰近齒狀物部分30及30中之另一者之磁路徑。
另一方面，如圖5B中所示，在作為可移動經劃分齒狀物部分之第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31移動之第二位置狀態下，第一齒狀物部分31與第二齒狀物部分32之間的磁阻Rk(Rk2)變得相對大於形成於鄰近第一齒狀物 部分31及31之轉子側末端部分上之側面突出部分31a及31a之間的磁阻Rj(Rj<2 x Rk(2 x Rk2))。應注意，不要求圓周方向上之鄰近磁阻Rk(Rk2)相同。因此，自該對鄰近齒狀物部分30及30中之一者之第一齒狀物部分31經由配置於鄰近的第一齒狀物部分31及31之間的第二齒狀物部分32延伸至該對鄰近齒狀物部分30及30中之另一者之第一齒狀物部分31之磁路徑之總磁阻2Rk(2Rk2)大於鄰近的第一齒狀物部分31及31之側面突出部分31a及31a之間的磁阻Rj。因此，來自轉子2之永久磁體塊M之磁通量通過自鄰近第一齒狀物部分31及31中之一者之轉子側末端部分、鄰近第一齒狀物部分31及31中之該一者之側面突出部分31a、鄰近第一齒狀物部分31及31中之另一者之側面突出部分31a及鄰近第一齒狀物部分31及31中之另一者之轉子側末端部分延伸的磁路徑。
以此方式，藉由相對於第一齒狀物部分31移動作為可移動經劃分齒狀物部分之第二齒狀物部分32，可改變主要磁通流。
如圖5A中所示，在第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32以徑向對準之方式配置之第一位置狀態下，如上所述，來自轉子2之永久磁體塊M之磁通量之大部分通過自該成對之鄰近齒狀物部分30及30中之一者經由定子磁軛部分50延伸至該成對之鄰近齒狀物部分30及30中之另一者之磁路徑。因此，當轉子2之轉速在此第一位置狀態下增加時，由於永久磁體塊M之磁通量之大部分橫截繞組40而在繞組 40上產生一大感應電壓。因此，在此第一位置狀態下，轉子2無法以超過一特定轉速之高轉速旋轉。
與此相反，如圖5B中所示，在第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31相對移動之第二位置狀態下，來自永久磁體M及M中之一者之磁極中之一者的磁通量通過一磁路，該磁路具有自鄰近第一齒狀物部分31及31中之一者之一轉子側末端部分經由鄰近第一齒狀物部分31及31中之一者之該轉子側末端部分之側面突出部分31a以及鄰近第一齒狀物部分31及31中之另一者之一轉子側末端部分之側面突出部分31a延伸至鄰近第一齒狀物部分31及31中之另一者之一轉子側末端部分之一主要路徑。以此方式，由於永久磁體M之磁通量之大部分通過鄰近第一齒狀物部分31及31之側面突出部分31a及31a之間的磁阻Rj，故繞組40之磁通鏈減少，此又使繞組40之感應電壓顯著減小。因此，轉子2之轉速之上限可增加。
與此同時，本發明人發現，在第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31移動之第二位置狀態下，永久磁體M之磁通量並非全部通過鄰近第一齒狀物31及31之側面突出部分31a及31a之間的磁阻Rj，而是該磁通量之一些作為磁通量洩漏通過不同於鄰近第一齒狀物部分31及31之轉子側末端部分之間的部分的一部分(亦即，鄰近齒狀物部分30及30之間的一部分)，且發現繞組40中由此磁通量洩漏產生之感應電壓防止轉子2之上限轉速之增加。習知地，如上所述，認為較好將儘可能多的繞組配置於自齒狀物部分之 一轉子側末端部分至齒狀物部分之一相反側末端部分的包圍齒狀物部分30之繞組可配置區域A中，以增加繞組空間因數。
然而，發明者發現如下事實：與繞組可配置區域A中之特別纏繞在齒狀物部分之轉子側末端部分上之繞組40鏈接之磁通量洩漏之影響不可忽略，且由此設計繞組配置。尤其在使用產生強磁力之磁體(諸如，釹磁體)之情況下，與纏繞在齒狀物部分之轉子側末端部分周圍之繞組鏈接之磁通量洩漏增加，且因此洩漏之影響變得更大。因此，尤其在此情況下，本發明可發揮顯著效應。
作為用於將如上文所定義之載流繞組空間因數設定為在第一區域A1中比在第二區域A2中相對較小(例如，如圖4及圖5中所示)之特定方法，可例示一方法，其中繞組40係在其相對於齒狀物部分30向定子磁軛部分側移位之狀態下形成，使得於轉子側末端部分之預定區域中未形成繞組。在此情況下，繞組固定部件F可配置於不形成繞組之部分上(參見圖5A)。此外，可用樹脂模具將包括繞組40之第一齒狀物部分31形成為圓筒形形狀。
如上所述，在第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31相對移動之第二位置狀態下，鄰近第一齒狀物部分31及31之間的磁通量洩漏在轉子側末端部分中大於在定子磁軛部分側末端中。因此，藉由配置繞組40使得在第一區域A1中的載流繞組空間因數相對小於在第二區域A2中的載流繞組空間因數，可控制由存在於第一區域A1中之載流繞組 40E誘發之感應電壓(反電動勢)。因此，藉由控制第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31之相對位置，在繞組40中誘發之感應電壓(反電動勢)之量可得到控制，此又可使由感應電壓(反電動勢)之量判定的轉子2之最大轉速增加。
如上文所解釋，由於可藉由控制第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31之位置而增加最大轉速來擴大操作範圍，故不需要與弱磁場控制之情況一樣供應控制反電動勢所需之電力。因此，整個馬達之功率消耗可受控制。
在本發明中，第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31之位置控制不限於如下情況：如圖5A中所示之第一位置(在該位置中，第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32以徑向對準之方式配置)及如圖5B中所示之第二位置(在該位置中，第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31相對移動)受到控制而交替地切換。換言之，本發明包括第二齒狀物部分32經控制以在第一位置與第二位置之間相對於第一齒狀物部分31連續地或不連續地移動之情況。藉由連續或不連續控制，馬達可視轉速而定提供最有效率狀態下之效能。
在此實施例中，解釋係針對僅執行第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31之位置控制之情況。然而，本發明允許組合地使用前述位置控制與習知磁場削弱控制。
[第二實施例]
圖6A及圖6B為對應於圖5A及圖5B之放大橫截面圖，該 等圖顯示根據本發明之第二實施例之電動馬達之繞組部分及其周圍區域。在第二實施例中，繞組40係形成於繞組可配置區域A中之對應於第一齒狀物部分31之一區域中，使得匝數自第一齒狀物部分31之轉子側末端部分朝向相反側末端部分增加以改變繞組空間因數。
亦在此實施例中，如圖6A中所示，在第一齒狀物部分31及第二齒狀物部分32以徑向對準之方式配置之第一位置中，電通過繞組40之整個部分，且因此繞組40構成產生一磁場之載流繞組40E。另一方面，如圖6B中所示，亦在第二位置(在該位置中，作為可移動經劃分齒狀物部分之第二齒狀物部分32移動且配置於鄰近第一齒狀物部分31及31之對之間)中，電通過繞組40之整個部分，且因此繞組40之整個部分構成產生一磁場之載流繞組40E。因此，在此實施例中，該第一位置中之載流繞組40E及該第二位置中之載流繞組40E彼此重合。
如圖6B中所示，在可移動經劃分齒狀物部分32相對於另一經劃分齒狀物部分31相對地移動且處於由兩個經劃分齒狀物部分31及32形成之磁路徑之磁阻Rk(Rk2)為大的第二位置中之情況下，在配置齒狀物部分30之經劃分齒狀物部分31及32之方向上之中間位置處，將繞組可配置區域A中的自載流繞組40E之定子側末端Aout(在第二位置中，電流通過該繞組)至繞組可配置區域A中之轉子側末端Ain之一區域劃分成配置於轉子側上之第一區域A1及配置於定子磁軛部分側上之第二區域A2，如雙虛線所示。
經定義為存在於第一區域A1中之載流繞組40E之實際總繞組橫截面面積S40E 與第一區域A1之橫截面面積SA1 之比(S40E /SA1 )的載流繞組空間因數被設定為相對小於經定義為第二區域A2之載流繞組40E之實際總繞組橫截面面積S40E 與第二區域A2之橫截面面積SA2 之比(S40E /SA2 )的載流繞組空間因數。
因此，亦在此實施例中，以與第一實施例中之方式相同之方式，可藉由第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31之位置控制來增加最大轉速，以擴大操作範圍。
其他結構、功能及作用與第一實施例中的相同，且因此將藉由將相同參考數字分配給對應部分來省略解釋。
[第三實施例]
圖7A及圖7B為對應於圖5A及圖5B之放大橫截面圖，該等圖顯示根據本發明之第三實施例之電動馬達之繞組部分及其周圍區域。在此實施例中，許多繞組40係配置於繞組可配置區域A之轉子側末端與第一齒狀物部分31之定子磁軛部分側末端之間的範圍中。
然而，此實施例不同於該等前述實施例。在此實施例中，繞組40係由兩個繞組(亦即，配置於轉子側上之第一繞組40A及配置於定子磁軛部分側上之第二繞組40B)構成。在如圖7A中所示之第一位置狀態下，電流通過第一繞組40A及第二繞組40B兩者。另一方面，在如圖7B中所示之第二位置狀態下，配置於定子磁軛部分側上之第二繞組40B構成電流所通過之載流繞組40E，但配置於轉子側上之 第一繞組40A構成無電流通過之非載流繞組。
以此方式，藉由一控制電路(未說明)以一預定時序將第一繞組40A切換至一載流狀態及一非載流狀態。如圖7B中所示，在作為可移動經劃分齒狀物部分之第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分31相對移動之第二位置狀態下，在第一區域A1中的載流繞組空間因數相對小於在第二區域A2中的載流繞組空間因數。以此方式，繞組係藉由複數個繞組構成，且藉由根據可移動經劃分齒狀物部分相對於另一經劃分齒狀物部分之相對位置選擇載流繞組，可任意地改變載流繞組空間因數。因此，可減小在馬達之高轉速下產生之反電動勢。
在該實施例中，繞組40係由兩個類型之繞組(亦即，配置於馬達末端部分側上之第一繞組40A及配置於定子磁軛部分側上之第二繞組40B)構成，但本發明不限於此。舉例而言，繞組40可由3個或3個以上繞組構成。在此情況下，可藉由適當選擇電流將通過之載流繞組來更詳細地任意設定載流繞組空間因數。
其他結構、功能及作用與第一實施例中的相同，且因此將藉由將相同參考數字分配給對應部分來省略解釋。
[第四實施例]
圖8A及圖8B顯示根據本發明之第四實施例之電動馬達，且為對應於圖4A之示意橫截面圖。在第一實施例至第三實施例中，轉子2配置於定子3內。然而，第四實施例與第一實施例至第三實施例之不同之處在於轉子2配置於定 子3外。
在圖8A及圖8B中，為了藉由與第一實施例比較來容易地理解每一部分之結構，將相同參考數字分配給具有相同功能之結構部分
如此等圖中所示，此徑向間隙型電動馬達包括經組態以圍繞一旋轉中心(圖中之100)旋轉之圓筒形轉子2，且複數個永久磁體塊M係在圓周方向上配置於圓筒形轉子2之內部圓周表面上。在轉子2之內部側上，複數個齒狀物部分30配置於圓周方向上以經由一預定間隙面對該等永久磁體塊M。以與其他實施例中之方式相同之方式，齒狀物部分30在徑向方向上被劃分成配置於轉子側上之第一齒狀物部分31及配置於相反側上之第二齒狀物部分32。第二齒狀物部分32係整體地形成於定子磁軛部分50上。
亦在此電動馬達中，第二齒狀物部分32可在圓周方向上相對於第一齒狀物部分31相對移動。又，繞組40係配置於第一齒狀物部分31之周邊上。繞組40係以接近於定子磁軛部分50側之狀態配置。亦在此實施例中，經定義為存在於第一區域A1中之載流繞組40E之實際繞組總橫截面面積S40E 與第一區域A1之橫截面面積SA1 之比的載流空間因數被設定為相對小於經定義為存在於第二區域A2中之載流繞組40E之實際總繞組橫截面面積S40E 與第二區域A2之橫截面面積SA2 之比的載流繞組空間因數。
因此，亦在此實施例中，以與其他實施例中之方式相同之方式，可藉由第二齒狀物部分32相對於第一齒狀物部分 31之位置控制來增加最大轉速，藉此擴大操作範圍。其他結構、功能及作用與第一實施例中的相同，且因此將藉由將相同參考數字分配給對應部分來省略解釋。
[第五實施例]
圖9為顯示根據本發明之第五實施例之電動馬達之示意結構的透視圖。根據此第五實施例之電動馬達為軸向間隙型電動馬達，且包括具有定子繞組140之定子103及具有永久磁體M且經由一間隙配置於定子103之軸向方向上之圓盤形狀之轉子102。
轉子102經組態以圍繞旋轉軸101旋轉。另一方面，定子103包括各自經配置為經由一間隙面對轉子102之一個表面側且以特定間隔配置於圓周方向上的複數個齒狀物部分130。每一齒狀物部分130在軸向方向上被劃分成較接近於轉子102配置之第一齒狀物部分131及配置於相反側上之第二齒狀物部分132。定子103包括圓盤狀定子磁軛部分150，其中每一第二齒狀物部分132固定至一個表面側。定子磁軛部分150可與第二齒狀物部分132一起在第一齒狀物部分131之圓周方向上相對地且自由地移動。定子磁軛部分150包括具有部分地形成於定子磁軛部分150之周邊邊緣上之複數個齒狀物的齒輪部分151。
電動馬達包括驅動馬達104a及包括包括複數個齒輪之減速機構的驅動機構104。減速機構104b之齒輪104c與齒輪部分151嚙合。藉由電源P經由控制器C可自由地在相反的方向上旋轉地驅動驅動馬達104a。當驅動馬達104a被驅動 時，旋轉力係經由減速機構104b傳遞至齒輪104c且轉移至嚙合之齒輪部分151。因此，定子磁軛部分150及第二齒狀物部分132相對於第一齒狀物部分131相對移動。
亦在此實施例中，以與其他實施例中之方式相同之方式，第二齒狀物部分132可相對於第一齒狀物部分131在第一齒狀物部分與第二齒狀物部分之間的磁阻變得最小的磁阻最小位置(第一位置)與第一齒狀物部分與第二齒狀物部分之間的磁阻變得最大的磁阻最大位置(第二位置)之間相對地且自由地移動。
繞組140係配置於處於偏心定位狀態下(在該圖中，偏心地位於底部部分處)之第一齒狀物部分131之轉子側末端部分上。因此，亦在此實施例中，如其他實施例中所解釋，經定義為存在於第一區域A1中之載流繞組40E之實際繞組總橫截面面積S40E 與第一區域A1之橫截面面積SA1 之比的載流空間因數被設定為相對小於經定義為存在於第二區域A2中之載流繞組40E之實際總繞組橫截面面積S40E 與區域A2之橫截面面積SA2 之比的載流繞組空間因數。
因此，亦在此實施例中，以與其他實施例中之方式相同之方式，可藉由第二齒狀物部分132相對於第一齒狀物部分131之位置控制來增加最大轉速，藉此擴大操作範圍。其他結構、功能及作用與第一實施例中的相同，且因此將藉由將相同參考數字分配給對應部分來省略解釋。
在前述實施例中之每一者中，藉由例示繞組40及140僅配置於第一齒狀物部分31及131周圍之情況來進行解釋， 但繞組亦可配置於第二齒狀物部分32及132上。
應理解，本文中所使用之術語及表達係用於解釋，且不欲被用以以有限方式進行解釋，不消除本文中所示及提及之特徵之任何等效物，且允許在本發明之所主張範疇內的各種修改。
雖然本發明可以許多不同形式體現，但本文中描述了許多說明性實施例，同時應理解本揭示內容將被視為提供本發明之原理之實例且此等實例不欲將本發明限於本文中所描述及/或本文中所說明之較佳實施例。
雖然本文中已描述了本發明之說明性實施例，但本發明不限於本文中所描述之各種較佳實施例，而是包括具有熟習此項技術者基於本揭示內容可瞭解之等效元件、修改、省略、組合(例如，關於跨越各種實施例之態樣)、調適及/或更改的任何及所有實施例。技術要求中之限制應基於技術要求中所使用之語言來廣義地解釋且不限於本說明書中所描述或申請案之審批期間的實例，該等實例將被解釋為非排他性的。舉例而言，在本揭示內容中，術語「較佳」係非排他性的且意味「較佳，但不限於」。
本申請案根據35 U.S.C.§119主張2011年12月22日申請之日本專利申請案第P2011-281398號及2012年10月15日申請之日本專利申請案第P2012-227651號之優先權，該等專利申請案之整個揭示內容係以全文引用方式併入本文中。
工業適用性
本發明之旋轉電機可較佳地用作電動馬達而作為(例如) 各種電動載具(包括電動機車)及各種電機之驅動力。
1‧‧‧旋轉軸
2‧‧‧轉子
3‧‧‧定子
3A‧‧‧第一定子部分
3B‧‧‧第二定子部分
4‧‧‧旋轉機構
4a‧‧‧驅動馬達
4b‧‧‧減速機構
4c‧‧‧盤齒輪
10‧‧‧轉子主體
30‧‧‧齒狀物部分
31‧‧‧第一齒狀物部分(經劃分齒狀物部分)
31a‧‧‧側面突出部分
32‧‧‧第二齒狀物部分(可移動經劃分齒狀物部分)
40‧‧‧繞組
40A‧‧‧第一繞組
40B‧‧‧第二繞組
40E‧‧‧載流繞組
50‧‧‧定子磁軛部分
50a‧‧‧凹面部分
51‧‧‧齒輪部分
100‧‧‧旋轉中心
101‧‧‧旋轉軸
102‧‧‧轉子
103‧‧‧定子
104‧‧‧旋轉機構
104a‧‧‧驅動馬達
104b‧‧‧減速機構
104c‧‧‧齒輪
130‧‧‧齒狀物部分
131‧‧‧第一齒狀物部分(經劃分齒狀物部分)
132‧‧‧第二齒狀物部分(可移動經劃分齒狀物部分)
140‧‧‧繞組
150‧‧‧定子磁軛部分
151‧‧‧齒輪部分
A‧‧‧繞組可配置區域
A1‧‧‧第一區域
A2‧‧‧第二區域
Ain‧‧‧繞組可配置區域之轉子側末端
Aout‧‧‧載流繞組之定子磁軛部分側末端
C‧‧‧控制器
E‧‧‧電氣產品
F‧‧‧繞組固定部件
M‧‧‧永久磁體/永久磁體塊
P‧‧‧電源
R‧‧‧旋轉電機(電動馬達)
Rj‧‧‧鄰近的第一齒狀物部分之側面突出部分之間的磁阻
Rk(Rk1)‧‧‧第一齒狀物部分與第二齒狀物部分之間的間 隙之磁阻
S‧‧‧狹槽
SA1 ‧‧‧第一區域之橫截面面積
SA2 ‧‧‧第二區域之橫截面面積
V‧‧‧載具(電動機車)
X‧‧‧軸向方向
圖1為概視顯示根據本發明之第一實施例之旋轉電機之結構的橫截面圖。
圖2為在軸向方向上以依序拉出方式顯示旋轉電機之主要結構部件之透視圖。
圖3為顯示旋轉電機之轉子及定子之橫截面圖。
圖4A為沿圖3中之線4-4截取且顯示第二齒狀物部分處於第一齒狀物部分及第二齒狀物部分以徑向對準之方式配置之第一位置中之狀態的橫截面圖。
圖4B為對應於圖4A之橫截面圖，其顯示第二齒狀物部分處於第二齒狀物部分相對於第一齒狀物部分相對移動之第二位置中之狀態。
圖5A為顯示處在圖4A中所示之第一狀態下的上面配置有繞組之齒狀物部分及其附近區域的部分放大橫截面圖。
圖5B為顯示處在圖4B中所示之第二狀態下的上面配置有繞組之齒狀物部分及其附近區域的部分放大橫截面圖。
圖6A為對應於圖5A之部分放大橫截面圖，其顯示根據本發明之第二實施例之旋轉電機。
圖6B為對應於圖5B之部分放大橫截面圖，其顯示根據本發明之第二實施例之旋轉電機。
圖7A為對應於圖5A之部分放大橫截面圖，其顯示根據本發明之第三實施例之旋轉電機。
圖7B為對應於圖5B之部分放大橫截面圖，其顯示根據 本發明之第三實施例之旋轉電機。
圖8A為概視顯示根據本發明之第四實施例之旋轉電機之主要結構部件的橫截面圖。
圖8B為根據第四實施例之繞組及其附近區域之部分放大橫截面圖。
圖9為根據本發明之第五實施例之軸向間隙型旋轉電機之主要結構部件的完整透視圖。
圖10為顯示配備有根據本發明之旋轉電機之載具的示意圖。
圖11為顯示配備有根據本發明之旋轉電機之電氣產品的示意圖。
1‧‧‧旋轉軸
2‧‧‧轉子
3‧‧‧定子
4‧‧‧旋轉機構
4a‧‧‧驅動馬達
4b‧‧‧減速機構
4c‧‧‧盤齒輪
31‧‧‧第一齒狀物部分
32‧‧‧第二齒狀物部分
40‧‧‧繞組
51‧‧‧齒輪部分
M‧‧‧永久磁體/永久磁體塊

Claims (21)

  1. 一種旋轉電機，其包含：一轉子，其具有一永久磁體且經組態以圍繞一旋轉軸旋轉；及一定子，其經配置為經由一間隙面對該轉子；其中該定子包括：一齒狀物部分，其經配置為經由該間隙面對該轉子；一定子磁軛部分，其與該齒狀物部分一起形成一定子磁路徑；一或複數個繞組，其經配置為佔用由該定子磁軛部分及該齒狀物部分包圍之一繞組可配置區域之至少一部分；及一磁阻改變機構，其經組態以藉由以機械方式改變由該定子磁軛部分及該齒狀物部分形成之該定子磁路徑，來改變該定子磁路徑之一磁阻；其中該磁阻改變機構經組態在該定子磁路徑之該磁阻為小之一第一狀態與該定子磁路徑之該磁阻相對大於在該第一狀態下的磁阻之一第二狀態之間，以機械方式改變該定子磁路徑；其中該一或複數個繞組包括一載流繞組，一電流在該定子磁路徑由該磁阻改變機構變為該第二狀態之一狀態下通過該載流繞組；其中該繞組可配置區域之自該載流繞組之一定子磁軛部分側末端至該繞組可配置區域之一轉子側末端之範圍 之一區域，在該齒狀物部分之在該轉子之一徑向方向或該旋轉軸之一軸向方向上之一中間位置處，被劃分成配置於一轉子側上之一第一區域及配置於一定子磁軛部分側上之一第二區域；且其中由存在於該第一區域中之該等載流繞組之一實際總繞組橫截面面積與該第一區域之一橫截面面積之比所定義的一載流繞組空間因數，經設定為相對小於由存在於該第二區域中之該載流繞組之一實際總繞組橫截面面積與該第二區域之一橫截面面積之比所定義的一載流繞組空間因數。
  2. 如請求項1之旋轉電機，其中該磁阻改變機構包括藉由在該旋轉軸之一徑向方向或軸向方向上劃分該齒狀物部分而獲得的複數個經劃分齒狀物部分；其中該複數個經劃分齒狀物部分中的該等經劃分齒狀物部分中之至少一者構成可相對於另一經劃分齒狀物部分在該旋轉軸之一圓周方向上相對移動之一可移動經劃分齒狀物部分；且其中該可移動經劃分齒狀物部分可在該圓周方向上移動，使得該定子磁路徑之該磁阻在該第一狀態與該第二狀態之間改變。
  3. 如請求項1之旋轉電機，其中該載流繞組之該轉子側末端係配置於朝向該定子側而與該繞組可配置區域之該轉子側末端相隔一預定距 離之一位置處；且其中於該繞組可配置區域中之一轉子側區域中未形成繞組。
  4. 如請求項3之旋轉電機，其中用於固定該繞組之一繞組固定部件係配置於該載流繞組之該轉子側末端與該繞組可配置區域之該轉子側末端之間。
  5. 如請求項1之旋轉電機，其中該一或複數個繞組係以該一或複數個繞組朝向該定子磁軛部分側偏心地定位之方式配置。
  6. 如請求項1之旋轉電機，其中該一或複數個繞組經形成使得匝數在該繞組可配置區域中自該轉子側末端朝向該定子磁軛部分側末端增加。
  7. 一種旋轉電機，其包含：一轉子，其具有一永久磁體且經組態以圍繞一旋轉軸旋轉；及一定子，其經配置為經由一間隙面對該轉子；其中該定子包括經配置為經由該間隙面對該轉子之一齒狀物部分；其中該齒狀物部分在自一轉子側末端部分朝向該齒狀物部分之一相反側末端部分之一方向上被劃分成複數個經劃分齒狀物部分，該複數個經劃分齒狀物部分包括經配置為經由該間隙面對該轉子之一第一齒狀物部分及配 置於該第一齒狀物部分之一相反側末端部分上之一第二齒狀物部分；其中該定子進一步包括固定該第二齒狀物部分之一定子磁軛部分，及配置於由該齒狀物部分及該定子磁軛部分包圍之一繞組可配置區域中因而佔用該繞組可配置區域之至少一部分之一或複數個繞組；其中該齒狀物部分之該複數個經劃分齒狀物部分中的該等經劃分齒狀物部分中之至少一者構成可相對於另一經劃分齒狀物部分相對移動之一可移動經劃分齒狀物部分；且其中該可移動經劃分齒狀物部分可在由該齒狀物部分之該等經劃分齒狀物部分形成之一磁路徑之一磁阻為小之一第一位置與由該齒狀物部分之該等經劃分齒狀物部分形成之一磁路徑之一磁阻相對大於該第一位置中之該磁阻之一第二位置之間移動；其中該一或複數個繞組包括一載流繞組，一電流在該可移動經劃分齒狀物部分配置於該第二位置中之一狀態下通過該載流繞組；其中該繞組可配置區域之自該載流繞組之一定子磁軛部分側末端至該繞組可配置區域之一轉子側末端範圍之一區域在該齒狀物部分之在經該第一齒狀物部分及該第二齒狀物部分之方向上之一中間位置處被劃分成配置於一轉子側上之一第一區域及配置於一定子磁軛部分側上之一第二區域；且 其中由存在於該第一區域中之該載流繞組之一實際總繞組橫截面面積與該第一區域之一橫截面面積之比所定義的一載流繞組空間因數經設定為相對小於由存在於該第二區域中之該載流繞組之一實際總繞組橫截面面積與該第二區域之一橫截面面積之比所定義的一載流繞組空間因數。
  8. 如請求項7之旋轉電機，其中該載流繞組之該轉子側末端係配置於朝向該定子側而與該繞組可配置區域之該轉子側末端相隔一預定距離之一位置處；且其中於該繞組可配置區域中之一轉子側區域中未形成繞組。
  9. 如請求項7之旋轉電機，其中用於固定該繞組之一繞組固定部件係配置於該載流繞組之該轉子側末端與該繞組可配置區域之該轉子側末端之間。
  10. 如請求項7之旋轉電機，其中該一或複數個繞組係以該一或複數個繞組朝向該定子磁軛部分側偏心地定位之方式配置。
  11. 如請求項7之旋轉電機，其中該一或複數個繞組經形成使得匝數在該繞組可配置區域中自該轉子側末端朝向該定子磁軛部分側末端增加。
  12. 如請求項7之旋轉電機， 其中該轉子包括一柱狀轉子主體及配置於該轉子主體之一外部周邊邊緣部分處之該永久磁體；其中該定子包括具有該第一齒狀物部分之一圓筒形第一定子部分、配置於該第一定子部分外之一圓筒形第二定子部分，以及配置於形成於該齒狀物部分周圍之該繞組可配置區域中因而佔用該繞組可配置區域之至少一部分的該一或複數個繞組；且其中該第二定子部分可相對於該第一定子部分在該等定子部分兩者之一圓周方向上相對移動。
  13. 如請求項7之旋轉電機，其中該轉子包括可圍繞一旋轉軸旋轉之一圓板形狀之轉子主體及配置於該轉子主體之一個表面上之該永久磁體；且其中該定子經配置為在該旋轉軸之一軸向方向上面對該轉子主體。
  14. 如請求項7之旋轉電機，其中該轉子包括以一嵌式方式沿著一圓周方向以特定間隔在該轉子主體之一外部周邊邊緣部分中的複數個永久磁體。
  15. 如請求項13之旋轉電機，其中該轉子包括以一向外露出方式沿著一圓周方向以特定間隔在該轉子主體之一個表面上的複數個永久磁體。
  16. 如請求項7之旋轉電機， 其中該複數個永久磁體為釹永久磁體。
  17. 如請求項7之旋轉電機，其中該第一齒狀物部分包括一本體部分及在一圓周方向上自該本體部分之一轉子側末端部分之圓周兩側延伸的一對側面突出部分。
  18. 如請求項7之旋轉電機，其中，在該可移動經劃分齒狀物部分配置於該第一位置處之一狀態下，自該對鄰近齒狀物部分中之一者之一轉子側末端部分經由該定子磁軛部分延伸至該對鄰近齒狀物部分中之另一者之一轉子側末端部分之一路徑之一磁阻經設定為小於該對鄰近齒狀物部分之一對鄰近側面突出部分之間的一磁阻；且其中，在該可移動經劃分齒狀物部分配置於該第二位置處之一狀態下，自齒狀物部分之該鄰近對中之該一者之該轉子側末端部分經由該定子磁軛部分延伸至該對鄰近齒狀物部分中之該另一者之該轉子側末端部分之該路徑之該磁阻經設定為大於該對鄰近齒狀物部分之該對鄰近側面突出部分之間的該磁阻。
  19. 如請求項1或7之旋轉電機，其中上述定子包含沿著上述定子之圓周方向以預定間隔配置的複數個上述齒狀物部分；上述複數個上述齒狀物部分之轉子側末端部分係於上述定子之圓周方向上互相分開。
  20. 一種配備有如請求項1之旋轉電機之載具。
  21. 一種配備有如請求項1之旋轉電機之電氣裝置。
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