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TWI652880B - 一種盤型電動馬達、電力驅動載具以及控制電動馬達之方法 - Google Patents

一種盤型電動馬達、電力驅動載具以及控制電動馬達之方法 Download PDF

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TWI652880B
TWI652880B TW106105073A TW106105073A TWI652880B TW I652880 B TWI652880 B TW I652880B TW 106105073 A TW106105073 A TW 106105073A TW 106105073 A TW106105073 A TW 106105073A TW I652880 B TWI652880 B TW I652880B
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TW
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magnetic flux
type electric
motor device
disc
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啟學 李查
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聯寶興業有限公司
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Publication date
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Abstract

一種盤型電動馬達裝置，其包括一轉子模組，所述轉子模組進一步包括二個以上的永磁體及一個固定圈架，其中所述二個以上的永磁體等距地設置於所述固定圈架之上；一定子模組，所述定子模組進一步包括一軸體，其中所述軸體進一步包括一齒部、一靴部以及二個以上的線圈繞組；其中，所述二個以上的線圈繞阻係以串聯方式連接，且用於產生一感應磁場；其中，所述盤型電動馬達裝置係以單相驅動方式所驅動；其中，所述永磁體用於在馬達裝置中產生一徑向之磁通量；其中，所述永磁體具有一特殊表面磁通量密度分佈，所述特殊表面磁通量密度分佈係指永磁體於外側表面上之磁通量密度分佈，於轉子模組旋轉之圓周方向之兩端高於中心、或越靠近所述兩端則表面磁通量密度越高者。

Description

一種盤型電動馬達、電力驅動載具以及控制電動馬達之方法
本揭露涉及一種馬達裝置，尤其涉及一種可做為電動載具之動力來源之盤型無刷直流馬達。
現有之車用動力馬達，多數為徑向磁通的筒型馬達，筒型馬達之特性為將輸出功率表現於轉速。然而，該徑向磁通的筒形馬達並無提供最佳化之轉矩輸出。
鑒於以上內容，有必要提供一種盤型電動馬達、電力驅動載具、以及控制電動馬達之方法，使馬達裝置之轉矩輸出得以最佳化。
一種盤型電動馬達裝置，其包括：；一轉子模組，所述轉子模組進一步包括二個以上的永磁體及一個固定圈架，其中所述二個以上的永磁體等距地設置於所述固定圈架之上；一定子模組，所述定子模組進一步包括一軸體，其中 所述軸體進一步包括一齒部、一靴部以及二個以上的線圈繞組；其中，所述二個以上的線圈繞組係以串聯方式連接，且用於產生一感應磁場；其中，所述盤型電動馬達裝置係以單相驅動方式所驅動；其中，所述永磁體用於在馬達裝置中產生一徑向之磁通量；其中，所述永磁體具有一特殊表面磁通量密度分佈，所述特殊表面磁通量密度分佈係指永磁體於外側表面上之磁通量密度分佈，於轉子模組旋轉之圓周方向之兩端高於中心、或越靠近所述兩端則表面磁通量密度越高者。
一電力驅動載具，包括上述之盤型電動馬達裝置。
一種控制盤型電動馬達之方法，其中該盤型電動馬達包括一轉子模組，所述轉子模組進一步包括二個以上的永磁體，其中，所述永磁體用於在馬達裝置中產生一徑向之磁通量，及一定子模組，該定子模組進一步包括一軸體，其中該軸體進一步包括一齒部、一靴部以及二個以上的線圈繞組，其中，所述二個以上的線圈繞組係以串聯方式連接，且用於產生一感應磁場， 該方法包括：以一單相控制方式，提供一馬達驅動電壓至所述二個以上的線圈繞組形成之串聯電路；及響應於該馬達驅動電壓，產生一馬達驅動電流，進而產生一感應磁場；及該等二個以上的永磁體產生之磁通量與該感應磁場相互作用，轉動該轉子模組；其中，所述永磁體具有一特殊表面磁通量密度分佈，所述特殊表面磁通量密度分佈係指永磁體於外側表面上之磁通量密度分佈，於轉子模組旋轉之圓周方向之兩端高於中心、或越靠近所述兩端則表面磁通量密度越高者。
100,200,800,900,1000,3900,4000‧‧‧馬達裝置
103,203,603,4103‧‧‧馬達動力輸出軸
129,3929,4029,4129‧‧‧傳動裝置
130,3930,4030‧‧‧電池系統
131,4031,4531‧‧‧後輪
132,4132,4532‧‧‧馬達本體
140,4040‧‧‧電力驅動二輪載具
201,401,601,801‧‧‧定子模組
202,502,602,802,2702‧‧‧轉子模組
204,604‧‧‧殼體軸承
205,705‧‧‧蓋體軸承
206,406‧‧‧殼體
207,707‧‧‧蓋體
209,309,409,1109,1209‧‧‧線圈繞組
210,310,410,1510,1610‧‧‧軸體
211,511,1011,1411,1511,1611,1811,2011,2111,2711‧‧‧永磁體
212,512‧‧‧永磁體固定圈架
314‧‧‧支撐輪盤
321‧‧‧定子薄板
321,3121‧‧‧齒部
322,1522,3122‧‧‧靴部
323,3123‧‧‧槽開口
324,3424‧‧‧軛部
325,1425‧‧‧槽
615,1515‧‧‧氣隙
675,775‧‧‧軸方向
708‧‧‧定子轉子結合模組
676,776‧‧‧馬達蓋體螺絲
947,1147‧‧‧轉子位置偵測元件
949,3349‧‧‧換相驅動電路
950,3350‧‧‧換相驅動訊號
951‧‧‧換相電路
954,1154,1254,3654,‧‧‧微控制器
978,3778‧‧‧換相控制訊號
980,‧‧‧角位置資訊
981‧‧‧角位置感測訊號
1027‧‧‧偵測用永磁體
1255‧‧‧脈充寬度調變器
1256‧‧‧脈充寬調變訊號
1382‧‧‧方波週期
1383‧‧‧占空比
1516‧‧‧第一寬度
1517‧‧‧第二寬度
1518,1519‧‧‧具有第一寬度之區間
1863,1963,2063,2163,2263‧‧‧外側表面
1964,1964,2064‧‧‧內側表面
2266,2766‧‧‧量測輔助線
2267‧‧‧第三條量測輔助線
3244‧‧‧馬達驅動電壓
3245‧‧‧反電動勢
3246‧‧‧相位差
3347,3447‧‧‧霍爾元件
3348,3348,3748‧‧‧霍爾感測訊號
3552‧‧‧訊號延遲電路
3753,3853‧‧‧延遲功能單元
3859‧‧‧馬達輸出特性控制單元
3860‧‧‧馬達功率控制單元
3861‧‧‧馬達輸出特性控制訊號
3930‧‧‧電池系統
3940‧‧‧電力驅動載具
3942‧‧‧置物空間
3944‧‧‧腳踏板下方之空間
4030‧‧‧電池系統
4133‧‧‧輪軸
4234‧‧‧無刷自動變速裝置
4335‧‧‧齒輪箱變速裝置
4436‧‧‧皮帶傳動裝置
4637‧‧‧後輪之輪圈
Q1,Q2,Q3,Q4‧‧‧金氧半場效電晶體
D1,D2,D3,D4‧‧‧二極體
a‧‧‧齒部之弧長寬為a
b‧‧‧槽開口之寬度為b
c‧‧‧軛部之厚度為c
d‧‧‧靴部之厚度為d
h1‧‧‧中段之表面磁通量密度
h2‧‧‧兩端之表面磁通量密度
圖1展示本揭露之一實施例，一電力驅動二輪載具。
圖2展示為本揭露所提供之馬達裝置之一實施例之爆炸圖。
圖3A展示定子模組之組合方式。
圖3B展示定子模組之組合方式。
圖4展示定子模組之組合方式。
圖5所示為本揭露所提供之馬達裝置其包括之轉子模組之一實施例。
圖6A主要說明定子模組、轉子模組以及馬達動力輸出軸三者之結合關係
圖6B所示為圖6A中各部件於組合後之示意圖。
圖7所示為本揭露所提供之馬達裝置其組合過程中的一個步驟。
圖8A所示為一內轉式馬達裝置之實施例。
圖8B所示為一外轉式馬達裝置之實施例。
圖9為本揭露提供之馬達裝置之一實施例，主要說明馬達裝置的操作電路架構。
圖10主要說明霍爾元件之感測標的。
圖11為本揭露提供之馬達裝置之一實施例，主要說明換相電路之工作原理。
圖12所示為本揭露提供之馬達裝置之一實施例，主要說明馬達裝置之驅動功率控制方法。
圖13主要說明單相驅動之馬達裝置，其線圈繞組兩端之驅動電壓與脈衝寬調變訊號之間的關係。
圖14A及圖14B所示為本揭露提供之馬達裝置之一實施例，主要說明馬達裝置之槽數與永磁體極數之組配。
圖15A所示為一軸對稱之馬達裝置。
圖15B所示一非軸對稱之馬達裝置。
圖16A所示為軸體上的落差結構設計。
圖16B所示為於永磁體上的落差結構設計。
圖17為本揭露提供之永磁體之一實施例之磁滯曲線圖。
圖18為本揭露提供之永磁體之一實施例之外觀圖。
圖19所示為朝著“-z”方向觀察的永磁體側視圖。
圖20所示為朝著“-x”方向觀察的永磁體側視圖。
圖21所示為朝著“-y”方向觀察的永磁體側視圖。
圖22所示為一種表面磁通量密度之量測方式。
圖23所示為一以外側表面為N極之永磁體實施例於上述表面磁通量密度量測之量測結果。
圖24所示為一以外側表面為N極之永磁體實施例於上述表面磁通量密度量測之量測結果圖。
圖25所示為一以外側表面為S極之永磁體實施例於上述表面磁通量密度量測之量測結果。
圖26所示為一以外側表面為S極之永磁體實施例於上述表面磁通量密度量測之量測結果圖。
圖27所示為一轉子模組之實施例。
圖28中所示為一轉子模組之實施例之表面磁通量密度分佈特徵。
圖29所示為一近似於方波之形式之反電動勢之電壓訊號。
圖30所示為另一馬達所產生之反電動勢，所述另一馬達之永磁體不具有所述特殊表面磁通量密度分佈特徵。
圖31所示為本揭露中所提供的馬達裝置，其軸體之結構。
圖32所示為馬達裝置之線圈繞組兩端之驅動電壓訊號與反電動勢訊號。
如圖33所示為一超前角控制之實施例。
如圖34A及圖34B為霍爾元件設置於不同之角位置之示意。
圖35所示為另一超前角控制之實施例。
圖36所示為另一超前角控制之實施例。
圖37所示為另一超前角控制之實施例。
如圖38所示為一電力驅動載具包括一馬達輸出特性控制單元及一馬達功率控制單元，及其控制超前角之方式。
圖39所示為本揭露所提供之電力驅動載具之一實施例。
圖40所展示為一電力驅動二輪載具。
圖41為馬達動能藉由傳動裝置轉換之示意。
圖42所示為一無刷自動變速裝置。
圖43所示為一齒輪箱變速裝置。
圖44所示為一皮帶傳動裝置。
如圖45所示為一輪鼓馬達載具。
圖46所示為一後輪之輪圈
圖47所示為將馬達裝置設置於後輪之輪圈之中之示意。
為了提供對此處所描述實施例全面深入的理解，說明書中會提及許多特定的細節。然而，本領域技術人員可以理解的是，此處所記載的實施例也可以不按照這些特定細節進行操作。在其他的一些情況下，為了不使正在被描述的技術特徵混淆不清，一些方法、流程及元件並未被詳細地描述。圖式並不一定需要與實物的尺寸等同。為了更好地說明細節及技術特徵，圖式中特定部分的展示比例 可能會被放大。說明書中的描述不應被認為是對此處所描述的實施例範圍的限定。
現對適用於全文的幾個定義描述如下。
詞語“盤型”，係指所述物件之幾何構形大致呈圓柱體之形狀，而該圓柱體之柱高小於該圓柱體之切面之之直徑者。詞語“筒型”，係指所述物件之幾何構形大致呈圓柱體之形狀，而該圓柱體之柱高大於該圓柱體之切面直徑者。詞語”外側表面”，係指為面向線圈繞組且與氣隙相鄰且之表面。詞語”內側表面”，係指面向線圈繞組且與轉子模組相鄰之表面。詞語“連接”，不管是直接地還是通過中間元件間接地，都不一定限制於物理性的連接。連接可以是物體被永久性地連接或可拆卸地連接。詞語“外部”指的是超出物件物體最外側範圍以外的區域。詞語“內部”指的是至少一部分區域被部分地包含在物件物體所形成的邊界內。詞語“大致”定義為所描述的物件基本上符合特定的尺寸、形狀或其他類似的特點，而不需要完全精確地一致。例如，大致呈圓柱形的意思是所描述的物體近似於圓柱體，但可以與真正的圓柱體有一個或多個不同之處。詞語“包括”的意思是“包括，但不限於”，特指開放式的包含關係或者是某個組合、群組、系列等集合概念中的要素。
本揭露之目的係提供一種馬達裝置，可做為電動載具之動力來源。
本揭露之另一目的係提供一種馬達裝置的運作方法，可有效地提升之效率，且可調整馬達裝置之轉矩輸出特性。
本揭露之另一目的係提供一種以所述馬達裝置作為動力來源的電動載具。
在一實施例中，本揭露所提供的可用於電力驅動載具之馬達，可用於一電力驅動二輪載具。圖1所展示的實施例係一電力驅動二輪載具140，包括一電池系統130、一馬達裝置100、一傳動裝置129、一後輪131。其中，馬達裝置100進一步包括一馬達本體132、以及一馬達動力輸出軸103。其中，馬達裝置100自電池系統130獲得電能供給。其後馬達裝置100將電能轉換為力學能，再經由馬達動力輸出軸103、及傳動裝置129將所述力學能傳送至後輪131，而帶動電力驅動二輪載具140之行進。
本揭露所提供之馬達裝置，其包括一定子模組、一轉子模組、一馬達控制模組、以及其他馬達零組件包括一動力輸出軸、一殼體軸承、一蓋體軸承、一殼體、一蓋體、一個以上之蓋體螺絲等。另外，所述轉子模組與定子模組間形成一氣隙。
圖2所展示為本揭露所提供之馬達裝置之一實施例之爆炸圖。圖2中，一馬達裝置200包括一定子模組201、一轉子模組202、一馬達動力輸出軸203、一殼體206、一殼體軸承204、一蓋體207、一蓋體軸承205。其中，定子模組201進一步包括一軸體210與多個線圈繞組209。其中，轉子模組202進一步包括一個以上的永磁體211、一永磁體固定圈架212、一支撐輪盤213。
所述定子模組進一步包括一軸體、及多個線圈繞組。所述軸體可進一步包括一個以上的齒部、一個以上的靴部、及一個以上的 軛部。
請參照圖3A，在一實施例中，所述軸體310可由二個以上的定子薄板314所疊加而組成，如圖3A中的左圖、及中圖所示。圖3B為一軸體310之側視圖，其中，可由習知的命名原則可知，所述軸體310包括了一個以上的齒部321、一個以上的靴部322、一個以上的軛部324。其中，二組齒部、軛部、以及靴部所圍繞的區域定義為槽325。而相鄰二個靴部之間的空隙定義為槽開口323。而圖3A的右圖展示了將導體線材纏繞於軸體310的齒部，形成多個線圈繞組309。
請參照圖4，將纏繞有線圈繞組409的軸體410設置於一殼體406中，即形成一定子模組401。
所述轉子模組進一步包括一個以上的永磁體、一永磁體固定圈架、一支撐輪盤。
圖5所示為本揭露所提供之馬達裝置其包括之轉子模組之一實施例。如圖5所示，一轉子模組502進一步包括一個以上的永磁體511、一永磁體固定圈架512、一支撐輪盤513。
圖6A所示為本揭露所提供之馬達裝置之一實施例，主要說明定子模組601、轉子模組602、以及馬達動力輸出軸603三者之結合關係。其中，一馬達動力輸出軸603經由一殼體軸承604與定子模組601連接，使馬達動力輸出軸603具有一相對於定子模組601的、且為沿軸方向675旋轉的自由度。另外，該馬達動力輸出軸603則與轉子模組602其中央之孔洞緊密結合，使轉子模組602 可帶動馬達動力輸出軸沿著軸方向675旋轉。
圖6B所示為圖6A中各部件於組合後之示意圖，主要說明定子模組601、轉子模組602、以及馬達動力輸出軸603於組合後之相對位置關係。圖6B中，一定子轉子結合模組676包括一定子模組601、一轉子模組602、以及一定子轉子結合模組676。其中，轉子模組602設置於定子模組601的內部，且兩者形成同軸之套筒組態。另外，定子模組601與轉子模組602在軸方向675大致形成共面的對齊狀態。另外，在徑向，定子模組與轉子模組之間有一氣隙615。
圖7所示為本揭露所提供之馬達裝置其組合過程中的一個步驟，該步驟接續於圖6B之後。如圖7所示，一個定子轉子結合模組776可進一步透過一蓋體軸承705，使一蓋體707與所述馬達動力輸出軸703連接，使馬達動力輸出軸703具有一相對於蓋體707的、且為沿軸方向775旋轉的自由度。另外，可利用一個以上的馬達蓋體螺絲708，使蓋體707固定於所述定子轉子結合模組776的殼體706之上。圖七中之右下圖為完成組裝之馬達裝置700。
本揭露所提供的馬達裝置，可依其定子模組與轉子模組之組合態樣，進一步區分為內轉式馬達裝置或外轉式馬達裝置。
圖8A所示為一內轉式馬達裝置之實施例，其中，馬達裝置800之定子模組801設置於轉子模組802之外側，此類形之馬達裝置稱為內轉式馬達裝置。通常，內轉式馬達裝置作為電力驅動載具之動力馬達時，馬達動力輸出軸與輪軸不共軸，馬達裝置係利用一 傳動系統將馬達裝置輸出之功率轉換至輪軸上。
圖8B所示為一外轉式馬達裝置之實施例，其中，馬達裝置800之定子模組801設置於轉子模組802之內部，此類形之馬達裝置稱為外轉式馬達裝置。通常，外轉式馬達裝置之特點為可直接設置於輪載具之輪鼓上，於輪鼓直接驅動載具之輪而作動。
本揭露所提供的一種馬達控制模組進一步包括一馬達控制電路。所述馬達控制電路進一步包括一轉子位置偵測元件、一微控制器、一驅動電路、一換相電路。
圖9為本揭露提供之馬達裝置之一實施例，主要說明馬達裝置的操作電路架構。如圖9所示，一轉子位置偵測元件947，用於感測一角位置資訊980，所述角位置資訊980包括馬達裝置900其轉子模組之絕對角位置或相對角位置。其後，基於該角位置資訊980，轉子位置偵測元件947產生一角位置感測訊號981並將其輸入至一微控制器954。透過該角位置感測訊號981，微控制器954能夠根據轉子模組之角位置而產生一換相控制訊號978。該換相控制訊號978經由一換相驅動電路949產生一換相驅動訊號950，所述換相驅動訊號950作用於一換相電路951。
圖9亦展示一馬達驅動電源979，用於提供馬達驅動電壓944至馬達裝置900中的線圈繞組。其中，馬達驅動電源979將所述馬達驅動電壓944輸入至換相電路951。換相電路951基於所述的換相驅動訊號950，可改變馬達驅動電壓944之方向、或其電流路徑，再將其輸入至馬達裝置900。
本揭露中，所述轉子位置偵測元件，用於在馬達裝置運作時感測轉子模組之角位置。在一實施例中，所述轉子位置偵測元件為一霍爾元件，用於感測馬達裝置中某一特定位置之磁場變化，並由該感測值推算轉子模組之角位置資訊。其中，如圖10所示，霍爾元件之感測標的可為轉子模組中之永磁體1011。或於轉子上外加之偵測用永磁體1027。
在另一實施例中，所述轉子位置偵測元件為一光學編碼裝置(Optical Encoder)。
圖11為本揭露提供之馬達裝置之一實施例，主要說明換相電路之工作原理。圖11中，換相電路包括兩個電路節點V+與V-與馬達驅動電源連接、四個金氧半場效電晶體(MOSFET)Q1、Q2、Q3及Q4，以及包括四個二極體D1、D2、D3及D4，所述四個二極體組成一H電橋電路，如圖11中所示。另外，馬達裝置1100中的線圈繞組1109串接於D1與D2之間，且馬達裝置1100中的線圈繞組1109亦串接於D3與D4之間。利用轉子位置感測元件1147，微控制器1154可決定Q1、Q2、Q3或Q4是否導通、以及導通之時機。
為了提供一種有高扭力輸出之馬達裝置，圖11所示之實施例中，線圈繞組1109為二個以上的電感元件之串聯電路。意即馬達裝置中纏繞於各槽中的線圈繞組係以串連方式連接。串聯各線圈繞組的好處是，當驅動電壓施加於串聯的線圈繞組時，各線圈繞組同時產生最大感應磁場，使轉子模組同時被所有的線圈繞組產生之 感應磁場影響而被推動，因此而產生高扭力輸出，此驅動方式於本揭露中稱為單相驅動方式。在另一實施例中，馬達裝置中的線圈繞組包括多組並聯之電感，線圈繞組係以分別多組不同相位的驅動電壓所驅動(於本揭露中稱為多相驅動方式)，各線圈繞組所產生的感應磁場強度不一，因此其扭力輸出較低。其中，多相驅動之一實施例為三相驅動。
圖12所示為本揭露提供之馬達裝置之一實施例，主要說明馬達裝置之驅動功率控制方法。圖12中，微控制器1254進一步包括一脈衝寬度調變器1255，其用於產生脈衝寬調變訊號，並以此脈衝寬調變訊號1256來決定金氧半場效電晶體(MOSFET)Q1、Q2、Q3及Q4導通狀態之持續時間。以此方式間接地控制馬達驅動電壓在線圈繞組1209中產生的電流大小。
圖13主要說明單相驅動之馬達裝置，其線圈繞組兩端之驅動電壓與脈衝寬調變訊號之間的關係。其中，在一方波週期1382中，正脈衝之持續時間稱為占空比1383。圖13中，橫軸為時間軸，馬達裝置的狀態在狀態1與狀態2之間交互切換。當馬達裝置為狀態1時，Q2及Q4為不導通(off)，Q1及Q3接收一脈衝寬訊號而導通(on)，進而使馬達裝置中的線圈繞組電路支兩端產生正向的馬達驅動電壓，其中馬達驅動電壓亦為脈衝寬訊號。當馬達裝置為狀態2時，Q1及Q3為不導通(off)，Q2及Q4接收一脈衝寬訊號而導通(on)，進而使馬達裝置中的線圈繞組電路之兩端產生負向的馬達驅動電壓，其中馬達驅動電壓亦為脈衝寬訊號。其中，藉由控制 脈衝寬訊號之占空比，可控制馬達驅動電壓在線圈繞組電路中產生的電流，進而控制馬達裝置的操作功率。
如前述，單相驅動方法係一種以串連方式連接各線圈繞組，並利用各繞組可同時產生最大感應磁場之特性，進而獲得較高的轉矩輸出值。因此，有必要提供一種轉子結構，使其與所述的線圈繞組串連最為匹配。
圖14A及圖14B所示為本揭露提供之馬達裝置之一實施例，主要說明馬達裝置之槽數與永磁體極數之組配。如圖14A所示，馬達裝置包括六個槽1425、以及六個永磁體1411。在此實施例，任意永磁體與定子產生之感應磁場間的相對關係皆為相同，因此可同步控制所有線圈繞組，使各線圈繞組產生相同的感應磁場來推動轉子模組轉動。在另一實施例中，如圖14B所示，由於永磁體1411之數量與槽1425之數量不相等，若同步控制所有線圈繞組，使各線圈繞組產生相同的感應磁場，則並非每一永磁體都可獲得相等的推力矩，而產生能量耗損。
所述以單相驅動方式驅動之馬達裝置具於結構上有軸對稱之特性，如圖15A所示，因此所述馬達裝置自靜止而啟動時，並無法確定其轉動之方向，或甚至馬達會固定於某一力平衡狀態而無法啟動。有鑑於此問題，有必要提供一種非軸對稱的馬達結構，使馬達裝置可獲得某一特定旋轉方向之力矩。使馬達裝置朝某一特定方向旋轉、且獲得一啟動力矩。
在一實施例中，如圖15B所示，一非軸對稱之馬達裝置其 軸體1510與永磁體1511間形成之間隙為氣隙1515。由圖15B中可見，由於軸體之靴部1522有一落差設計，氣隙1515包括一具有第一寬度1516之第一區間1518、以及具有第二寬度1517之第二區間1519。其中，第二寬度1517大於第一寬度1516。另外，第一區間1518所對應之弧長大於第二區間1519所對應之弧長。例如，第一區間1518與第二區間1519所對應之弧長比可為2：1。
另外，前述之非軸對稱結構。在一實施例中，如圖16A所示，係於軸體1610上設計一落差結構。在另一實施例中，如圖16B所示，係於永磁體1611上設計一落差結構。
本揭露中所提供的馬達裝置，在一實施例中，該馬達所包括之永磁體為一釹、鐵及硼之化合物。其特性可由一磁滯曲線描述之，如圖17所示。圖17為一磁滯曲線圖，其橫軸(H)代表外加於某一磁性材料之外加磁場，單位為kOe,kilo-Oersted；縱軸(B)代表該磁性材料之磁通量密度，單位為kG,kilo-Gauss。如圖17所示，此實施例中，該永磁體之剩磁(Remanence)為13.6kG、保磁力(Coercivity)為12.5KOe、以及操作點之H值為-6.5kOe。在其它實施例中，永磁體可為其他稀土磁鐵或非稀土磁鐵。
馬達裝置在運作時，永磁體之磁場分佈隨者轉子模組之運作而轉動，根據冷次定律，線圈繞組中會因此產生一感應電動勢，或稱做馬達裝置之反電動勢(Back Electro-motive Force)。反電動勢其方向與馬達驅動電壓之方向相反，且同為施加於線圈繞組之二端，因此有必要考慮馬達驅動電壓與反電動是兩者是否匹配，藉此降低 能量耗損。
如前述，採用單相驅動方法之馬達驅動電壓係方波訊號。因此有必要提供一種手段，使馬達裝置之反電動勢之訊號波形亦呈方波形式，使得搭配單相驅動方式時減少功率損耗。例如，可採用具有特殊表面磁通量分佈的永磁體，使馬達裝置之反電動勢呈方波形式。
為了說明所述特殊表面磁通量分佈及其功效，以圖18、圖19及圖20呈現本揭露提供之馬達裝置之永磁體之一實施例，主要說明永磁體之構形以及其部位之名稱。
圖18中，所述永磁體1811係安裝於一內轉式徑向磁通馬達中，其外形呈一弧狀的平面體，弧形設計是為了將永磁體鑲嵌於轉子的固定圈架上，如圖5所示。該永磁體1811包括一外側表面1863與一內側表面。
圖19所示為朝著“-z”方向觀察的永磁體側視圖，其中，永磁體1911包括一外側表面1963及一內側表面1964。圖20所示為朝著“-x”方向觀察的永磁體側視圖，其中永磁體2011包括一外側表面2063及一內側表面2064。
另外，根據不同的需求或應用情境，可於製造過程中將永磁體充磁為外側表面為N磁極且內側表面為S磁極，或反之。
圖21及圖22、圖23、圖24、圖25及圖26所示為一種表面磁通量密度之量測方式，以及本揭露之永磁體之二種實施例的量測結果，旨在說明一種特殊的表面磁通量密度分佈。
圖21所示為朝著“-y”方向觀察的永磁體側視圖，可完整觀察到永磁體2111的外側表面2163。
圖22所示為一種表面磁通量密度之量測方式，在永磁體的上表面2263上規劃六條x方向的量測輔助線，如圖22中的虛線2266所示，六條磁力測量線為等距排列，且皆與x方向平行。接著，以第三磁力測量線2267為例，在所述量測輔助線上取10個在x方向上等距的測量點(M0~M9)。並於所述測量點上測量永磁體表面的磁通量密度。
圖23及圖24所示為一以外側表面為N極之永磁體實施例於上述表面磁通量密度量測之量測結果。圖24中可看出，永磁體之表面磁通量密度之於x方向上之分佈，其靠近兩側邊緣之磁通量密度皆高於內側之磁通量密度。即，在x方向上，所述永磁鐵其外側表面上某一量測點之磁通量密度與該量測點與永磁體中心之距離為正相關。
圖25及圖26所示為一以外側表面為S極之永磁體實施例於上述表面磁通量密度量測之量測結果。圖26中可看出，永磁體之表面磁通量密度之於x方向上之分佈，其靠近兩側邊緣之磁通量密度皆高於內側之磁通量密度。即，在x方向上，所述永磁鐵其外側表面上某一量測點之磁通量密度與該量測點與永磁體中心之距離呈正相關。
應了解，圖21及圖22、圖23、圖24、圖25及圖26所展示之表面磁通量密度量測方式，以及其定義之特殊表面磁通密度分 佈，不限定於呈一弧狀的平面體之永磁體。圖24中的x方向，於馬達裝置中及對應轉子模組旋轉時之圓周方向。因此，所述的特殊表面磁通密度分佈，係指永磁體於外側表面上之磁通量密度分佈，於所述圓周方向之兩端高於中心、或越靠近所述兩端則表面磁通量密度越高者。
圖27所示為一轉子模組之實施例，該轉子模組2702包括八個永磁體2711。依圖中之表面磁力量測線2766量測所述八個永磁體其外側表面上之磁通量密度，其結果如圖28所示。
圖28中，橫軸為角位置，縱軸為磁通量密度(單位為Gauss)，由圖中可知每一永磁體之外側表面皆具有所述之特殊表面磁通量密度分佈特徵。其中，兩端之表面磁通量密度h2約為中段之表面磁通量密度h1之1.5至2倍。
若將圖27中之轉子模組2702組裝成一完整的馬達裝置，其產生之反電動勢之波型則如圖29所示。圖29中，橫軸為時間，縱軸為反電動勢之電壓值。所述反電動勢之電壓訊號呈近似於方波之形式。
圖30所示為另一馬達所產生之反電動勢，所述另一馬達之永磁體不具有所述特殊表面磁通量密度分佈特徵。因此，產生之反電動勢訊號呈近似於梯形波之形式。
本揭露中所提供的馬達裝置，其軸體之結構如圖31所示。圖31中，齒部3121之弧長寬為a，槽開口3123之寬度為b，軛部3124之厚度為c，靴部3122之厚度為d。其中，若槽開口之寬度b 越小，靴部所對應之弧長則可越長，以獲得較高之導磁率，可使馬達有較好的換能效率。
圖31中，線圈繞組將纏繞於齒部3121。馬達裝置在運作過程中，線圈繞組產生之感應磁場將由軛部3124經由齒部3121流向靴部3122再導入永磁體，或其相反方向。因此，齒部3121之弧長寬a、軛部3124之厚度c、靴部3122之厚度d之值皆需要大於某一特定值，使此軸體結構足以承受所述感應磁場以及永磁體產生之磁場。另外，由於齒部3121承載之磁通量約為靴部3122或軛部3124之二倍。齒部3121之弧長寬a之值，必須大於軛部3124之厚度c之值或靴部3122之厚度為d之值，舉例而言，a為c之二倍，或a為b之二倍。
另外，若所述馬達裝置之永磁體具有前述之特殊表面磁通量密度分佈，靴部3122之厚度為d之值則應高於某一特定值，使此軸體結構足以承受所述感應磁場，以及永磁體產生之特殊磁場分佈。
圖32所示為馬達裝置之線圈繞組兩端之驅動電壓訊號與反電動勢訊號。線圈繞組之兩端包括一反電動勢3245與一馬達驅動電壓3244，兩者為方向相反之電動勢。其中反電動勢3245與馬達驅動電壓3244之間的相位差3246於圖中以θ表示，並於本揭露中定義為“超前角”(超前角即馬達驅動電壓3244領先反電動勢3245之相位角)。
馬達裝置運作過程中，對於馬達裝置之功率輸出特性，可能 會依使用情境不同而需進行動態的調整。舉例而言，電動載具(例如：包括但不限於電動汽車、電動摩托車、電動自行車等)在行駛時，依交通工具的負載或行駛地形之差異，需要在高功率或低功率等模式中切換。
所述的馬達轉速或馬達轉矩之輸出特性之調控，可透過控制超前角之值而達成。例如，控制超前角，使反電動勢與馬達驅動電壓間之干涉所造成之能量耗損微持於一最小值，可使馬達裝置獲得一最大電流輸入。
如前述，本揭露所提供的馬達裝置之換相方式包括一系列的訊號流：一轉子位置偵測元件，感測一角位置資訊，所述角位置資訊包括馬達裝置其轉子模組之絕對角位置或相對角位置。其後，基於該角位置資訊，轉子位置偵測元件產生一角位置感測訊號並將其輸入至一微控制器。透過該角位置感測訊號，微控制器能夠根據轉子模組之角位置而產生一換相控制訊號。該換相控制訊號經由一換相驅動電路產生一換相驅動訊號，所述換相驅動訊號作用於一換相電路。最後，換相電路基於所述的換相驅動訊號，可改變馬達驅動電壓之方向、或其電流路徑，再將其輸入至馬達裝置。
因此，馬達驅動電壓之相位，可藉由上述訊號流中任一訊號之延遲控制而達成。其包括多種實施方式，包括但不限定於下述的幾種：
如圖33所示，在一實施例中，霍爾元件3347產生一霍爾感測訊號3348並輸入至一換相驅動電路3349中，該換相驅動電路將 霍爾感測訊號轉換為一換相驅動訊號3350並輸入至一換相電路中，用於對馬達驅動電壓進行調控。在此實施例中，沒有使用數位控制器，此情況下可藉由改變霍爾元件相對於馬達轉軸之角位置，使霍爾感測訊號3348產生一相位差，進而改變超前角。
如圖34A及圖34B所示，可將霍爾元件3447設置於不同之角位置，以獲得不同相位置霍爾感測訊號。
另一實施例如圖35所示，在同樣沒有使用數位控制器的情況下，可藉由一訊號延遲電路3352使霍爾感測訊號受到延遲，進而改變超前角。
另一實施例如圖36所示，霍爾感測訊號3648被導入一微控制器3654，並以微控制器3654中的延遲功能單元3653進行訊號延遲，進而改變超前角。
另一實施例如圖37所示，霍爾感測訊號3748被導入一微控制器中，並基於該霍爾感測訊號產生一換相控制訊號3778，該換相控制訊號3778再藉由一延遲功能單元3753而產生延遲，進而改變超前角。
前述之超前角控制方法的多個實施例，可進一步被包括於一電力驅動載具中。如圖38所示，一電力驅動載具包括一馬達輸出特性控制單元3859及一馬達功率控制單元3860。其中，馬達輸出特性控制單元3859用於產生一馬達輸出特性控制訊號3861並輸入至馬達裝置中的延遲功能單元3853，該馬達輸出特性控制訊號3861代表所需要的馬達輸出特性。基於該馬達輸出特性控制訊號 3861，延遲功能單元3852可從一記憶功能單元3868讀取一延遲換算資訊3869，藉由該延遲換算資訊3869，延遲功能單元3852可對霍爾感測訊號產生特定之延遲量，進而產生特定之超前角，使馬達裝置具有該所需要的馬達輸出特性。
本揭露所提供之馬達裝置，可進一步被包括於一電力驅動載具中。
圖39所示為本揭露所提供之電力驅動載具之一實施例，該電力驅動載具3940包括一馬達裝置3900、一傳動裝置3929、一電池系統3930、一座墊3941、一置物空間3942及一腳踏板3943。其中，電池系統3930係設置於腳踏板下方之空間3944，而馬達裝置3900係設置於置物空間3942的下方。
圖40所展示的實施例係一電力驅動二輪載具4040，包括一電池系統4030、一馬達裝置4000、一傳動裝置4029、一後輪4031。其中，其中，馬達裝置4000自電池系統4030獲得電能供給。其後馬達裝置4000將電能轉換為力學能，再經由馬達動力輸出軸4003、及傳動裝置4029將所述力學能傳送至後輪4031，而帶動電力驅動二輪載具4040行進。
如圖41所示，馬達本體4132之產生動能，藉由馬達動力輸出軸4103傳遞至傳動裝置4129中，該動能再由傳動裝置4129輸出至輪軸4133上。
所述的傳動裝置，可有多種實施例，描述如下：
在一實施例中，如圖42所示，所述傳動裝置為一無刷自動 變速裝置4234。
在另一實施例中，如圖43所示，所述傳動裝置為一齒輪箱變速裝置4335。
在另一實施例中，如圖44所示，所述傳動裝置為一皮帶傳動裝置4436。
所述馬達裝置，亦可設置於一載具之輪上。
在一實施例中，如圖45所示，馬達本體4532係設置於後輪4531上。此實施例中，馬達裝置為一外轉式馬達，轉子模組直接帶動後輪之輪鼓轉動。圖46所示為一後輪之輪圈4637。圖47所示為安裝於後輪之輪圈4637之中的馬達本體4732。

Claims (20)

  1. 一種盤型電動馬達裝置，其包括：一轉子模組，所述轉子模組進一步包括二個以上的永磁體及一個固定圈架，其中所述二個以上的永磁體等距地設置於所述固定圈架之上；一定子模組，所述定子模組進一步包括一軸體，其中所述軸體進一步包括一齒部、一靴部以及二個以上的線圈繞組；其中，所述二個以上的線圈繞組係以串聯方式連接，且用於產生一感應磁場；其中，所述盤型電動馬達裝置係以一單相驅動方式所驅動；其中，所述永磁體在所述馬達裝置中產生一徑向之磁通量；其中，所述永磁體具有一特殊表面磁通量密度分佈，所述特殊表面磁通量密度分佈係指永磁體於外側表面上之磁通量密度分佈，於轉子模組旋轉之圓周方向之兩端高於中心、或越靠近所述兩端則表面磁通量密度越高者。
  2. 根據申請專利範圍第1項之盤型電動馬達裝置，其中，所述的盤型電動馬達裝置產生之反電動勢大致呈方波形式，使得搭配該單相驅動方式時減少功率損耗。
  3. 根據申請專利範圍第2項之盤型電動馬達裝置，其中，所述盤型電動馬達裝置進一步包括：一控制電路，用於控制一馬達驅動電壓及用於控制所述馬達驅動電壓領先所述反電動勢之間的相位差；所述馬達驅動電壓施加於所述線圈繞組，使所述線圈繞組產生電流。
  4. 根據申請專利範圍第1項之盤型電動馬達裝置，其中，所述靴部於徑向之寬度大於一特定值，使所述靴部可承受來自所述永磁體及所述線圈繞組之磁通量。
  5. 根據申請專利範圍第1項之盤型電動馬達裝置，其中，所述永磁體之數量與所述線圈繞組之數量相同。
  6. 根據申請專利範圍第1項之盤型電動馬達裝置，其中，所述轉子模組與定子模組間之氣隙包括一第一寬度及一第二寬度，其中，所述第一寬度大於所述第二寬度且所述第一寬度對應之弧長小於所述第二寬度對應之弧長。
  7. 根據申請專利範圍第1項之盤型電動馬達裝置，其中，所述永磁體係一化合物，該化合物之組成包括一第一元素、一第二元素及一第三元素；其中，所述第一元素為一稀土金屬，所述第二元素為一過渡金屬、所述第三元素為硼(B)。
  8. 根據申請專利範圍第1項之盤型電動馬達裝置，其中，所述盤型電動馬達裝置之構形大致呈一圓柱體；其中，所述圓柱體之柱高小於所述圓柱體之直徑。
  9. 一電力驅動載具，包括：兩個以上的輪子；一單相控制電路；及一盤型電動馬達，所述盤型電動馬達進一步包括：一轉子模組，所述轉子模組進一步包括二個以上的永磁體及一個固定圈架，其中所述二個以上的永磁體等距地設置於所述固定圈架之上；一定子模組，所述定子模組進一步包括一軸體，其中所述軸體進一步包括一齒部、一靴部以及二個以上的線圈繞組；其中，所述二個以上的線圈繞組係以串聯方式連接，且用於產生一感應磁場；其中，所述盤型電動馬達裝置係藉由所述單相控制電路所驅動；其中，所述永磁體在所述馬達中產生一徑向之磁通量；其中，所述永磁體具有一特殊表面磁通量密度分佈，所述特殊表面磁通量密度分佈係指永磁體於外側表面上之磁通量密度分佈，於轉子模組旋轉之圓周方向之兩端高於中心、或越靠近所述兩端則表面磁通量密度越高者。
  10. 根據申請專利範圍第9項之電力驅動載具，其中，所述盤型電動馬達產生之反電動勢大致呈方波形式，使得搭配單相控制電路時減少功率損耗。
  11. 根據申請專利範圍第9項之電力驅動載具，其中，所述電力驅動載具進一步包括：一控制電路，用於控制一馬達驅動電壓及用於控制所述馬達驅動電壓領先所述反電動勢之間的相位差；所述馬達驅動電壓施加於所述線圈繞組，使所述線圈繞組產生電流。
  12. 根據申請專利範圍第9項之電力驅動載具，其中，所述靴部於徑向之寬度大於一特定值，使所述靴部可承受來自所述永磁體及線圈繞組之磁通量。
  13. 根據申請專利範圍第9項之電力驅動載具，其中，所述永磁體之數量與所述線圈繞組之數量相同。
  14. 根據申請專利範圍第9項之電力驅動載具，其中，所述轉子模組與定子模組間之氣隙包括一第一寬度及一第二寬度，其中，所述第一寬度大於所述第二寬度且所述第一寬度對應之弧長小於所述第二寬度對應之弧長。
  15. 根據申請專利範圍第9項之電力驅動載具，其中，所述永磁體係一化合物，該化合物之組成包括一第一元素、一第二元素、一第三元素；其中，所述第一元素為一稀土金屬，所述第二元素為一過渡金屬、所述第三元素為硼(B)。
  16. 根據申請專利範圍第9項之電力驅動載具，其中，所述盤型電動馬達裝置之構形大致呈一圓柱體；其中，所述圓柱體之柱高小於所述圓柱體之直徑。
  17. 一種控制盤型電動馬達之方法，其中該盤型電動馬達包括一轉子模組，該轉子模組進一步包括二個以上的永磁體，其中，該等永磁體用於在該盤型電動馬達中產生一徑向之磁通量，及一定子模組，該定子模組進一步包括一軸體，其中該軸體進一步包括一齒部、一靴部以及二個以上的線圈繞組，其中，該等線圈繞組係以串聯方式連接，且用於產生一感應磁場，該方法包括：以一單相控制方式，提供一馬達驅動電壓至該等線圈繞組形成之串聯電路；及響應於該馬達驅動電壓，產生一馬達驅動電流，進而產生該感應磁場；及藉由該等永磁體產生之磁通量與該感應磁場相互作用，轉動該轉子模組；其中，該等永磁體具有一特殊表面磁通量密度分佈，所述特殊表面磁通量密度分佈係指該等永磁體於外側表面上之磁通量密度分佈，於轉子模組旋轉之圓周方向之兩端高於中心、或越靠近所述兩端則表面磁通量密度越高者。
  18. 根據申請專利範圍第17項之控制盤型電動馬達之方法，其中該盤型電動馬達產生之反電動勢大致呈方波形式，使得搭配該單相控制方式時減少功率損耗。
  19. 根據申請專利範圍第18項之控制盤型電動馬達之方法，進一步包含：藉一控制電路，控制該馬達驅動電壓領先該反電動勢之間的相位差。
  20. 根據申請專利範圍第17項之控制盤型電動馬達之方法，進一步包括：利用一脈衝寬度調變器，控制該盤型電動馬達之操作功率。
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