TW201406008A - 用於調變之磁極電機的定子 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種用於一調變之磁極電機之一定子之定子芯組件，該調變之磁極電機包括該定子及一轉子，該定子及該轉子在該轉子與該定子之各自介面表面之間定義用於在該定子與該轉子之間傳送磁通量之一氣隙，其中該定子芯組件包括一環形部分，複數個齒在徑向方向上從該環形部分朝向該轉子延伸，該等齒沿著該環形部分之一圓周配置，各齒具有面向該氣隙且經調適以允許磁通量經由該氣隙在該定子與該轉子之間傳送之一介面表面，各齒之該介面表面在該齒之該圓周方向上定義一齒跨度；其中該定子芯組件包括具有一第一齒跨度之至少一第一子集之齒及具有不同於該第一齒跨度之一第二齒跨度之一第二子集之齒。

Description

用於調變之磁極電機的定子

本發明大體上係關於調變之磁極電機。更特定言之，本發明係關於用於此一調變之磁極電機之定子。

近些年來，電機設計(諸如調變之磁極電機)吸引到越來越多的關注。使用此等電機原理之電機早在大約1890年由W.M.Mordey及在1910年由Alexandersson及Fessenden揭示。關注增加的最重要原因之一在於該設計實現有關舉例而言感應電機、切換磁阻電機及甚至永久磁鐵無刷電機之非常高之扭矩輸出。此外，此等電機之有利之處在於線圈經常易於製造。但是，該設計之缺陷之一在於其等之製造通常相對昂貴。

調變之磁極電機之定子大體上使用一中心單線圈，其磁性饋送由軟磁芯結構形成之多個齒。線圈有時亦被稱作繞組。軟磁芯圍繞線圈形成而其他常見電機結構使用圍繞芯組件之齒形成之線圈。調變之磁極電機拓撲之實例有時辨認為例如爪極式、鴉足式、倫德爾式(Lundell)或橫向通量電機(TFM)。具有埋入磁鐵之調變之磁極電機包括主動式轉子結構，其包含由轉子磁極片分離之複數個永久磁鐵。

WO2007/024184揭示一種電旋轉電機，其包含實質圓形且包含複數個齒之第一定子芯組件、實質圓形且包含複數個齒之第二定子芯組件、配置在第一圓形定子芯組件與第二圓形定子芯組件之間之線圈及 包含複數個永久磁鐵之轉子。第一定子芯組件、第二定子芯組件、線圈及轉子環繞共同幾何軸且第一定子芯組件及第二定子芯組件之複數個齒配置為朝向轉子突出。此外，第二定子芯組件之齒相對於第一定子芯組件之齒圓周移位且轉子中之永久磁鐵藉由由軟磁材料製成之軸向延伸磁極片而在圓周方向上彼此分離

大體上需要提供一種在生產及裝配上相對廉價之調變之磁極電機。進一步需要提供具有良好效能參數之此一電機，諸如下列之一者或多者：高結構穩定性、低磁阻、高效通量路徑導引、低重量、小大小、高體積比效能等。進一步需要提供用於此一電機之組件。

一種發生在電機中之不需要的效應係所謂頓轉扭矩，即歸因於轉子之永久磁鐵與定子之鐵之間之相互作用之扭矩。其亦被稱作掣動或「非電流」扭矩。MPM中之頓轉扭矩由永久磁鐵與齒狀鐵結構相互作用產生。永久磁鐵試圖以通量圍繞可能的最低磁阻路徑流動之此一方式對齊。頓轉扭矩可能不利於電機之效能且其可引入非所要之振動及噪音。因此，頓轉扭矩之減小經常係需要的。舉例而言，若將電機用作風車中之發電機，則頓轉扭矩需為低的以允許發電機按非常低的風速旋轉。在較小電機(高至特定50至100Nm)之情況中，可藉由手動旋轉馬達而容易地注意到頓轉扭矩。

在調變之磁極電機(MPM)之背景中，頓轉扭矩量取决於許多種因素。即使存在用於減小頓轉扭矩之一些已知措施，但是頓轉減小經常增加電機之成本，此係因為設計將更複雜。添加成本及複雜性之方法之實例係使轉子及/或定子歪斜。因此需要減小調變之磁極電機之頓轉，同時避免電機複雜性及/或成本之增加。進一步需要提供一種可高效及低成本製造之電機。

此外，在許多應用中，需要減小反電動勢(反EMF)之諧波含量以減小扭矩漣波。因此，需提供一種機構，其允許減小頓轉扭矩及/或 減小反EMF之不需要的諧波含量。

根據第一態樣，本文揭示一種用於調變之磁極電機之定子之定子芯組件，調變之磁極電機包括定子及轉子，定子及轉子在轉子與定子之各自介面表面之間定義用於在定子與轉子之間傳送磁通量之氣隙，其中定子芯組件包括環形部分，複數個齒在徑向方向上從該環形部分朝向轉子延伸，齒沿著環形部分之圓周配置，各齒具有面向氣隙且經調適以允許磁通量經由氣隙在定子與轉子之間傳送之介面表面，各齒之介面表面在齒之圓周方向上定義齒跨度；其中定子芯組件包括具有第一齒跨度之至少第一子集之齒及具有不同於第一齒跨度之第二齒跨度之第二子集之齒。

因此，本文揭示允許顯著減小電機之頓轉扭矩之調變之磁極電機(MPM)之齒配置之實施例。本方法使用具有不同跨度之齒之組合而非使用其中電機之齒均具有相同大小及跨度之習知齒形。發明者已認識到不同齒跨度之組合允許減小頓轉扭矩減同時使反向電動勢(「反EMF」)之諧波含量保持相對較低。

可在不顯著增加所得電機之製造成本或複雜性的情況下製作定子組件之非均勻齒跨度。此外，無需修改轉子。

發明者進一步發現當調變之磁極電機之齒跨度不同以影響頓轉扭矩時，一些齒跨度減小相對於轉子之位置之頓轉扭矩之波形之特定諧波。此外，發現當齒跨度改變且諧波減小時，各自諧波之相亦改變，即頓轉扭矩之有效方向可能反向。因此，其中使有影響之頓轉扭矩諧波之相反向之齒跨度之組合引發此等諧波之消除及因此總體減小頓轉扭矩。此方法亦可以相同方式使用以減小電機之反EMF波形中諧波之效應。反EMF中之特定諧波亦隨齒跨度之改變而改變相及因此齒跨度可用於消除此等諧波。

因此，在一些實施例中，選擇第一子集及第二子集之齒跨度以造成僅具有第一齒跨度之齒之定子之頓轉扭矩或反EMF之至少一者之一或多個預定諧波主要相對於僅具有第二齒跨度之齒之定子之頓轉扭矩或反EMF之至少一者之對應一或多個預定諧波異相。將瞭解，在特定電機設計中，一些諧波可例如歸因於多相電機之不同相之效應而消除。然而，不管總體電機設計，頓轉扭矩及/或反EMF波形之一或多個諧波保持且因此可被視作主導諧波，其等仍需藉由如本文所述之不同齒跨度而減小或甚至消去。

在一些實施例中，第一子集之齒沿著圓周之第一區段配置且第二組之齒沿著不同於第一區段之圓周之第二區段配置。特定言之，環形定子芯組件被分為許多非重疊區段，其中各區段內之所有齒具有相同齒跨度且不同區段中之齒具有不同齒跨度。在一實施例中，定子芯組件被分為兩個此等區段。此一齒配置允許例如使用有限元素模型化更高效地模擬頓轉扭矩及/或反EMF及因此允許在各子集更可靠地選擇齒跨度及齒數。

在一些實施例中，第一子集及第二子集之各者之齒沿著定子芯組件之整個圓周分佈，即以交替型樣分佈：在一些實施例中，交替型樣沿著整個圓周可為均勻：舉例而言，一子集之各齒可具有另一子集之兩個齒作為鄰近齒或型樣可另外為週期式的，例如一個子集之兩個齒可與另一子集之單個齒交替。在其他實施例中，交替型樣可沿著圓周改變。特定言之，將瞭解，在其中第一子集及第二子集包括不同齒數之實施例中，交替型樣可能非均勻，例如可能存在圓周之一區段，其中子集之一者存在比另一子集更多之齒。各子集之齒沿著圓周之均勻或至少近似均勻分佈可導致沿著圓周之力之更均勻分佈。

在一些實施例中，選擇各自子集之齒跨度使得其等造成頓轉扭矩之不同特性，例如使得各自齒跨度之頓轉扭矩具有反向極性。在一 實施例中，第一子集之齒具有大於140°之齒跨度且其中第二子集之齒具有小於140°之齒跨度。舉例而言，第一子集之齒可具有介於110°與135°之間(例如115°與130°之間，諸如120°)之齒跨度，而第二子集之齒可具有介於145°與180°(例如，150°與175°之間，諸如170°)之齒跨度。在此及在下文中，除非另有明確陳述，否則角度將以電度表達即使得360°對應於完整電循環期間轉子之旋轉。電度等效於機械度除以磁極對數。

在一些實施例中，第一子集及第二子集包括相同數量之齒而在其他實施例中，第一子集之齒包括與第二子集之齒不同之齒數。特定言之，可分別基於僅具有第一齒跨度之齒之定子及僅具有第二齒跨度之齒之定子之頓轉扭矩及反EMF之至少一者之一或多個諧波之量值判定將包含在第一子集及第二子集之各自齒數。特定言之，當第一齒跨度之一或多個諧波之量值大於第二齒跨度之對應量值時，具有第二齒跨度之齒數可選擇為大於具有第一齒跨度之齒數。

大體上，可選擇第一子集及第二子集中之第一齒跨度及第二齒跨度之大小及各自齒數以例如藉由選擇齒跨度及齒數使得藉由各自齒數按比例調整之對應諧波之和被減小或甚至最小化而造成僅具有第一齒跨度之齒之定子之頓轉扭矩及反EMF之至少一者之一或多個預定諧波主要消除僅具有第二齒跨度之齒之定子之頓轉扭矩或反EMF之至少一者之對應一或多個預定諧波。各自諧波及/或其等之按比例調整和之量值可判定為其等之振幅、其等之能量含量及/或藉由波形之量值之另一適當量測判定。

將瞭解定子芯組件可包括超過兩個子集之齒，各子集包括各自齒數且各子集之齒具有不同於其他子集之齒跨度之各自齒跨度。舉例而言，定子芯組件可包括2個、3個、4個、5個或甚至更多個子集。

在一些實施例中，至少一些齒經定位使得其等具有不同之至其 等各自鄰近齒之節距距離，例如，至其等在一側上之鄰近齒之節距距離大於至其等在相對側上之鄰近齒之節距距離。發明者發現非均勻齒跨度及齒之間之可變節距距離之組合允許進一步減小頓轉扭矩及/或反EMF。兩個齒之間之節距距離可量測為齒之中心之間或齒之對應側壁之間之角距離，例如，量測為各齒之各自尾側壁之間或各齒之各自前側壁之間之距離。

在一些實施例中，定子芯組件進一步包括磁軛部分，其提供來自/至包括相同相之齒組之另一者之另一定子芯組件之主要軸向通量路徑。環形部分及磁軛部分在各自定子芯組件之鄰近齒(其等在運動方向上相對於彼此移位)之間提供通量路徑。磁軛部分可例如形成為凸緣，例如及從環形定子芯部分軸向突出之環形凸緣。

在一些實施例中，各齒包括各面向各自鄰近齒之前側壁及尾側壁，介面表面及側壁形成分別連接介面表面與前側壁及尾側壁之各自前邊緣及尾邊緣；其中齒之齒跨度定義為前邊緣與尾邊緣之間之距離。在一些實施例中，介面表面與轉子具有實質恆定距離。齒跨度可定義為介面表面之圓周範圍。在其中齒之介面表面之圓周範圍沿著軸向方向變化之實施例中，齒跨度可定義為圓周範圍除以齒之軸向寬度。或者，齒跨度可定義為齒之前側面與尾側面之間之角度。出於本描述之目的，可採用齒跨度之不同量測，只要針對所有齒使用齒跨度之相同量測。

本發明係關於不同態樣，其包含上文及下文中所述之定子芯組件、定子、調變之磁極電機及/或對應裝置、方法及/或產品，各產生結合上述態樣之一者或多者描述之益處及優點之一者或多者且各具有對應於結合其他態樣之一者或多者描述及/或在隨附申請專利範圍中揭示之實施例之一或多個實施例。

特定言之，本文揭示用於調變之磁極電機之定子之實施例，調 變之磁極電機包括定子及轉子，定子及轉子在轉子與定子之各自介面表面之間定義用於在定子與轉子之間傳送磁通量之氣隙，其中定子包括定子芯，該定子芯包括至少一環形部分，複數個齒在徑向方向上從該至少一環形部分朝向轉子延伸，齒沿著環形部分之圓周配置，各齒具有面向氣隙且經調適以允許磁通量經由氣隙在定子與轉子之間傳送之介面表面，各齒之介面表面在齒之圓周方向上定義齒跨度；其中定子芯包括具有第一齒跨度之至少第一子集之齒及具有不同於第一齒跨度之第二齒跨度之第二子集之齒。

定子芯可製造為單個組件或由多個組件製造。定子可包括環形芯背面，齒之各自圓周列在徑向方向上從該環形芯背面突出，其中齒之一者、一些或(諸)各列包括具有不同於彼此之各自第一齒跨度及第二齒跨度之第一子集之齒及第二子集之齒。在一些實施例中，定子芯包括如本文所述之兩個或更多個定子芯組件。定子之實施例包括與定子芯同軸配置且軸向配置在兩列齒之間之線圈。在多相電機中，定子芯包括超過兩列齒及超過一個線圈，各軸向夾入各自列之齒之間。

根據又另一態樣，本文揭示包括如上文及下文中所述之定子之調變之磁極電機之實施例。在一些實施例中，調變之磁極電機係TFM電機。TFM拓撲係具有超越習知電機之許多優點之調變之磁極電機之實例。在單側徑向通量定子中，單相線圈配置為平行於氣隙且大致U型磁軛組件圍繞線圈且原則上暴露面向氣隙之兩個平行列之齒。在一些實施例中，調變之磁極電機係具有兩個外相及一或多個中心相之多相電機。多相配置包含軸向(即，垂直於轉子之運動方向)堆疊之磁性分離單相單元。針對三相配置該等相隨後電偏移及磁偏移(通常達120°)以使操作平穩化及獨立於轉子之位置產生大致均勻力或扭矩。在一些實施例中，齒在氣隙與環形部分之間提供主要徑向通量路徑而環形部分提供連接至/來自齒之徑向通量路徑與至/來自(與相同定子或定子相 之定子芯組件一樣之)另一者之環形部分之軸向通量路徑之主要圓周通量路徑。

在調變之磁極電機之實施例中，定子係包括在軸向方向上並列配置之複數個相之多相定子，其中定子包括複數個組之齒，其中各組之齒沿著圓周方向分佈，其中複數個組之齒包括兩個周邊組及在軸向方向上配置於周邊組之間之複數個內組；其中在軸向方向上，內組之齒比周邊組之齒寬並提供由兩個鄰近相共用之共同磁通量路徑。各自組之齒配置為在運動方向上相對於其他組之齒移位。齒組之至少一者包括具有各自齒跨度之至少第一子集之齒及第二子集之齒。

在調變之磁極電機之實施例中，轉子包括在圓周方向上由轉子磁極片彼此分離之複數個永久磁鐵。轉子磁極片可形成為在軸向方向上長形之桿，例如，直線桿。複數個永久磁鐵可經配置使得沿著圓周方向之每第二個磁鐵在磁化方向上反向。藉此，各個別轉子磁極片僅與展示相同極性之磁鐵介接。大體上，永久磁鐵亦可為在軸向方向上長形之桿；桿可跨氣隙之軸向範圍延伸。

在一些實施例中，定子包括：第一定子芯組件，其係實質環形且包含複數個齒；第二定子芯組件，其係實質環形且包含複數個齒；線圈，其配置在第一圓形定子芯組件與第二圓形定子芯組件之間，其中第一定子芯組件、第二定子芯組件、線圈及轉子環繞由轉子之縱軸定義之共同幾何軸且其中第一定子芯組件及第二定子芯組件之複數個齒配置為朝向轉子突出；其中第二定子芯組件之齒相對於第一定子芯組件之齒圓周移位。兩個定子芯組件之齒因此可形成齒之各自圓周列，其中列由定子之線圈軸向分隔開及分離，線圈容納在齒列之間之圓周延伸間隙中。

本文所述之定子及/或定子芯組件之實施例可高效製造同時允許減小頓轉扭矩及反EMF之諧波含量之一者或兩者。特定言之，本文所 述之定子芯組件之實施例非常適於藉由粉末冶金(P/M)生產方法進行生產。因此，在一些實施例中，定子、定子芯組件及/或轉子之磁極片由軟磁材料(諸如軟磁粉)製成，藉此簡化調變之磁極電機之組件之製造及提供高效磁通量濃度，利用軟磁材料中之有效三維通量路徑之優點，其允許旋轉電機中之例如徑向、軸向及圓周通量路徑分量。

軟磁粉可為例如軟磁鐵粉或含Co或Ni或含其等成分之合金之粉末。軟磁粉可為實質純水霧化鐵粉或具有已塗佈有電絕緣之不規則形狀粒子之海綿鐵粉。在此背景中，術語「實質純」意指粉末應實質無夾雜物且雜質O、C及N量應保持在最小值。平均粒子大小大體上低於300μm及高於10μm。

但是，可使用任意軟磁金屬粉末或金屬合金粉末，只要軟磁性質足够且粉末適於模具壓實。

粉末粒子之電絕緣可由無機材料製成。尤其適合的係US 6348265(其以引用的方式併入本文中)揭示之絕緣類型，其涉及由具有絕緣含氧及磷阻障層之本質純鐵組成之基質粉末之粒子。具有絕緣粒子之粉末可以可購自瑞典Höganäs AB之Somaloy® 500、Somaloy® 550或Somaloy® 700之形式獲得。

因此可藉由在適當壓實工具(諸如使用所謂成形模具之工具)中從軟磁粉壓實磁極片或定子芯組件而高效實施磁極片、定子及/或定子芯組件之成形。

應瞭解氣隙通常充滿空氣。但是，熟練技工將瞭解氣隙可充滿除空氣外之另一氣體。然而，為了本描述之目的，定子與轉子之間之空隙將被稱作氣隙而不管空隙充滿哪種氣體。

10‧‧‧定子

10a‧‧‧定子相/定子相組件

10b‧‧‧定子相/定子相組件

10c‧‧‧定子相/定子相組件

12‧‧‧轉子

14‧‧‧定子芯組件

14a‧‧‧定子組件對

14b‧‧‧定子組件對

14c‧‧‧定子組件對

14"‧‧‧第一定子芯組件

14'''‧‧‧第一定子芯組件

16‧‧‧定子芯組件

16a‧‧‧定子組件對

16b‧‧‧定子組件對

16c‧‧‧定子組件對

16'‧‧‧第二定子芯組件

16"‧‧‧第二定子芯組件

18‧‧‧圓周凸緣

20‧‧‧線圈

20a‧‧‧中心線圈

20b‧‧‧中心線圈

20c‧‧‧中心線圈

22‧‧‧區段/永磁材料/永久磁鐵

23‧‧‧磁軛區段

24‧‧‧區段/轉子磁極片

26'‧‧‧齒

26'''‧‧‧齒

27‧‧‧齒

28‧‧‧齒

29‧‧‧定子芯背面區段/環形定子芯部分

30‧‧‧轉子

102‧‧‧齒

102a‧‧‧齒

102b‧‧‧齒

102c‧‧‧齒

102-1‧‧‧齒

102-2‧‧‧齒

160‧‧‧內邊緣

221‧‧‧連接線

231‧‧‧線通道

232‧‧‧指引突部

261‧‧‧環形部

261-1‧‧‧第一區段

261-2‧‧‧第二區段

262‧‧‧介面表面

263‧‧‧邊緣

266‧‧‧側面

501‧‧‧邊界

601‧‧‧曲線

602‧‧‧曲線

603‧‧‧曲線

Sp‧‧‧磁極跨度

St‧‧‧齒跨度

P‧‧‧節距距離

PL‧‧‧節距距離

PR‧‧‧節距距離

本發明之上述及/或額外目標、特徵及優點將參考附圖藉由本發明之實施例之下文說明性及非限制性詳細描述而進一步闡明，其中： 圖1a及圖1b展示單相調變之磁極電機之實例。

圖2a及圖2b展示用於調變之磁極電機的定子之實例之示意圖。

圖3a及圖3b展示三相調變之磁極電機，其包括定子，該定子具有三組定子組件對，各固持一個圓周線圈。

圖4展示調變之磁極電機之定子及轉子之實例之一部之放大圖。

圖5展示定子芯組件之實例之側視圖。

圖6展示繪示調變之磁極電機之各自實例之頓轉扭矩之圖形。

圖7繪示其中鄰近齒之間之節距距離變化之定子。

圖8展示具有組合相之三相調變之磁極電機之實例之定子10及轉子12。

在下文描述中，參考附圖，其等經由闡釋展示可如何實踐本發明。

圖1繪示調變之磁極電機之實例。特定言之，圖1展示單相之主動式部分，例如，單相電機或多相電機之一相。圖1a展示包含定子10及轉子30之電機之主動式部分之透視圖。圖1b展示電機之一部分之放大圖。圖2繪示圖1之調變之磁極電機之定子10之實例。特定言之，圖2a展示定子10之分解圖，其繪示兩個定子芯組件14、16及線圈20。圖2b展示定子10之剖視圖。

電機包括定子10，該定子10包括磁性饋送由軟磁定子芯結構形成之多個齒102之中心單線圈20。雖然在其他常見電機結構中，線圈係圍繞定子芯之個別齒形成，但是圖1之定子之線圈20夾入定子芯之齒之間。更特定言之，圖1及圖2之調變之磁極電機包括：兩個定子芯組件14、16，各包含複數個齒102且實質環形；線圈20，其配置在第一環形定子芯組件與第二環形定子芯組件之間；及轉子30，其包含複數個永久磁鐵22。此外，定子芯組件14、16、線圈20及轉子30環繞共 同幾何軸且兩個定子芯組件14、16之複數個齒102配置為朝向轉子30突出用於形成閉路通量路徑。兩個定子芯組件14、16之定子齒相對於彼此圓周移位。

各定子芯組件包括環形部261及圓周凸緣18，形成在兩個定子芯組件之圓周移位齒之間提供軸向通量路徑之通量橋或磁軛組件。各定子芯組件14、16可形成為環形碟，具有由環形部261之徑向內邊緣160定義之中心、實質圓形開口。內邊緣160與齒102之間之環形部分261提供通量路徑及容納線圈20之圓周腔之側壁。圓周凸緣18位於內邊緣上或其附近。在經裝配之定子中，圓周凸緣18配置在定子芯組件之內側上，即，面向線圈20及另一定子芯組件之側上。

在圖1及圖2之電機中，定子齒在徑向向外方向上朝向圍繞定子之轉子突出。但是，定子可同樣好地相對於轉子放置在外部且定子齒徑向向內延伸，即本文所述之轉子及定子之實施例可用於在內轉子電機及外轉子電機中。

主動式轉子結構30構建自偶數個區段22、24，其中區段(亦被稱作轉子磁極片24)之一半數量由軟磁材料製成且區段之另一半數量由永磁材料22製成。此等區段可生產為個別組件。永久磁鐵22經配置使得永久磁鐵之磁化方向係實質圓周的，即北磁極及南磁極分別面向實質圓周方向。此外，按圓周計數的每第二個永久磁鐵22配置為使其磁化方向在相對於其鄰近永久磁鐵的相反方向上。電機結構中之軟磁極片24之磁功能性係完全三維的且各軟磁極片24能够高效攜載在所有三個空間方向上具有高磁導率之不同磁通量。

轉子30及定子10之設計具有實現來自永久磁鐵22之通量濃度使得面向定子10之齒之轉子30之表面可呈現從鄰近永久磁鐵22之兩者至面向齒之表面之總磁通量之優點。通量濃度可被視作面向各磁極片24之永久磁鐵22之面積除以面向齒之面積之函數。特定言之，歸因於齒 之圓周位移，面向磁極片之齒導致僅部分跨磁極片之軸向範圍延伸之主動式氣隙。然而，來自永久磁鐵之整個軸向範圍之磁通量在磁極片中朝向主動式氣隙軸向及徑向引導。各磁極片24之此等通量濃度性質使得可使用弱的低成本永久磁鐵作為轉子中之永久磁鐵22並使得可達成非常高的氣隙通量密度。可藉由由磁粉製成實現有效的三維通量路徑之磁極片促進通量濃度。此外，該設計亦使得可比對應類型之電機更高效地使用磁鐵。

定子10包括兩個相同定子芯組件14、16，各包括許多齒102；但是，在替代實施例中，定子可裝配自具有不同形狀之定子芯組件。各定子芯組件由軟磁粉(其在衝壓工具中壓實為一片)製成。當定子芯組件具有相同形狀時，其等可在相同工具中衝壓。兩個定子芯組件隨後在第二操作中接合且一起形成具有徑向延伸之定子芯齒之定子芯，其中一定子芯組件之齒相對於另一定子芯組件之齒軸向及圓周移位。

齒102之各者具有面向氣隙之介面表面262。在電機操作期間，磁通量經由氣隙傳送穿過介面表面262並穿過轉子之磁極片之對應介面表面。介面表面262在圓周方向上(即沿著轉子之運動方向)由邊緣263定界。邊緣263連接介面表面262與面向鄰近齒之齒之各自側面266。

如圖2a中所繪示，線圈20具有用於提供電流至線圈之兩個連接線221。連接線可在不同圓周及/或徑向位置上連接至線圈。定子芯組件14、16提供有長形凹部，其形成沿著各定子芯組件之內側徑向延伸之線通道231以允許沿著線圈徑向饋送線之至少一者及允許在實質相同位置上遠離線圈軸向饋送兩個線。在圖2a之實例中，定子芯組件進一步提供有指引突部232，例如作為凸緣18之部分，其經成形及定大小以部分插入另一定子組件之線通道中以在裝配期間促進兩個定子芯組件相對於彼此適當對準。但是，將瞭解定子芯組件之其他實施例可不 提供線通道或可提供有不同線通道及/或不提供指引特徵或提供有不同指引特徵。

單相定子10可用作如圖1及圖2中所繪示之單相電機之定子及/或用作多相電機之一相，例如作為圖3之電機之定子相10a至10c之一者。

特定言之，圖3a繪示三相調變之磁極電機之實例而圖3b展示圖3a之電機之定子之實例。電機包括定子10及轉子30。定子10含有各如結合圖1及圖2所述之三個定子相組件10a、10b、10c。特定言之，各定子相組件分別包括各自定子組件對14a、16a；14b、16b；及14c、16c，各分別固持一圓周線圈20a至20c。

因此，如在圖1及圖2之實例中，圖3之各電調變之磁極電機定子相組件10a至10c包括中心線圈20a至20c，例如單線圈，其磁性饋送由軟磁芯結構形成之多個齒102。更特定言之，所示電調變之磁極電機之各定子相10a至10c包括兩個定子芯組件14，各包含複數個齒102且係實質環形的，線圈20配置在第一圓形定子芯組件與第二圓形定子芯組件之間。此外，各定子相之定子芯組件14及線圈20環繞共同軸且定子芯組件14之複數個齒102配置為徑向向外突出。在圖3之實例中，轉子30配置為與定子10同軸且環繞定子以在定子之齒102及轉子之間形成氣隙。轉子可如結合圖1及圖2所述提供為交替之永久磁鐵22及磁極片24但跨所有定子相組件軸向延伸，即提供單個轉子結構伺服所有三個相。但是，將瞭解在其他實施例中，轉子可提供為三個分離圓柱形轉子，其等配置為從彼此軸向延伸。在又其他實施例中，轉子組件(例如，永久磁鐵22)之一些或所有可提供為一系列較短組件，各僅具有單相之軸向範圍。

結合圖1至圖3所述之定子之實施例具有無所謂爪之齒。但是，可添加小爪而不增加工具成本且仍改良馬達效能。

圖3之定子之相由分離定子芯組件組成。但是，在替代實施例中，鄰近相之定子芯可組合為相同組件，例如，如在WO 2011/033106(其完整內容以引用的方式併入本文中)所述。

圖4展示調變之磁極電機之定子及轉子之實例之一部之放大圖。特定言之，圖4繪示兩個定子芯組件之一者之兩個鄰近齒102a，以及相同定子芯或相同定子芯相之兩個定子芯組件之另一者之齒102b。圖4進一步展示轉子30之一部。轉子包括永久磁鐵22及磁極片24。各齒具有在圓周方向上由齒之介面表面262與各自側壁266之間之邊緣263定界之介面表面262。介面表面之圓周範圍定義齒之齒跨度St。齒跨度可表達為長度，例如以mm計。或者，如圖4中所繪示，齒跨度可方便地以電度表達，即作為相對於對應於完整電循環之角度之一角度。如圖4中所繪示，完整電循環對應於360°。類似於齒跨度，各磁極片24在圓周方向上之範圍定義磁極跨度Sp。

可藉由改變齒跨度同時使相同磁鐵厚度(即，永久磁鐵22之圓周範圍)及因此磁極跨度恆定而改變磁極跨度對齒跨度之比率。與改變磁鐵厚度不同，改變齒跨度對基本反EMF之量值的影響較小且因此係調諧諧波之更加可預測方式。

圖4進一步繪示齒102a之間之節距距離P，其在此量測為齒之各自中心之間之距離。或者，節距可量測為面向齒102a之相同方向之各自側面之間之距離。

圖5展示定子芯組件之實例之側視圖。圖5之定子芯組件類似於圖1及圖2所示之定子芯組件之處在於其包括環形部分261，齒102-1、102-2從該環形部分261徑向向外延伸。齒圍繞環形部分261之外圓周分佈。環形部分261包括第一區段261-1及第二區段261-2，其等一起形成完整環。第一區段與第二區段之間之邊界在圖5中由虛線501繪示。延伸自第一區段261-1之齒102-1具有第一齒跨度而第二區段261-2 中之齒102-2具有第二不同齒跨度。在圖5之實例中，在延伸自第二區段261-2之齒102-2之子集中存在比延伸自第一區段261-1之齒102-1之子集中少的齒。

圖6展示來自如本文所述之調變之磁極電機之實例之有限元素模擬之結果。特定言之，圖6展示以Nm計之頓轉扭矩，其作為類似於圖3之電機但具有48個磁極且具有不同齒跨度之三相電機之以電度計之轉子角度之函數。曲線601展示具有120°之均勻齒跨度之電機之頓轉扭矩而曲線602展示170°之均勻齒跨度之頓轉扭矩。最後，曲線603展示具有14個齒(其具有170°齒跨度)及10個齒(其具有120°齒跨度)之電機之頓轉扭矩。

如圖6中可見，120°齒跨度(曲線602)及170°齒跨度(曲線601)之兩個頓轉扭矩彼此反相。因此，由於電機之頓轉扭矩由所有24個齒之和組成，故兩個齒跨度之組合消除頓轉扭矩。因此，如圖6中可見，具有不同齒跨度(曲線603)之電機之頓轉扭矩顯著減小。

發明者進一步發現不同齒跨度之組合進一步減小電機之反EMF波形中諧波之效應。反EMF中之特定諧波亦隨齒跨度之改變而改變相且因此齒跨度可用於消除此等諧波。

由於齒跨度之大小係連續值及由於不同齒跨度之子集數及各子集中之齒數可能不同，故實際上存在大量齒跨度之可行組合且對於電機設計，熟練技工將能够找到用於減小頓轉扭矩、諧波含量或用於在兩者之間最佳折衷之最佳組合。特定言之，在電機設計期間，可使用有限元素分析之已知技術模擬不同齒跨度之效應。

在一些情況中，即使不同齒跨度之間之力變化係低的，具有不同齒跨度可能引發電機中之不平衡力。然而，若特定設計之力差異變高，則具有各齒跨度之齒可圍繞電機之周邊分佈以將力消除。

圖7繪示定子之定子芯組件14，其中鄰近齒之間之節距距離變化 (一種亦被稱作變化節距之方法)。特定言之，各齒102b至其左鄰近齒102a之節距距離PL與至其右鄰近齒102c之節距距離PR不同。但是，對於所有齒，至右及左之下一鄰近齒之距離恆定且均勻，即對於各齒，PL+PR=360°之和係相同的。

已證明不同齒跨度及不同節距距離之組合提供頓轉扭矩及反EMF之諧波含量之進一步減小。

已藉由類似於圖3中所示之電機之三相電機之有限元素分析同時研究改變齒之齒跨度及變化節距。此分析已展示兩種方法減小反EMF之諧波含量及頓轉扭矩。表1總結不同齒跨度及變化節距之一些組合。

所有變化節距情況減小反EMF波形之總諧波失真(THD)；三相電機之內相受到最大影響，此係因為其具有較高第七諧波含量，其在本實施例中變化節距旨在將其移除。

改變齒跨度亦影響THD，但亦可顯著減小頓轉扭矩。因此可針對給定電機設計，判定解决方案之最佳組合。但是，強調諧波含量或頓轉扭矩將係完全應用特定的。

第一行展示針對具有恆定節距及恆定齒跨度之電機之結果。第二行展示針對具有不同齒跨度但具有恆定節距之電機之對應結果。第三行及第四行展示針對具有不同節距(旨在減小反EMF中之第七個諧波)之電機但針對各自恆定齒跨度之結果，而最後一行展示針對齒跨度及節距兩者變化之電機之結果。最後一行中之跨度之組合係十個170°之齒、四個150°之齒及十個140°之齒。

在所有情況中，三相電機之內相仍展示較高THD，此被發現係大體上歸因於齒跨度增加內相之第五個諧波含量。可更有用的是變化節距以減小第六個諧波，其將抑制第五個及第七個諧波兩者並可展示THD之改良。

因此已描述允許調變之磁極電機具有諧波含量低之反EMF同時亦具有低頓轉扭矩之方法。

圖8展示具有組合相之三相調變之磁極電機之實例之定子10及轉子12。具有'之參考數字指的是第一相之特徵，"指的是第二相之特徵且'''指的是第三相之特徵。定子10包括三相，其中各相包括線圈20、第一定子芯組件14及第二定子芯組件16。展示一轉子12，其圍封定子10。轉子12包括沿著整個定子10延伸之永久磁鐵22及轉子磁極區段24。可提供其上安裝定子之軸(未展示)。各定子芯組件14、16之形狀係本質圓形的且包含定子芯背面區段29及從定子芯背面區段延伸之複數個徑向延伸齒。齒配置為朝向轉子12向外延伸以與轉子12形成閉路通量路徑。環形定子芯部分29在圓周方向上連接齒。定子芯組件進一 步包括磁軛區段23，其從環形定子芯部分29朝向鄰近定子芯組件軸向延伸以提供軸向通量橋。

相1之第二定子芯組件16'及相2之第一定子芯組件14"配置為一單元，即，組合定子芯組件，藉此相1及相2共用定子芯組件。因此，組合相單元之齒27配置為在相1與相2之間共用，藉此相2之第一定子區段14"之齒組及相1之第二定子芯組件16'之齒組形成為一個單元。

組合相單元之齒28配置為在相2與相3之間共用，藉此相3之第一定子區段14'''之齒組及相2之第二定子芯組件16"之齒組形成為一個單元。

定子10之各末端上之齒26未在兩個相之間共用且因此齒26'僅屬於相1且齒26'''僅屬於相3。此外，周邊相1及3之齒26'及26'''定義定子之主動式氣隙區域之軸向範圍，其分別在齒26'與26'''之周邊邊緣之間軸向延伸。永久磁鐵22及磁極區段24跨整個主動式氣隙區域(即在面向轉子之齒26'及26'''之表面之軸向外邊緣之間)軸向延伸。

各組齒26'、27、28及26'''之齒分別可配置為如本文所述在圓周方向上具有各自齒跨度之齒之兩個或更多個子集。此外，齒之間之節距可不同。或者，僅一個或一些相單元之齒跨度及/或節距可不同。

雖然已詳細描述及展示一些實施例，但是本發明不限於其等，而是亦可在下文申請專利範圍定義之標的之範疇內以其他方式具體體現。特定言之，應瞭解可利用其他實施例，且可進行結構及功能修改而不脫離本發明之範疇。

本文所揭示之本發明之實施例可用於電動腳踏車或其他電驅動車輛(特定言之輕重量車輛)之直接輪驅動馬達。此等應用可能強加對高扭矩、相對低速度及低成本之需求。可藉由如本文所述之馬達滿足此等需求。

在例舉數個構件之裝置請求項中，可藉由同一項目之硬體具體 體現數個此等構件。某些措施敘述在相互不同的申請專利範圍附屬項或描述在不同實施例中，但僅就此事實，並不指示此等措施之組合不能用以更具有優越性。

應強調術語「包括(comprises/comprising)」在本說明書中使用時被視作指定所陳述特徵、整體、步驟或組件之存在但不排除一個或更多個其他特徵、整體、步驟、組件或其等之群組之存在或添加。

14‧‧‧定子芯組件

102-1‧‧‧齒

102-2‧‧‧齒

261-1‧‧‧第一區段

261-2‧‧‧第二區段

501‧‧‧邊界

Claims (15)

1. 一種用於一調變之磁極電機之一定子之定子芯組件，該調變之磁極電機包括該定子及一轉子，該定子及該轉子在該轉子與該定子之各自介面表面之間定義用於在該定子與該轉子之間傳送磁通量之一氣隙，其中該定子芯組件包括一環形部分，複數個齒在徑向方向上從該環形部分朝向該轉子延伸，該等齒沿著該環形部分之一圓周配置，各齒具有面向該氣隙且經調適以允許磁通量經由該氣隙在該定子與該轉子之間傳送之一介面表面，各齒之該介面表面在該齒之該圓周方向上定義一齒跨度；其中該定子芯組件包括具有一第一齒跨度之至少一第一子集之齒及具有不同於該第一齒跨度之一第二齒跨度之一第二子集之齒。
2. 如請求項1之定子芯組件，其中該第一子集之齒以一交替型樣配置。
3. 如請求項1或2之定子芯組件，其中該等齒之至少一些經定位使得其等具有不同之至其等各自鄰近齒之節距距離。
4. 如請求項1或2之定子芯組件，其中選擇該第一齒跨度及該第二齒跨度以造成不同頓轉扭矩波形。
5. 如請求項1或2之定子芯組件，其中該第一子集之齒包括與該第二子集之齒不同之齒數。
6. 如請求項1或2之定子芯組件，其中該定子芯組件由軟磁粉製成。
7. 一種用於一調變之磁極電機的定子，該調變之磁極電機包括該定子及一轉子，該定子及該轉子在該轉子與該定子之各自介面表面之間定義用於在該定子與該轉子之間傳送磁通量之一氣隙，其中該定子包括定子芯，該定子芯包括至少一環形部分， 複數個齒在徑向方向上從該至少一環形部分朝向該轉子延伸，該等齒沿著該環形部分之一圓周配置，各齒具有面向該氣隙且經調適以允許磁通量經由該氣隙在該定子與該轉子之間傳送之一介面表面，各齒之該介面表面在該齒之該圓周方向上定義一齒跨度；其中該定子芯包括具有一第一齒跨度之至少一第一子集之齒及具有不同於該第一齒跨度之一第二齒跨度之一第二子集之齒。
8. 如請求項7之定子，其中該定子芯包括如請求項1至6中任一項中定義之兩個定子芯組件，其等在軸向方向上並列配置，其中該等定子芯組件之該等齒在該圓周方向上相對於彼此移位。
9. 如請求項8之定子，其包括一線圈，該線圈配置在該等定子芯組件之間。
10. 如請求項9之定子，其中該等齒之各者包括一底座部分及從該齒朝向該線圈延伸之一爪構件，其中該爪部分定義該介面表面。
11. 一種調變之磁極電機，其包括如請求項7至10中任一項所定義之一定子、一轉子及在該轉子與該定子之各自介面表面之間用於在該定子與該轉子之間傳送磁通量之一氣隙，該轉子經調適以在一運動方向上相對於該定子移動。
12. 如請求項11之調變之磁極電機，其中該轉子經組態以產生一轉子磁場以與該定子之一定子磁場相互作用，該轉子包括在該轉子之該圓周方向上磁化以產生該轉子磁場之複數個永久磁鐵，該等永久磁鐵在該轉子之該圓周方向上藉由軸向延伸之轉子磁極片彼此分離以用於在至少一徑向及一軸向方向上引導由該等永久磁鐵產生之該轉子磁場。
13. 如請求項11或12之調變之磁極電機，其中該定子及/或該轉子提供包含該軸向方向上之一通量路徑分量之三維(3D)通量路徑。
14. 如請求項11或12之調變之磁極電機，其中該調變之磁極電機係具有兩個外相及一或多個中心相之一多相電機。
15. 如請求項11或12之調變之磁極電機，其中該等轉子磁極片各具有在該圓周方向上之一磁極跨度；其中該第一子集之齒具有大於該磁極跨度之一齒跨度且其中該第二子集之齒具有小於該磁極跨度之一齒跨度。