可變扭力電動機的製作方法
2023-06-20 09:54:01 1
專利名稱：可變扭力電動機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可變扭力電動機。
電動機是電動自行車或電動機車等電動車的核心，電動機所能提供的扭力大小，決定電動車的加速性與爬坡的能力；為使電動車自靜止起動時能加速迅捷，且能順應上坡地形，通常希望電動機在低轉速時能提供大的扭力。
在理想情況下，電動機的輸入能量應等於電動機的轉速乘以扭力；換言之，理論上可於起步或上坡時降低電動機轉速以增大扭力，而遇平坦路面或下坡時，再減小扭力以提高轉速。但是，電動機實際運轉時並非遵循上述線性反比的關係，而取決於轉換效率最佳的運行範圍，若所選用電動機的能量轉換效率最佳範圍是在轉速較高段，則即便輸入大量電能並強制降低電動機轉速，也將因伴隨的能量嚴重耗損而徒使電動機無謂發熱，這不僅無法如同所期望的那樣大幅度提高扭力以符合需求，反而會造成電動機壽命減損。反之，若為適應前述需求而選擇能量轉換效率最佳處在低轉速段，並同時提供大扭力的電動機，則電動車將陷入僅適宜低速行駛而不易提高行車速度的窘境；即使強制增大電能輸入，也將因遠離轉換效率最佳的運行範圍而大幅降低電動機的能量轉換效率，這樣即使勉強提高車速，也將因過度浪費電能而導致電動車的續航力降低。
這種兩難困境無疑已經成為電動車界急等解決的課題。但是在許多情況下卻不斷陷入增大電動機功率、增加電瓶容量而導致車重與成本大幅度增高、效能依然不理想的惡性循環中。由此開發出的電動機車，其重量高達一百二十五公斤，價格居高不下，但無論爬坡性能、續航力均遠遜於任一汽油發動機機車。尤其當電動車自靜止狀態啟動時，若操控電門過小，電動機出力不足以加速；騎乘者被迫加大電門後，不僅電動機扭力上升造成電動車加速，而且電動機轉速隨扭力同步上升，導致電動車爆衝，由於目前電動自行車與機車甚至電動滑板車的騎乘者多為老弱婦孺，這種情況無疑嚴重影響騎乘者的安全。
因此，本實用新型的一個目的在於提供一種可變扭力電動機，使能適應不同操作環境需求而變化其扭力與轉速。
本實用新型的另一目的在於提供一種扭力是受一外加調控電流控制的可變扭力電動機。
本實用新型的再一目的在於提供一種可隨車速自動回饋控制電動機扭力及轉速的電動車。
依據上述的目的，本實用新型可變扭力電動機的特點是於電動機上增加一可受外加控制電流控制的調整線圈，對應於所述外加控制電流流向產生一與電動機內磁場大致平行的調控磁場，以增減電動機原有內磁場強度，從而變化電動機轉子的輸出扭力。
採用本實用新型的上述方案的可變扭力電動機，由於可相應於外加控制電流控制電動機內磁場強度來有效控制電動機轉子的輸出扭力，因此將它應用於滑板車可提高良好的剎車能力，並降低使用成本和獲得可靠的使用安全性。
下面通過較佳實施例及附圖對本實用新型的可變扭力電動機進行詳細說明，附圖中
圖1是本實用新型第一較佳實施例的可變扭力電動機的立體示意圖；圖2是本實用新型第一較佳實施例未使用調整線圈時，電動機的內磁場狀態示意圖；圖3是本實用新型第一較佳實施例使用調整線圈並輸入一正調控電流時，電動機的內磁場狀態示意圖；圖4是本實用新型第一較佳實施例使用調整線圈並輸入一負調控電流時，電動機的內磁場狀態的示意圖；圖5是本實用新型第二較佳實施例的可變扭力的立體示意圖；圖6是本實用新型第二較佳實施例的電源開啟時，轉子上的第一組線圈產生一電磁場狀態的示意圖；圖7是本實用新型第二較佳實施例的電源開啟時，轉子上的調整線圈產生一電磁場狀態示意圖；圖8是本實用新型第二較佳實施例的二電源開啟，並且其中一電源輸出一正調控電流時，轉子上調整線圈產生的調控磁場方向與內磁場方向的狀態示意圖；圖9是本實用新型第二較佳實施例的二電源開啟，並且其中一電源輸出一正調控電流時，轉子上固定線圈產生的調控磁場方向與內磁場方向的狀態示意圖；圖10是本實用新型第二較佳實施例的二電源開啟，並且其中一電源輸出一負調控電流時，轉子上調整線圈產生的調控磁場方向與內磁場方向的狀態示意圖；圖11是本實用新型第二較佳實施例的二電源開啟，並且其中一電源輸出一負調控電流時，轉子上固定線圈產生的調控磁場方向與內磁場方向的狀態示意圖12是本實用新型第三較佳實施例的可變扭力電動機的正面示意圖；圖13是本實用新型第三較佳實施例的側面示意圖；圖14是本實用新型第四較佳實施例的可變扭力電動機的立體示意圖。
請參閱圖1及圖3，圖中示出本實用新型第一較佳實施例的立體示意圖。本實施例的可變扭力電動機1包含一外殼10，設置於外殼10內、用以形成一內磁場17的一組永久磁鐵(在本實施例中為二塊)11，各所述永久磁鐵11是按其各磁極沿穿經其直徑並同向排列的方向分別設置於所述外殼10內壁的相對側上，及一設置於所述內磁場17繞電動機1軸線轉動的轉子12；於各永久磁鐵11表面橫向繞設一第二線圈(在本例中稱為調整線圈)13，各調整線圈13的兩線端分別連接至一電源2；所述轉子12中間穿設一轉軸14，於所述轉軸14的一端141固定有一與另一電源3導接的電刷15，所述轉子12上繞設有一第一線圈(在本例中稱為固定線圈)16，其兩線端分別固定至電刷15的弧形刷板151、152上。當此一電動機被使用在諸如電動機車上，並經由其電門將電動機1以一般程序啟動時，如圖1及圖2所示，電源3輸出一啟動電流經由電刷15流入固定線圈16，從而產生一電磁場，當其兩極分別與內磁場17的兩極產生相互吸引及推斥作用，所形成的轉矩使轉子12開始轉動，因轉子12旋轉時，固定線圈16固定在電刷15上的兩線端隨著弧形刷板151、152的轉動不斷輪流對換接觸電源3的兩電極，使輸入固定線圈16的電流及所產生的電磁場方向隨之不斷改變，而保持與內磁場相互吸斥作用的轉矩方向不變，使轉子12持續同向轉動，再由轉軸14的另一端142輸出扭力以驅動所述機車運轉。
接著，請參照圖3及圖4，如圖所示，當電動機的輸出扭力不符合需求而欲改變其扭力時，則啟動電源2，輸出一控制電流至各繞設於永久磁鐵11上的調整線圈13，各調整線圈13在永久磁鐵11上產生一與內磁場17平行的調控磁場18；如圖3所示，若控制所述輸入的控制電流為正電流時，則所述調控磁場18方向與內磁場17同向，使電動機內磁場強度增強為其兩者之和，轉子12上的固定線圈16切割內磁場的較多磁力線而形成一較高的反電勢，轉子12受較強的反向抵抗使轉速降低，從而輸出扭力提高。反之，如圖4所示，當輸入的控制電流為負電流時，所述調控磁場18方向與內磁場17反向，削減了內磁場17的磁力線密度，使轉子12上的固定線圈16切割磁力線減少，反電勢減弱，從而轉子12轉速提高而輸出扭力相對減少。
當電動機車起步或上坡時，需要電動機輸出一較高扭力，則一裝設於機車內的回授控制電路可檢測機車速度並傳送一控制信號開啟電源2，使輸出一正控制電流至調整線圈13，則電動機轉速降低、輸出扭力額外增大，使機車能以一較緩速度起步並具有足夠扭力行駛於爬坡路面，不僅提高加速及爬坡能力，同時還減少爆衝狀況的危險；而當機車行走於平坦路段時，所述回授控制電路檢測車速，並控制電源2輸出一負控制電流至調整線圈13，使電動機轉速升高並降低其輸出扭力，則機車即能以一較高轉速行駛，而無須浪費過多電能。
上述實施例僅例舉利用繞設在永久磁鐵11上的調整線圈13，並配合一控制所述調整線圈13磁場方向的控制電流來調整電動機內磁場17的磁場強度，使其輸出扭力得到改變；當然，熟悉本技術的人可以容易理解到，調整線圈13並非一定繞設在所述等永久磁鐵11上，而只要能產生具有與內磁場17平行的分量、從而增強(或減弱)內磁場17強度的一調控磁場即可。此外，電動機內的永久磁鐵不限於二塊，彼此擺設位置也非必須恰好相對，而二塊永久磁鐵相對設置的方式確實具有較佳效果，故本較佳實施例採用此種架構說明，但並非是限制本實用新型。
請參照圖5，如圖所示，為本實用新型的第二實施例。與第一實施例的不同處在於電動機4的轉子42上繞設有兩組線圈43、46，位於轉子42徑向表面421上的部分彼此相互垂直，而在沿電動機4軸向的線圈43、46，彼此的截面也相互垂直，使得對所述二組線圈43、46分別通入電流後，產生的磁場彼此垂直。設於轉子42的轉軸44上的電刷47被分隔成四個彼此絕緣的獨立區塊471，472，473，474，線圈46的兩線端分別固定至區塊471、473，線圈43的兩線端則分別固定至區塊472、474；為說明起見，在此靜止時刻，區塊471、473分別經由一觸接板81，83與一電源5導接，區塊472、474也分別經由一觸接板82，84與另一電源6導接。
當電動機4被使用在電動機車上，騎乘者開啟電門將電動機4啟動，電源5開啟並輸出一啟動電流，如圖5至圖7所示，轉子42相對永久磁鐵41旋轉，所述啟動電流經由觸接板81，83、電刷47的區塊471、473輸入線圈46，使線圈46產生大致垂直所述內磁場的一磁場，並造成轉子42旋轉，一旦旋轉四分之一周後，則觸接板81，83改與區塊472、474導通，啟動電流如此交替流入線圈43與線圈46中，而產生如圖6及圖7所示的電磁場，並不斷受到內磁場的吸斥作用，使轉子持續旋轉而輸出扭力。
同前所述原理，當電動機4遵循一般程序輸出的扭力不符合需求而需改變時，可藉助諸如車速的回饋控制，而以一調控程序開啟電源6輸出一調控電流。為說明起見，假定此時觸接板81，83仍處於如圖5所示與區塊471、473導通位置，則相對觸接板82，84便與區塊472、474導通，而將電源6輸出的調控電流輸入線圈43，此時線圈43起著調整線圈作用，根據安培右手定則，如圖8所示，線圈43產生一調控磁場49，其具有大致與內磁場48平行的分量，此時，線圈46是作為固定線圈；同理，當轉子42再轉四分之一周後，如圖9所示，調控電流(電源6)改流入區塊471、473，來自電源5的啟動電流則流入區塊472、474，此時，線圈46改變成起調整線圈作用而產生一與內磁場48平行的調控磁場49，而線圈43則換做為固定線圈。
在本實施例中，當轉子42相對永久磁鐵41轉動時，線圈43與線圈46輪流產生具有與內磁場48平行分量的一調控磁場49；若欲提高電動機輸出扭力時，則控制電源4輸出一正調控電流，所產生的調控磁場49與內磁場48同向，以增加內磁場磁力線分布，使固定線圈(43或36)切割磁力線增多而反電勢增大，則轉子的轉速降低及輸出扭力變大，這適宜起步或爬坡行駛狀態。反之，如圖10、11所示，欲降低電動機輸出扭力時，則控制電源6輸出一負調控電流，則調控磁場49與內磁場48反向，減少轉子的固定線圈(43或46)切割內磁場磁力線產生的反電勢，轉子42的輸出轉速增大而扭力自然變小以適宜高速行駛狀態。值得一提的是，為維持轉子42旋轉所需的內磁場強度，用以形成調控磁場49的調控電流遠小於前述啟動電流，甚至僅達啟動電流的1/6左右，故此種調控並未明顯增加能量消耗。
當將本實施例應用在電動機車上，在電動機車起步或上坡時，一裝設於機車內的回授控制電路檢測機車車速，並傳送一控制信號控制電源6，使輸出一正調控電流至電動機電刷47上，使線圈43與線圈46輪流起到提供轉子轉矩、以及產生增強內磁場的調控磁場的作用，則電動機轉速降低、輸出扭力增大，機車即能以一較緩速度起步而不致爆衝，並以足夠扭力爬行於上坡路面；當機車遇平坦路段時，所述回授控制電路檢測車速，並適時控制電源6輸出一負控制電流至電動機電刷47，使調控磁場與內磁場反向，進而相對提高轉速、降低電動機輸出扭力，以供機車以一較高速度行駛。
熟悉本技術的人可容易推知，以一電流通入不同匝數的線圈所產生的磁場大小正比於上述線圈匝數，故也可在上述所述調整線圈中間設置多個接點，使調控電流可根據諸如電動車的車速回饋控制，選擇輸入不同接點而決定調整線圈的匝數，使產生不同強度的調控磁場，藉此使電動機的輸出扭力具有多級調變功能；當然，也可採用頻率脈波調製器進行無級控制，以使操控更加平順。
此外，由於第一實施例中永久磁鐵本身導磁性未必良好，本實用新型還可具有如圖12及圖13所示的另一電動機7的結構，藉以提供調控磁場良好的磁導。其中，所述導磁性外殼70的相對表面具有垂直所述電動機軸向的二徑向穿孔71，每一穿孔71供容置一永久磁鐵72，所述二永久磁鐵72的布設方向相同；且所述外殼70在兩永久磁鐵72的兩N極、以及兩S極間，分別向外殼70內側延伸有一繞線部73，以利於纏繞前述實施例所述的調控線圈74，各所述繞線部73具有一較窄的頸部731，為使內磁場均勻分布，各所述繞線部73分別具有大致沿外殼走向延伸的一頭部732，這樣，永久磁鐵72與調控線圈74所形成的內磁場磁力線由N極的頭部向S極的頭部延伸，且由調控線圈74所形成的磁力線也可經由安裝永久磁鐵72的穿孔外側的導磁性材料延伸，不受永久磁鐵72本身導磁性不如軟鐵的影響。當然，依照本實施例的永久磁鐵安裝方式，也可配合第二實施例使用。
另一方面，如熟悉本技術的人可容易理解到，為加強上述導磁的效應，也可如圖14本實用新型第四較佳實施例所示，採用片狀的永久磁鐵81與軟鐵片82層疊交替地排列配置，從而形成如第三實施例的繞線部73。
權利要求1.一種可變扭力電動機，它包括一外殼，設置於外殼內、用以形成一內磁場的一組永久磁鐵，以及設置於所述內磁場中、並供繞所述電動機軸線轉動的一轉子；其中，所述轉子上繞設有一第一線圈，以使對所述第一線圈通入電流時，所述轉子受所述內磁場的磁力推動扭轉並輸出扭力；其特徵在於所述電動機還設有一調控磁場產生裝置，以根據一輸入控制信號產生大致平行所述內磁場的一調控磁場，藉以增減所述內磁場強度，從而控制所述轉子的轉速及扭力輸出。
2.如權利要求1所述的可變扭力電動機，其特徵在於所述調控磁場產生裝置是一組第二線圈，且所述輸入控制信號是一外加調控電流。
3.如權利要求2所述的可變扭力電動機，其特徵在於所述組永久磁鐵是二塊永久磁鐵，各所述永久磁鐵是按各磁極沿穿經所述二永久磁鐵的直徑並同向排列的方向分別設置於所述外殼內壁的相對側上。
4.如權利要求3所述的可變扭力電動機，其特徵在於所述組第二線圈包括分別繞設於各所述永久磁鐵上的二調整線圈。
5.如權利要求2所述的可變扭力電動機，其特徵在於所述外殼設有垂直於所述電動機軸向的二相對徑向穿孔，所述組永久磁鐵是二塊永久磁鐵，且所述二永久磁鐵是按各所述磁極沿垂直各所述穿孔方向並同向排列的方向，分別對應嵌設於所述二穿孔中。
6.如權利要求5所述的可變扭力電動機，其特徵在於所述外殼遠離所述二永久磁鐵的二相對內側壁上，相向延設有二繞線部，所述組第二線圈則包括分別繞設於各所述繞線部上的二調整線圈。
7.如權利要求6所述的可變扭力電動機，其特徵在於各所述繞線部還具有一較窄的頸部及一大致與沿外殼同心方向延伸的一頭部。
8.如權利要求2所述的可變扭力電動機，其特徵在於所述組第二調整線圈是繞設於所述轉子上，其截面與所述第一線圈的截面相互垂直，以使所述第一線圈受內磁場推動旋轉時，所述組第二線圈供輸入所述調控電流以產生所述調控磁場。
專利摘要一種可變扭力電動機,它包含有一外殼,至少兩相對設置於外殼內、用以形成一內磁場的永久磁鐵,以及一設置於所述內磁場中,並可繞所述電動機軸線轉動的轉子；其中,所述轉子上繞設有一固定線圈,以使對其通入電流時,所述轉子可受所述內磁場的電磁力推動扭轉並輸出扭力；所述電動機還設有供一外加調控電流通入的一調整線圈,使所述調整線圈對應產生與所述內磁場方向平行的一調控磁場分量,藉以增減所述內磁場強度而控制所述轉子的扭力輸出。
文檔編號H02K21/12GK2452804SQ0026838
公開日2001年10月10日 申請日期2000年12月13日 優先權日2000年12月13日
發明者魏益堂 申請人:伯佳能源科技股份有限公司, 魏益堂