專利名稱：變速裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種變速裝置，尤其是涉及一種通過一轉子與一定子在一磁場中作相 對運動，或者，通過一低速轉子與一高速轉子在一磁場中作相對運動，其可配合一變速器， 來達到調變轉速與輸出扭力的目的，并且，配合一特殊設計的變速盤即可達到多段調變轉 速與輸出扭力的目的。
背景技術：
基于電動車產(chǎn)業(yè)的起飛，電動車動力的部分成為重要的研究領域，而在電動車特 別的驅動模式下，提高效率及驅動扭力密度為首要之務。電動馬達需要配合不同的行車扭 力需求及行駛速度，為了保持高效率運轉，目前常用的技術為馬達和變速器的搭配，或馬達 和減速器的搭配，但是包含機械式變速器，因此增加了重量，另外也有效率、磨損及噪音的 問題，利用一般磁性變速器雖然可以減少振動、噪音，但是并不能減少重量。"Test and Simulation of Axial Flux-Motor Characteristics for HybridElectric Vehicles”，IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 53, NO. 3, MAY 2004揭露兩種典型的馬達，如圖IA與圖IB所示。圖IA為一徑向馬達，其包括 一定子Ila以及一動子12a，其中該定子Ila與該動子12a之間的磁通量沿著與AA軸垂直 的徑向方向上。圖IB為一軸向馬達，其包括一定子lib以及一動子12b，其中該定子lib與 該動子12b之間的磁通量沿著與BB軸平行的軸向方向上。與徑向馬達比較，軸向馬達的架 構適合馬達薄型化，其定子和轉子的位置關系為軸向分布。薄型馬達可以節(jié)省空間，但是馬 達本身無法變速，需要外加一變速器以改變其扭力輸出?！癆 novel high performance magnetic gear，，，IEEE Transactions onMagnetics,2001揭露一種徑向磁性變速器，如圖2所示，其為該徑向磁性變速器的剖面 結構示意圖。該徑向磁性變速器可達5. 5 1的變速效果，其包括一第一轉子21，其還包括一第一軟鐵芯211，其為中空圓柱形；多個第一磁對212，每一個磁對212還包括一個永久磁鐵的N極212a ；以及一個永久磁鐵的S極212b ；一第二轉子22，其可與該第一轉子21作相對轉動，該第二轉子22還包括一第二軟鐵芯221，其為中空圓柱形，與該第一軟鐵芯211有共同的軸心；多個第二磁對222，每一個磁對222還包括一個永久磁鐵的N極222a ；以及一個永久磁鐵的S極222b ；以及多個條狀導磁材料23，其與軸心平行地設置于該第一轉子21與第二轉子22之間。在這個現(xiàn)有技術的例子中，該第一轉子21具有22個第一磁對212，而且，該第二轉 子22具有4個第二磁對222，并且，以第一轉子21為高速轉子，而以第二轉子22為低速轉子。該多個條狀導磁材料23用來導磁，在此例共設置26個條狀導磁材料23，任兩條狀導磁 材料之間相隔一氣隙，在此的導磁材料為軟鐵芯。一轉子上的永久磁鐵產(chǎn)生的磁場和兩個 轉子間的條狀導磁材料交互作用會產(chǎn)生空間磁通(space harmonic flux)，此空間磁通的 效果相當于在空隙間形成不同極數(shù)的空間磁通，進而同步帶動另一轉子轉動，而達到調變 轉速與輸出扭力的目的。 空間磁通所形成的變速效果，可由下列公式計算 _8] 0 = .....................⑴’其中，G為變速比，m、k為空間諧振磁通(space harmonic flux)的諧振 (harmonics)級數(shù)，ρ為轉子的磁對數(shù)，η為條狀導磁材料數(shù)。在基本諧振(fundamental harmonics)時，即 m = -k = 1，跟 ρ = 4 與 η = 26 —起帶入式(1)，可得到G = 4/22 = 1/5. 5的變速比。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種變速裝置，其包括一第一感應子，其可產(chǎn)生磁通；一第二感應子，其可產(chǎn)生磁通，與該第一感應子平行地設置，并可相對于該第一感 應子作相對運動；一導磁元件，其包含多個條狀導磁材料，該些條狀導磁材料之間相隔一氣隙，并與 該第一感應子以及該第二感應子平行地設置。


圖IA為現(xiàn)有技術的一種徑向馬達架構示意圖；圖IB為現(xiàn)有技術的一種軸向馬達架構示意圖；圖2為現(xiàn)有技術的一種徑向磁性變速器的剖面結構示意圖；圖3A為本發(fā)明變速裝置的第一實施例的剖面結構示意圖；圖3B顯示本發(fā)明變速裝置的第一實施例的兩個動子可以不同大小的速度在相同 方向作直線運動；圖3C顯示本發(fā)明變速裝置的第一實施例的兩個動子可以在相反方向作直線運 動；圖4為本發(fā)明變速裝置的第二實施例的剖面結構示意圖；圖5A為本發(fā)明變速裝置的第三實施例的結構側視示意圖；圖5B顯示本發(fā)明變速裝置的第三實施例的分解結構中三個主要元件的俯視示意 圖；圖6為本發(fā)明變速裝置的第四實施例的結構側視示意圖；圖7顯示本發(fā)明應用于多段變速裝置的導磁元件的一實施例結構示意圖；圖8A與圖8B顯示本發(fā)明應用于多段變速裝置的導磁元件的另一實施例結構示意 圖；圖8C與圖8D顯示將圖8A的第一圓環(huán)與圖8B的第二圓環(huán)上下疊合后所得的導磁元件的等效變速盤；圖8E顯示應用本發(fā)明所提供的導磁元件的變速裝置的結構示意圖。主要元件符號說明IlaUlb-定子12a、12b-動子21-第一轉子211-第一軟鐵芯212-第一磁對212a-永久磁鐵的N極212b-永久磁鐵的S極22-第二轉子221-第二軟鐵芯222-第二磁對222a-永久磁鐵的N極222b-永久磁鐵的S極23-條狀導磁材料31-第一動子311-第一導磁材料312-第一磁對312a-永久磁鐵的N極312b-永久磁鐵的S極32-第二動子321-第二導磁材料322-第二磁對322a-永久磁鐵的N極322b-永久磁鐵的S極33-導磁元件331-條狀導磁材料41-定子42-動子421-導磁材料422-磁對422a-永久磁鐵的N極422b-永久磁鐵的S極43-導磁元件431-條狀導磁材料51-第一轉子511-第一導磁材料512-第一磁對
512a-永久磁鐵的N極512b-永久磁鐵的S極52-第二轉子521-第二導磁材料522-第二磁對522a-永久磁鐵的N極
522b-永久磁鐵的S極53-變速盤531-氣隙61-定子62-轉子621-導磁材料622-磁對622a-永久磁鐵的N極622b-永久磁鐵的S極63-變速盤71-導磁元件711-第一變速盤7111-氣隙712-第二變速盤7121-氣隙81-第一圓環(huán)811-導磁材料812-氣隙82-第二圓環(huán)821-導磁材料822-氣隙82a、82b_ 變速盤83-定子84-轉子841-導磁材料842-磁對842a-永久磁鐵的N極842b-永久磁鐵的S極
具體實施例方式為使貴審查委員能對本發(fā)明的特征、目的及功能有更進一步的認知與了解，下文 特將本發(fā)明的裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可以了 解本發(fā)明的特點，詳細說明陳述如下
本發(fā)明提供一種變速裝置，其包括一第一感應子，其可產(chǎn)生磁通；一第二感應子，其可產(chǎn)生磁通，與該第一感應子平行地設置，并可相對于該第一感 應子作相對運動；以及—導磁元件，其包含多個條狀導磁材料，該些條狀導磁材料之間相隔一氣隙，并且 平行地設置于該第一感應子以及該第二感應子之間。以下配合

本發(fā)明變速裝置的各種實施例圖3A為本發(fā)明變速裝置的第一實施例的剖面結構示意圖。在本實施例中的變速 裝置，其包括一第一感應子，其為一第一動子31，該第一動子31更包括一第一導磁材料311，其為矩形體；以及多個第一磁對312，互相平行地固定于該第一導磁材料311的一表面，每一個第一 磁對312更包括一個永久磁鐵的N極312a ；以及一個永久磁鐵的S極312b ； 一第二感應子，其為一第二動子32，該第二動子32可與該第一動子31作直線相對 運動，該第二動子32更包括一第二導磁材料321，其為矩形體，并與該第一導磁材料311平行；以及多個第二磁對322，互相平行地固定于該第二導磁材料321的一表面，而且每一個 第二磁對322皆與每一個第一磁對312平行，并且每一個第二磁對322更包括一個永久磁鐵的N極322a ；以及一個永久磁鐵的S極322b ；以及一導磁元件33，其包括多個條狀導磁材料331，該些條狀導磁材料331之間相隔一 氣隙，該導磁元件33互相平行地設置于該第一動子31與第二動子32之間，并且每一個條 狀導磁材料331皆與每一個第一磁對312以及每一個第二磁對322平行。本實施例可以看成是將上述圖2中圓柱形的徑向磁性變速器沿著一半徑切開，然 后將兩個轉子都展開成矩形體形狀的兩個洞子所得的一平面型變速裝置。在此例如可以該 第一動子31作為高速動子，可以輸入一機械能帶動其作直線運動，經(jīng)由多個條狀導磁材料 331間的氣隙中的空間磁通的磁力交互作用，帶動作為低速動子的第二動子32作直線運動 來對外輸出一機械能，并因此達到調變速度和力量的目的。圖3B顯示本實施例的兩個動子可以不同大小的速率V1與V2在相同方向作直線運 動。圖3C顯示本實施例的兩個動子也可以在相反方向以速率V作直線運動。其中該兩個 動子的長度可以相同也可以不同。圖4為本發(fā)明變速裝置的第二實施例的剖面結構示意圖。在本實施例中的變速裝 置，其包括一第一感應子，其為一定子41，該定子41至少包括一多相繞線的線圈；一第二感應子，其為一動子42，該動子42可相對于該定子41作相對運動，該動子 42更包括一導磁材料421，其為矩形體；以及
多個磁對422，互相平行地固定于該導磁材料421的一表面，并且每一個磁對422 更包括一個永久磁鐵的N極42 ；以及一個永久磁鐵的S極422b ；以及一導磁元件43，其包括多個條狀導磁材料431，該些條狀導磁材料431之間相隔一 氣隙，該導磁元件43互相平行地設置于該定子41與該動子42之間，并且每一個條狀導磁 材料431皆與每一個磁對422平行。本實施例可以看成是將上述第一實施例中的其中一個動子，例如高速動子，以定 子41取代，將一電能輸入該含有線圈的定子41可以產(chǎn)生和高速動子同樣磁對數(shù)的空間磁 通，并利用多相繞線來得到空間磁通平移的效果，因此可以帶動動子42作直線運動來輸出 一機械能，其中，該動子42的速度和力量輸出可以用類似上述式(1)的變速比來調變。關于含有多相繞線線圈的定子的結構、繞線方式與配線布局，在背景技術已多有 揭露，在此不再贅述(以下亦同)。圖5A為本發(fā)明變速裝置的第三實施例的結構側視示意圖。圖5B顯示本發(fā)明變速 裝置的第三實施例的分解結構中三個主要元件的俯視示意圖。在本實施例中的變速裝置， 其包括一第一感應子，其為一第一轉子51，該第一轉子51更包括一第一導磁材料511，其為圓環(huán)形體；以及多個第一磁對512，每一個第一磁對512皆沿著徑向固定于該第一導磁材料511的 一表面，并且每一個第一磁對512更包括一個永久磁鐵的N極51 ；以及一個永久磁鐵的S極512b ；一第二感應子，其為一第二轉子52，該第二轉子52可相對于該第一轉子51作相對 轉動，該第二轉子52更包括一第二導磁材料521，其為圓環(huán)形體，并與該第一導磁材料511平行設置；以及多個第二磁對522，每一個第二磁對522皆沿著徑向固定于該第二導磁材料521的 一表面，并且每一個第二磁對522更包括一個永久磁鐵的N極52 ；以及一個永久磁鐵的S極522b ；以及一導磁元件，其為一變速盤53，該變速盤53平行地設置于該第一轉子51與第二轉 子52之間的一圓環(huán)形導磁材料，且該變速盤53在沿著徑向的方向上設置有多個氣隙531。本實施例相當于將第一實施例的第一動子31、第二動子32以及具有多個條狀導 磁材料331的導磁元件33作成圓環(huán)形結構，然后平行排列地設置，其中多個條狀導磁材料 331的圓環(huán)形排列輻射狀地將每個條狀導磁材料沿著徑向設置，如圖5B所示，在本實施例 則制作成一變速盤53的結構，以方便制作及使用。本實施例的兩個轉子是軸向平行設置， 并且其磁通方向為軸向，非常適合薄型空間的應用。對第一轉子51輸入一機械能帶動其作 轉動，經(jīng)由變速盤53的氣隙531中的空間磁通的磁力交互作用，帶動作為第二轉子52作轉 動來對外輸出一機械能，并因此達到調變轉速和扭力的目的。圖6為本發(fā)明變速裝置的第四實施例的結構側視示意圖。在本實施例中的變速裝置，其包括一第一感應子，其為一定子61，該定子61為圓環(huán)形體且至少包括一多相繞線的線 圈；一第二感應子，其為一轉子62，該轉子62可相對于該定子61作相對轉動，該轉子 62更包括一導磁材料621，其為圓環(huán)形體，并與該定子61平行設置；以及多個磁對622，每一個磁對622皆沿著徑向固定于該導磁材料621的一表面，并且 每一個磁對622更包括一個永久磁鐵的N極62 ；以及一個永久磁鐵的S極622b ；以及一導磁元件，其為一變速盤63，該變速盤63平行地設置于該定子61與轉子62之 間的一圓環(huán)形導磁材料，且該變速盤63在沿著徑向的方向上設置有多個氣隙(與圖5B中 的變速盤53具有相同的結構)。本實施例相當于將上述第三實施例中的其中一個轉子，以定子61取代，將一電能 輸入該含有線圈的定子61可以產(chǎn)生和轉子同樣磁對數(shù)的空間磁通，并利用多相繞線來得 到空間磁通平移的效果，因此可以帶動轉子62作轉動來輸出一機械能，因此達到調變轉速 和扭力的目的。由式(1)可知，變速比由感應子上的磁極數(shù)來決定，并且要兩個感應子間的條狀 導磁材料數(shù)目的配合。當感應子的極數(shù)改變時，若能同時配合改變條狀導磁材料的數(shù)目 (或者氣隙的數(shù)目)，則變速比也會改變，例如假使式(1)中一感應子磁對數(shù)P由4變成 了 8，而另一感應子磁對數(shù)不變(即保持22)，如此條狀導磁材料數(shù)目需要變成30，帶入公式 (1)可以得到新的變速比為8/22 = 1/2.75(原來是1/5. 5)。此即所謂的「多段變速」。因為轉子上使用永久磁鐵產(chǎn)生磁極來形成磁對，所以轉子的磁對數(shù)不易改變，為 了使具有軸向磁通的變速裝置能夠改變變速比，達到多段變速的目的，本發(fā)明提出的技術 手段為(1)定子的磁對數(shù)可變，以及( 變速盤的氣隙數(shù)目也可變。關于定子的磁對數(shù)的 改變方法，可參照背景技術等文獻。以下則詳述本發(fā)明所提供的氣隙數(shù)目可改變的導磁元 件圖7顯示本發(fā)明所提供應用于多段變速裝置的導磁元件的一實施例結構示意圖。 如圖所示，該導磁元件71包含有多個圓環(huán)形導磁材料的變速盤，而且該些變速盤在沿著徑 向的方向上設置有不同數(shù)目的氣隙。在圖7的導磁元件71只有兩個變速盤，一為第一變速 盤711，另一為第二變速盤712，但本發(fā)明的導磁元件并不以此為限。其中，該第一變速盤 711放射狀排列地設置有M個氣隙7111，該第二變速盤712放射狀排列地設置有32個氣 隙 7121。在應用上，該導磁元件71可以用一驅動器(actuator)轉動，將所需的變速盤置于 一變速裝置的兩個轉子之間(成為第三實施例的結構，請參閱圖5A)，或者將所需的變速盤 置于一變速裝置的一轉子與一定子之間(成為第四實施例的結構，請參閱圖6)，由此改變 變速盤的氣隙數(shù)來調整變速比，達到多段變速的目的。下表一為本發(fā)明的導磁元件71根據(jù)式(1)搭配一轉子與一定子所得的變速裝置 的二段變速的組合一覽表。其中該轉子的磁對數(shù)固定為20，該定子包括四相繞線的線圈可做4個磁對數(shù)與12個磁對數(shù)的切換(該定子的結構與磁對數(shù)的切換方法請參照背景技術 等文獻)。當定子磁對數(shù)、變速盤氣隙數(shù)、轉子磁對數(shù)為4、24、20的組合時，根據(jù)式(1)可以 得到1 5的變速比，當定子磁對數(shù)、變速盤氣隙數(shù)、轉子磁對數(shù)為12、32、20的組合時，根 據(jù)式(1)可以得到1 1.6的變速比。因此可以得到具有二段變速的變速裝置。
權利要求
1.本發(fā)明提供一種變速裝置，其包括 第一感應子，其可產(chǎn)生磁通；第二感應子，其可產(chǎn)生磁通，與該第一感應子平行地設置，并可相對于該第一感應子作 相對運動；以及導磁元件，其包含多個條狀導磁材料，該些條狀導磁材料之間相隔一氣隙，并且平行地 設置于該第一感應子以及該第二感應子之間。
2.如權利要求1所述的變速裝置，其中該第一感應子為第一動子，而且該第二感應子 為第二動子，該第一動子還包括第一導磁材料，其為矩形體；以及多個第一磁對，互相平行地固定于該第一導磁材料的一表面，每一個第一磁對還包括一個永久磁鐵的N極；以及 一個永久磁鐵的S極，而且，該第二動子可與該第一動子作直線相對運動，該第二動子還包括 第二導磁材料，其為矩形體，并與該第一導磁材料平行設置；以及 多個第二磁對，互相平行地固定于該第二導磁材料的一表面，而且每一個第二磁對皆 與每一個第一磁對平行，并且每一個第二磁對還包括 一個永久磁鐵的N極；以及 一個永久磁鐵的S極。
3.如權利要求2所述的變速裝置，其中該導磁元件的每一個條狀導磁材料皆與每一個 第一磁對以及每一個第二磁對平行。
4.如權利要求1所述的變速裝置，其中該第一感應子為定子，該定子至少包括一多相 繞線的線圈，而且該第二感應子為動子，該動子可相對于該定子作相對運動，該動子還包 括導磁材料，其為矩形體；以及多個磁對，互相平行地固定于該導磁材料的一表面，并且每一個磁對還包括 一個永久磁鐵的N極；以及 一個永久磁鐵的S極。
5.如權利要求4所述的變速裝置，其中該導磁元件的每一個條狀導磁材料皆與每一個 磁對平行。
6.如權利要求1所述的變速裝置，其中該第一感應子為第一轉子，而且該第二感應子 為第二轉子，該第一轉子還包括第一導磁材料，其為圓環(huán)形體；以及多個第一磁對，每一個第一磁對皆沿著徑向固定于該第一導磁材料的一表面，并且每 一個第一磁對還包括一個永久磁鐵的N極；以及 一個永久磁鐵的S極，而且，該第二轉子可與該第一轉子作相對轉動，該第二轉子還包括 第二導磁材料，其為圓環(huán)形體，并與該第一導磁材料平行設置；以及多個第二磁對，每一個第二磁對皆沿著徑向固定于該第二導磁材料的一表面，并且每 一個第二磁對還包括一個永久磁鐵的N極；以及一個永久磁鐵的S極。
7.如權利要求1所述的變速裝置，其中該第一感應子為定子，該定子為圓環(huán)形體且至 少包括一多相繞線的線圈，而且該第二感應子為轉子，而且該轉子可相對于該定子作相對 轉動，該轉子還包括導磁材料，其為圓環(huán)形體；以及多個磁對，每一個磁對皆沿著徑向固定于該導磁材料的一表面，并且每一個磁對還包括一個永久磁鐵的N極；以及一個永久磁鐵的S極。
8.如權利要求6或7所述的變速裝置，其中該導磁元件為變速盤，其為圓環(huán)形導磁材 料，而且該變速盤包含有多個氣隙，該些氣隙分別沿著徑向的方向上設置而呈放射狀排列。
9.如權利要求7所述的變速裝置，其中該導磁元件包含有多個圓環(huán)形導磁材料的變速 盤，而且每一個變速盤包含有多個氣隙，該些氣隙分別沿著徑向的方向上設置而呈放射狀 排列。
10.如權利要求7所述的變速裝置，其中該導磁元件還包括多個導磁材料制成的圓環(huán)，每一個圓環(huán)在沿著徑向的方向上設置有多個氣隙，該些圓 環(huán)平行地相疊形成該導磁元件，并且可以互相轉動以改變該導磁元件不含導磁材料的間隙 總數(shù)。
11.如權利要求7所述的變速裝置，其中該導磁元件還包括第一圓環(huán)，其圓周被分成N個周期的圓弧，每一個周期的圓弧皆更被分為六個圓弧，該 六個圓弧依序為4個圓心角度單位的氣隙、2個圓心角度單位的導磁材料、9個圓心角度單 位的氣隙、1個圓心角度單位的導磁材料、5個圓心角度單位的氣隙、3個圓心角度單位的導 磁材料，其中一個圓心角度單位等于15/N度；以及第二圓環(huán)，其與該第一圓環(huán)相疊形成該導磁元件，該第二圓環(huán)的圓周被分成N個周期 的圓弧，每一個周期的圓弧皆更被分為七個圓弧，該七個圓弧依序為3個圓心角度單位的 氣隙、2個圓心角度單位的導磁材料、4個圓心角度單位的氣隙、3個圓心角度單位的導磁材 料、4個圓心角度單位的氣隙、2個圓心角度單位的導磁材料、6個圓心角度單位的氣隙，其 中一個圓心角度單位等于15/N度。
12.如權利要求11所述的變速裝置，其中N等于8。
13.如權利要求9、10或11所述的變速裝置，其中該定子包括四相繞線的線圈可做4個 磁對數(shù)與12個磁對數(shù)的切換。
全文摘要
本發(fā)明公開提供一種變速裝置，其通過一轉子與一定子在一磁場中作相對運動，或者通過一動子與一定子在一磁場中作相對運動，或者通過二個轉子在一磁場中作相對運動，并可配合本發(fā)明所提供的一變速盤組合，來達到調變轉速與輸出扭力的目的。
文檔編號H02K16/00GK102136788SQ20101010437
公開日2011年7月27日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權日2010年1月27日
發(fā)明者彭明燦, 鄭麗茹 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院