CN103187815A - 永磁马达与永磁马达的转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁马达与一种永磁马达的转子。永磁马达包括转子与定子。定子环绕转子设置，转子沿转轴设置。转子包括磁芯与多组永久磁铁。转轴穿过磁芯，永久磁铁环绕转轴且成对设置于磁芯内。每组永久磁铁包括第一永久磁铁以及第二永久磁铁，对称设置于对应的径向面的相对两侧。每组永久磁铁具有公垂线垂直相交于各自的磁极连线，且公垂线与转轴之间具有第一夹角。通过上述的永久磁铁的配置方式，可增加永久磁铁的有效面积，提高磁通密度以提升永磁马达的输出功率与转矩。

Description

永磁马达与永磁马达的转子

技术领域

本发明涉及一种马达与一种马达的转子，特别是涉及一种永磁马达与一种永磁马达的转子。

背景技术

在目前马达的使用趋势中，中小功率的电动载具多采用永磁马达(permanent magnet motor,PM motor)作为驱动源。永磁马达的输出功率及转矩与马达内部的磁铁相关性高，通过增加磁铁使用量或使用性能较高的磁铁，可提高磁通密度，进而提升马达输出功率与转矩。但若只使用一般磁铁，直接增加磁铁的使用量所能提升的效果有限。

除此之外，先前技术也分别针对其他方向进行设计。以增加磁场来源强度而言，可使用特性较强或者尺寸较厚的磁铁取代一般磁铁，也可在磁铁磁场中加入外部激磁源，但此类方法会提高成本以及设计复杂度。若选择降低磁路阻抗，可设计较小的气隙参数，也可设计V型气隙降低等效阻抗，但容易有可靠度或者组装干涉的问题。

从集中磁束方面着手，最常见的方法为使用内置式永磁马达(interiorpermanent magnet,IPM)。内置式永磁马因为有磁阻转矩，因此总输出转矩较高，且可设法在有限空间中增加永久磁铁有效面积，例如采用V型磁铁排列以提高磁束集中参数(flux concentration factor)。以此为基础的相关设计也包含利用多层与多极的永久磁铁排列方式来增加磁通密度，进而使输出转矩增大，但会使成本提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁马达与一种永磁马达的转子，通过调整永磁马达转子内部永久磁铁的配置方式来提升磁通密度，进而使得马达的输出功率与转矩增大。

为达上述目的，本发明提出一种永磁马达的转子。转子沿转轴设置，且具有磁芯以及多组永久磁铁。转轴穿过磁芯，永久磁铁环绕转轴且成对设置于磁芯内。每一组永久磁铁包括第一永久磁铁以及第二永久磁铁，且第一永久磁铁以及第二永久磁铁对称设置于垂直且通过转轴的径向面的相对两侧。每一第一永久磁铁具有第一磁极连线，每一第二永久磁铁具有第二磁极连线，且每一组永久磁铁具有公垂线垂直相交于第一磁极连线以及第二磁极连线。公垂线与转轴具有第一夹角。

本发明还提出一种永磁马达。永磁马达包括至少一转子与一定子。转子为上述的永磁马达的转子，而定子环绕转子设置。

在本发明的一实施例中，上述的每一组永久磁铁中的第一永久磁铁的第一磁极连线以及第二永久磁铁的第二磁极连线分别与相应的径向面具有第二夹角。

本发明的一实施例中，上述的第二夹角大于0度，小于60度。

在本发明的一实施例中，上述的磁芯包括多个容置孔，用以容置永久磁铁。

在本发明的一实施例中，上述的转子还包括多个补偿块(complementaryblock)，分别填入永久磁铁与相应的容置孔之间的空隙。

在本发明的一实施例中，上述的补偿块的材质包括等向性导磁粉末。

在本发明的一实施例中，上述的磁芯的材质包括等向性导磁粉末。

在本发明的一实施例中，上述的磁芯包括相叠的多个圆形盘片，各圆形盘片具有相应的多个开孔，用以在相叠后构成容置孔。

在本发明的一实施例中，上述的磁芯为管状，其内径为r、外径为R、管长为L，多组永久磁铁成对配置于转轴的相对两侧，且多组永久磁铁的数量为N对，定义第一夹角为θ1，第二夹角为θ2，则第一夹角θ1的范围为：

0＜θ1＜min(60,tan^-1(d／L))，且

d=[1-sin(θ2)]^-1×{r[sin(θ2)-1]+R[cos(180/N)-sin(θ2)]}。

在本发明的一实施例中，上述的θ1＝min(30,tan^-1(d／L))。

在本发明的一实施例中，上述的第一永久磁铁或第二永久磁铁为矩形板，矩形板具有相互平行的第一平面以及第二平面，且第一磁极连线或第二磁极连线垂直于第一平面与第二平面。

在本发明的一实施例中，上述的至少一转子的数量为两个，且两转子在转轴的方向上对称设置。

基于上述，本发明提出一种永磁马达与永磁马达的转子，通过调整转子内部永久磁铁配置，例如使永久磁铁旋转特定角度，来增加永久磁铁的有效面积使得磁通密度增加，进而提高永磁马达的输出功率与转矩。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本实施例的一种永磁马达的示意图；

图2是图1的永磁马达的分解图；

图3是图1的永磁马达的局部示意图；

图4是本实施例的转子的局部侧视图；

图5是本实施例的转子的局部正视图；

图6是本实施例的磁芯的局部示意图；

图7是本发明另一实施例的磁芯的局部示意图。

主要元件符号说明

100：永磁马达

110：定子

112：定子槽

200：转子

210：磁芯

212：容置孔

214：补偿块

220：永久磁铁

220A：第一永久磁铁

220B：第二永久磁铁

M1：第一磁极连线

M2：第二磁极连线

X1：转轴

Y1：径向面

Z1：公垂线

θ1：第一夹角

θ2：第二夹角

P1：第一平面

P2：第二平面

r：内径

R：外径

L：管长

具体实施方式

图1是依照本实施例的一种永磁马达的示意图。图2是图1的永磁马达的分解图。请同时参考图1与图2，在本实施例中，永磁马达100包括转子200与定子110。定子110环绕转子200设置，且具有多个定子槽112以供放置导线。转子200沿转轴X1设置，且具有磁芯210以及多组永久磁铁220。转轴X1穿过磁芯210，多组永久磁铁220环绕转轴X1且成对设置于磁芯210内，亦即当一组永久磁铁220设置于磁芯210内的一处时，从此处以转轴X1为中心相隔180度后的磁芯210内也设置一组永久磁铁220。在本发明其他实施例中，转子200为一个。然而，单一转子的配置可能会因为磁力的不平衡而产生轴向移动力，或者是使磁通比较无法有效的集中在转子200内，而在转轴X1方向产生磁通外漏。为了避免上述现象，在本实施例中，如图2所示，转子200为两个，且在转轴X1方向上对称设置。

图3是图1的永磁马达的局部示意图。请参考图3，在本实施例中，每组永久磁铁220包括第一永久磁铁220A以及第二永久磁铁220B。第一永久磁铁220A以及第二永久磁铁220B对称设置于垂直且通过转轴X1的径向面Y1的相对两侧。每一第一永久磁铁220A具有第一磁极连线M1，每一第二永久磁铁220B具有第二磁极连线M2。此处的磁极连线指通过单一永久磁铁本身两相对磁极(N极与S极)的连线。本实施例的第一永久磁铁220A以及第二永久磁铁220B为矩形板，意即第一永久磁铁220A以及第二永久磁铁220B各自具有相互平行的第一平面P1以及第二平面P2，且第一磁极连线M1与第二磁极连线M2垂直于相对应的第一平面P1与第二平面P2。

图4是本实施例的转子的局部侧视图。请同时参考图3与图4，在本实施例中，第一磁极连线M1以及第二磁极连线M2具有公垂线Z1，垂直相交于第一磁极连线M1以及第二磁极连线M2。公垂线Z1与转轴X1具有第一夹角θ1，换言之，可视为将永久磁铁220相对于转轴X1旋转一个角度后才设置于磁芯210上。由于第一夹角θ1相对于转轴X1作旋转，在本实施例中也称为轴向旋转角。设置第一夹角θ1的目的在于增加永久磁铁220的有效面积。

图5是本实施例的转子的局部正视图。请同时参考图3与图5，在本实施例中，每组永久磁铁220中的第一永久磁铁220A的第一磁极连线M1以及第二永久磁铁220B的第二磁极连线M2分别与相应的径向面Y1具有非0度的第二夹角θ2。换言之，可将设置在径向面Y1两侧的永久磁铁220，视为对称径向面Y1且相对于磁芯210的切面旋转一个角度后才置入磁芯210，使得每组永久磁铁200对称径向面Y1成V型设置，而这个角度与第二夹角θ2为同位角。由于每组永久磁铁220对称设置在径向面Y1的两侧，因此第一永久磁铁220A的第一磁极连线M1与径向面Y1的夹角，与第二永久磁铁220B的第二磁极连线M2与径向面Y1的夹角相等。第二夹角θ2可视为相对于切面作旋转，在本实施例中也称为切面旋转角。设置第二夹角θ2也可增加永久磁铁220的有效面积，在本实施例中可将第一夹角θ1与第二夹角θ2搭配使用。此外，本实施例建议第二夹角θ2大于0度，小于60度。

请继续参考图4与图5，在本实施例中，永磁马达100的磁芯210为管状。以变数形式标示磁芯210的相关尺寸，可定义磁芯210的内径为r、外径为R、管长为L。多组永久磁铁220成对配置于转轴X1的相对两侧，且多组永久磁铁220的数量为N对。值得注意的是，此处所述的一对永久磁铁220代表配置于转轴X1的相对两侧的两组永久磁铁220，亦即每一对永久磁铁220包括两组永久磁铁220，分别配置在磁芯210内以转轴X1为中心相隔180度的两处。据此，以变数形式定义第一夹角为θ1，第二夹角为θ2，则第一夹角的范围为：0＜θ1＜min(60,tan^-1(d／L))，亦即第一夹角大于0度，小于60度与tan^-1(d／L)度的最小者，其中d可视为永久磁铁220靠近磁芯210外侧面的部分与磁芯210内管面的距离，如图5所示，而此距离为d=[1-sin(θ2)]^-1×{r[sin(θ2)-1]+R[cos(180／N)-sin(θ2)]}。由此可知，第一夹角θ1的角度可随着磁芯210的几何尺寸以及永久磁铁220的摆放方式而改变其范围。

在本发明另一实施例中，以前述的变数形式定义第一夹角为θ1，则第一夹角θ1的角度可进一步限定为：θ1＝min(30,tan^-1(d／L))，亦即第一夹角的最佳角度为30度与tan^-1(d／L)度的最小者。如前所述，第一夹角θ1可随着磁芯210的几何尺寸以及永久磁铁220的摆放方式而改变其角度，但在此实施例中进一步限定第一夹角θ1的角度，可提供第一夹角θ1更准确的数值。

图6是本实施例的磁芯的局部示意图。请参考图6，本发明提出一种永磁马达的转子200，包含了磁芯210与多组永久磁铁220，而永久磁铁220设置在磁芯210内，因此磁芯210具有多个容置孔212，用以容置永久磁铁220。在本实施例中，磁芯210可为相叠的多个圆形盘片，圆形盘片具有相应的多个开孔，用以在相叠后构成容置孔212。然而，永久磁铁220具有旋转角度，若使用圆形盘片制作磁芯210且依照永久磁铁220的旋转角度进行开孔，会提高成本与制作困难度。

据此，本实施例在圆型盘片上开设尺寸较大的容置孔212，使具有旋转角度的永久磁铁220可容置在容置孔212中。然而，当具有旋转角度的永久磁铁220置入由圆型盘片相叠而成且具有较大尺寸的容置孔212的磁芯210时，容置孔212内会有许多空隙。

为解决此问题，本实施例利用补偿块214填补容置孔212内的空隙。详细来说，本实施例使用圆型盘片制作开孔尺寸较大的磁芯210，并制作补偿块214，填入永久磁铁220与相应的容置孔212之间的空隙。在本实施例中，补偿块214的材质为等向性导磁粉末，而在本发明其他实施例中，补偿块214的材质可为其他适当的材质。据此，本实施例通过补偿块214的设置，以解决在由圆形盘片构成的磁芯210中置入具有旋转角度的永久磁铁220所面临到的开孔与空隙问题。

图7是本发明另一实施例的磁芯的局部示意图。请参考图7，本实施例舍弃使用圆型盘片制作磁芯210，改用等向性导磁粉末制作磁芯210。通过等向性导磁粉末制作磁芯210并置入具有第一夹角θ1与第二夹角θ2的永久磁铁220，则不须事先设置容置孔212，磁芯210与永久磁铁220之间也没有需填置补偿块214的空隙。换句话说，本实施例不需要使用补偿块214来填补空隙，也不需受限于永久磁铁的配置方式。

综上所述，本发明提出一种永磁马达与一种适用于永磁马达的转子，通过改变永磁马达的转子内部永久磁铁的配置方式，增加永久磁铁有效面积。换句话说，本发明通过旋转角度的设置，例如每组永久磁铁各自的磁极连线具有公垂线，且公垂线与永磁马达的转轴具有第一夹角，也就是轴向旋转角，而每组永久磁铁各自的磁极连线，也与所对应的径向面各自具有第二夹角，也就是切面旋转角。依照上述的永久磁铁的配置方法，将永久磁铁旋转角度后设置在磁芯内，即可增加永久磁铁有效面积，提高磁通密度并提升马达输出功率与转矩。

除此之外，为了在磁芯中设置具有旋转角度的永久磁铁，本发明可利用多个圆形盘片相叠构成磁芯，并在磁芯上开设容置孔，将具有旋转角度的永久磁铁置入容置孔后，利用等向性导磁粉末制作补偿块，填置在永久磁铁与磁芯的容置孔间的空隙。另外，本发明也可利用等向性导磁粉末制作磁芯并置入具有旋转角度的永久磁铁。利用等向性导磁粉末制作磁芯，可直接在成型过程中形成与永久磁铁配合的容置孔，且不需要额外配置补偿块，故而不需受限于永久磁铁的配置方式。

虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (23)

1.一种永磁马达，包括：

至少一转子，沿一转轴设置，各该转子包括：

磁芯，该转轴穿过该磁芯；以及

多组永久磁铁，环绕该转轴且成对设置于该磁芯内，其中每一组永久磁铁包括第一永久磁铁以及第二永久磁铁，且该第一永久磁铁以及该第二永久磁铁对称设置于垂直且通过该转轴的一径向面的相对两侧，每一第一永久磁铁具有第一磁极连线，每一第二永久磁铁具有第二磁极连线，且每一组永久磁铁具有公垂线，垂直相交于该第一磁极连线以及该第二磁极连线，该公垂线与该转轴具有第一夹角；以及

定子，环绕该至少一转子设置。

2.如权利要求1所述的永磁马达，其中每一组永久磁铁中的该第一永久磁铁的该第一磁极连线以及该第二永久磁铁的该第二磁极连线分别与相应的该径向面具有第二夹角。

3.如权利要求2所述的永磁马达，其中该第二夹角大于0度，小于60度。

4.如权利要求1所述的永磁马达，其中该磁芯包括多个容置孔，用以容置该些永久磁铁。

5.如权利要求4所述的永磁马达，其中各该转子还包括多个补偿块，分别填入该些永久磁铁与相应的该些容置孔之间的空隙。

6.如权利要求5所述的永磁马达，其中该些补偿块的材质包括等向性导磁粉末。

7.如权利要求1所述的永磁马达，其中该磁芯的材质包括等向性导磁粉末。

8.如权利要求4所述的永磁马达，其中该磁芯包括相叠的多个圆形盘片，各该圆形盘片具有相应的多个开孔，用以在相叠后构成该些容置孔。

9.如权利要求1所述的永磁马达，其中该磁芯为管状，其内径为r、外径为R、管长为L，该多组永久磁铁成对配置于该转轴的相对两侧，且该多组永久磁铁的数量为N对，定义：该第一夹角为θ1，该第二夹角为θ2，则：

0＜θ1＜min(60,tan^-1(d／L))，且

d=[1-sin(θ2)]^-1×{r[sin(θ2)-1]+R[cos(180/N)-sin(θ2)]}。

10.如权利要求9所述的永磁马达，其中θ1＝min(30,tan^-1(d／L))。

11.如权利要求1所述的永磁马达，其中每一第一永久磁铁或第二永久磁铁为矩形板，该矩形板具有相互平行的第一平面以及第二平面，且该第一磁极连线或该第二磁极连线垂直于该第一平面与该第二平面。

12.如权利要求1所述的永磁马达，其中该至少一转子的数量为两个，且该两转子在该转轴的方向上对称设置。

13.一种永磁马达的转子，沿一转轴设置，该转子包括：

磁芯，该转轴穿过该磁芯；以及

多组永久磁铁，环绕该转轴且成对设置于该磁芯内，其中每一组永久磁铁包括第一永久磁铁以及第二永久磁铁，且该第一永久磁铁以及该第二永久磁铁对称设置于垂直且通过该转轴的一径向面的相对两侧，每一第一永久磁铁具有第一磁极连线，每一第二永久磁铁具有第二磁极连线，且每一组永久磁铁具有公垂线，垂直相交于该第一磁极连线以及该第二磁极连线，该公垂线与该转轴具有一第一夹角。

14.如权利要求13所述的永磁马达的转子，其中每一组永久磁铁中的该第一永久磁铁的该第一磁极连线以及该第二永久磁铁的该第二磁极连线分别与相应的该径向面具有第二夹角。

15.如权利要求14所述的永磁马达的转子，其中该第二夹角大于0度，小于60度。

16.如权利要求13所述的永磁马达的转子，其中该磁芯包括多个容置孔，用以容置该些永久磁铁。

17.如权利要求16所述的永磁马达的转子，还包括多个补偿块，分别填入该些永久磁铁与相应的该些容置孔之间的空隙。

18.如权利要求17所述的永磁马达的转子，其中该些补偿块的材质包括等向性导磁粉末。

19.如权利要求13所述的永磁马达的转子，其中该磁芯的材质包括等向性导磁粉末。

20.如权利要求16所述的永磁马达的转子，其中该磁芯包括相叠的多个圆形盘片，各该圆形盘片具有相应的多个开孔，用以在相叠后构成该些容置孔。

21.如权利要求13所述的永磁马达的转子，其中该磁芯为管状，其内径为r、外径为R、管长为L，该多组永久磁铁成对配置于该转轴的相对两侧，且该多组永久磁铁的数量为N对，定义：该第一夹角为θ1，该第二夹角为θ2，则：

0＜θ1＜min(60,tan^-1(d／L))，且

d=[1-sin(θ2)]^-1×{r[sin(θ2)-1]+R[cos(180／N)-sin(θ2)]}。

22.如权利要求21所述的永磁马达的转子，其中θ1＝min(30,tan^-1(d／L))。

23.如权利要求13所述的永磁马达的转子，其中每一第一永久磁铁或第二永久磁铁为一矩形板，该矩形板具有相互平行的第一平面以及第二平面，且该第一磁极连线或该第二磁极连线垂直于该第一平面与该第二平面。

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