CN103187844A - 内置式永久磁铁马达 - Google Patents

Abstract

一种内置式永久磁铁马达，该马达转子的主磁极极面和极间极面由多个与转子圆心不同心之偏心圆之圆弧连接而成，据此以调整气隙的技术手段达到降低马达顿转转矩之目的，并且以规律层次的气隙厚度变化降低马达运转时高次谐波；同时，本发明以特定的极间极面气隙厚度以及保持极间极面为预定宽度的方式来增加马达交轴电感，以增进马达磁阻转矩，提升马达扭力。

Description

内置式永久磁铁马达

技术领域

本发明与马达转子有关，是指一种可提高磁阻转矩、降低顿转转矩及高次谐波之内置式永久磁铁马达转子。

背景技术

现有一种具有均匀气隙的内置式永久磁铁转子马达，为提高其磁阻转矩，采取了缩小主磁极极面的技术方案，此一技术方案的另一意义是扩大了极间极面，提高交轴和直轴电感比，增加马达的磁阻转矩。然而，交轴电感提高导致顿转转矩增加，而顿转转矩会导致脉动涟波转矩产生，马达因而产生震动及噪音，这对于马达的效率影响很大，特别是应用于车辆驱动、机器人(或机械手臂)、高精密位置控制或恒定速度控制时，顿转转矩必需设法克服。

已知改善马达顿转转矩的技术方案，包括改变转子磁铁强度、改变磁铁展开角度、改变转子磁铁充磁方式、定子齿部设置辅助槽、槽和极数不同组合、定子斜槽和转子斜磁极、减少定子开口槽宽度、增加每极槽数等。

在先专利的美国发明专利US6703745B2提出了利用气隙磁阻来改善顿转转矩的技术方案。该方案主要将和磁铁槽位相对的转子极面设计成向外凸出的圆弧形，以下简称圆弧极面，构成该圆弧极面的半径系小于转子半径。该圆弧极面改变了马达气隙的磁场分布，使气隙磁通分布接近正弦波分布，从而改善顿转转矩。(如图1)

但是，上述各种改善顿转转矩的技术方案，都会产生不被期待的寄生效应。例如上在先专利，因马达交轴的气隙增加，导致交轴电感大幅减少，磁阻转矩亦随之减少。而顿转转矩低于某种程度时，感应电压的高次谐波反而增加，尤其是使用强力磁铁(稀土磁铁)时，感应电压的高次谐波将会使转子和定子发生热电磁耗损、马达高负载运行时噪音增加，且产生径向力使转子的转动力量不均匀，轴承负荷增加等问题。这些高次谐波更会进一步的使我们希望的正弦波气隙磁路变形，引起一些寄生的扭力波形，这会弱减马达实际的扭力输出。

发明内容

本发明的目的在提供一种内置式永久磁铁马达，其具有减少顿转转矩、增加磁阻转矩、以及降低高次谐波之效能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种内置式永久磁铁马达，包括一定子、一转子、以及设于该转子上多数个供永久磁铁内置的磁铁槽、以及设于该转子中心供一旋转轴心穿枢的轴孔；其中，该转子的外缘面包含：多数个主磁极极面和多数个极间极面，每一极间极面介于两个相邻的主磁极极面之间；该主磁极极面和该极间极面由多个与该转子圆心不同心的偏心圆圆弧连接合成，于每一圆弧连接处形成一凹陷部。

所述主磁极极面边端的气隙厚度大于中点的气隙厚度，其厚度相差1.2～2.5倍。

所述极间极面的中点气隙厚度与该主磁极极面的中点气隙厚度相同。

所述极间极面的宽度等于或大于1/2定子齿部的齿宽。

所述主磁极极面包括至少一个第一偏心圆弧以及至少两个第二偏心圆弧，该第一偏心圆弧及该第二偏心圆弧与该转子的圆心为不同心，且该第一偏心圆弧与该第二偏心圆弧为不同心；该二个第二偏心圆弧分别连接于该第一偏心圆弧的两个边端，并在圆弧连接处形成一凹陷部。

所述第一偏心圆弧由一第一圆心以及一第一圆弧半径所构成；该第一圆心与该转子的圆心具有一距离位差。

该第二偏心圆弧由一第二圆心以及一第二圆弧半径所构成；该第二圆心与该转子的圆心偏移一个水平距离。

上述的两个第二偏心圆弧分别为不同圆心及不同圆弧半径所构成。

该主磁极极面的总展开角度介于(n-m)×(360度/s)与(n-m-1)×(360度/s)之间；其中，n为马达每一个主磁极极面所面对的总齿数的整数值int(s/p)，s为马达总槽数，p为马达极数，m＝0，1，2...之整数；(n-m-1)大于零。

该极间极面包含至少一偏心圆弧，该极间极面的偏心圆弧连接于该主磁极极面的两个边端。

该极间极面的偏心圆弧由一第三圆心以及一第三圆弧半径所构成，该第三圆心与该转子之圆心具有一距离位差。

本发明的效果在于：将马达的转子外缘规划多数个主磁极极面和极间极面，每一极间极面介于两个相邻的主磁极极面之间；主磁极极面及极间极面由多个与转子圆心不同心之偏心圆的圆弧连接而成，主磁极极面和极间极面为多层次圆弧面，它使转子与定子之间的气隙为非均匀，但为规律层次性的变化，据此调整气隙磁通分布，使其接近正弦波分布，以改善顿转转矩过大的问题。此外，主磁极极面和极间极面的各圆弧于连接处形成凹陷部，该凹陷部可产生抑制高次谐波的气隙磁场。

另外，本发明设定极间极面至少等于或大于1/2定子齿部的齿宽，透过维持极间极面宽度以及缩减极间极面气隙的方案，以获得较高交轴电感来提高磁阻转矩，并且维持较低的顿转转矩。

附图说明

图1是背景技术中马达转子和定子的组合端面图。

图2是本发明转子与定子的端面图。

图3是本发明转子与定子的局部放大图，描述转子外缘的形状。

图4是本发明转子与定子的局部放大图，描述定义该转子外缘形状。

图5是本发明的谐波量测结果。

【主要符号说明】

10-定子    20-转子    21-主磁极极面    22-极间极面    25-磁铁槽

26-轴孔    41-第一偏心圆弧    42-第二偏心圆弧    43-第三偏心圆弧

44-凹陷部    45-凹陷部    AG1-气隙厚度    AG2-气隙厚度

AG3-气隙厚度    C0-转子圆心    C1-第一圆心    C2-第二圆心

C3-第三圆心    D-水平距离    R-转子半径    R1-第一圆弧半径

R2-距离位差    R3-第二圆弧半径    R4-第三圆弧半径    R5-距离位差

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容以下结合实施方式并配合附图详予说明。

如图2和图3所示，以马达定子及转子的端面图来描述本发明，包括一定子10、一转子20、多数个供永久磁铁内置的磁铁槽25、以及设于该转子20中心供旋转轴心(图未示)穿枢的轴孔26。

图3是图2的局部放大图，用以清楚显示转子外缘的形状。本发明将马达的转子外缘规划多数个主磁极极面21和极间极面22，每一极间极面22介于两个相邻的主磁极极面21之间；该主磁极极面21和极间极面22由多个与该转子圆心C0不同心之偏心圆的圆弧连接合成，于圆弧连接处形成凹陷部44、45。

主磁极极面21由多个与转子的圆心C0为不同心的偏心圆弧连结而成。在本发明的最佳实施例中，该主磁极极面21包含一个第一偏心圆弧41和两个第二偏心圆弧42，该第一偏心圆弧41及该第二偏心圆弧42与该转子的圆心C0为不同心，且该第一偏心圆弧41与该第二偏心圆弧42为不同心；两个第二偏心圆弧42分别连接于该第一偏心圆弧41的两个边端，并在圆弧连接处形成一凹陷部45。

该极间极面22也是由与转子的圆心C0为不同心的偏心圆弧所构成，极间极面22的边端与主磁极极面21的边端连接。该极间极面22可以是单个偏心圆弧，也可以是多个偏心圆弧相连。在本发明的最佳实施例中，该极间极面22包含一个偏心圆弧，称为第三偏心圆弧43。第二偏心圆弧42连接着第一偏心圆弧41和第三偏心圆弧43，且第二偏心圆弧42与第三偏心圆弧的连接处形成一凹陷部44。

为便于详细描述，以主磁极极面21包含一个第一偏心圆弧41和两个第二偏心圆弧42，以及极间极面22包含一个第三偏心圆弧43为例，来说明本发明的技术特征。然而最佳实施例并非用以限制本发明，偏心圆弧的数量、曲率、展开角度改变均可依照马达的需求而加以调变，例如，本发明以下所述的技术特征，可依据单转向马达或双转向马达做适应性调整。

如图4所示，第一偏心圆弧41由第一圆心C1以及第一圆弧半径R1所构成。第一圆心C1与转子圆心C0具有一距离位差R2。在最佳图例中，第一圆弧半径R1小于转子半径R，同时具有R1+R2＝R的关系。但并不以此为限，第一圆弧半径R1大于转子半径R，或R2+R＝R1亦是可行的。应用于单转向马达时，该第一偏心圆弧41也可以由不同圆心的圆弧组成。

第二偏心圆弧42由第二圆心C2以及第二圆弧半径R3所构成，该第二圆心C2与转子圆心C0偏移一个水平距离D。在最佳图例中，第二圆弧半径R3小于转子半径R。但并不以此为限，第二圆弧半径R3大于转子半径R亦是可行的；此外，两个第二偏心圆弧42亦可为不同圆心，不同的圆弧半径。

第三偏心圆弧43由第三圆心C3以及第三圆弧半径R4所构成，该第三圆心C3与转子圆心C0具有一距离位差R5。在最佳图例中，第三圆弧半径R4小于转子半径R，同时具有R4+R5＝R的关系。但并不以此为限，第三圆弧半径R4大于转子半径R，或R5+R＝R4亦是可行的。

主磁极极面21的第一偏心圆弧41和第二偏心圆弧42的总展开角度介于(n-m)×(360度/s)与(n-m-1)×(360度/s)之间。其中，n为马达每一个主磁极极面21所面对之总齿数之整数值int(s/p)，s为马达总槽数，p为马达极数，m＝0，1，2...之整数。m为整数，代表主磁极极面21面对整数倍的齿槽宽度，这样的顿转转矩较高必须避免。再者，(n-m-1)必须大于零。第一偏心圆弧41之展开角度小于360度/2p(p为马达极数)。除此之外，一个主磁极极面21和一个极间极面22所包含的一个第一偏心圆弧41、两个第二偏心圆弧42以及一个第三偏心圆弧43，它们的的展开角度总和为360度/p(p为马达极数)。

极间极面22至少等于或大于1/2定子齿部的齿宽。

本发明实施例的主磁极极面采用不同心的一个第一偏心圆弧41和二个第二偏心圆弧42合成，使该主磁极极面21边端的气隙厚度AG1大于中点的气隙厚度AG2，较佳的是，AG1为AG2的1.2～2.5倍。除此之外，该极间极面22的中点气隙厚度AG3与主磁极极面21中点气隙厚度AG2相同为最佳。

以上所述为本发明的各项技术特征，以下将各项技术特征的功效一一加以说明。

本发明定义极间极面22的宽度至少等于或大于1/2定子齿部的齿宽，且极间极面22由上述第三偏心圆弧43构成，此一设计系为了获得较高的交轴(Q轴)电感。而本发明再定义极间极面22的中点气隙厚度AG3与主磁极极面21中点气隙厚度AG2相同，尽可能的缩小极间极面22的气隙厚度，解决因气隙过大而导致Q轴电感弱减的问题。基于此，本发明达到了增加交轴电感和增加马达磁阻转矩的目的。

本发明于达成上述目的同时也兼顾了降低顿转转矩的要求。本发明的主磁极极面21为第一偏心圆弧41和第二偏心圆弧42的设计，偏心圆弧设计改变了气隙的磁场分布，使气隙磁通分布接近正弦波分布，使马达具有较低的顿转转矩。

在达到低顿转转矩目的同时，本发明利用微调气隙磁通的方法兼顾了降低高次谐波的要求。例如以第一偏心圆弧41、第二偏心圆弧42为不同展开角度及/或不等圆弧、调整第二偏心圆弧42之圆弧偏心量、使主磁极极面21为多层次圆弧面、于第一偏心圆弧41和第二偏心圆弧42的交界产生凹陷部45、调整凹陷部45的气隙厚度AG1等设计，均可将产生高次谐波(5、7、11、13...次阶谐波)的磁场做局部降低，使得高次谐波可以降到最低。基于高次谐波的降低，无效的涟波减少，使马达效率提高。

以下，以本发明图例所示的最佳实施例进行磁阻扭力、顿转转矩、以及谐波之实验和结果，证明本发明确可达到所述的目的及功效。

■磁阻扭力

习知的马达扭力公式，如式1

T＝3P/Ws[Eq*Iq+(Xd-Xq)*Id*Iq]    式1

其中，符号*为乘法；T：扭力；P：马达极数；Ws：同步转速；Eq：反电动势；Xd：直轴电感(d轴)；Xq：交轴电感(q轴)；Id＝-I*sinθ；Iq＝I*cosθ；θ：电流角度。

当马达转子磁铁位于表面时，Xd＝Xq，没有磁阻扭力，扭力T与电流Iq成正比。在相同的电流I条件下，透过控制电流角度，让Id/Iq的电流产生变化，则可以将马达转速提高，产生一个等功率的马达输出特性的转速范围。亦即，马达转速和输出扭力成反比，产生出相对应的扭力及转速数值.。

当马达转子磁铁位于里面时，Xd＜Xq，有磁阻扭力，但扭力并没有与电流Iq成正比。在相同的电流I条件下，透过控制电流角度，让Id/Iq的电流产生变化，则可以将获得的磁阻扭力表现出来，在相同转速时，表现出来的扭力会比等功率的扭力高，进而使得功率变高。

表一是以一颗8极内置式马达配合本发明之最佳实施例在相同电流I时的测试数据，可以展现磁阻扭力的功效。

表一

由表一中相同电流角度的最大扭力值可以看出，相对于马达等功率对应扭力，在扭力的增加上有明显的效益。

■顿转转矩

表二是以一颗8极内置式马达配合本发明的最佳实施例测试顿转转矩的数值。8极马达，每极占45度，所以，每45度会产生一个顿转转矩数值的重复性。表二是马达在各不同角度下的顿转转矩数值。

表二

由表二的顿转转矩数值可以看出，马达最大顿转转矩数值为1.5kg-cm，由表一的最大扭力测试数据中可以看出，马达最大扭力为94kg-cm，最大顿转转矩相对于马达最大扭力，只有1.6％的比值，可以确认本发明确具有降低顿转转矩的效能。

■谐波数值分析

马达的反电动势波形量出后，经过傅利叶(FFT)转换后可以看出每个谐波量。测试时，是以具备本发明上述最佳实施例之8极内置式马达，利用原动机将本发明之待测马达转到1500RPM，测试待测马达反电动势，利用示波器FFT分析反电动势谐波分布。

图5是谐波量测的结果，黄色曲线为马达U相反电动势，红色曲线为FFT分析结果。由FFT结果发现，主要频率只有100Hz这1根，其余地方都几乎为0。表示只有基础波，其他谐波几乎为0。

马达转速＝120*频率/马达极数

这颗测试马达为8极，又利用原动机将待测马达转到1500RPM，所以，依上式，可以换算出频率为100HZ。这跟FFT结果的100HZ相同，由此可证明，FFT量到的基础波就是测试马达的运转频率。由测试结果数据图的各阶谐波跟基本波比较，相对百分比很低，可以确认本专利实施的有效性。

已知，高次谐波为基础波的倍频率，若在示波器中具有基础波形以及许多倍频率的波形时，代表高次谐波存在。在本发明之测试结果并没有出现100Hz倍频的波形，表示只有基础波，其他谐波几乎为0。据此证明本案具有降次谐波之效能。

Claims (11)

1.一种内置式永久磁铁马达，包括一定子、一转子、以及设于该转子上多数个供永久磁铁内置的磁铁槽、以及设于该转子中心供一旋转轴心穿枢的轴孔；其特征在于：该转子的外缘面包含：

多数个主磁极极面和多数个极间极面，每一极间极面介于两个相邻的主磁极极面之间；该主磁极极面和该极间极面由多个与该转子圆心不同心的偏心圆圆弧连接合成，于每一圆弧连接处形成一凹陷部。

2.根据权利要求1所述的内置式永久磁铁马达，其特征在于：该主磁极极面边端的气隙厚度大于中点的气隙厚度，其厚度相差1.2～2.5倍。

3.根据权利要求1所述的内置式永久磁铁马达，其特征在于：该极间极面的中点气隙厚度与该主磁极极面的中点气隙厚度相同。

4.根据权利要求1所述的内置式永久磁铁马达，其特征在于：该极间极面的宽度等于或大于1/2定子齿部的齿宽。

5.根据权利要求1所述的内置式永久磁铁马达，其特征在于：该主磁极极面包括至少一个第一偏心圆弧以及至少两个第二偏心圆弧，该第一偏心圆弧及该第二偏心圆弧与该转子的圆心为不同心，且该第一偏心圆弧与该第二偏心圆弧为不同心；该二个第二偏心圆弧分别连接于该第一偏心圆弧的两个边端，并在圆弧连接处形成一凹陷部。

6.根据权利要求5所述的内置式永久磁铁马达，其特征在于：该第一偏心圆弧由一第一圆心以及一第一圆弧半径所构成；该第一圆心与该转子的圆心具有一距离位差。

7.根据权利要求5所述的内置式永久磁铁马达，其特征在于：该第二偏心圆弧由一第二圆心以及一第二圆弧半径所构成；该第二圆心与该转子的圆心偏移一个水平距离。

8.根据权利要求5所述的内置式永久磁铁马达，其特征在于：上述的两个第二偏心圆弧分别为不同圆心及不同圆弧半径所构成。

9.根据权利要求5所述的内置式永久磁铁马达，其特征在于：该主磁极极面的总展开角度介于(n-m)×(360度/s)与(n-m-1)×(360度/s)之间；其中，n为马达每一个主磁极极面所面对的总齿数的整数值int(s/p)，s为马达总槽数，p为马达极数，m＝0，1，2...之整数；(n-m-1)大于零。

10.根据权利要求1所述的内置式永久磁铁马达，其特征在于：该极间极面包含至少一偏心圆弧，该极间极面的偏心圆弧连接于该主磁极极面的两个边端。

11.根据权利要求10所述的内置式永久磁铁马达，其特征在于：该极间极面的偏心圆弧由一第三圆心以及一第三圆弧半径所构成，该第三圆心与该转子之圆心具有一距离位差。

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