CN104578650A - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种电机，可包含一定子磁芯、一转子磁芯、一转轴以及至少一对永磁体。转子磁芯被定子磁芯所包围。转子套于转轴上且具有至少一开槽。开槽具有一对子槽。此对子槽定义一角α于其间，角α满足：α＜180°。此对永磁体分别容设于开槽的此对子槽中。

Description

电机

技术领域

本发明是关于一种电机。

背景技术

一般的电机泛指可利用电磁感应的原理，来转换机械能与电能的装置。举例来说，发电机为可将机械能转换成电能的电机，而电动机则是可将电能转换成机械能的电机。

典型同步磁阻电机可包含定子及转子。转子可具有多个栅孔。栅孔的形状可经由设计，而使转子在沿圆周方向上不同位置的磁阻不同，以使得上述不同位置的电感不同，不同位置间的电感差异与定子电流的乘积能够提供转子扭矩而使转子转动。

然而，目前同步磁阻电机所需提供给定子的定子电流相当高，导致电机效率低落，且功率因数亦不佳。

发明内容

有鉴于此，本发明的一目的是在于提供一种电机，提高电机的效率及功率因数。

为了达到上述目的，依据本发明的一实施方式，一种电机可包含一定子磁芯、一转子磁芯、一转轴以及至少一对永磁体。转子磁芯被定子磁芯所包围。转子磁芯套于转轴上具有至少一开槽。开槽具有一对子槽，此对子槽是彼此对称的。此对子槽定义一角α于其间，角α满足：α＜180°。此对永磁体分别容设于开槽的此对子槽中。

于本发明的一或多个实施方式中，该开槽为V形。

于本发明的一或多个实施方式中，转子磁芯具有一外半径R及一内半径r，且该电机的极对数为P，其中角α满足：

$\frac{2}{P}\×0.8\×2\arctan \frac{\sqrt{2}R}{\sqrt{2}R-2r}\≤\mathrm{\α}\≤\frac{2}{P}\×0.9\×2\arctan \frac{\sqrt{2}R}{\sqrt{2}R-2r}.$

于本发明的一或多个实施方式中，转子磁芯具有一外半径R及一内半径r，且该电机的极对数为P，其中角α满足：

于本发明的一或多个实施方式中，电极的极对数P=2。

于本发明的一或多个实施方式中，此对永磁体的材质为铁氧体。

于本发明的一或多个实施方式中，此对子槽是连通的。

于本发明的一或多个实施方式中，转子磁芯包含至少一分隔肋。此分隔肋隔开此对子槽。

于本发明的一或多个实施方式中，开槽的数量为多个，永磁体的数量为多对，且开槽及对永磁体是沿着转子磁芯的D轴方向所排列。

于本发明的一或多个实施方式中，转子磁芯具有一内环面，内环面接触转轴，此对子槽是相交于内环面，且转子磁芯具有一外半径R及一内半径r，其中角α满足：

$\mathrm{\α}\≅2\arctan \frac{\sqrt{2}R}{\sqrt{2}R-2r}.$

于本发明的一或多个实施方式中，此电机为永磁助磁式同步磁阻电机。

于上述实施方式中，由于转子磁芯的开槽中可容设有永磁体，其自身的永磁磁链可提升扭矩。因此，当上述实施方式的电机欲产生与传统电机相等的扭矩时，上述实施方式的电机所需的定子电流较低。是以，上述实施方式可降低定子电流，从而提高电机的效率与功率因数。

以上所述仅是用以阐述本发明所欲解决的问题、解决问题的技术手段、及其产生的功效等等，本发明的具体细节将在下文的实施方式及相关附图中详细介绍。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1绘示依据本发明一实施方式的电机的俯视图；

图2绘示转子磁芯的局部几何关系图；

图3绘示依据本发明另一实施方式的电机的俯视图；以及

图4绘示依据本发明又一实施方式的电机的局部俯视图。

具体实施方式

以下将以附图揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，熟悉本领域的技术人员应当了解到，在本发明另一实施例中，这些实务上的细节并非必要的，因此不应用以限制本发明。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示。

图1绘示依据本发明一实施方式的电机的俯视图。如图1所示，本实施方式的电机可包含一转子磁芯100以及一定子磁芯200。转子磁芯100被定子磁芯200所包围。转子磁芯100具有至少一开槽110。开槽110是中空而不导磁的。转子磁芯100的D轴是由转子磁芯100的几何中心O朝向定子磁芯200所延伸的一轴，Q轴是由几何中心O朝向定子磁芯200所延伸的另一轴。转子磁芯100的D轴会通过开槽110，而Q轴不通过开槽110，因此，转子磁芯100在D轴上的磁阻会高于转子磁芯100在Q轴上的磁阻，而当定子磁芯200中有电流变化而产生磁场时，在转子磁芯100的D轴上所产生的电感会低于在Q轴上所产生的电感，而这样的电感差异可产生扭矩，而驱使转子磁芯100旋转。具体来说，转子磁芯100所受的扭矩T_em满足：

T_em＝pψ_fi_q+p(L_q-L_d)i_qi_d……(式1)。

于式1中，L_q代表在转子磁芯100的Q轴上的电感；

L_d代表在转子磁芯100的D轴上的电感；

i_q代表定子磁芯200在Q轴上的定子电流；

i_d代表定子磁芯200在D轴上的定子电流；

ψ_f代表永磁磁链；

p代表极对数。

由式1可知，若永磁磁链ψ_f不足，则p(L_q-L_d)i_qi_d的数值必须够高，亦即，必须施予足够高的定子电流i_q与i_d给定子磁芯200，才能够提供转子磁芯100一定程度的扭矩T_em。

有鉴于此，于本实施方式中，电机可包含至少一对永磁体300，也即此电机可为一永磁助磁式同步磁阻电机，此对永磁体300可设置于开槽110中，以提高永磁磁链ψ_f。如此一来，在扭矩T_em不变的情况下，具有永磁体300的电机的永磁磁链ψ_f的数值较高，故可降低p(L_q-L_d)i_qi_d的数值，从而降低定子电流i_q与i_d的数值。因此，外部电力装置仅需提供较低的定子电流i_q与i_d给定子磁芯200，即可提供足够的扭矩T_em给转子磁芯100，故此电机所需消耗的电力比不具永磁体300的电力更低，故效率更高。此外，由于定子电流i_q与i_d的数值会下降，故可降低电机的无功功率，而提高功率因数。

由上述可知，若定子电流i_q与i_d的数值越低，则电机的效率及功率因数越高。因此，如何降低定子电流i_q与i_d的数值实为提高电机的效率与功率因数的关键之一。

因此，本发明的实施方式提供一种可增加开槽110体积的技术方案，以容纳体积更大的永磁体300。具体来说，开槽110可为一V形槽，亦即，开槽110具有一对子槽112及114。此对子槽112及114定义一角α于其间，角α满足：α＜180°。换句话说，子槽112及114不平行。基于三角形的两边和大于第三边的原则，将开槽110分为两个不平行的子槽112及114可增加开槽110的体积，故可容设体积更大的永磁体300，从而提高永磁磁链ψ_f的数值，以利降低定子电流i_q与i_d的数值，而进一步地提高电机的效率与功率因数。V型开槽结构，可使永磁体安装方便、加工精度高、模具简单及成本低;

上述实施方式所需的永磁体300的体积大，故不可避免地会提高材料成本。再者，一般永磁材料为稀土材料，其价格相当昂贵。因此，于部分实施方式中，永磁体300的材质为铁氧体，其价格远低于稀土材料的价格，故即便上述实施方式所需的永磁体300体积大，也不会提高过多的材料成本,换句话说,上述实施方式,在设计为相同成本的情况下,效率和功率因数大幅度高于现有技术。

此外，于部分实施方式中，子槽112及114是彼此对称的。换句话说，子槽112及114可为形状相同且体积相等的两个槽，因此，子槽112与子槽114可设有形状相同且体积相等的永磁体300。如此一来，工作人员可无须针对子槽112及114分别设置两种不同(形状或体积不同)的永磁体300，而可在子槽112及114中均设置相同的永磁体300，从而便于工作人员制作此电机。当然此处的相同或相等并不是严格的相同和相等，考虑到机械加工的精密性,可有公差范围内的偏差。

于部分实施方式中，转子磁芯100可为一环状结构。具体来说，转子磁芯100可包含一外环面102、一内环面104以及一顶面106。外环面102比内环面104更靠近定子磁芯200。顶面106连接外环面102与内环面104。开槽110是开设于顶面106。转子磁芯100具有一外半径R以及一内半径r。外半径R是代表外环面102与转子磁芯100的几何中心O之间的距离，而内半径r是指内环面104与转子磁芯100的几何中心O之间的距离。

于部分实施方式中，当角α满足特定关系时，可最大化开槽110的体积。具体来说，可参阅图2，本图绘示转子磁芯100的局部几何关系图。如图2所示，A处是位于转子磁芯100的内环面104上。B处与C处是位于转子磁芯100的外环面102上。B处与几何中心O的连线和C处与几何中心O的连线相垂直。当子槽112及114相交于转子磁芯100的内环面104(例如，相交于内环面104上的A处)，而子槽112相对于A处的另一端是位于B处，子槽114相对于A处的另一端是位于C处时，子槽112与114的体积最大。在这样的设计下，子槽112与114所夹的角α(如图1所示)可为图2中的∠BAC，故此角α满足：

$\mathrm{\α}\≅2\arctan \frac{\sqrt{2}R}{\sqrt{2}R-2r}$ ……(式2)。

当角α(可参阅图1)满足式2的关系时，亦即，角α约等于时，子槽112与114的体积最大，故可容置的永磁体300(可参阅图1)的体积最大，而可进一步地提高电机的效率与功率因数。

然而，经发明人研究发现，当角α(可参阅图1)满足式2的关系时，子槽112会过度靠近Q轴(可参阅图1)，导致在转子磁芯100的Q轴的电感L_q下降，使得式1中p(L_q-L_d)i_qi_d的数值下降，而降低扭矩T_em。

因此，于部分实施方式中，为了在避免影响扭矩T_em的情况下提高电机的效率与功率因数，子槽112’相对于A处的一端可位于B’处，而子槽114’相对于A处的一端可位于C’处。子槽112’与114’所夹的角α(可参阅图1)可为图2中的∠B'AC'，而满足：

$\mathrm{\α}\≤0.9\×2\arctan \frac{\sqrt{2}R}{\sqrt{2}R-2r}$ ……(式3)。

当角α(可参阅图1)满足式3的关系时，开槽110(可参阅图1)不会影响转子磁芯100的Q轴的电感L_q，故可在避免影响扭矩T_em的情况下提高电机的效率与功率因数。

此外，经发明人研究发现，当角α(可参阅图1)过小时，子槽112’会过度远离Q轴(可参阅图1)，使得在转子磁芯100的Q轴的电感L_q较大，从而导致磁场变化时，在转子磁芯100的Q轴的电感L_q会较剧烈地变化，而造成转矩脉动的问题。

因此，于部分实施方式中，为了在避免影响扭矩T_em的情况下提高电机的效率与功率因数，且同时避免转矩脉动的发生，子槽112’与114’所夹的角α(可参阅图1)满足：

$0.8\×2\arctan \frac{\sqrt{2}R}{\sqrt{2}R-2r}\≤\mathrm{\α}\≤0.9\×2\arctan \frac{\sqrt{2}R}{\sqrt{2}R-2r}$ ……(式4)。

当角α(可参阅图1)满足式4的关系时，开槽110(可参阅图1)不仅可在避免影响扭矩T_em的情况下提升电机的效率与功率因数，还可避免产生过大的转矩脉动。

于部分实施方式中，子槽112与114并非相交于转子磁芯100的内环面上104，而是相交于转子磁芯100的内环面104与外环面102之间的位置。因此，子槽112与114之间的角α(可参阅图1)会变大，较佳而言，此角α可满足：

……(式5)。

当角α(可参阅图1)满足式5的关系时，其不仅可避免转矩脉动，也可避免角α为180°，而使得子槽112与114连成一直线状的长槽，导致子槽112与114的体积减少。

于部分实施方式中，电机的极对数为P，角α与极对数P是相关的，进一步来说，在考虑极对数P的数量下，角α可满足：

……(式6)。

或者，在考量极对数P的数量下，角α可满足：

$\frac{2}{P}\×0.8\×2\arctan \frac{\sqrt{2}R}{\sqrt{2}R-2r}\≤\mathrm{\α}\≤\frac{2}{P}\×0.9\×2\arctan \frac{\sqrt{2}R}{\sqrt{2}R-2r}$ ……(式7)。

于部分实施方式中，较佳来说，极对数P有两对，亦即P=2。

于部分实施方式中，如图1所示，子槽112及114是连通的。换句话说，子槽112与114之间无间隔，以增加开槽110的体积。

于部分实施方式中，如图1所示，转子磁芯100与定子磁芯200是分开的。换句话说，转子磁芯100与定子磁芯200之间相隔一间隙。如此一来，定子磁芯200不会影响转子磁芯100的旋转。

于部分实施方式中，如图1所示，电机还包含一转轴400。转子磁芯100套于转轴400上。具體來說，转子磁芯100的内环面104接触转轴400。

于部分实施方式中，如图1所示，定子磁芯200具有多个定子槽210。这些定子槽210是共同环绕转子磁芯100。每一定子槽210中均可容设线圈(未示于图中)。当线圈通电时，转子磁芯100可受到磁场的影响而旋转。

图3绘示依据本发明另一实施方式的电机的俯视图。如图3所示，本实施方式与前述实施方式之间的主要差异在于：转子磁芯100可包含至少一分隔肋130。分隔肋130隔开开槽110的两个子槽112及114。换句话说，在每一开槽110中，子槽112及114不相连通，而被分隔肋130所隔开。通过将分隔肋130设置于子槽112与114之间，可强化转子磁芯100的结构强度，以利转子磁芯100高速旋转。

于部分实施方式中，如图1所示，在沿着转子磁芯100的D轴方向上，可设置有多个开槽110及多对永磁体300。举例来说，如图1所示，在沿着转子磁芯100的D轴方向上，设置有两个开槽110及两对永磁体300。图4绘示依据本发明又一实施方式的电机的局部俯视图。具体来说，如图4所示，在沿着转子磁芯100的D轴方向上，可设置有三个开槽110及三对永磁体300，但本发明的开槽110的数量及永磁体300的数量并不以此为限。举例来说，于其他实施方式中，在沿着转子磁芯100的D轴方向上，亦可设置有四、五或六个开槽110以及四、五或六对永磁体300。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种电机，其特征在于，包含： 

一转轴； 

一转子磁芯，套于该转轴上，该转子磁芯具有至少一开槽，该开槽具有一对子槽，该对子槽定义一角α于其间，该角α满足：α＜180°，该对子槽是彼此对称的； 

一定子磁芯，包围该转子磁芯；以及 

至少一对永磁体，分别容设于该开槽的该对子槽中。 

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，该开槽为V形。 

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，该转子磁芯具有一外半径R及一内半径r，且该电机的极对数为P，其中该角α满足： 

4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于，该电机的极对数P＝2。 

5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，该转子磁芯具有一外半径R及一内半径r，且该电机的极对数为P，其中该角α满足： 

6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，该电机的极对数P＝2。

7.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，该对永磁体的材质为铁氧体。 

8.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，该对子槽是连通的。 

9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，该转子磁芯包含至少一分隔肋，该 分隔肋隔开该对子槽。 

10.根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的电机，其特征在于，该至少一开槽的数量为多个，该至少一对永磁体的数量为多对，且所述多个开槽及所述多对永磁体是沿着该转子磁芯的D轴方向所排列。 

11.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，该转子磁芯具有一内环面，该内环面接触该转轴，该对子槽是相交于该内环面，且該转子磁芯具有一外半径R及一内半径r，其中该角α满足： 

12.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机为永磁助磁式同步磁阻电机。