CN108736602B - 轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

一种轴向磁通电机，包含模块化定子组件、转子组件，以及多个隔离元件。模块化定子组件包含多个定子单体，定子单体包一磁芯以及至少一绕组。磁芯包含有第一板体、第二板体，及连接第一板体与第二板体的侧壁，绕组设置在磁芯上。定子单体组合成为模块化定子组件，将定子组件模块化的设计可以提升占槽率以及提供较佳的马达顿转矩。隔离元件则是设置于磁芯之间。转子组件设置于模块化定子组件内，且包含间隔排列的第一磁性体与第二磁性体，第一磁性体与第二磁性体的磁力线分别通过磁芯的侧壁而构成方向相异的C型磁通回路，进而提升功率密度。

Description

轴向磁通电机

技术领域

本发明涉及一种磁通电机，特别涉及一种轴向磁通电机。

背景技术

马达是一种常见的旋转电机。马达在结构上可分成定子、转子、设置在定子上的绕组，以及转子上的磁性体。马达藉由输入电流产生交变磁场，将电能转为机械能。

现行马达依照磁力线(磁通)方向分类，可分为径向磁通马达与轴向磁通马达二种形式，两者分别在制造工艺上各有亟欲改进的部分。举例而言，传统的径向磁通电机的气隙对马达特性影响较大，磁性体的形状较为复杂，故制作工艺难度较高，其电机长度亦长于轴向磁通电机的电机长度。而另一方面，传统的轴向磁通电机中，在将线圈绕在磁芯上时需要在磁芯的靴部之间预留足够的间隙供绕线设备通过，且绕线设备的绕线角度亦会受到限制，因此导致线圈的占槽率较低。

因此，如何降低马达生产以及组装的困难度，便成为一个重要的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴向磁通电机，以提升绕组的占槽率。

本发明的一实施方式提供一种轴向磁通电机，包含一模块化定子组件、多个隔离元件以及一转子组件。模块化定子组件包含多个定子单体，其中每一定子单体包含一第一磁芯、一第二磁芯、一第一绕组与一第二绕组。第一绕组设置于第一磁芯中，第二绕组设置于第二磁芯中。第一磁芯包含第一板体与第一侧壁，第一板体的一端与第一侧壁的一端连接，使第一磁芯的截面形状呈L形。第二磁芯包含第二板体与第二侧壁，第二板体的一端与第二侧壁的一端连接，使第二磁芯的截面形状呈L形，第一侧壁的另一端与第二侧壁的另一端实体接触。隔离元件设置于相邻的第一磁芯之间以及相邻的第二磁芯之间。转子组件设置在第一磁芯跟第二磁芯之间，其中转子组件包含间隔设置的多个第一磁性体与多个第二磁性体，第一磁性体与第二磁性体的磁力线分别通过第一侧壁与第二侧壁而构成方向相异的C型磁通回路。

于一或多个实施例中，C型磁通回路包含第一磁性体的磁力线和第二磁性体的磁力线。第一磁性体的磁力线由第一磁性体的上表面出发，依序通过第一绕组、第一板体、第一侧壁、第二侧壁、第二板体以及第二绕组回到第一磁性体的下表面，以及第二磁性体的磁力线由第二磁性体的下表面出发，依序通过第二绕组、第二板体、第二侧壁、第一侧壁、第一板体以及第一绕组回到第二磁性体的上表面。

于一或多个实施例中，第一绕组与第二绕组分别包含线圈架以及线圈，其中线圈架固定于第一板体或该第二板体后，线圈再绕设于线圈架上。第一磁芯与第二磁芯包含齿部与靴部，齿部设置于第一板体或第二板体上，用以定位线圈架。靴部与齿部卡合。

于一或多个实施例中，第一绕组与第二绕组分别包含线圈架以及线圈。第一磁芯与第二磁芯分别包含齿部与靴部，齿部设置于第一板体或第二板体上。线圈绕设于线圈架后，线圈架为可分离地组合于齿部，靴部与齿部卡合以固定线圈架。

本发明的另一实施方式提供了一种轴向磁通电机，包含一模块化定子组件、多个隔离元件以及一转子组件。模块化定子组件包含多个定子单体，每一定子单体包含一磁芯与设置于磁芯内的至少一绕组，其中磁芯包含一第一板体、一第二板体，以及连接第一板体与第二板体的一侧壁，第一板体实质上平行于第二板体。隔离元件设置于磁芯之间。转子组件设置于模块化定子组件内，转子组件包含间隔设置的多个第一磁性体与多个第二磁性体，第一磁性体与第二磁性体的磁力线分别通过侧壁而构成方向相异的C型磁通回路。

于一或多个实施例中，C型磁通回路包含第一磁性体的磁力线和第二磁性体的磁力线。第一磁性体的磁力线由第一磁性体的上表面出发，依序经由第一板体、侧壁以及第二板体回到第一磁性体的下表面，第二磁性体的磁力线由第二磁性体的下表面出发，依序经由第二板体、侧壁以及第一板体回到第二磁性体的上表面。

于一或多个实施例中，绕组包含线圈架以及线圈，线圈架固定于第一板体或第二板体后，线圈再绕设于线圈架上。磁芯包含齿部与靴部，齿部设置于第一板体或第二板体上，用以定位线圈架。靴部与齿部卡合。

于一或多个实施例中，绕组包含线圈架以及线圈。磁芯包含齿部与靴部，齿部设置于第一板体或第二板体。线圈绕设于线圈架后，线圈架为可分离地组合于齿部，靴部用以与齿部卡合而固定线圈架。

本发明提供了一种轴向磁通电机，此轴向磁通电机中的定子组件通过模块化的设计而分割成多个定子单体，使得在进行绕线作业时，线圈为在个别的定子单体上分开绕线，而后再将定子单体排列合在一起，如此一来，不须在磁芯的靴部之间预留绕线设备的作业空间，且绕线设备的角度亦不再受限，进而提升绕组的占槽率。同时，将定子组件模块化之后，磁芯中的靴部面积较大，可以提供较佳的马达顿转矩特性。

除此之外，于部分实施例中，定子单体中的绕组为可分离式地组装于磁芯上，换言之，绕组可先绕设在线圈架上，而后再将线圈架与定子单体中的齿部卡合，因此可以让绕组的组装更为容易。此轴向磁通电机的磁通回路会通过磁芯的侧壁，故从截面观的呈C型，此种C型磁通回路的设计可以具有良好的功率密度。

附图说明

阅读以下详细叙述并搭配对应的图式，可了解本揭露的多个态样。应注意，根据业界中的标准做法，多个特征并非按比例绘制。事实上，多个特征的尺寸可任意增加或减少以利于讨论的清晰性。

图1为本发明的轴向磁通电机一实施例的立体视图。

图2为本发明的轴向磁通电机一实施例的拆解图。

图3为本发明的轴向磁通电机一实施例的磁通回路的示意图。

图4为本发明的轴向磁通电机一实施例的绕组的拆解图。

图5为本发明的轴向磁通电机又一实施例的剖面图。

其中，附图标记说明如下：

100、400：轴向磁通电机

200、500：模块化定子组件

210、502：定子单体

220：第一磁芯

222：第一板体

224：第一侧壁

230：第一绕组

240：第二磁芯

242：第二板体

244：第二侧壁

246：齿部

248：靴部

250：第二绕组

252、534：线圈架

254、532：线圈

260、520：隔离元件

300、600：转子组件

310、610：第一磁性体

320、620：第二磁性体

510：磁芯

512：第一板体

514：第二板体

516：侧壁

518：齿部

519：靴部

530：绕组

具体实施方式

请同时参照图1与图2，其分别为本发明的轴向磁通电机一实施例的立体视图以及拆解图。轴向磁通电机100包含有模块化定子组件200以及转子组件300。模块化定子组件200是由多个定子单体210所构成，转子组件300设置于模块化定子组件200内，且可相对于模块化定子组件200旋转。

模块化定子组件200中的每一个定子单体210大致上具有相同的形状与尺寸，本实施例中的定子单体210的形状从上视视角观的近似于楔形，而多个定子单体210组合成环形的定子结构。于一实施例中，每一个定子单体210包含有第一磁芯220、设置于第一磁芯220上的第一绕组230、第二磁芯240，以及设置于第二磁芯240上的第二绕组250。转子组件300则是配置在第一绕组230与第二绕组250之间。

第一磁芯220的截面形状呈L形，第二磁芯240的截面形状呈L形，而当第一磁芯220与第二磁芯240组合时，第一磁芯220的一端实体接触第二磁芯240的一端，使得第一磁芯220与第二磁芯240组合后的截面形状呈C形。于一实施例中，第一磁芯220包含有第一板体222以及第一侧壁224，第一板体222的一端与第一侧壁224的一端连接，使第一磁芯220的截面形状呈L形。第二磁芯240包含有第二板体242以及第二侧壁244，第二板体242的一端与第二侧壁244的一端连接，使第二磁芯240的截面形状呈L形。而第一侧壁224的另一端与第二侧壁244的另一端实体连接，使得第一磁芯220与第二磁芯240组合后的截面形状呈C形。于一实施例中，第一磁芯220的第一板体222大致上平行于第二磁芯240的第二板体242。

第一磁芯220与第二磁芯240的材料为软磁复合材(soft magnetic composite，SMC)，如铁粉芯、铁氧体、磁性玻璃、合金薄片等。于一实施例中，第一磁芯220为一体成形地制作而成，第二磁芯240亦为一体成形地制作而成。于第一磁芯220中，第一板体222与第一侧壁224的厚度可为相同或是不同。于第二磁芯240中，第二板体242与第二侧壁244的厚度可为相同或是不同。

模块化定子组件200更包含有多个隔离元件260，隔离元件260设置于定子单体210之间，用以隔离相邻的定子单体210。隔离元件260的材料为非导磁材料，如塑料、胶体、泡棉等。于一实施例中，隔离元件260可配置在第一磁芯220以及第二磁芯240的侧表面，使相邻的定子单体210彼此之间不直接接触。

转子组件300设置在第一磁芯220与第二磁芯240之间。转子组件300包含有间隔排列的多个第一磁性体310以及第二磁性体320。第一磁性体310与第二磁性体320的可为实质上相同但是磁力线方向相反的永磁体。举例而言，若是第一磁性体310为N极朝向第一磁芯220，S极朝向第二磁芯240，则与其相邻的第二磁性体320为S极朝向第一磁芯220，N极朝向第二磁芯240。换言之，第一磁性体310与第二磁性体320所组成的转子组件300是N极与S极交替排列的磁性体配置。

模块化定子组件200中的定子单体210的个数可以相同或是不同于转子组件300中第一磁性体310与第二磁性体320的对数。定子单体210的个数(相当于绕组的槽数)与第一磁性体310与第二磁性体320的对数可决定轴向磁通电机100的槽极比与绕组的电气角。于一实施例中，模块化定子组件200中的定子单体210的个数为12个，相当于定子槽数为12个，而转子组件300中的第一磁性体310与第二磁性体320共10个，磁极数为5对，每一个绕组的电气角为150度。

参照图3，其为本发明的轴向磁通电机一实施例的磁通回路的示意图。为了清楚表示本实施例的特征，图3中仅绘示单一一个定子单体210，其余的定子单体210予以隐藏而未绘示，合先叙明。

于一实施例中，第一磁芯220与第二磁芯240的截面形状为L形，因此，当第一磁芯220与第二磁芯240组装在一起，使得第一磁芯220的一端与第二磁芯240的一端实体接触之后，第一磁芯220与第二磁芯240构成完整的磁通回路。

具体而言，以第一磁性体310为例，其为N极朝向第一磁芯220，S极朝向第二磁芯240，第一磁性体310的磁力线从第一磁性体310的上表面出发，依序通过第一绕组230第一板体222、第一侧壁224、第二侧壁244、第二板体242、第二绕组250后，回到第一磁性体310的下表面。反之，若是第二磁性体320，则其磁力线方向便会是从第二磁性体320的下表面出发，依序通过第二绕组250、第二板体242、第二侧壁244、第一侧壁224、第一板体222以及第一绕组230后，回到第二磁性体320的上表面。

综上所述，轴向磁通电机100中第一磁芯220与第二磁芯240相连构成C型的磁芯。又由于相邻的第一磁芯220与第二磁芯240之间藉由隔离元件260隔离，因此，每个定子单体210中第一磁性体310及/或第二磁性体320的磁力线会顺着所在的第一磁芯220与第二磁芯240导引，而让第一磁性体310与第二磁性体320的磁力线分别通过磁芯的侧壁而构成方向相反的C型磁通回路。

不同于传统的轴向磁通电机，由于传统的轴向电机不具有侧壁以及隔离元件，故传统的轴向磁通电机中，每一磁性体的磁力线在邻近于磁性体的上表面或下表面处是与径向垂直，而使磁力线通过相邻的磁性体后回到所述的磁性体。而本发明的轴向磁通电机中由于具有侧壁以及隔离元件。故每一磁性体的磁力线在邻近于磁性体的上表面或下表面处(即第一板体222与第二板体242近处)是与径向平行，每一磁性体的磁力线是通过磁芯的侧壁(即通过第一侧壁224与第二侧壁244)后回到所述的磁性体，而不会通过相邻的磁性体，故此种C型磁通回路设计可以提升轴向磁通电机100的功率密度。

参照图4，其为本发明的轴向磁通电机一实施例的绕组的拆解图。轴向磁通电机100将定子组件模块化而分割为多个定子单体，于部分实施例中，定子单体中的绕组为可分离式地组装于磁芯上。绕组可为前述的第一绕组230或是第二绕组250，磁芯可为前述的第一磁芯220或是第二磁芯240，为了便于说明，本实施例中以第二绕组250与第二磁芯240的组装进行说明，但是此结构亦可视为第一绕组230与第一磁芯220倒置的结果，故第一绕组230与第一磁芯220的组装在此便不再赘述。

于一实施例中，第二磁芯240包含第二板体242、第二侧壁244以及设置于第二板体242的齿部246。第二绕组250包含有线圈架252以及线圈254。于一实施例中，线圈254为导体材料，如为漆包线圈或是金属线匣。待线圈254组装于线圈架252后，再将线圈架252与第二磁芯240上的齿部246卡合定位。第二磁芯240可更选择性地包含有靴部248，靴部248可在线圈架252定位之后与齿部246卡合，以将线圈架252与其上的线圈254固定在第二磁芯240上。

而在其他的实施例中，绕组的线圈架可以直接固定在磁芯的板体上，如线圈架252可以通过黏胶黏合或是焊接等接合作业直接固定在第二板体242上，线圈254再通过绕线作业设置线圈架252上，此时，齿部246的作用的一在于在接合作业的时候定位线圈架252，靴部248的作用的一在于将线圈254固定在靴部与第二板体242之间。

综上所述，轴向磁通电机中的定子组件通过模块化的设计而分割成多个定子单体，使得在进行绕线作业时，线圈为在个别的第一磁芯与第二磁芯上分开绕线，而后再将第一磁芯与第二磁芯组合成定子单体，并将定子单体排列合在一起成为模块化定子组件。如此一来，不须在磁芯的靴部之间预留绕线设备的作业空间，且绕线设备的绕线角度亦不再受限，进而提升绕组的占槽率。除此之外，在将定子组件模块化之后，靴部的面积可以随的增加，进而提供较佳的马达顿转矩特性。除此之外，于部分实施例中，定子单体中的绕组为可分离式地组装于磁芯上，换言之，线圈可先绕设在线圈架上，而后再将线圈架与定子单体中的齿部卡合，因此可以让线圈的组装更为容易。藉由模块化组装方式，可以让绕组组装的过程更为便利，提升轴向磁通电机的组装效率，并提供较佳的占槽率与马达顿转矩特性。

参照图5，其为本发明的轴向磁通电机又一实施例的剖面图。于一实施例中，轴向磁通电机400包含有模块化定子组件500以及转子组件600，模块化定子组件500包含有多个定子单体502以及设置于定子单体502之间的隔离元件520。本实施例的轴向磁通电机400与前述实施例的主要差别在于，每个定子单体502包含有一磁芯510，磁芯510包含有实质上相互平行的第一板体512与第二板体514、以及连接第一板体512与第二板体514的侧壁516，且第一板体512、第二板体514以及侧壁516为一体成形的软磁复合结构。

转子组件600中包含有间隔排列的第一磁性体610与第二磁性体620。于一实施例中，转子组件600的数量为一个，转子组件600的两侧分别配置有绕组530。磁芯510包含有齿部518以及靴部519，绕组530包含有线圈架534以及设置于线圈架534上的线圈532，线圈架534为可分离式地组合于齿部518，而后靴部519再与齿部518组合以固定绕组530。于其他的实施例中，线圈架534可以直接固定在第一板体512或第二板体514上，而后再进行绕线作业将线圈设置在线圈架534上。于其他的实施例中，转子组件600与绕组530的比例以及排列方式可以按照不同的需求变更，如配置两层的转子组件600在绕组530之间亦可。

如前所述，侧壁516连通第一板体512与第二板体514，使得第一板体512、侧壁516与第二板体514可构成完整的C型磁通回路，而转子组件600中的第一磁性体610与第二磁性体620的磁力线通过C型的磁通回路。举例而言，第一磁性体610的磁力线由第一磁性体610的上表面出发，依序经由绕组530、第一板体512、侧壁516、第二板体514以及绕组530回到第一磁性体610的下表面。第二磁性体620的磁力线由第二磁性体620的下表面出发，依序经由绕组530、第二板体514、侧壁516、第一板体512以及绕组530回到第二磁性体620的上表面。此种模块化定子组件500的设计可以提升组装效率以及提供较佳的占槽率与马达顿转矩特性，而C型磁通回路的设计可以提升轴向磁通电机400的功率密度。

综上所述，本发明提供了一种轴向磁通电机，此轴向磁通电机中的定子组件通过模块化的设计而分割成多个定子单体，使得在进行绕线作业时，线圈为在个别的定子单体上分开绕线，而后再将定子单体排列合在一起，如此一来，不须在磁芯的靴部之间预留绕线设备的作业空间，且绕线设备的角度也不再受限，因此可以提升线圈的占槽率。除此之外，藉由将定子组件模块化的设计，使得靴部的面积可以增加，进而提供较佳的马达顿转矩特性。于部分实施例中，定子单体中的绕组为可分离式地组装于磁芯上，换言之，绕组可先绕设在线圈架上，而后再将线圈架与定子单体中的齿部卡合，因此可以让绕组的组装更为容易。此轴向磁通电机的磁通回路会通过磁芯的侧壁，故从截面观的呈C型，此种C型磁通回路的设计可以具有良好的功率密度。

虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，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 (4)

1.一种轴向磁通电机，包含：

一模块化定子组件，包含多个定子单体，其中每一定子单体包含：

一第一磁芯，包含一第一板体与一第一侧壁，其中该第一板体的一端与该第一侧壁的一端连接，使该第一磁芯的截面形状呈L形；

一第一绕组，设置于该第一磁芯中；

一第二磁芯，包含一第二板体与一第二侧壁，其中该第二板体的一端与该第二侧壁的一端连接，使该第二磁芯的截面形状呈L形，其中该第一侧壁的另一端与该第二侧壁的另一端实体接触；以及

一第二绕组，设置于该第二磁芯中；

多个隔离元件，设置以隔离相邻的多个第一磁芯与相邻的多个第二磁芯，所述隔离元件为独立元件；以及

一转子组件，设置在该第一磁芯与该第二磁芯之间，其中该转子组件包含间隔设置的多个第一磁性体与多个第二磁性体，所述多个第一磁性体的磁力线与所述多个第二磁性体的磁力线分别通过该第一侧壁与该第二侧壁而构成方向相异的多个C型磁通回路；

其中该第一绕组与该第二绕组分别包含一线圈架一线圈，其中该第一磁芯与该第二磁芯分别包含：

一齿部，设置于该第一板体或该第二板体上，其中该线圈绕设于该线圈架后，该线圈架为可分离地组合于该齿部；以及

一靴部，与该齿部卡合以固定该线圈架。

2.权利要求1所述的轴向磁通电机，其中所述多个C型磁通回路包含所述多个第一磁性体的磁力线和所述多个第二磁性体的磁力线：

所述多个第一磁性体的磁力线由所述多个第一磁性体的上表面出发，依序通过该第一绕组、该第一板体、该第一侧壁、该第二侧壁、该第二板体以及该第二绕组回到所述多个第一磁性体的下表面；以及

所述多个第二磁性体的磁力线由所述多个第二磁性体的下表面出发，依序通过该第二绕组、该第二板体、该第二侧壁、该第一侧壁、该第一板体以及该第一绕组后回到所述多个第二磁性体的上表面。

3.一种轴向磁通电机，包含：

一模块化定子组件，包含多个定子单体，每一定子单体包含：

一磁芯，包含一第一板体、一第二板体，以及连接该第一板体与该第二板体的一侧壁，该第一板体实质上平行于该第二板体；以及

至少一绕组，设置于该磁芯内；

多个隔离元件，设置于多个磁芯之间，所述隔离元件为独立元件；以及

一转子组件，设置于该模块化定子组件内，其中该转子组件包含间隔设置的多个第一磁性体与多个第二磁性体，所述多个第一磁性体的磁力线与所述多个第二磁性体的磁力线分别通过该侧壁而构成方向相异的多个C型磁通回路；

其中该绕组包含一线圈架以及一线圈，其中该磁芯包含：

一齿部，设置于该第一板体或是该第二板体上，其中该线圈绕设于该线圈架后，该线圈架为可分离地组合于该齿部；以及

一靴部，与该齿部卡合以固定该线圈架。

4.如权利要求3所述的轴向磁通电机，其中所述多个C型磁通回路包含所述多个第一磁性体的磁力线和所述多个第二磁性体的磁力线：

所述多个第一磁性体的磁力线由所述多个第一磁性体的上表面出发，依序经由该第一板体、该侧壁以及该第二板体回到所述多个第一磁性体的下表面；以及

所述多个第二磁性体的磁力线由所述多个第二磁性体的下表面出发，依序经由该第二板体、该侧壁以及该第一板体回到所述多个第二磁性体的上表面。

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