CN109038883A - 转子机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种转子机构，其包含多个导体条与转子铁芯。导体条沿转子铁芯周缘排列设置，转子铁芯具有多个磁阻单元与至少一环形磁通道，磁阻单元分别自其中一导体条延伸到另一导体条，且环形磁通道通过该些磁阻单元，并围绕转子铁芯的一轴心，其中，每一磁阻单元为磁通屏障，且相邻的二磁阻单元之间的间隙与环形磁通道都为磁路通道。

Description

转子机构

技术领域

本发明涉及一种转子机构，特别是涉及一种具有环形磁通道的转子机构。

背景技术

所谓电动机，是用于实现将机械能和电能相互转换的一种电磁做动方式，是各行业和人们日常生活中应用最广泛的产品，例如可用于工具机、水泵、轻工机械、风力发电、水力发电和电动汽车等，为工业发展必备的基础设备之一，与经济发展息息相关。

因应节能减碳的议题，国际电工委员会(IEC)统一将全球的电动机能效标准，将效率由低至高依序定为IE1～IE4甚至更高的IE5级等。为了达到高效率的标准，感应电动机多采用高导电率材料或更高等级的导磁钢片，但提升的幅度已达到瓶颈。因此，为了达到IE5以上的效率，多数大厂抛弃了感应电动机的型态，改采稀土材料和驱动器的方案来进行，但相对也提高了马达整体的材料成本。不仅如此，稀土还存有退磁的潜在问题，且此类的电动机都没有办法接上市电直接运转。因此，如何以较低成本实现高效率的电动机，成为业界开发和研究的重点项目。

发明内容

本发明的目的在于提供一种转子机构，兼具同步和异步电动机的优势且可达到高效率输出。

根据本发明所公开的一种转子机构，包含多个导体条与转子铁芯。导体条沿该转子铁芯周缘排列设置，该转子铁芯具有多个磁阻单元与至少一环形磁通道，该些磁阻单元分别自其中一该导体条延伸到另一该导体条，且该至少一环形磁通道通过该些磁阻单元，并围绕该转子铁芯的一轴心，其中，每一该磁阻单元为磁通屏障，且相邻的二该磁阻单元之间的间隙与该至少一环形磁通道都为磁路通道。

本发明所公开的转子机构中，通过单元磁阻和环形磁通道的适当排列，可使其应用于电动机时提供电动机于异步运转状态时磁通的通道，以提升异步运转时的转矩能力，还可于同步运转状态时使激磁的磁通控制在特定的方向，进而让电动机兼具同步与异步的优势，使电动机达到特优质效率(ultra-premium efficiency)能量转换能力等功效。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明，是用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明的一实施例所绘示的电动机的立体图；

图2为图1的电动机的分解图；

图3为图1的转子机构的正视图；

图4为图1的转子铁芯的局部放大图；

图5为本发明另一实施例的转子铁芯的局部放大图；

图6为本发明又一实施例的转子铁芯的局部放大图；

图7A为图1的电动机的达到同步状态时磁力线的示意图；

图7B为图1的电动机的达到异步状态时磁力线的示意图；

图8为图1的电动机与不具环形磁通道的电动机于运转时电感差值的比较图；

图9为图1的电动机与不具环形磁通道的电动机于运转时切换转矩的比较图；

图10为图1的电动机的效率图

符号说明

1a 转子机构

9 电动机

2 定子

3 端环

40 转子铁芯

41 导体槽

42 磁阻群

43 环形磁通道

50 导体条

420 磁阻单元

421 中央部

422 端部

a、a1～a3 磁阻单元于径向方向的长度

L 轴心

w1 磁阻单元的中央部的宽度

w2 磁阻单元的端部的宽度

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术者，了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

此外，以下将以附图公开本发明的实施例，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，应了解到的是，这些实务上的细节非用以限制本发明。另外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示之，甚至部分的附图省略了走线(缆线、或排线)等结构以保持图面整洁，于此先声明之。

再者，除非另有定义，本文所使用的所有词汇，包括技术和科学术语等具有其通常的意涵，其意涵能够被熟悉此技术领域者所理解。更进一步的说，上述的词汇的定义，在本说明书中应被解读为与本发明相关技术领域具有一致的意涵。除非有特别明确的定义，这些词汇将不被解释为过于理想化的或正式的意涵。

请参照图1～图2，图1为本发明的一实施例所绘示的电动机的立体图，而图2为图1的电动机的分解图。

本发明提出一种转子机构1a，适用于一电动机9。所述的电动机9具有一定子(stator)2及二端环(end ring)3等。转子机构1a可转动地位于定子2内。二端环3位于转子机构1a相对两端面。但本发明不以定子2、端环3或其结构为限。

以下，将针对转子机构1a进行说明。请接续参阅图3，图3为图1的转子机构的正视图。转子机构1a包含一转子铁芯(rotor core)40与多个导体条(rotor bar)50。转子铁芯40具有多个导体槽41、多个磁阻群42与多个环形磁通道43。

导体槽41沿转子铁芯40周缘排列设置。在本实施例中，导体槽41与转子铁芯40的环形侧壁(未标号)相隔一距离，如图4，为图1的转子铁芯的局部放大图，但本发明并非以此为限。例如图5，为本发明另一实施例的转子铁芯的局部放大图，导体槽41’也可为破槽，与转子铁芯40’的环形侧壁相连。此外，在本实施例中，导体槽41的截面为梨形，但本发明也非以此为限。例如于其他实施例中，导体槽41的截面也可改为圆形、椭圆形或其他几何形。

请复参图3，导体条50分别设置于这些导体条41中。

磁阻群42围绕转子铁芯40的轴心L排列。大致上，磁阻群42的数量与转子铁芯40的极数(pole)相同，例如于本实施例中，转子铁芯40的极数为四极，磁阻群42的数量则为四组，且分别配置于各极中。

每一组磁阻群42包含多个磁阻单元(Reluctance unit)420。磁阻单元420分别自其中一导体槽41延伸到另一导体槽41；也可以说，磁阻单元420分别自其中一导体条50延伸到另一导导体条50。此外，在本实施例或其他实施例中，磁阻单元420中不设置磁铁，且各磁阻单元420与导体槽41之间保持一距离，即磁阻单元420与导体槽41为相分离而非相连。另外，提醒的是，转子铁芯40的极数(即磁阻群42的组数)与每组磁阻群42中磁阻单元420的数量可据实际需求进行调整，本发明并非以此为限。

在本实施例中，各磁阻群42中的磁阻单元420等间距地沿该转子铁芯40的径向方向排列，也可以说，在转子铁芯40每一极(pole)中，具有三个磁阻单元420沿转子铁芯40的径向方向排列。但磁阻单元420不限于等间距排列。例如于其他实施例中，各磁阻群中的磁阻单元也可为非等间距地沿转子铁芯的径向方向排列。

另外，请参阅图6，为图1的转子铁芯的局部放大图。在各磁阻群42中，磁阻单元420于转子铁芯40的径向方向的长度总合为a1+a2+a3＝a。而转子铁芯40于径向方向的厚度为t，更具体地说，t值为转子铁芯40的实体于径向方向的厚度。

在设计上，a与t符合以下条件：

1.4≤t/a≤2.5。

此外，各磁阻单元420的中央部421的宽度为w1，该磁阻单元420其中一端部422的宽度为w2，在设计上，w1与w2满足以下条件：

0.3≤w1/w2。

值得注意的是，在本实施例中，这些环形磁通道43贯穿前述的这些磁阻单元420，以将这些磁阻单元420分隔成多个子单元(未标号)。详细来说，这些环形磁通道43围绕转子铁芯40的轴心L，且这些环形磁通道43彼此呈同心圆排列。但提醒的是，环形磁通道43的数量可依据实际需求增加或减少，本发明并非以此为限。例如于其他实施例中，每一转子铁芯上也可仅具有一个环形磁通道43。另外，环形磁通道不限于是正圆，例如于其他实施例中，环形磁通道也可为椭圆等其几何形，只要是贯穿磁阻单元且环绕转子铁芯的轴心的环形磁通道，均属于本发明的范畴。

对于转子铁芯40来说，每一磁阻单元420，包含其子单元都为磁通屏障，但相邻的磁阻单元420之间的间隙与这些环形磁通道43都为磁路通道。在原理上，电动机绕组输入电源，相对应定子绕组的转子铁芯40上的导体条50会产生激磁电流(excitation current)，使转子铁芯40导磁形成封闭的磁力线回圈。此时，单位截面积所通过的磁通量，称为磁通密度(Flux density-B)。透过这些环形磁通道43的配置，不仅可提供电动机于异步运转状态时磁通的通道，以提升异步运转时的转矩能力，还可使激磁的磁通控制在特定的方向。

请参阅图7A～图7B，图7A为图1的电动机的达到同步状态时磁力线的示意图，而图7B为图1的电动机的达到异步状态时磁力线的示意图。

图7A显示电动机达同步时的状态，由于磁阻单元420排列于转子铁芯40中，使激磁的磁通被控制在特定的方向。此时，磁通绝大部分被局限于磁阻单元420之间的间隙。且当需要较大的同步特性转矩输出时，磁通绝大部分经由d轴(d-axis)方向流通。

接着，图7B显示电动机达异步时的状态，由于环形磁通道43的配置，使得当需要较大的异步转矩特性时，磁通可允许通过环形磁通道43，不会让磁通仅局限在导体条50和磁阻单元420间。并且，磁通经环形磁通道43通过，可以使转子铁芯40的高导磁材料不产生过饱和现象以及相对应的磁滞损失(hysteresis loss)和涡流损失(eddy current loss)，并有助于使电动机的温度不产生急剧提升，以及有助于在异步运转时增加转矩。

此外，依据实验结果，环形磁通道43与磁阻单元420的排列会造成磁通的聚集，使磁通密度适当的调适到理想值，平均约为1.2～2.0特斯拉(Tesla)。

虽然前述磁阻单元420与环形磁通道43的数量并不受限，但透过磁阻单元420和环形磁通道43的数量调整，可将d轴方向和q轴方向的电感值差值(Ld-Lq)控制在1～5倍。例如请参图8，为图1的电动机(b型)与不具环形磁通道的电动机(a型)于运转时电感差值的比较图。详细来说，图8为前述具有环形磁通道43与另一不具有环形磁通道43的电动机的d-q轴电感值示意图。其中，两电动机的差异仅在于是否具有环形磁通道43。

前述具有环形磁通道43的转子机构1a中，d轴电感和q轴电感的差值(Ld-Lq)在稳定运转一定时间后约为43mH，并存有约1.4倍的倍数差。相较之下，没有环形磁通道43的电动机中，d轴电感和q轴电感的差值则约为154mH。d轴和q轴电感差值越大，直接影响到转矩的输出大小，助于改变电动机的转矩特性和相对的效率特性。

接着，请参阅图9，为图1的电动机与不具环形磁通道的电动机于运转时切换转矩的比较图。可知，有环形磁通道43通过磁阻单元420的转子机构(即磁阻单元420的子单元的数量越多)，异步区域的转矩越大，同步区域的转矩相对降低。相较之下，未有环形磁通道43通过的转子机构，异步区域的转矩越小，同步区域的转矩相对提升。其中，同步区域和异步区域的切换点为切换转矩(switch torque)。

同时，由于结构上的差异，调变了切换同步和异步旋转的速度落差。如有环形磁通道43通过磁阻单元420的转子机构(即磁阻单元420的子单元的数量越多者)，具有落差较小的S2转数落差特性。而在未有环形磁通道43通过的转子机构，则具有落差较大的S1转数落差特性。

接着，请参阅图10，为图1的电动机的效率图。由图可看到，可使得电动机在极广的功率范围内具有特优质效率(Ultra-Premium Efficiency)输出以及同步运转特性。

最后，举例本案于实际实验中与传统的电动机的温升比较，如下表，为采用本发明的转子机构的电动机相较于传统的感应电动机，在1.5kW/60Hz/220V的电流下运转时的温升情形，可看到，本发明的转子机构的电动机的温升远低于传统感应电动机。

电动机	本发明的转子机构的电动机	传统的感应电动机
			环境温度	20.1℃	22.6℃
绕组温度	41.5℃	78.8℃
			温升	ΔT:21.4℃	ΔT:56.2℃

由前述可知，通过磁阻单元420与环形磁通道43的配置，可带来以下特性：

(a)使得电动机具有同步运转特性和异步运转特性而成为双模态的电动机。

(b)在同步运转时，具有特优值效率输出的特性。

(c)可获得较高的切换转矩。

(d)切换转矩的大小较额定功率所需输出的转矩大1至5倍。

(e)获得较高的能量转换效率，例如本案图1的电动机，经全国认证基金会(TAF)实验室测得具有94％的效率特性，属于IE5等级以上。

(f)环形磁通道将磁阻单元切成多个子单元，有助于平缓切换转矩至异步区域的转矩差异变化。

可知，由本发明前述的转子机构，可使电动机达到特优质效率(ultra-premiumefficiency)能量转换能力、自启动特性、同步运转、宽广功率范围的效率操作域、转矩大小调整、异步区域和同步区域切换的平缓调整等功效。

Claims (10)

1.一种转子机构，其特征在于，包含：

多个导体条；以及

转子铁芯，该些导体条沿该转子铁芯周缘排列设置，该转子铁芯具有多个磁阻单元与至少一环形磁通道，该些磁阻单元分别自其中一该导体条延伸到另一该导体条，且该至少一环形磁通道通过该些磁阻单元，并围绕该转子铁芯的一轴心，其中，每一该磁阻单元为磁通屏障，且相邻的二该磁阻单元之间的间隙与该至少一环形磁通道都为磁路通道。

2.如权利要求1所述的转子机构，其中该至少一环形磁通道的数量为多个，且彼此为同心圆。

3.如权利要求1所述的转子机构，其中该些磁阻单元组成多组磁阻群，该些磁阻群围绕该转子铁芯的该轴心，且于各该磁阻群中，该些磁阻单元沿该转子铁芯的径向方向排列。

4.如权利要求3所述的转子机构，其中于各该磁阻群中，该些磁阻单元等间距地沿该转子铁芯的径向方向排列。

5.如权利要求3所述的转子机构，其中于各该磁阻群中，该些磁阻单元非等间距地沿该转子铁芯的径向方向排列。

6.如权利要求3所述的转子机构，其中于各该磁阻群中，该些磁阻单元于该转子铁芯的径向方向的长度总合为a，该转子铁芯于径向方向上的厚度为t，其符合以下条件：

1.4≤t/a≤2.5。

7.如权利要求1所述的转子机构，其中各该磁阻单元的中央部的宽度为w1，各该磁阻单元的端部的宽度为w2，其符合以下条件：

0.3≤w1/w2。

8.如权利要求1所述的转子机构，其中该转子铁芯更具有多个导体槽，用以供该些导体条设置。

9.如权利要求8所述的转子机构，其中每一该导体槽为一开槽，与该转子铁芯的环形侧壁相连。

10.如权利要求8所述的转子机构，其中每一该导体槽与该转子铁芯的环形侧壁相隔一距离。