CN110138161A - 具有栅栏式定子的外盘式马达 - Google Patents

Abstract

具有栅栏式定子的外盘式马达，包括一枢轴；复数个平行配置的盘式外转子，分别包括一盘本体及偶数个永久磁铁，盘本体中心垂直固设于枢轴，且相邻的永久磁铁以同极性相对方式均匀排列，盘式外转子的永久磁铁的相异磁极则彼此相对；栅栏式定子，包括复数个长条状铁芯，分别平行上述轴向均匀排列分布于一个以枢轴为心的圆管，并以两极分别对应前述永久磁铁，铁芯数目大于永久磁铁一倍且低于二倍；及一个致能控制器，提供交流时脉式驱动讯号，使得每两相邻的时脉式驱动讯号具有一均匀相位差，栅栏式定子的前述相位差总和为360度的非零整数倍。

Description

具有栅栏式定子的外盘式马达

技术领域

一种外盘式马达，尤其是一种具有栅栏式定子的外盘式马达。

背景技术

常见的永磁式直流伺服马达，是把永久磁铁设置在外围的转子，而将电枢线圈设置在核心的定子处，无论是电流经过电枢线圈会因为电阻而发热，或是在换相过程中发生电流跳接时的骤热，都难以轻易散出；如果是应用于直接驱动系统时，转子处的高热将传导至传动轴，长久使用下，会逐渐导致传动轴的变形；相对的，如图1所示的永磁式交流伺服马达9﹐其具有电枢线圈91的定子设置于马达外层，永久磁铁93则设置于核心的转子处，因此散热较佳，且有较高的功率体积比。部分外转子马达，虽然克服了电枢线圈的散热问题，但受限于内外层包覆式的结构设计，使得面对输出扭力变更、安装空间限制等问题时，其应变的弹性也减少了。

另方面，由于马达运行主要是依赖磁力的异极相吸和同极相斥，磁力线的分布在马达运行中占有决定性的影响。因为空气的磁阻甚高，如果永磁装置和线圈中的铁芯，在封闭回路中所占途径比例越低，经过的空气区域越长，磁阻将大幅升高，磁通因而分散，作用的效率也随之降低。一种公知盘式发电机8，如图2所示，虽揭露有盘式外转子81的马达结构，但对上述的发热及耗能问题并无适当解答。此外，永久磁铁和线圈83的数目未曾妥善匹配，也将导致磁回路无法均匀作用，在每一作用周期中，都可能造成出力忽大忽小的转动不均匀状况。

如何让永久磁铁的磁极和铁芯的间隙缩小，并且构成适当的磁回路，让磁通量集中在预期通路中而避免发散，并且妥善运用时变的驱动讯号，形成电磁铁和永久磁铁有效率地交互作用，藉此提升马达的能量转换效率，就是本发明所要解决的问题。

发明内容

本发明的一目的，在于提供一种具有栅栏式定子的外盘式马达，藉由定子铁芯与转子永久磁铁的数目比例，确保空气间隙有效缩减，磁通路顺畅，达到减少发热及降低耗能的功效。

本发明另一目的，在于提供一种具有栅栏式定子的外盘式马达，利用时脉式驱动讯号间的相位差，配合铁芯和永久磁铁的比例配置，让马达整体磁力驱动均匀，运转顺畅。

本发明再一目的，在于提供一种具有栅栏式定子的外盘式马达，藉由盘式外转子的结构使具有线圈绕组的定子不被包覆，易于散热而顺利延长马达组件的寿命。

本发明又一目的，在于提供一种具有栅栏式定子的外盘式马达，藉由每二个彼此平行配置的盘式外转子之间设置一组栅栏式定子的结构，可以依需要向前述外盘式转子的两外侧同轴扩充，达到不变更马达单体的规格设计，而能弹性因应输出扭力与安装空间的需求。

本发明揭露的一种具有栅栏式定子的外盘式马达，包括：至少一根沿一轴向延伸的枢轴；至少二个彼此平行配置的盘式外转子，每一前述盘式外转子分别包括一个盘本体及偶数个永久磁铁，且前述盘本体分别以其对称中心垂直固设于上述枢轴，前述永久磁铁分别以两磁极设置于上述盘本体的方式设置于上述盘本体，且每一前述永久磁铁与上述枢轴最短距离点共同位于一个以上述枢轴为圆心的圆上，每两个相邻的前述永久磁铁以相同极性相对接的方式串联并相对上述枢轴均匀排列，以及前述至少二个近接的盘式外转子的前述永久磁铁的相异磁极彼此相对设置；至少一组栅栏式定子，包括复数个长条状铁芯，每一前述铁芯分别沿着平行上述轴向彼此平行排列，且均匀分布于一个以上述枢轴为圆心的圆管处，前述该组栅栏式定子的每一前述铁芯，分别以各自的两极分别近接对应前述两个盘式外转子的上述永久磁铁，以及前述铁芯数目大于上述永久磁铁数目的一倍且低于二倍，每一前述铁芯分别缠绕有一线圈绕组，供接受一交流的时脉式驱动讯号磁化前述铁芯；至少一个转子位置感测元件，供量测上述盘式外转子的永久磁铁位置，并输出至少一个位置讯号；及一个致能控制器，依据所收到的前述位置讯号，提供上述交流的时脉式驱动讯号至上述线圈绕组，并使得每两相邻前述线圈绕组的时脉式驱动讯号间，分别具有一均匀的相位差，且所有该组栅栏式定子的所有相邻线圈绕组间的前述相位差总和为360度的非零整数倍。

由于本发明一种具有栅栏式定子的外盘式马达包含了至少二个彼此平行配置的盘式外转子及至少一组栅栏式定子，藉由外转子与定子相互间的巧妙配置及至少一根枢轴的串接，一方面减少空气隙的距离，使得磁通量主要经过铁芯和永久磁铁达成回路，磁阻被大幅降低；另方面由于永久磁铁和铁芯的数目相互匹配，共同构成磁回路，搭配彼此具有特定相位差的时脉式驱动讯号，让转子的运转顺畅；加以外盘式马达散热容易，马达组件寿命得以延长，进一步藉由辅助盘式外转子及辅助栅栏式定子的扩充，使得本发明不需变更马达单体的规格设计，就能弹性调整输出扭力与因应安装空间的需求；尤其，藉由外转子上的每两个相邻的永久磁铁以相同极性相对接的方式设置并相对前述枢轴均匀排列，且每二个近接的盘式外转子的永久磁铁的相异磁极彼此相对设置，以及栅栏式定子的每一铁芯分别以各自的两极分别近接对应两个盘式外转子的永久磁铁，结合铁芯数目大于永久磁铁数目的一倍且低于二倍的结构特点，每一永久磁铁都恰好搭配一个完整磁回路，有效提升马达能量转换效率，并且达成减少发热及降低耗能的功效，进而达成以上所述所有目的。

附图说明

图1为公知具有外转子的马达的结构侧视示意图，用以说明马达定子与转子的相对位置关系。

图2为公知技术盘式电动机的架构示意图，用以说明其主要构成元件及其相对关系。

图3为本发明具有栅栏式定子的外盘式马达第一较佳实施例的部分立体分解示意图，说明转子的盘本体和永久磁铁结构。

图4为图3实施例的部分立体分解示意图，说明定子的非导磁定子基座和铁芯-线圈的相对关系立体示意图。

图5为图4的永久磁铁和铁芯-线圈立体组合示意图。

图6为图5的永久磁铁和铁芯-线圈立体分解示意图。

图7为图3应用于电动单车的致动车轮示意图。

图8为图3应用于单叉电动单车的致动车轮示意图。

图9为图3实施例致能控制器提供的时脉式驱动讯号示意图，说明相邻线圈绕组所接收时脉式驱动讯号相位差关系。

图10为图3实施例永久磁铁的磁力线分布侧视示意图。

图11为本发明具有栅栏式定子的外盘式马达第二较佳实施例的部分立体分解示意图。

符号说明

致能控制器…20 枢轴…12

圆…121 圆管…123、123’

盘式外转子…14、81 盘本体…141

永久磁铁…93、143、143’、143” 聚磁磁铁…145

栅栏式定子…16、16’ 铁芯…161、161’、161”

线圈绕组…163 非导磁定子基座…165

转子位置感测元件…18 前叉…21

马达外壳…3 永磁式交流伺服马达…9

电枢线圈…91 盘式发电机…8

线圈…83 外盘式马达…1

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合说明书附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚呈现；此外，在各实施例中，相同的元件将以相似的标号表示。

本发明一种具有栅栏式定子的外盘式马达的第一较佳实施例，请一并参考图3至6所示，前述外盘式马达1具有一根沿一轴向延伸的枢轴12，为便于说明，此处定义前述轴向方向为沿着图式的上下方向，以及两个彼此平行配置的盘式外转子14，每一个盘式外转子14分别包括一个盘本体141及偶数个永久磁铁143，在本例中是以6个永久磁铁143为例。且本例中的盘本体141都是圆形盘状，分别以其对称中心垂直固设于上述枢轴12。

前述永久磁铁143在本例中均为略成长扁弯弧形平坦嵌设于上述盘本体141中，并且每个永久磁铁143的两磁极N、S，不仅都设置于上述盘本体141处，并且相邻的两个永久磁铁143，都是以N极两两相接近或S极两两相接近的方式设置。如熟悉此技术领域人士所能轻易理解，即使此处的永久磁铁改采其他如马蹄形或长方形，只要依前述方式设置于盘本体141，仍无碍于本发明的实施。且由于本例中的永久磁铁143本身为弯弧状，磁铁的弯弧形状恰使得各磁铁和磁极都共同位于一个以上述枢轴12为圆心的圆121上均匀排列，此外，前述两个盘式外转子14的相对设置方式，是以永久磁铁143的相异磁极彼此相对的方式设置。

上述外盘式马达1还包含一组栅栏式定子16，该组栅栏式定子16在本例中包括9根等长度的长条状铁芯161，且每一上述铁芯161的长度均为3.5公分，本例中的铁芯161例释为以复数硅钢片构成，藉此降低涡电流作用，并共同受一个非导磁定子基座165的固持。当然，本发明技术领域具有通常知识者可以任意选择例如铁粉压铸而成或其他惯用磁导体作为铁芯，均无碍于本发明实施。每一前述铁芯161分别沿平行上述轴向彼此平行排列，且均匀分布于一个以上述枢轴12为圆心的圆管123处，由于各铁芯161间均匀配置，因此每一铁芯161和枢轴12连线，和相邻铁芯161与枢轴12连线间的夹角分别为30度，且每一铁芯161的两极分别近接对应前述两个盘式外转子14的上述永久磁铁143，由于本例中的铁芯161数目为永久磁铁143的1.5倍，所以无论永久磁铁143转动至任何位置，都可以恰好对应两根铁芯161，且两根铁芯161分别接近其N极和S极，使得上下方的盘式外转子14相互对应的两根永久磁铁143正好可以通过此处的两根铁芯161构成一个完整磁回路。

尤其如本例中的马达整体厚度不大于6公分，实际上厚度仅约5公分左右，盘式外转子14的厚度则约0.5公分，使得铁芯161相较于永久磁铁143间的间隙相当窄小，比盘式外转子14的厚度更窄，使得磁回路中行经空气的部分甚短，永久磁铁143的磁力线将密集通过铁芯161，磁阻因而大幅降低。当然，熟悉本领域人士可以理解，要构成上述对应的磁回路，本发明前述铁芯的数目必须为相对于上述枢轴呈现放射状对称分布的正整数，且数目大于上述永久磁铁数目的一倍并低于二倍。

每一上述铁芯161分别缠绕有一线圈绕组163，供接受一交流的时脉式驱动讯号S1磁化前述铁芯161；在永久磁铁143的某磁极刚经过铁芯161的对应端部时，在铁芯端部形成和该磁极相同的磁性，以发挥同极性相斥的推力，且在相反磁极接近时提供异极性相吸的引力；直到次一磁极接近，则铁芯161的端部磁性开始减弱而至归零，随后换相，改以相反的磁性再度推动次一磁极继续运转。由于永久磁铁143的数目并不等于铁芯161的数目，要产生最大的推动扭矩，不仅必须准确获得盘式外转子14的永久磁铁143位置，还要对每一线圈绕组163提供具有相位差的时脉式驱动讯号。

因此，藉由如图9所示的转子位置感测元件18量测并输出一个位置讯号到致能控制器20，而致能控制器20则依据所收到的前述位置讯号，提供一个交流的时脉式驱动讯号S1至栅栏式定子16的线圈绕组163，进而使得每两相邻线圈绕组163的时脉式驱动讯号S1间，分别具有一均匀的相位差，且所有该组栅栏式定子16的所有相邻线圈绕组163间的前述相位差总和为360度的非零整数倍。因此，各铁芯161将受到与盘式外转子14转速相匹配的时脉式驱动讯号所驱动，且相邻铁芯161所收到的时脉式驱动讯号间分别存在如本例中120度的相位差，使得每相距三根铁芯后，第四根铁芯所受的时脉式驱动讯号将等同于第一根铁芯，而环绕九根铁芯后，本例中的相位差的总和为1080度。于本例中，上述转子位置感测元件18例释为霍尔元件，本发明所属技术领域具有通常知识者可选用其他适合的元件进行简单变换。

在本例中，栅栏式定子16更包括一个非导磁定子基座165，藉以固持住每一铁芯161，而非导磁定子基座165更在图式上下两端分别设置有一组滚珠轴承(图未示)，藉此让上述枢轴12在非导磁定子基座165中顺利枢转。并且让盘式外转子14和栅栏式定子16可相对枢转地组合。如图7所示，因为本例中的马达是作为电动单车的致动车轮，盘式外转子14直接可结合至车轮的外胎，而非导磁定子基座165则进一步连结一马达外壳3，再连结到电动单车的前叉21，以保护该栅栏式定子(图未示)不会因外力意外碰撞或接触而使铁芯161或线圈绕组163受损或短路烧毁。当然，该前叉即使改为后叉，或改为如图8的单侧的前叉21，均无碍于本发明的实施。

请一并参考图9所示，当上述外盘式马达1位于上述轴向上方的盘式外转子14的永久磁铁143的磁极自左至右以S-N、N-S、S-N、…的方式对接串联排列于盘本体141，则相对地位于上述轴向下方的盘式外转子14的永久磁铁143的磁极自左至右以将相对设置而以N-S、S-N、N-S、…的方式对接串联排列于盘本体141。此时，若有一铁芯161被驱动感应出的磁极正好与近接对应的上述永久磁铁143的磁极相同，因磁极相斥而由铁芯161推动永久磁铁143沿着上述圆121的切线方向运动，也就是上述盘式外转子14被上述栅栏式定子16推动旋转，于本例，就会在圆121周上每隔120度产生一处相同的推/拉作用，使得上述外盘式马达1中每一时相可产生三倍的推/拉力。

本例中前述铁芯161数目与永久磁铁143数目比值为3：2，亦即每三个前述铁芯161分别对应二个永久磁铁143，环绕盘本体141一周共形成有3组此种对应组合，且如图10所示，上述铁芯161与近接对应的上述永久磁铁143的最短距离小于上述盘本体厚度，使对应的上述铁芯161与上述永久磁铁143形成良好的磁通回路。同时考量时脉式驱动讯号导入的情况，永久磁铁143随转子旋转，将恰好在铁芯161中的感应磁极换相时，藉由永久磁铁143的磁力线行经铁芯161，使得磁滞损耗(Hysteresis losses)降低，进而减少磁导体发热，也使得电能的消耗降低，马达整体转换效率因而上升。

当上述盘式外转子14受上述栅栏式定子16推动旋转，铁芯161与永久磁铁143原先建立的对应关系发生错位改变，原先磁极所受到的同极斥力，逐渐因为转子的旋转，改由次一磁极受到相异磁极的引力，此时，上述转子位置感测元件18将感测到盘式外转子14的永久磁铁143位置的改变，更进一步输出一个上述位置讯号到上述致能控制器20，促使致能控制器20依据所收到的位置讯号，研判盘式外转子14是否有转速变化，并决定交流时脉式驱动讯号的频率是否需配合提高或降低。

在本实施例中，为更进一步减少空气隙的距离，并且让永久磁铁的磁力线集中，因此在每两个极性相对的彼此近接永久磁铁143的磁极面向栅栏式定子16的位置，分别安装有一个如图6所示的聚磁磁铁145，在本例中为一扁圆柱型永久磁铁，每一个聚磁磁铁145都是和对应永久磁铁的磁极相吸，并且承担作为磁力线的通道，进一步缩窄由永久磁铁143至铁芯161间的空气隙，降低磁阻而提升转换效率。

当然，此聚磁磁铁并非必须设置，为简化结构降低制造成本，也可以如图11本发明第二较佳实施例所示，将上述永久磁铁143’和相邻永久磁铁间的间隙缩窄，且同时减少永久磁铁143’和沿着虚拟的圆管123’布设的铁芯161’间的距离，使得转子和栅栏式定子16’间磁阻降低。此外，上述的永久磁铁仅需为成对均匀设置，并未局限于6个，而栅栏式定子中的铁芯数，仅需符合数目介于上述永久磁铁数目的一倍至两倍间的整数即可，关键在于上述时脉式驱动讯号，彼此间的相位差总和为360度的整数倍，且每二相邻线圈间的相位差都是彼此相同，且随转速变更。

尤其，当单纯由两片盘式外转子和一组栅栏式定子所构成的马达出力不足时，本实施例更在原先图式下方的盘式外转子下，更沿着枢轴的同轴方向，增加一组与前述盘式外转子和上述栅栏式定子结构相同并且呈共枢轴配置的辅助栅栏式定子和辅助盘式外转子，该辅助栅栏式定子并受上述致能控制器致能磁化，为便于理解，此处仅绘示出辅助栅栏式定子的铁芯161”及辅助盘式外转子的永久磁铁143”，就此增加整体的扭力输出。由于上述铁芯-线圈的数目配置，可以提供永久磁铁完整的磁力线通路，让磁阻大幅降低，且永久磁铁的旋转移动可以周期性地减弱铁芯受交流电讯号励磁过程中的磁滞现象，让磁滞现象所带来的发热及能量耗损降低，藉此使得本发明所揭露的马达在运转过程中发热量低，能量转换效率高，达成超越现有技术的上述发明目的。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种具有栅栏式定子的外盘式马达，其特征在于，包括：

至少一根沿一轴向延伸的枢轴；

至少二个彼此平行配置的盘式外转子，每一前述盘式外转子分别包括一个盘本体及偶数个永久磁铁，且前述盘本体分别以其对称中心垂直固设于上述枢轴，前述永久磁铁分别以两磁极设置于上述盘本体的方式设置于上述盘本体，且每一前述永久磁铁与上述枢轴最短距离点共同位于一个以上述枢轴为圆心的圆上，每两个相邻的前述永久磁铁以相同极性相对接的方式串联并相对上述枢轴均匀排列，以及前述至少二个近接的盘式外转子的前述永久磁铁的相异磁极彼此相对设置；

至少一组栅栏式定子，包括复数个长条状铁芯，每一前述铁芯分别沿着平行上述轴向彼此平行排列，且均匀分布于一个以上述枢轴为圆心的圆管处，前述该组栅栏式定子的每一前述铁芯，分别以各自的两极分别近接对应前述两个盘式外转子的上述永久磁铁，以及前述铁芯数目大于上述永久磁铁数目的一倍且低于二倍，每一前述铁芯分别缠绕有一线圈绕组，供接受一交流的时脉式驱动讯号磁化前述铁芯；

至少一个转子位置感测元件，供量测上述盘式外转子的永久磁铁位置，并输出至少一个位置讯号；及

一个致能控制器，依据所收到的前述位置讯号，提供上述交流的时脉式驱动讯号至上述线圈绕组，并使得每两相邻前述线圈绕组的时脉式驱动讯号间，分别具有一均匀的相位差，且所有该组栅栏式定子的所有相邻线圈绕组间的前述相位差总和为360度的非零整数倍。

2.如权利要求1所述的具有栅栏式定子的外盘式马达，其特征在于，其中每一上述铁芯为复数硅钢片。

3.如权利要求1所述的具有栅栏式定子的外盘式马达，其特征在于，其中上述栅栏式定子更包括一个固持上述各铁芯的非导磁定子基座。

4.如权利要求1所述的具有栅栏式定子的外盘式马达，其特征在于，更包括一个连结至上述栅栏式定子的马达外壳。

5.如权利要求1所述的具有栅栏式定子的外盘式马达，其特征在于，其中上述铁芯的长度不大于3.5公分，且上述外盘式马达的整体厚度不大于6公分。

6.如权利要求1所述的具有栅栏式定子的外盘式马达，其特征在于，其中上述转子位置感测元件为霍尔元件。

7.如权利要求1所述的具有栅栏式定子的外盘式马达，其特征在于，更包括

一个平行上述盘式外转子且与前述盘式外转子结构相同并且呈共枢轴配置的辅助盘式外转子，前述辅助盘式外转子设置于上述二个盘式外转子的外侧；

一组设置于前述二个盘式外转子之一和上述辅助盘式外转子间的辅助栅栏式定子，该辅助栅栏式定子和上述栅栏式定子结构相同且呈共枢轴配置，该辅助栅栏式定子并受上述致能控制器致能磁化。

8.如权利要求1所述的具有栅栏式定子的外盘式马达，其特征在于，其中上述铁芯与近接对应的上述永久磁铁的最短距离小于上述盘本体厚度。