CN111092500B - 六极转子装置及具有该六极转子装置的磁阻马达 - Google Patents
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Abstract
一种六极转子装置，包含本体单元，及复数障壁单元。该本体单元包括转子铁芯，及穿设于该转子铁芯上的主轴，该复数障壁单元平均环绕且间隔设置于该转子铁芯上，每一障壁单元包括至少二间隔设置且贯穿该转子铁芯之磁通障壁槽，及至少一个位于相邻两磁通障壁槽间的磁通通道，其中，最靠近该转子铁芯之圆心的磁通障壁槽之中间厚度大于两端的厚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种转子装置，特别是涉及一种六极转子装置及具有该六极转子装置的磁阻马达。
背景技术
随着自动化生产设备的需求日益增加，电动机作为生产设备之主要驱动装置扮演着关键性的角色，在数种电动机架构中，最常见的为感应马达，而永磁马达与磁阻马达因具有结构简单及效率高等优点，故而逐渐受到重视，也都逐步朝向提高能源效率发展。
由于永磁马达之转子为磁性材料，所以转子无感应电流，虽然效率较高，但是，所使用的良好的磁性材料(例如稀土)产量稀少且价格昂贵，使得永磁马达不易为工业界大量使用。
反观磁阻马达有别于采用洛伦兹力运转的感应马达及永磁马达，磁阻马达是利用磁阻力来运转，也就是利用磁力线在空间中形成封闭回路时，磁力线会选择走磁阻最低的路径，所以当转子置于定子磁场时，磁力线会驱使转子移动至其磁阻为最低的位置，透过转子d-q轴之磁阻产生最大与最小之磁阻差，来产生磁阻转矩，也因转子与定子之旋转磁场同步旋转，因此没有感应电流，也无二次铜损，所以能量转换效率高，在油电双涨以及温室效应带来之环境议题，节能成为全球迫切的课题，因此磁阻马达取代工业用感应马达与稀土类永磁马达的应用。
现有技术的磁阻马达为了提高转矩利用率，需使d轴电感越大，q轴电感越小，为了增加磁阻差，需有效阻隔q轴磁通，以利降低q轴电感，然而，转子中之障壁设置的数量较少或障壁的空间较小，都将使障壁的磁阻变小，进而降低转子的转矩；若增加障壁的数量或空间，则会导致转子的结构强度变差，使转子于高速转动时容易变形，而需加以改善。
上述缺点都显现习知磁阻马达在使用上所衍生的种种问题，长久下来，常常导致对象的使用效率与结构强度无法提升等缺失，因此现有技术确实有待提出更佳解决方案之必要性。
发明内容
有鉴于此，本发明之目的，是提供一种六极转子装置，包含本体单元，及六个障壁单元。
该本体单元包括转子铁芯，及穿设于该转子铁芯上的主轴，该六障壁单元平均环绕且间隔设置于该转子铁芯上，每一障壁单元包括至少二间隔设置且贯穿该转子铁芯之磁通障壁槽，及至少位于相邻两磁通障壁槽间的磁通通道，其中，最靠近该转子铁芯之圆心的磁通障壁槽之中间厚度大于两端的厚度。
本发明的另一技术手段，是在于上述之障壁单元定义有位于相邻两障壁单元间之d轴，及自该磁通障壁槽之中心位置穿过的q轴，该转子铁芯之圆心沿最外缘圆周方向与最靠近圆心之六个磁通障壁槽的q轴作外切圆的直径为Rd1，该转子铁芯的直径为Rd2，Rd1、Rd2满足0.45≤Rd1/Rd2≤0.6关系式。
本发明的又一技术手段，是在于上述之磁通障壁槽的数量为2～5个，当该磁通障壁槽的数量为2个，定义该二磁通障壁槽的中间部位厚度的总和为F’，相邻两磁通障壁槽间的磁通通道距离为I’，I’、F’满足0.4≤I’/F’≤0.6关系式；当该磁通障壁槽的数量为3～5个，定义所有磁通障壁槽的中间部位厚度的总和为F，相邻两磁通障壁槽间的所有磁通通道距离的总和为I，I、F满足0.4≤I/F≤0.6关系式。
本发明的再一技术手段，是在于上述之最靠近该转子铁芯之圆心的磁通障壁槽之中间厚度大于最远离该转子铁芯之圆心的磁通障壁槽之中间厚度，且每一位于两磁通障壁槽间之磁通通道的间距相同。
本发明的另一技术手段，是在于上述之每一磁通障壁槽之两侧末端的形状概呈圆弧形，且每一障壁单元更包括连接该复数磁通障壁槽且位于q轴上之连接肋，用以增加该转子铁芯之结构强度。
本发明的又一技术手段，是在于上述转子铁芯之直径大于60mm时，该磁通障壁槽之两侧末端与该转子铁芯之外缘的宽度不小于0.3mm。
本发明的再一技术手段，是在于上述转子铁芯之直径大于100mm时，该磁通障壁槽之两侧末端与该转子铁芯之外缘的宽度不小于0.4mm。
本发明的另一技术手段，是在于上述转子铁芯之直径大于130mm时，该磁通障壁槽之两侧末端与该转子铁芯之外缘的宽度不小于0.5mm。
本发明的又一技术手段，是在于上述转子铁芯之直径大于160mm时，该磁通障壁槽之两侧末端与该转子铁芯之外缘的宽度不小于0.6mm。
本发明的再一技术手段，是在于提供一种磁阻马达，包括具有定子铁芯及缠绕于该定子铁芯上之分布绕组的定子装置，及装设于该定子装置内侧的六极转子装置。
本发明之有益功效在于，藉由最靠近该转子铁芯之圆心的磁通障壁槽之中间厚度大于两端的厚度，且最靠近该转子铁芯之圆心的磁通障壁槽之中间厚度大于最远离该转子铁芯之圆心的磁通障壁槽之中间厚度，以降低马达转矩涟波，进而抑制震动噪音，此外缩短该磁通障壁槽之两侧末端与该转子铁芯之外缘的宽度，可藉此得到最大之马达特性，同时不会提高马达的转矩涟波，使马达的效率达到最高水平，进而达到节省成本且可大量生产之目的。
附图说明
图1是前视示意图，说明本发明六极转子装置及具有该六极转子装置的磁阻马达之较佳实施例；
图2是局部放大图，说明本较佳实施例中障壁单元的设置态样；
图3是前视示意图，说明本较佳实施例中定子装置与转子装置的结合态样；
图4是示意图，说明本较佳实施例中外切圆的直径与转子铁芯的直径对转矩的模拟结果；
图5是示意图，说明本较佳实施例中外切圆的直径与转子铁芯的直径对转矩涟波的模拟结果；
图6是示意图，说明本较佳实施例中相邻两磁通障壁槽间的所有磁通通道距离的总和与所有磁通障壁槽的中间部位厚度的总和对转矩的模拟结果；及
图7是示意图，说明本较佳实施例中相邻两磁通障壁槽间的所有磁通通道距离的总和与所有磁通障壁槽的中间部位厚度的总和对转矩涟波的模拟结果。
具体实施方式
有关本发明之相关申请专利特色与技术内容，在以下配合参考图式之较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。
参阅图1、2，为本发明六极转子装置及具有该六极转子装置的磁阻马达之较佳实施例，该转子装置包含本体单元3，及复数障壁单元5。
在此，先说明的是，磁阻马达转矩产生的方式主要透过该转子装置d-q轴之磁阻差来产生磁阻转矩，于此，定义该障壁单元5有位于相邻两障壁单元5间之d轴，及自该磁通障壁槽51之中心位置穿过的q轴，进一步地，d轴为该转子装置之凸极磁场延伸的方向，q轴为连接相邻凸极与凸极间磁场延伸的方向。磁阻马达之转矩方程式在同步旋转坐标下可表示为：
上述方程式中，T为磁阻马达的电磁转矩，P为转子极数，Ld、Lq为d、q轴电感，id、iq为在空间向量的定子电流在d、q轴方向上的分量。由公式可知，磁阻马达具有依赖电感差值(Ld-Lq)最大之特性。提高d轴电感或者降低q轴电感，皆可提高电机之输出转矩。因此，电感差为影响磁阻马达之运转性能最主要的参数之一。
该本体单元3包括转子铁芯31，及穿设于该转子铁芯31上的主轴32。该转子铁芯31是由钢板、硅钢片、软磁复合材料(Soft magnetic composites，SMC)或其它导磁材料，透过复数个导磁硅钢片堆栈焊接固定或自动铆合等压配合组件而成，或者为一体成型的构件。藉此，提供一种能快速达到转矩最大利用与较低的转矩涟波之方式，以改善磁阻马达效率的方法。
该复数障壁单元5平均环绕且间隔设置于该转子铁芯31上，每个障壁单元5包括至少二间隔设置且贯穿该转子铁芯31之磁通障壁槽51，及至少一个位于相邻两磁通障壁槽51间的磁通通道52。
其中，最靠近该转子铁芯31之圆心的磁通障壁槽51之中间厚度23大于两端的厚度，也就是最靠近该转子铁芯31之圆心的磁通障壁槽51从q轴穿过该磁通障壁槽51之中心位置到该磁通障壁槽51的左右两末端，呈现越来越小之态样，用以降低马达转矩涟波，藉此得以抑制作动之震动噪音。
进一步地，最靠近该转子铁芯31之圆心的磁通障壁槽51之中间厚度23大于最远离该转子铁芯31之圆心的磁通障壁槽51之中间厚度23，而当有复数个磁通障壁槽51时，其为由厚至薄的渐进式厚度设计，透过此设计可降低马达转矩涟波，以抑制震动噪音，且每一位于两磁通障壁槽51间之磁通通道52的间距相同。
再者，每一磁通障壁槽51之两侧末端的形状概呈圆弧形，除了可提升制造质量外，更可延长模具寿命，进而达到大量生产之目的。
于此，定义该转子铁芯31之圆心沿最外缘圆周方向与最靠近圆心之六个磁通障壁槽51的q轴作外切圆的直径21为Rd1，该转子铁芯的直径22为Rd2，在本较佳实施例中，该障壁单元5的数量为六个，六极也就是六个障壁单元5，Rd1、Rd2满足0.45≤Rd1/Rd2≤0.6关系式。
进一步地，该磁通障壁槽51的数量为2～5个，如图1～3中所示，该磁通障壁槽51的数量为3个，而该磁通通道52为2个。当该磁通障壁槽51的数量为2个而该磁通通道52为1个时，定义该二磁通障壁槽51的中间部位厚度23的总和为F’，相邻两磁通障壁槽51间的磁通通道52距离24为I’，满足0.4≤I’/F’≤0.6关系式，于当该磁通障壁槽51的数量为3个，定义所有磁通障壁槽51的中间部位厚度23的总和为F，相邻两磁通障壁槽51间的所有磁通通道52距离24的总和为I，亦I、F满足0.4≤I/F≤0.6关系式。
其中，当该转子铁芯31之直径22大于60mm时，该磁通障壁槽51之两侧末端与该转子铁芯31之外缘的宽度不小于0.3mm。
其中，当该转子铁芯31之直径22大于100mm时，该磁通障壁槽51之两侧末端与该转子铁芯31之外缘的宽度不小于0.4mm。
其中，当该转子铁芯31之直径22大于130mm时，该磁通障壁槽51之两侧末端与该转子铁芯31之外缘的宽度不小于0.5mm。
其中，当该转子铁芯31之直径22大于160mm时，该磁通障壁槽51之两侧末端与该转子铁芯31之外缘的宽度不小于0.6mm。
当该转子铁芯31之直径22，及该磁通障壁槽51之两侧末端与该转子铁芯31之外缘的宽度如上所述之数值时，可避免转子运转时之制造精度及结构强度等问题。
当该磁通障壁槽51之两侧末端与该转子铁芯31之外缘的宽度越薄，可得到最大之马达特性。
较佳地，每一障壁单元5更包括连接该复数磁通障壁槽51且位于q轴上之连接肋53，用以增加该转子铁芯31之结构强度。此外，该磁通障壁槽51中可填入热塑性或热固性之非导磁介质于其中，用以维持运转之动平衡。
配合参阅图3，为具有上述六极转子装置的磁阻马达，该磁阻马达包括具有定子铁芯71及缠绕于该定子铁芯71上之分布绕组72的定子装置7，其中，该定子装置7与该转子装置为间隔设置以同步运转。
依据上述结构说明，使用仿真软件进行结果验证，配合参阅图4、5分别为外切圆的直径21与转子铁芯的直径22对转矩及对转矩涟波的模拟波形。于此，图4～6是使用4个磁通障壁槽51与3个磁通信道52的障壁单元5进行仿真。本发明透过调整Rd1与Rd2的比例，使电机能产生最大的输出功率(转矩N-m)，由图4可知，最大转矩区域介于0.3～0.6之间。除了选择最大输出功率外，同时需让电机运转时能有较低的噪音，而同步电机转矩涟波与电机震动噪音息息相关，由图5可知，转矩涟波(％)的最佳区域介于0.45～0.6之间。为了使马达能有最大的输出功率与最小的震动噪音，因此，0.45～0.6为最佳值，并满足0.45≤Rd1/Rd2≤0.6关系式。
参阅图6、7，分别为相邻两磁通障壁槽51间的所有磁通通道52距离24的总和与所有磁通障壁槽51的中间部位厚度23的总和对转矩的模拟波形。由图6可知，最大转矩区域介于0.3～0.6之间，由图7可知，转矩涟波最佳区域为0.4～0.7之间，考虑电机的最大的输出功率与最小的震动噪音，因此，0.4～0.6为最佳值，并满足0.4≤I/F≤0.6关系式。
选用不同数量之障壁单元5的转子装置对马达的输出转矩与输出功率影响极大，在本较佳实施例中，采用六个障壁单元5，于低速时能获得最大的输出转矩。
综上所述，本发明六极转子装置及具有该六极转子装置的磁阻马达，藉以该本体单元3，及该复数障壁单元5间相互设置，透过最靠近该转子铁芯31之圆心的磁通障壁槽51之中间厚度23大于两端的厚度，且最靠近该转子铁芯31之圆心的磁通障壁槽51之中间厚度23大于最远离该转子铁芯31之圆心的磁通障壁槽51之中间厚度23，用以降低马达转矩涟波，进而以抑制震动噪音，再者，缩短该磁通障壁槽51之两侧末端与该转子铁芯31之外缘的宽度，可藉此得到最大之马达特性，同时不会提高马达的转矩涟波之最佳设计，使马达的效率达到最高水平，进而达到节省成本且可大量生产之目的，故确实可以达成本发明之目的。
惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。
符号说明
21 直径
22 直径
23 厚度
24 距离
3 本体单元
31 转子铁芯
32 主轴
5 障壁单元
51 磁通障壁槽
52 磁通通道
53 连接肋
7 定子装置
71 定子铁芯
72 分布绕组
Claims (8)
1.一种六极转子装置，其特征在于，包含︰
本体单元，包括转子铁芯，及穿设于所述转子铁芯上的主轴；及
六个平均环绕且间隔设置于所述转子铁芯上的障壁单元，每一个障壁单元包括至少二间隔设置且贯穿所述转子铁芯之磁通障壁槽，及至少一个位于相邻两磁通障壁槽间的磁通通道，
其中，最靠近所述转子铁芯之圆心的磁通障壁槽之中间厚度大于两端的厚度，
其中，所述障壁单元定义有位于相邻两障壁单元间之d轴，及自所述磁通障壁槽之中心位置穿过的q轴，所述转子铁芯之圆心沿最外缘圆周方向与最靠近圆心之六个磁通障壁槽的q轴作外切圆的直径为Rd1，所述转子铁芯的直径为Rd2，Rd1、Rd2满足0.45≤Rd1/Rd2≤0.6关系式，
其中，所述磁通障壁槽的数量为2～5个，当所述磁通障壁槽的数量为2个，定义所述二磁通障壁槽的中间部位厚度的总和为F’，相邻两磁通障壁槽间的磁通通道距离为I’，I’、F’满足0.4≤I’/F’≤0.6关系式；当所述磁通障壁槽的数量为3～5个，定义所有磁通障壁槽的中间部位厚度的总和为F，相邻两磁通障壁槽间的所有磁通通道距离的总和为I，I、F满足0.4≤I/F≤0.6关系式。
2.依据权利要求1所述的六极转子装置，其特征在于，最靠近所述转子铁芯之圆心的磁通障壁槽之中间厚度大于最远离所述转子铁芯之圆心的磁通障壁槽之中间厚度，且每一位于两磁通障壁槽间之磁通通道的间距相同。
3.依据权利要求2所述的六极转子装置，其特征在于，每一磁通障壁槽之两侧末端的形状概呈圆弧形，且每一障壁单元更包括连接所述二磁通障壁槽且位于q轴上之连接肋，用以增加所述转子铁芯之结构强度。
4.依据权利要求3所述六极转子装置，其特征在于，当所述转子铁芯之直径大于60mm时，所述磁通障壁槽之两侧末端与所述转子铁芯之外缘的宽度不小于0.3mm。
5.依据权利要求4所述的六极转子装置，其特征在于，当所述转子铁芯之直径大于100mm时，所述磁通障壁槽之两侧末端与所述转子铁芯之外缘的宽度不小于0.4mm。
6.依据权利要求5所述的六极转子装置，其特征在于，当所述转子铁芯之直径大于130mm时，所述磁通障壁槽之两侧末端与所述转子铁芯之外缘的宽度不小于0.5mm。
7.依据权利要求6所述的六极转子装置，其特征在于，当所述转子铁芯之直径大于160mm时，所述磁通障壁槽之两侧末端与所述转子铁芯之外缘的宽度不小于0.6mm。
8.一种磁阻马达，其特征在于，包括具有定子铁芯及缠绕于所述定子铁芯上之分布绕组的定子装置，及装设于所述定子装置内侧的依据权利要求1～7之任一项所述的六极转子装置。
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