CN1581641A

CN1581641A - 自行起动式永磁同步马达转子结构

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Publication number: CN1581641A
Application number: CN 03154060
Authority: CN
Inventors: 朱明聪; 陈明志
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-13
Filing date: 2003-08-13
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2023-08-13
Also published as: CN100349359C

Abstract

一种自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构包含一轴心；四个扇形主磁极，其表面圆弧为一第一磁面偏心圆弧，其中心点为从该转子的中心点O以偏置长度为OS1偏置而来的四个第一偏心点O₁，又该第一磁面偏心圆弧是使最大气隙厚度T约为最小气隙厚度t1的二至五倍；四个永久磁铁，分别配置于每一扇形主磁极的内圈；多个用来形成鼠笼绕组的导体容置槽，其形状呈梨形，其是以对准每一第一偏心点O₁的方向呈环状且等间距排列而配置于该转子的该外圈的每一该扇形主磁极中；以及四个凹陷，分别设置于每一该扇形主磁极的第一磁面偏心圆弧的中间点。

Description

自行起动式永磁同步马达转子结构

技术领域

本发明是有关于一种自行起动式永久磁铁(LSPM，line start permanent magnet)同步马达转子结构(或简称为自行起动式永磁同步马达)，尤其是一种结合了感应马达和同步马达的优点的复合式马达(hybrid type motor)而能降低顿转转矩并改善起动特性的自行起动式永久磁铁同步马达转子结构。

背景技术

常见的自行起动式永磁同步马达为一种复合式马达，其定子结构与交流感应马达(AC induction motor)或交流同步马达(AC synchronous motor)的定子结构相同，但其转子结构则结合了交流感应马达的转子中的鼠笼(Squirrel cage)结构以及交流永磁同步马达(AC permanent magnet synchronous motor)的转子中的永久磁铁结构。这种复合式的自行起动式永磁同步马达在将其定子接上交流电源使产生旋转磁场(rotatingmagnetic field)后，即可利用其转子内的鼠笼结构在经由定子产生的旋转磁场所感应而产生的感应电流而产生起动扭力(starting torque)来起动，直到其转子的转速达到与定子绕组所产生的旋转磁场的转速相同时，亦即马达转子到达同步转速(synchronousspeed)时，转子的鼠笼上的感应电流即消失，转子不再藉鼠笼结构产生扭力，而完全由其转子上的永久磁铁与定子绕组所产生的旋转磁场交互作用产生扭力。近年来由于永久磁铁的材质与磁能积(magnetic energy product)不断提升，使得自行起动式永磁同步马达可在同步旋转时得到极高的运转效率(operation efficiency)。然而，常见的永磁同步马达由于使用高磁能积的永久磁铁后，其顿转转矩(cogging torque)常变得极大，容易产生运转振动与噪音，因此通常均使用定子斜槽(skew)来改善此一缺点，但也因此会使得定子的绕线工作变得困难，且增加马达的制作成本。

在常见技术中，如图1所示为美国专利US 5,952,757，Boyd et al.，其转子中的永久磁铁是设置于鼠笼的导体容置槽的外侧，但因其所使用永久磁铁的数目与鼠笼的导体容置槽的数目一样多，故不但永久磁铁的组装较复杂，且极易产生较大的顿转转矩。

在常见技术中，如图2所示为美国专利US 5,097,166，Mikulic，其转子的永久磁铁是设置于鼠笼的导体容置槽的内侧，但因其转子为圆形，故马达的顿转转矩与运转时的振动与噪音皆较大。

在常见技术中，如图3所示为美国专利US 4,922,152，Gleghorn et al.，由于其相邻二极间的永久磁铁延伸至转子铁心近圆周处，因此此二极间的永久磁铁必须于转子的鼠笼压铸制造前事先放置于永久磁铁容置槽内，也因此会由于永久磁铁无法耐高温时，极易于在压铸制造过程中产生退磁现象。

在常见技术中，如图4所示为美国专利US 4,748,359，Yahara et al.，其是利用调整永久磁铁的外形来改善马达的顿转转矩，但并未设置鼠笼结构，故若无借助其它装置便无法自行起动。

在常见技术中，如图5所示为美国专利US 4,358,696，Liu et al.是利用两组对称配置的永久磁铁以构成四个磁极，但其亦有永久磁铁延伸至转子铁心近圆周处。因此，如前述，永久磁铁必须于转子的鼠笼结构压铸制造前事先放置于永久磁铁容置槽内，也因此会由于永久磁铁无法耐高温时，极易于在压铸制造过程中产生退磁现象。

在常见技术中，如图6所示为美国专利US 4,139,790的永久磁铁是设置于转子的鼠笼的导体容置槽的内侧，但其转子为圆形，故马达的顿转转矩与运转时的振动与噪音皆较大。

在常见技术中，如图7所示的中国台湾专利TW 371,126，康基宏等人的「永磁式感应同步机转子结构改良(一)」中的第五图实施例，以及如图8所示的中国台湾专利TW362,843，康基宏等人的「永磁式感应同步机转子结构改良(二)」中的第三图实施例，在此两个已有的专利中，其转子中心至转子表面是呈不等距，且其转子表面是采用较一般圆形转子较小的曲率半径，但其专利说明书中并未说明如何以较小的半径构成此一转子表面。此外TW 371,126其永久磁铁容置槽并非依转子铁心的半径方向，且容置槽的外端延伸至转子铁心近圆周处，且其TW 371,126的永久磁铁第二容置槽是朝转子铁心的半径方向设置，并亦延伸至转子铁心近圆周处。一般鼠笼结构的制作是将整个马达转子铁心置于压铸模内，然后将镕融的液态铝(aluminum)灌入导体容置槽中(铝的镕点为268℃)形成导体条(conductor bar)，此外亦于马达转子铁心两端以液态铝材构成端环(end ring)，此端环与转子铁心两端紧密相贴，并与转子铁心内的每一导体条相连接导通，以构成整体鼠笼结构。前述TW 371126与TW 362843的技术特征，由于其永久磁铁容置槽皆延伸至转子铁心近圆周处，但因其转子结构皆于近圆周处的周边亦同时设置鼠笼的导体容置槽，因此必须于制作转子的鼠笼结构前先行放置永久磁铁，才能进行转子的鼠笼结构的压铸制造。一般高磁能积的稀土永久磁铁，其永久退磁(demagnetization)温度皆不及200℃，若事先放置于转子永久磁铁容置槽内，极易于压铸制造过程中产生退磁现象。而在常见技术中，如图5所示的美国专利US 4,358,696，Liu et al.，其亦有与TW 371126或TW 362843相似的实施方法，故亦有会产生退磁现象的缺点。

在常见技术中，如图9所示为日本专利特开2003-23740(P2003-23740A)，照山英俊的「永磁式电动机的永磁式转子」。在此已有专利中，其每一磁极内侧皆对应设置一永久磁铁，而转子磁面仅描述其是由离转子中心最大距离处和离转子中心最小距离的磁极间处所连成的弧线，至于该弧线到底是属于哪种曲线并无交代。此外，此已有技术也无任何设置能使马达的主磁极磁通适度减弱，并使自行起动式永磁同步马达由停止至起动运转时的暂态，由马达主磁极磁通造成的自持转矩得以减少，而能使马达的起动特性得以改善。更且，此已有专利并未设置鼠笼结构，故若无借助其它装置便无法自行起动。

发明内容

针对以上所述已有技术的缺点，本发明提供一种自行起动式永久磁铁同步马达转子结构，以用来改良至少某些已有技术中的缺点或提供有用的代替品。

本发明的目的之一是涵盖于本发明的第一实施例中，其是在于利用已有复合式马达的自行起动式永磁同步马达中配合提供四个扇形主磁极，其每一扇形主磁极的圆心角呈90度，且其表面圆弧为一「第一磁面偏心圆弧」，其中心点为从该转子的中心点O以偏置长度为OS1偏置而来的四个第一偏心点O₁，且其半径各为R1，故有如次之关系式，R-R1＝OS1，使马达的气隙构成一渐进式不均匀的厚度分布。其偏置的长度与半径，则可作调整配合，使马达气隙的厚度范围变化中，其最大气隙厚度T约为最小气隙厚度t1的二至五倍，亦即T＝2t1~5t1。因而使马达气隙的磁通密度的径向分量成为极接近于正弦波的分布，可使马达的顿转转矩(cogging torque)进一步降低，并减少马达运转时的振动与噪音。由于采用「第一磁面偏心圆弧」，故当马达负载增加时，即使定子绕线所构成的磁场伴随增加，但因每一扇形主磁极两端的气隙较大，尚具有可有效减弱定子绕线磁场对永久磁铁造成退磁(demagnetization)的影响。

本发明的另一目的亦是涵盖于本发明的第一实施例，其是在于提供形状呈梨形的多个导体容置槽，用来形成鼠笼绕组，其每一导体容置槽均与第一偏心点O₁等距离，并是以对准每一第一偏心点O₁的方向呈环状且等间距排列而配置于该转子的该外圈的每一该扇形主磁极中，且于其间距处并形成呈突出形状的转子齿部，而其位于每两个扇形主磁极间的间距(转子齿部)则较小。

本发明的又一目的亦是涵盖于本发明的第一实施例中，其是在于同时配合每一第一磁面偏心圆弧中间点处设置直径接近马达定子齿部宽度的半圆凹陷，使马达的主磁极磁通适度减弱，并使自行起动式永磁同步马达由停止至起动运转时的暂态，由马达主磁极磁通造成的自持转矩(self-retaining torque)得以减少，因而马达的起动特性得以改善。

本发明的再一目的是涵盖于本发明的第二实施例中，其是在于其每一该扇形主磁极的多个导体容置槽的数目为偶数时，除了该转子的齿部位置上的凹陷以外，其左右相邻的齿部位置上又各设置一同样大小的凹陷；而当每一该扇形主磁极的多数个导体容置槽的数目为奇数时，除了该转子的导体容置槽位置上的凹陷以外，其左右相邻的导体容置槽位置上又各设置一同样大小的凹陷，故每一扇形主磁极各有三个凹陷，总共该转子上共设置有十二个凹陷，用以进一步减少由马达主磁极磁通造成的自持转矩，并进一步改善马达的起动特性。

本发明的更一目的是涵盖于本发明的第三实施例中，其是在于其进一步以平滑的「第二磁面偏心圆弧」曲线取代以上所述的半圆凹陷。此方法能够使马达气隙的磁通密度径向分布值，于接近每一第一磁面偏心圆弧的中间点处的附近得以适度减少，如此可进一步降低马达的顿转转矩，降低马达运转时的振动与噪音，并稍微减弱马达的主磁极磁通，使自行起动式永磁同步马达由停止至起动运转时的「暂态」会因马达的扇形主磁极的磁通所造成的自持转矩而减少，因而可改善马达的起动特性。在此第三实施例中，「第二磁面偏心圆弧」的曲率中心O2的偏置量OS2与「第二磁面偏心圆弧」的半径R2则可作适度的调整配合，使自持转矩能适当地减少的情况下又能兼顾使马达气隙的磁通密度径向分量分布成为极接近于正弦波。

本发明用来形成鼠笼绕组的导体容置槽得因应自行起动式永磁同步马达其起动转矩与起动特性的要求，而进行各种形式的槽形改变。故本发明的其它目的是在以上每一本发明的三个实施例的每一实施例中皆提供以下所述的四种不同的实施样态，概述如下：

在第一实施样态中，其转子导体容置槽数是为圆形槽；

在第二实施样态中，其每一扇形主磁极的永久磁铁分为两片，每一片之对应圆心角为45度，使转子的八个永久磁铁呈正八角形；

在第三实施样态中，其转子每一扇形主磁极的永久磁铁亦分为两片，每一片的对应圆心角亦为45度，使转子的八个永久磁铁呈图中所示的四花瓣形；以及

在第四实施样态中，其转子每一扇形主磁极的永久磁铁分为四片，每一片的排列方式呈徽章形。

为达到上述的目的，本发明提供一种自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构包含一轴心；四个扇形主磁极，其表面圆弧为一第一磁面偏心圆弧，其中心点为从该转子的中心点O以偏置量为OS1偏置而来的四个第一偏心点O₁，又该第一磁面偏心圆弧是使最大气隙厚度T约为最小气隙厚度t1的二至五倍；四个永久磁铁，分别配置于每一扇形主磁极的内圈；多个用来形成鼠笼绕组的导体容置槽，其形状呈梨形，其是以对准每一第一偏心点O₁的方向呈环状且等间距排列而配置于该转子的该外圈的每一该扇形主磁极中；以及四个凹陷，分别设置于每一该扇形主磁极的第一磁面偏心圆弧的中间点。

附图说明

图1为常见美国专利US 5,952,757号，Boyd et al.的「LSPM马达」的结构示意图。

图2为常见美国专利US 5,097,166号，Mikulic，的「交流永磁马达定子的转子积层」的结构示意图。

图3为常见美国专利US 4,922,152号，Gleghorn et al.的「同步机转子积层」的结构示意图。

图4为常见美国专利US 4,748,359号，Yahara et al.的「具有正弦波磁通模式的永久磁铁马达」的结构示意图。

图5为常见美国专利US 4,358,696号，Liu et al.的「永久磁铁同步马达转子」的结构示意图。

图6为常见美国专利US 4,139,790号，Steen.的「加入直交轴的积层同步马达转子」的结构示意图。

图7是中国台湾专利TW 371,126，康基宏等人的「永磁式感应同步机转子结构改良(一)」的结构示意图。

图8为中国台湾专利TW 362,843，康基宏等人的「永磁式感应同步机转子结构改良(二)」的结构示意图。

图9为常见日本专利特开2003-23740(P2003-23740A)，照山英俊的「永磁式电动机的永磁式转子」的结构示意图。

图10为本发明的使用定子直槽的自行起动式永久磁铁同步马达与仿照本发明的使用定子斜槽的自行起动式永久磁铁同步马达互相对照的立体示意图。。

图11为本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第一实施例的结构示意图。

图12为本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第一实施例中，在每一扇形主磁极中的导体容置槽的数目为偶数的情况下，半圆凹陷的位置示意图。

图13为为图12的局部放大图，用来突显第一磁面偏心圆弧相对于磁面圆弧的曲率变化。

图14为本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第一实施例中，在每一扇形主磁极中的导体容置槽的数目为奇数的情况下，半圆凹陷的位置示意图。

图15为本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构中，第一磁面偏心圆弧使马达气隙厚度的变化分布，其气隙厚度最小的为t1，而其气隙厚度最大的为T。

图16为本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第二实施例中，在每一扇形主磁极中的导体容置槽的数目为偶数的情况下，半圆凹陷的位置示意图。

图17为为图16的局部放大图，用来突显第一磁面偏心圆弧相对于磁面圆弧的曲率变化。

图18为本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第二实施例中，在每一扇形主磁极中的导体容置槽的数目为奇数的情况下，半圆凹陷的位置示意图。

图19为本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第三实施例的结构示意图。

图20为图19的局部放大图，用来突显第一磁面偏心圆弧和第二磁面偏心圆弧相对于磁面圆弧的曲率变化。

图21为本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第三实施例中，第一磁面偏心圆弧和第二磁面偏心圆弧使马达气隙厚度的变化分布，其气隙厚度最小的为t2，而其气隙厚度最大的为T。

图22显示本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第一实施例中，马达气隙的磁通密度径向分布极接近于正弦波。

图23显示常见的自行起动式永久磁铁同步马达的气隙的磁通密度径向分布图，其马达气隙的磁通密度径向分布与正弦波形状相去甚远。

图24显示本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第一实施例中，马达气隙的磁通密度径向分布图，其中凹陷所在位置的磁通密度径向减少量为M。

图25显示本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第二实施例中，马达气隙的磁通密度径向分布图，其中凹陷所在位置的磁通密度径向减少量为N。

图26显示本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的第三实施例中，马达气隙的磁通密度径向分布图，其磁通密度的径向分布的最大减少量为P。

图27显示本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的三个实施例的每一实施例的第一实施样态中，其转子导体容置槽为圆形槽。

图28显示本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的三个实施例的每一实施例的第二实施样态中，其每一扇形主磁极的永久磁铁分为两片，使转子的八个永久磁铁呈正八角形。

图29显示本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的三个实施例的每一实施例的第三实施样态中，其每一扇形主磁极的永久磁铁分为两片，使转子的八个永久磁铁呈图中所示的四花瓣形。

图30显示本发明的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构的三个实施例的每一实施例的第四实施样态中，其每一扇形主磁极的永久磁铁分为四片，每一片的排列方式呈徽章形。

具体实施方式

如图10所示为本发明的用定子直槽的自行起动式永久磁铁同步马达1010与仿照本发明的使用定子斜槽的自行起动式永久磁铁同步马达1040互相对照的立体示意图。本发明的使用定子直槽的自行起动式永久磁铁同步马达1010包含一定子1012，一转子1014，及一轴心1016，其中该定子1012具有定子直槽1018。再者，本发明的使用定子斜槽的自行起动式永久磁铁同步马达1040包含一定子1042，一转子1044，及一轴心1046，其中该定子1042具有定子斜槽1048。

如图11所示，本发明第一实施例的自行起动式永久磁铁同步马达11包含一外定子1101(此后简称为定子1101)和一内转子1121(此后简称为转子1121)，以及一夹于两者间的气隙1111。定子1101为由多个硒钢片所堆栈而成，其内圈含有宽度为w的多个定子齿部1103和多个定子槽部1105交错环状排列。转子1121亦为由多个硒钢片所堆栈而成，其内圈含有一轴心(spindle)1120和四个永久磁铁1126，而其外圈含有多个用来形成鼠笼(Squirrel cage)而呈环状排列的导体容置槽(conductor slot)1128和其间呈突出形状的转子齿部1130。

又如图11所示，X-X和Y-Y为转子1121的中心线，且转子1121是以与中心线X-X和Y-Y成45度角的径向分隔线L1、L2、L3、和L4区分为圆心角呈90度的四个扇形主磁极(fan-shaped pole)A、B、C、和D。

图12为图11的局部放大图。如图12所示，转子1121的中心点为O，其磁面圆弧1122的曲率半径为R。且转子1121的每一扇形主磁极A、B、C、和D的表面圆弧称为「第一磁面偏心圆弧」1124，其曲率中心O₁是从O所偏置，其偏置量OO₁的长度为OS1，而其曲率半径为R1，因而有如下的关系式，R-R1＝OS1。

再如图11所示，第一磁面偏心圆弧1124与径向分隔线L1、L2、L3、和L4分别相交于a、b、c、和d四点，此四点即分别为扇形主磁极A的第一磁面偏心圆弧ab的两端点a和b，扇形主磁极B的第一磁面偏心圆弧bc的两端点b和c，扇形主磁极C的第一磁面偏心圆弧cd的两端点c和d，以及扇形主磁极D的第一磁面偏心圆弧da的两端点d和a。又，此第一磁面偏心圆弧1124与中心线X-X和Y-Y分别相交于扇形主磁极A、B、C、和D范围内的e1、f1、g1、h1四点，而此e1、f1、g1、h1四点也分别是扇形主磁极A、B、C、和D的第一磁面偏心圆弧ab、bc、cd、以及da的中间点。

再如图11所示，在本发明的第一实施例中，自行起动式永久磁铁同步马达11在上述扇形主磁极A、B、C、和D范围内的第一磁面偏心圆弧ab、bc、cd、da的中间点e1、f1、g1、h1处分别设置有半圆凹陷E1、F1、G1、H1，其直径约为前述定子1101的定子齿部1103的宽度w，故其半径r＝w/2，且其半圆凹陷E1、F1、G1、H1的半圆圆弧两端是以圆角(fillet)1136的方式与第一磁面偏心圆弧1124相连接。

又如图16、图17所示，在本发明的第二实施例中，自行起动式永久磁铁同步马达11在当每一该扇形主磁极A、B、C、和D的多个导体容置槽1128的数目为偶数时，除了该转子的齿部1130位置上的凹陷以外，其左右相邻的齿部1130位置上又各设置一同样大小的凹陷。因而，在上述扇形主磁极A、B、C、和D范围内的第一磁面偏心圆弧ab、bc、cd、da的中间点e1、f1、g1、h1处亦即转子齿部1132处所设置的半圆凹陷E1、F1、G1、H1的左右相邻的转子齿部1132处也分别设置半圆凹陷E2、F2、G2、H2及E3、F3、G3、H3，其直径亦约为前述定子1101的定子齿部1103的宽度w，故其半径r1＝w/2及r2＝w/2，且其半圆凹陷E2、F2、G2、H2及E3、F3、G3、H3的半圆圆弧两端亦是以圆角(fillet)1136的方式与第一磁面偏心圆弧1124相连接。而如图18所示，当每一该扇形主磁极的多个导体容置槽1128的数目为奇数时，除了该转子的导体容置槽1128位置上的凹陷以外，其左右相邻的导体容置槽1128位置上又各设置一同样大小的凹陷，故每一扇形主磁极各有三个凹陷，总共该转子上共设置有十二个凹陷。

又如图19所示，在本发明的第三实施例中，自行起动式永久磁铁同步马达11在上述每一扇形主磁极A、B、C、和D范围内，如图12所展示的一个半圆凹陷E1、F1、G1、H1以及如图16所展示的三个半圆凹陷E1、F1、G1、H1和E2、F2、G2、H2，以及E3、F3、G3、H3均去除，而以一「第二磁面偏心圆弧」1901取代之。如前述，转子1121的中心点为O，其磁面圆弧1122的曲率半径为R，且转子1121的每一扇形主磁极A、B、C、和D的表面圆弧称为「第一磁面偏心圆弧」1124，其曲率中心O₁是从O所偏置的，其偏置量OO₁的长度为OS1，而其曲率半径为R1，因而有如下的关系式，R-R1＝OS1。依此类似的情况，此「第二磁面偏心圆弧」1901的曲率中心O₂是从O所偏置的，其偏置量OO₂的长度为OS2，而其曲率半径为R2，因而有如下的关系式，R2-R＝OS2。

再参考图19，在第三实施例中，第二磁面偏心圆弧1901与第一磁面偏心圆弧1124的相切点在扇形主磁极A、B、C、D的范围内分别为a1和a2、b1和b2、c1和c2、d1和d2。换句话说，在第三实施例中，于扇形主磁极A、B、C、D的范围内，第二磁面偏心圆弧1901分别为a1 a2、b1 b2、c1 c2、d1 d2，而在第一实施例和第二实施例中的第一磁面偏心圆弧1124则变为a a1和a2 b；b b1和b2 c；c c1和c2 d；d d1和d2 a。

再如图11所示，前述本发明的自行起动式永久磁铁同步马达11的四个永久磁铁1126在上述扇形主磁极A、B、C、和D内均含有一个，而其多个导体容置槽1128在上述扇形主磁极A、B、C、和D内均含有相同的数目，而这些多个导体容置槽1128是以曲率中心为O₁(见图12)的「第一磁面偏心圆弧」1124的径向(radial.direction)以等间距均匀分布于转子1121的外圈，且除了如图14和图18所示若每一扇形主磁极A、B、C、D中的导体容置槽1128的数目为奇数时，则每一半圆凹陷处的导体容置槽1128需适度地向扇形主磁极A、B、C、D的中心O1偏移之外，其余的每一导体容置槽1128均与该曲率中心O₁等距离，而相邻两导体容置槽1128间的突出部分即成为转子齿部1130。

因此，每一扇形主磁极A、B、C、D的导体容置槽1128间的角度可以固定，且每一扇形主磁极A、B、C、D的导体容置槽1128间的间距(亦即转子齿部1130的宽度)会保持相等。导体容置槽1128宜采用适当的宽度，但也不宜因过大而使其间相隔的转子齿部1130因宽度过小而使穿过其间的磁力线过于密集而产生磁饱和(magnetic saturation)的现象。至于每两扇形主磁极相接处的不同扇形主磁极内的两相邻导体容置槽1128间的间距1132(相当于转子齿部1130)则宜尽量予以缩小，如此除了可减少各永久磁铁1126的极间漏磁外，尚能使马达气隙1111的磁通密度径向分量分布更接近于正弦波的分布。但间距1132的宽度以不小于使转子1121在旋转时产生的容许最小变形量所需的机械强度为原则。

在第一实施例和第二实施例中，分别如图11、图12、图13和图16、图17所示，在每一扇形主磁极A、B、C、D中的导体容置槽1128的数目为偶数的情况下，分别对应于每一扇形主磁极A、B、C、D中的半圆凹陷E1、F1、G1、H1，其与导体容置槽1128的相对位置是使每一扇形主磁极A、B、C、D中的半圆凹陷E1、F1、G1、H1恰位于相邻两导体容置槽1128的间隙(亦即转子齿部1130)当中。但如图14和图18所示，若每一扇形主磁极A、B、C、D中的体容置槽1128的数目为奇数时，则每一半圆凹陷E1、F1、G1、H1恰好对准环列于转子1121外圈中的导体容置槽1128。此时位于e1、f1、g1、h1各点的该对准于半圆凹陷E1、F1、G1、H1的导体容置槽1128则需适度地向转子1121的中心O偏移。

图13为图12的局部放大图。在图12和图13中的虚线表示以转子1121的中心O为圆心而以转子半径R为半径所作的磁面圆弧1122，用来突显以偏置的曲率中心O1且其曲率半径为R1的第一磁面偏心圆弧1124相对于磁面圆弧1122的曲率变化。如图15所示并参考图12，依前述，本发明的转子11的每一扇形主磁极A、B、C、D的磁极表面使用一与转子磁面圆弧的曲率中心O偏置的曲率中心O1的第一磁面偏心圆弧1124，使马达气隙1111(也见图11)的厚度形成一不均匀而渐进式的变化分布，其气隙厚度最小的为t1，位于半圆凹陷E1、F1、G1、H1所在的e1、f1、g1、h1各点，亦即扇形主磁极A、B、C、D内各第一磁面偏心圆弧ab、bc、cd、da的中间点，而其气隙厚度最大的为T，分别位于各第一磁面偏心圆弧ab、bc、cd、da的两端点a和b；b和c；c和d；以及d和a。第一磁面偏心圆弧曲率中心O1的偏置量OS1与第一磁面偏心圆弧半径R1则可作适度的调整配合，使马达气隙的「最小厚度」与「最大厚度」的比值范围变化约介于1∶2~1∶4之间，例如最小气隙厚度为t1，最大气隙厚度为T＝2t1~5t1之间。其目的是使马达气隙的磁通密度径向分量分布(radial.air gap magnetic fluxdensity distribution)成为如图22所示，极接近于正弦波(sinusoidal wave)；且使马达的顿转转矩(cogging torque)更为降低。再者，马达气隙1111的磁通密度的径向分布值中，如图24所示，如前述，在第一实施例中，本发明在每一第一磁面偏心圆弧的中间点e1、f1、g1、h1所设置的半圆凹陷E1、F1、G1、H1；和如图25所示，在第二实施例中，本发明在每一第一磁面偏心圆弧的中间点e1、f1、g1、h1及其左右相邻的转子齿部1130位置所设置的三个半圆凹陷E1、F1、G1、H1和E2、F2、G2、H2，以及E3、F3、G3、H3。；以及如图26所示，在第三实施例中，进一步以平滑的第二磁面偏心圆弧1901取代以上所述的半圆凹陷，以上这些方法均能够使马达气隙1111的磁通密度的径向分布值，于接近每一第一磁面偏心圆弧的中间点e1、f1、g1、h1处的附近得以适度减少，其减少量为如图24所示第一实施例中的M、和如图25所示第二实施例中的N、以及如图26所示第三实施例中的P，如此可进一步降低马达的顿转转矩，降低马达运转时的振动与噪音，并稍微减弱马达的主磁极磁通，使自行起动式永磁同步马达由停止至起动运转时的暂态会因马达的扇形主磁极A、B、C、D的磁通所造成的自持转矩(self-retaining torque)而减少，因而可改善马达的起动特性。在第三实施例中，可将第二磁面偏心圆弧曲率中心O2的偏置量OS2与第二磁面偏心圆弧半径R2做适度的调整配合，使马达气隙的「最小厚度」与「最大厚度」的比值范围变化约介于1∶2~1∶4之间，例如最小气隙厚度为t2，最大气隙厚度为T＝2t2~5t2之间。如此，可使自持转矩能适当地减少的情况下又能兼顾使马达气隙的磁通密度径向分量分布成为极接近于正弦波。其结果，气隙的磁通密度径向分量分布为如图26所示。其目的是使马达气隙的磁通密度径向分量分布(radial.air gap magnetic flux density distribution)成为如图22所示，极接近于正弦波(sinusoidal wave)；且使马达的顿转转矩(coggingtorque)更为降低。与图22比对，如图23所示的常见的自行起动式永久磁铁同步马达的气隙的磁通密度的径向分布与正弦波形状相去甚远。

此外，本发明的转子表面采用偏心的圆弧，当马达负载增加而使定子绕线所构成的磁场跟着增加时，会因采用偏心的圆弧而其转子的每一主磁极两端的气隙较大，而能有效减弱定子绕线磁场对永久磁铁造成退磁(demagnetization)所产生的影响。

如以上所述，在本发明的三个实施例的每一实施例中，转子的鼠笼的导体容置槽，可依照自行起动式永磁同步马达的起动转矩与起动特性的要求而进行各种槽形的改变，且本发明的每一扇形主磁极中的永久磁铁可为单片(如图27所示)、双片(如图28、图29所示)、或多片(如图30所示)所合成。每一实施例皆有以下所述的各种分别如图27、图28、图29、和图30所示的不同的实施样态。兹概述如下：

本发明用来形成鼠笼绕组的导体容置槽得因应自行起动式永磁同步马达其起动转矩与起动特性的要求进行各式槽形的改变。如图27所示的第一实施样态中，其转子导体容置槽数是为圆形槽。

如图28所示的第二实施样态中，其每一扇形主磁极A、B、C、D的永久磁铁分为两片，每一片的对应圆心角为45度，使转子的八个永久磁铁呈正八角形。

如图29所示的第三实施样态中，其转子每一扇形主磁极A、B、C、D的永久磁铁亦分为两片，每一片的对应圆心角亦为45度，使转子的八个永久磁铁呈图中所示的四花瓣形。

如图30所示的第四实施样态中，其转子每一扇形主磁极A、B、C、D的永久磁铁分为四片，每一片的排列方式呈徽章形。

本发明的自行起动式永久磁铁同步马达11每一扇形主磁极永久磁铁的设置，是位于转子的鼠笼的导体容置槽的内侧，使永久磁铁得于转子的鼠笼结构的压铸制造完成后，再行置于转子永久磁铁容置槽内，如此不但可确保永久磁铁不受转子的鼠笼结构压铸制造时的高温影响，每片永久磁铁置于转子永久磁铁容置槽前，尚可事先进行磁性特性量测，确保自行起动式永磁同步马达性能的稳定与可靠。

由于本发明采用转子的磁面偏心圆弧，可获得极接近于正弦波的气隙的磁通密度径向分量分布，如此可不须如传统自行起动式永磁同步马达，为避免转子使用价格昂贵的高磁能积的稀土永久磁铁，造成极大的顿转扭力(cogging torque)，使马达产生起动不良与运转振动的缺点，而必须将定子铁心采用斜槽(skew)的结构，如此将大幅提高定子绕线的困难度与生产成本；因此本发明可获得较大的主磁极的磁通量，又因定子不需使用斜槽，因此可有效提高自行起动式永磁同步马达的运转效率与功率因子，并有效减少自行起动式永磁同步马达的运转振动与噪音。而每一第一磁面偏心圆弧中心处，设置一直径接近马达定子齿部宽度的半圆凹陷，使马达的主磁极磁通适度减弱，使自行起动式永磁同步马达由停止至起动运转时的暂态，由马达主磁极磁通造成的自持转矩(self-retaining torque)得以减少，马达的起动特性得以改善。

此外，由于本发明的转子表面采用偏心的圆弧，当马达负载增加时，即使定子绕线所构成的磁场伴随增加，但由于每一扇形主磁极两端的气隙较大，故可有效减弱定子绕线磁场对永久磁铁造成退磁(demagnetization)的影响。

以上所举的实施例仅在说明较佳的实施型态，并不能以的限制本发明实施的范围，举凡依权利要求所作的均等变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖范围之内。

元件符号对照说明

1010、本发明的使用定子直槽的自行起动式永久磁铁同步马达

1040、仿照本发明的使用定子斜槽的自行起动式永久磁铁同步马达

1012、1042定子 1014、1044转子

1016、1046轴心 1018、定子直槽

1048、定子斜槽 11、自行起动式永久磁铁同步马达

1101、定子 1103、定子齿部

1105、定子槽部 1111、马达气隙

1120、轴心 1121、内转子

1122、磁面圆弧 1124、第一磁面偏心圆弧

1126、永久磁铁 1128、导体容置槽

1130、转子齿部 1132、两相邻导体容置槽间的间距

1136、圆角 1901、第二磁面偏心圆弧

A、B、C、D扇形主磁极

E1、F1、G1、H1、E2、F2、G2、H2、E3、F3、G3、H3半圆凹陷

L1、L2、L3、L4径向分隔线

M、N、P马达气隙的径向磁通密度的减少量

O转子的中心点 O1第一偏心点

O2第二磁面偏心圆弧的曲率中心；第二偏心点

OS1第一磁面偏心圆弧的曲率中心的偏置量

OS2第二磁面偏心圆弧的曲率中心的偏置量

R 磁面圆弧的曲率半径 R1 第一磁面偏心圆弧的半径

R2 第二磁面偏心圆弧的半径 r 半圆凹陷的半径

T 最大气隙厚度 t1、t2 最小气隙厚度

w 半圆凹陷的直径 X-X、Y-Y 转子的中心线

a、b、c、d 磁面偏心圆弧的端点

ab、bc、cd、da 第一磁面偏心圆弧

a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2 第二磁面偏心圆弧与第一磁面偏心圆弧的相切点

e1、f1、g1、h1 磁面偏心圆弧的中间点

Claims

1、一种自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，该马达包含一外定子(简称为定子)和一内转子(简称为转子)，以及一夹于两者间的气隙；其特征在于：所述的定子的内圈含有宽度为w的多个定子齿部和多个定子槽部且呈交错环状排列，该转子区分为内圈与外圈而其中心点为0，且其磁面圆弧的半径为R，该转子结构包括：

一轴心，位于该转子的内圈中心；

四个扇形主磁极，其每一扇形主磁极的圆心角呈90度，且其表面圆弧为一第一磁面偏心圆弧，其中心点为从该转子的中心点O以偏置量为OS1偏置而来的四个第一偏心点O₁，且其半径各为R1，散有如次之关系式，R-R1＝OS1，又该第一磁面偏心圆弧是使最大气隙厚度T约为最小气隙厚度t1的二至五倍，亦即有如次之关系式，T＝2t1~5t1；

四个永久磁铁，分别配置于每一扇形主磁极的内圈；

多个导体容置槽，用来形成鼠笼绕组，其形状呈梨形，其是以对准每一第一偏心点O₁的方向呈环状且等间距排列而配置于该转子的该外圈的每一该扇形主磁极中，其间距处并形成呈突出形状的转子齿部，而其位于每两个扇形主磁极间的间距则较小；以及四个凹陷，分别设置于每一该扇形主磁极的第一磁面偏心圆弧的中间点，呈半圆形且其半径为r，又其宽度为w，且当每一该扇形主磁极的多个导体容置槽的数目为偶数时，该凹陷的位置是对准转子的齿部，而当每一该扇形主磁极的多个导体容置槽的数目为奇数时，该凹陷的位置是对准转子的导体容置槽；

其中，除了当每一扇形主磁极中的导体容置槽的数目为奇数时，每一半圆凹陷处的导体容置槽需适度地向扇形主磁极的中心O₁偏移之外，其余的每一导体容置槽均与该曲率中心O₁等距离。

2、如权利要求1所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该导体容置槽的形状呈圆形。

3、如权利要求1所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该每一扇形主磁极的永久磁铁分为两片，每一片的对应圆心角为45度，使转子的八个永久磁铁呈如图28中所示的正八角形。

4、如权利要求1所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该每一扇形主磁极的永久磁铁亦分为两片，每一片的对应圆心角亦为45度，使转子的八个永久磁铁呈如图29所示的四花瓣形。

5、如权利要求1所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中每一扇形主磁极的永久磁铁分为四片，其排列方式呈如图30所示的徽章形。

6、如权利要求1所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中每一该扇形主磁极的多个导体容置槽的数目为偶数时，除了该转子的齿部位置上的凹陷以外，其左右相邻的齿部位置上又各设置一同样大小的凹陷；而当每一该扇形主磁极的多个导体容置槽的数目为奇数时，除了该转子的导体容置槽位置上的凹陷以外，其左右相邻的导体容置槽位置上又各设置一同样大小的凹陷，故每一扇形主磁极各有三个凹陷，总共该转子上共设置有十二个凹陷。

7、如权利要求6所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该导体容置槽的形状呈圆形。

8、如权利要求6所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该每一扇形主磁极的永久磁铁分为两片，每一片的对应圆心角为45度，使转子的八个永久磁铁呈如图28中所示的正八角形。

9、如权利要求6所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该每一扇形主磁极的永久磁铁亦分为两片，每一片的对应圆心角亦为45度，使转子的八个永久磁铁呈如图29所示的四花瓣形。

10、如权利要求6所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该每一扇形主磁极的永久磁铁分为四片，其排列方式呈如图30所示的徽章形。

11、如权利要求1所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中每一扇形主磁极凹陷均去除，而以一「第二磁面偏心圆弧」取代之，而此「第二磁面偏心圆弧」的曲率中心O₂(第二偏心点)是从该转子的中心O所偏置，其偏置量OO₂的长度为OS2，而其曲率半径为R2，因而有如下的关系式，R2-R＝OS2，又该第二磁面偏心圆弧是使最大气隙厚度T约为最小气隙厚度t2的二至五倍，亦即有如次的关系式，T＝2t2~5t2。

12、如权利要求11所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该导体容置槽的形状呈圆形。

13、如权利要求11所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该每一扇形主磁极的永久磁铁分为两片，每一片的对应圆心角为45度，使转子的八个永久磁铁呈如图28中所示的正八角形。

14、如权利要求11所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该每一扇形主磁极的永久磁铁亦分为两片，每一片的对应圆心角亦为45度，使转子的八个永久磁铁呈如图29所示的四花瓣形。

15、如权利要求11所述的自行起动式永久磁铁同步马达的转子结构，其特征在于：其中该每一扇形主磁极的永久磁铁分为四片，其排列方式呈如图30所示的徽章形。