CN201352754Y - 转动装置及其转子 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭露一种转动装置及其转子，该转动装置包含定子与位于定子内的转子。转子包含转轴及衔接于转轴的转体。转体包含多个磁通区，每一磁通区包含至少一磁性体且具有第一弧面及两个第二弧面。第一弧面连接于两个第二弧面之间，第一弧面的第一曲率中心异于每一第二弧面的第二曲率中心。

Description

转动装置及其转子

技术领域

本实用新型是关于一种转动装置，特别是关于一种具有不均匀气隙的转动装置，能降低转矩涟波，以增加转动稳定性。

背景技术

一般来说，马达分为永磁无刷马达及绕线式励磁场马达。相较于绕线式励磁场马达，永磁无刷马达的转子包含永久磁铁，可省掉使用碳刷及滑环等设备，所以永磁无刷马达的耐用度较高，且体积较小，故永磁无刷马达已有逐步取代传统绕线式励磁场马达的趋势。

永磁无刷马达包含具有齿槽结构的定子及具有永久磁铁的转子。因为定子的齿槽结构，使得转子在相对定子运转时，转子与定子之间的气隙磁阻会随着位置变化，磁路中的磁通量与能量也随之变化，因而产生转矩涟波(torque ripple)的现象，亦即马达的输出转矩随着时间呈现上下起伏的变化。

转矩涟波容易造成马达转动速度与位置控制的误差，也容易产生震动与噪音，而影响马达的转动稳定性。所以，当永磁无刷马达应用在机器人的制动元件、硬盘机或光驱的驱动元件、高精密的位置控制和恒定的速度控制用途时，如何有效地控制及降低转矩涟波的变化程度是一个相当重要的课题。

现有技术中，用以降低甚至消除转矩涟波的解决方法有斜槽或分数槽设计。斜槽的设计是改变槽齿，使其与马达轴心方向成一角度。因此，马达在转动时，转子的每一磁极所对应的齿面积和槽面积变化量都很小，可降低转矩涟波的变化量。

一般来说，转子的磁极数与定子的齿槽数成一整数比关系，例如2极6槽。以磁力线的分布而言，整数槽的设计容易产生转子磁极和定子齿槽对齐的情况。在某一特定角度，磁极和齿槽感应产生最大的磁通量，造成稳定的力平衡，因此在转动时磁通量势必会产生变化而产生转矩涟波。为了降低感应磁通量的变化，可以采用分数槽的设计方式，减少上述情形发生对正的机会，由于分数槽的设计也可降低转矩涟波的变化程度。

本实用新型是提供一种转动装置，不同于上述的设计，是以不均匀气隙的设计，来降低转矩涟波的变化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种转动装置，转子与定子之间具有不均匀气隙，致使转矩涟波较小，以提升转动装置的性能及操作性。

根据本实用新型的转动装置包含定子与位于定子内的转子，转子包含转轴及衔接于转轴的转体。转体包含多个磁通区，每一磁通区包含至少一磁性体且具有一第一弧面及两个第二弧面。该第一弧面连接于该两个第二弧面之间。该第一弧面具有一第一曲率中心，每一该第二弧面具有一第二曲率中心，该第二曲率中心异于该第一曲率中心。

此外，于较佳实施例中，该定子与该转子之间的最小距离及最大距离的比例为1∶1.5～1∶4.5。并且，该第一弧面具有一第一曲率半径，每一该第二弧面具有一第二曲率半径，该第二曲率半径大于该第一曲率半径的0.7倍。

综上所述，本实用新型的转子的表面是由多个具有不同曲率中心的弧面(例如第一弧面及第二弧面)所构成，亦即不同弧面的曲率中心可不重合，使得定子与转子之间可形成不均匀气隙。不均匀气隙可使得转子与定子之间的磁路上的磁场产生变化，因此转动装置所产生的反电动势(感应电动势)可产生变化。并且，设计者除了可变动曲率中心的位置之外，还可变动弧面的曲率半径来调整定子与转子之间气隙的变化程度，使得反电动势的变化程度更为滑顺，更接近弦波变化，以匹配输入的弦波电压，因而可有效地降低甚至消除转矩涟波的产生。

附图说明

关于本实用新型的优点与精神可以通过以下配合附图对本实用新型的较佳实施例的详述得到进一步的了解；其中：

图1绘示根据本实用新型一具体实施例的转动装置的示意图。

图2绘示图1中的转动装置的另一示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1绘示根据本实用新型一具体实施例的转动装置3的示意图。如图1所示，本实用新型的转动装置3包含定子30与转子32，转子32位于定子30内。

如图1所示，转子32包含衔接于定子30的转轴321及衔接于转轴321的转体323，转体323与转轴321一起转动。定子30可包含轴承(未绘示)，转轴321衔接于轴承，使得转子32可在定子30内转动且能被定子30所支撑。转体323包含四个磁通区，如图1中的虚线所划分的四个区域，每一磁通区内设置有呈V字形的永磁体320。

于此实施例中，本实用新型的转轴321衔接于定子30的轴承，此衔接是为了让定子30对转轴321产生限位的作用。由于还有其它方法可对转轴产生限位作用，因而本实用新型的转轴可不衔接于定子。举例来说，转动装置具有一托架，用以承载定子，转轴就可衔接于托架上，因而托架可对转轴产生限位作用。或者，以压缩机而言，压缩机包含汽缸及转动装置，转子的转轴衔接于汽缸的活塞，转轴转动时可带动活塞移动，因而汽缸也可对转轴产生限位作用。

请同时参阅图1及图2。图2绘示图1中的转动装置3的另一示意图。需注意的是，为了助于说明转子32的结构设计，因此图2中的转子32不绘示图1中的剖面线。

如图2所示，每一磁通区(图1中被虚线所划分的区域)包含一个第一弧面322及两个第二弧面324，第一弧面322连接于两个第二弧面324之间。换句话说，每一磁通区的表面由位于中央的第一弧面322及位于两侧的第二弧面324所构成。并且，第一弧面322的第一曲率中心O1异于第二弧面324的第二曲率中心O2，也就是说第一曲率中心O1不与第二曲率中心O2重合。

此外，第一弧面322具有第一曲率半径R1，第二弧面324具有第二曲率半径R2。于较佳实施例中，第二弧面324的第二曲率半径R2大于第一弧面322的第一曲率半径R1的0.7倍。虽然图2中所示的第一曲率半径R1是大于第二曲率半径R2，但第一曲率半径可相同或小于第二曲率半径。虽然图2中所示的第二曲率中心O2位于第一曲率半径R1上，但第二曲率中心也可偏离第一曲率半径R1一段距离或位于第一曲率半径R1的延伸线上。

再者，定子30与转子32之间的最小距离为定子与第一弧面322之间的距离D1，最大距离为定子30与两个相邻第二弧面324的交接处之间的距离D2。于较佳实施例中，最小距离(距离D1)与最大距离(距离D2)的比例为1∶1.5～1∶4.5。

此外，于较佳实施例中，本实用新型的转子32的第一弧面322的弧角约是第二弧面324的弧角的两倍，亦即第一弧面322的弧角约等于两个第二弧面324的两个弧角的总和。图1及图2所示的转子32具有四个相等的磁通区，每一磁通区对应的弧角约为360/4＝90度，因此第一弧面322的弧角约为90/2＝45度，而第二弧面324的弧角约为45/2＝22.5度。

根据马达理论，转子转动时会使得马达产生反电动势(感应电动势)。由于实际驱动马达的电压是外部输入的电压减去本身产生的反电动势，因此当反电动势无法匹配于外部输入电压时，使得实际驱动马达的电压变化并非设计上所需求的(例如弦波变化)，则马达的转动就会不稳定，例如产生转矩涟波。

由于定子与转子之间的气隙距离会影响磁路上的磁场大小，也影响了反电动势的大小，因此可适当地设计气隙距离，使得反电动势能匹配于外部输入电压。根据此一概念，本实用新型提出包含具有相异曲率中心的多个弧面的转子。本实用新型的转子32所具有的第一弧面322及第二弧面324使得定子30与转子32之间的气隙不均匀且为周期性的变化，使得反电动势的变化可匹配于外部输入电压，而提高马达转动的稳定性。

虽然先前技术也有提供具有不均匀气隙的梅花型转子，但是梅花型转子的每一磁通区只有单一弧面，因此无法随意地控制气隙的大小变化。然而，本实用新型的转子32的表面是由具有相异曲率中心的第一弧面322及第二弧面324所构成，通过相异弧面的设计与配置，就能有效地控制气隙变化的程度。藉此，本实用新型的转动装置所产生的反电动势的变化能较为滑顺，且能更为接近弦波变化，继而能较佳地匹配于外部输入电压。

当然，本实用新型并不限于图1及图2中所绘示的结构设计，还可为可为其它变化态样，例如弧面的设计与数目、转子的磁极数目、定子的槽数与转子的磁极数比例。

图1及图2所示的转子32的每一磁通区包含一个第一弧面322及具有相同弧角的两个第二弧面324，并且第二弧面324的第二曲率半径R2小于第一弧面322的第一曲率半径R1。实际上，两个第二弧面的弧角可不相同，或者第二曲率半径大于第一曲率半径，端视实际情况而定。

每一磁通区也可另包含具有相异曲率中心的其它弧面，亦即磁通区的表面由更多相异弧面构成。如此一来，本实用新型可通过具有不相同弧角的多组第二弧面或是通过多组不同曲率中心的弧面，来调整定子与转子之间的气隙大小的变化程度。

图1及图2所示的转子32包含四个磁极(磁通区)。实际上，本实用新型的转子所包含的磁极数目是不限制的，可包含偶数个磁极(例如6个)，也可包含奇数个磁极(例如7个)。再者，图1及图2所示的定子包含8个齿槽，是转子的磁极数目(4个)的整数倍。实际上，本实用新型的定子的齿槽数可不为转子的磁极数的整数倍(所谓的整数槽)，例如9槽8极，也就是所谓的分数槽。

请参阅下表1，下表一是通过模拟软件(Flux2D)所得的模拟结果，环境参数：输入电流为23安培，转速为1500转/分)。由表一可知，本实用新型的转动装置的输出力矩比先前技术的转动装置(梅花形转子及全圆形转子)来得高，转矩涟波比先前技术的转动装置来得低。

表一

	输出力矩(N*m)	转矩涟波(％)
			全圆形	73.315	27.76
梅花形	73.089	22.89
			本实用新型	73.570	21.48

相较于先前技术，本实用新型的转子的表面是由多个具有不同曲率中心的弧面(例如第一弧面及第二弧面)所构成，亦即不同弧面的曲率中心可不重合，使得定子与转子之间可形成不均匀气隙。不均匀气隙可使得转子与定子之间的磁路上的磁场产生变化，因此转动装置所产生的反电动势(感应电动势)可产生变化。并且，设计者除了可变动曲率中心的位置之外，还可变动弧面的曲率半径来调整定子与转子之间气隙的变化程度，使得反电动势的变化程度更为滑顺，更接近弦波变化，以匹配输入的弦波电压，因而可有效地降低甚至消除转矩涟波的产生。

通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本实用新型的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本实用新型的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本实用新型所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本实用新型所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (8)

1.一种转动装置，其特征在于，包含：

一定子；以及

一转子，位于该定子内，包含：

一转轴；以及

一转体，衔接于该转轴，包含多个磁通区，每一磁通区具有一第一弧面及两个第二弧面，该第一弧面连接于该两个第二弧面之间，该第一弧面具有一第一曲率中心，每一该第二弧面具有一第二曲率中心，该第一曲率中心与该第二曲率中心相异。

2.根据权利要求1所述的转动装置，其特征在于，该定子与该转子之间的最小距离及最大距离的比例为1∶1.5～1∶4.5。

3.根据权利要求1所述的转动装置，其特征在于，该第一弧面具有一第一曲率半径，每一该第二弧面具有一第二曲率半径，该第二曲率半径大于该第一曲率半径的0.7倍。

4.根据权利要求1所述的转动装置，其特征在于，每一磁通区包含至少一永磁体。

5.根据权利要求1所述的转动装置，其特征在于，该转轴通过一轴承衔接于该定子。

6.一种转子，其特征在于，包含：

一转轴；以及

一转体，衔接于该转轴，包含多个磁通区，每一磁通区具有一第一弧面及两个第二弧面，该第一弧面连接于该两个第二弧面之间，该第一弧面具有一第一曲率中心，每一该第二弧面具有一第二曲率中心，该第一曲率中心与该第二曲率中心相异。

7.根据权利要求6所述的转子，其特征在于，该第一弧面具有一第一曲率半径，每一该第二弧面具有一第二曲率半径，该第二曲率半径大于该第一曲率半径的0.7倍。

8.根据权利要求6所述的转子，其特征在于，每一磁通区包含至少一永磁体。