TW201328126A - 永磁馬達與永磁馬達的轉子 - Google Patents

Abstract

一種永磁馬達與一種永磁馬達的轉子。永磁馬達包括轉子與定子。定子環繞轉子設置，轉子沿轉軸設置。轉子包括磁芯與多組永久磁鐵。轉軸穿過磁芯，永久磁鐵環繞轉軸且成對設置於磁芯內。每組永久磁鐵包括第一永久磁鐵以及第二永久磁鐵，對稱設置於對應之徑向面的相對兩側。每組永久磁鐵具有公垂線垂直相交於各自的磁極連線，且公垂線與轉軸之間具有第一夾角。藉由上述之永久磁鐵的配置方式，可增加永久磁鐵之有效面積，提高磁通密度以提升永磁馬達之輸出功率與轉矩。

Description

永磁馬達與永磁馬達的轉子

本發明是有關於一種馬達與一種馬達的轉子，特別是有關於一種永磁馬達與一種永磁馬達的轉子。

在目前馬達的使用趨勢中，中小功率的電動載具多採用永磁馬達(permanent magnet motor,PM motor)作為驅動源。永磁馬達的輸出功率及轉矩與馬達內部的磁鐵相關性高，藉由增加磁鐵使用量或使用性能較高的磁鐵，可提高磁通密度，進而提升馬達輸出功率與轉矩。但若只使用一般磁鐵，直接增加磁鐵的使用量所能提升的效果有限。

除此之外，先前技術也分別針對其他方向進行設計。以增加磁場來源強度而言，可使用特性較強或者尺寸較厚的磁鐵取代一般磁鐵，亦可在磁鐵磁場中加入外部激磁源，但此類方法會提高成本以及設計複雜度。若選擇降低磁路阻抗，可設計較小的氣隙參數，亦可設計V型氣隙降低等效阻抗，但容易有可靠度或者組裝干涉的問題。

從集中磁束方面著手，最常見的方法為使用內置式永磁馬達(interior permanent magnet,IPM)。內置式永磁馬因為有磁阻轉矩，因此總輸出轉矩較高，且可設法在有限空間中增加永久磁鐵有效面積，例如採用V型磁鐵排列以提高磁束集中參數(flux concentration factor)。以此為基礎的相關設計亦包含利用多層與多極的永久磁鐵排列方式來增加磁通密度，進而使輸出轉矩增大，但會使成本提高。

本發明提供一種永磁馬達與一種永磁馬達的轉子，藉由調整永磁馬達轉子內部永久磁鐵的配置方式來提升磁通密度，進而使得馬達之輸出功率與轉矩增大。

為具體描述本發明之內容，在此提出一種永磁馬達的轉子。轉子沿轉軸設置，且具有磁芯以及多組永久磁鐵。轉軸穿過磁芯，永久磁鐵環繞轉軸且成對設置於磁芯內。每一組永久磁鐵包括第一永久磁鐵以及第二永久磁鐵，且第一永久磁鐵以及第二永久磁鐵對稱設置於垂直且通過轉軸之徑向面的相對兩側。每一第一永久磁鐵具有第一磁極連線，每一第二永久磁鐵具有第二磁極連線，且每一組永久磁鐵具有公垂線垂直相交於第一磁極連線以及第二磁極連線。公垂線與轉軸具有第一夾角。

本發明更提出一種永磁馬達。永磁馬達包括至少一轉子與一定子。轉子為上述之永磁馬達的轉子，而定子環繞轉子設置。

在本發明之一實施例中，上述之每一組永久磁鐵中的第一永久磁鐵的第一磁極連線以及第二永久磁鐵的第二磁極連線分別與相應的徑向面具有第二夾角。

本發明之一實施例中，上述之第二夾角大於0度，小於60度。

在本發明之一實施例中，上述之磁芯包括多個容置孔，用以容置永久磁鐵。

在本發明之一實施例中，上述之轉子更包括多個補償塊(complementary block)，分別填入永久磁鐵與相應的容置孔之間的空隙。

在本發明之一實施例中，上述之補償塊的材質包括等向性導磁粉末。

在本發明之一實施例中，上述之磁芯的材質包括等向性導磁粉末。

在本發明之一實施例中，上述之磁芯包括相疊的多個圓形碟片，各圓形碟片具有相應的多個開孔，用以在相疊後構成容置孔。

在本發明之一實施例中，上述之磁芯為管狀，其內徑為r、外徑為R、管長為L，多組永久磁鐵成對配置於轉軸的相對兩側，且多組永久磁鐵的數量為N對，定義第一夾角為θ1，第二夾角為θ2，則第一夾角θ1的範圍為：0＜θ1＜min(60,tan^-1(d/L))，且d=[1-sin(θ2)]^-1×{r[sin(θ2)-1]+R[cos(180/N)-sin(θ2)]}。

在本發明之一實施例中，上述之θ1=min(30,tan^-1(d/L))。

在本發明之一實施例中，上述之第一永久磁鐵或第二永久磁鐵為矩形板，矩形板具有相互平行的第一平面以及第二平面，且第一磁極連線或第二磁極連線垂直於第一平面與第二平面。

在本發明之一實施例中，上述之至少一轉子的數量為兩個，且兩轉子在轉軸的方向上對稱設置。

基於上述，本發明提出一種永磁馬達與永磁馬達的轉子，藉由調整轉子內部永久磁鐵配置，例如使永久磁鐵旋轉特定角度，來增加永久磁鐵的有效面積使得磁通密度增加，進而提高永磁馬達的輸出功率與轉矩。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本實施例之一種永磁馬達的示意圖。圖2是圖1之永磁馬達的爆炸圖。請同時參考圖1與圖2，在本實施例中，永磁馬達100包括轉子200與定子110。定子110環繞轉子200設置，且具有多個定子槽112以供放置導線。轉子200沿轉軸X1設置，且具有磁芯210以及多組永久磁鐵220。轉軸X1穿過磁芯210，多組永久磁鐵220環繞轉軸X1且成對設置於磁芯210內，亦即當一組永久磁鐵220設置於磁芯210內的一處時，從此處以轉軸X1為中心相隔180度後的磁芯210內亦設置一組永久磁鐵220。在本發明其他實施例中，轉子200為一個。然而，單一轉子的配置可能會因為磁力的不平衡而產生軸向移動力，或者是使磁通比較無法有效的集中在轉子200內，而在轉軸X1方向產生磁通外漏。為了避免上述現象，在本實施例中，如圖2所示，轉子200為兩個，且在轉軸X1方向上對稱設置。

圖3是圖1之永磁馬達的局部示意圖。請參考圖3，在本實施例中，每組永久磁鐵220包括第一永久磁鐵220A以及第二永久磁鐵220B。第一永久磁鐵220A以及第二永久磁鐵220B對稱設置於垂直且通過轉軸X1之徑向面Y1的相對兩側。每一第一永久磁鐵220A具有第一磁極連線M1，每一第二永久磁鐵220B具有第二磁極連線M2。此處之磁極連線指通過單一永久磁鐵本身兩相對磁極(N極與S極)的連線。本實施例的第一永久磁鐵220A以及第二永久磁鐵220B為矩形板，意即第一永久磁鐵220A以及第二永久磁鐵220B各自具有相互平行的第一平面P1以及第二平面P2，且第一磁極連線M1與第二磁極連線M2垂直於相對應之第一平面P1與第二平面P2。

圖4是本實施例之轉子的局部側視圖。請同時參考圖3與圖4，在本實施例中，第一磁極連線M1以及第二磁極連線M2具有公垂線Z1，垂直相交於第一磁極連線M1以及第二磁極連線M2。公垂線Z1與轉軸X1具有第一夾角θ1，換言之，可視為將永久磁鐵220相對於轉軸X1旋轉一個角度後才設置於磁芯210上。由於第一夾角θ1相對於轉軸X1作旋轉，在本實施例中亦稱為軸向旋轉角。設置第一夾角θ1的目的在於增加永久磁鐵220的有效面積。

圖5是本實施例之轉子的局部正視圖。請同時參考圖3與圖5，在本實施例中，每組永久磁鐵220中的第一永久磁鐵220A的第一磁極連線M1以及第二永久磁鐵220B的第二磁極連線M2分別與相應的徑向面Y1具有第二夾角θ2。換言之，可將設置在徑向面Y1兩側的永久磁鐵220，視為對稱徑向面Y1且相對於磁芯210之切面旋轉一個角度後才置入磁芯210，使得每組永久磁鐵200對稱徑向面Y1成V型設置，而這個角度與第二夾角θ2為同位角。由於每組永久磁鐵220對稱設置在徑向面Y1的兩側，因此第一永久磁鐵220A的第一磁極連線M1與徑向面Y1之夾角，與第二永久磁鐵220B的第二磁極連線M2與徑向面Y1之夾角相等。第二夾角θ2可視為相對於切面作旋轉，在本實施例中亦稱為切面旋轉角。設置第二夾角θ2也可增加永久磁鐵220的有效面積，在本實施例中可將第一夾角θ1與第二夾角θ2搭配使用。此外，本實施例建議第二夾角θ2大於0度，小於60度。

請繼續參考圖4與圖5，在本實施例中，永磁馬達100的磁芯210為管狀。以變數形式標示磁芯210的相關尺寸，可定義磁芯210的內徑為r、外徑為R、管長為L。多組永久磁鐵220成對配置於轉軸X1的相對兩側，且多組永久磁鐵220的數量為N對。值得注意的是，此處所述之一對永久磁鐵220代表配置於轉軸X1的相對兩側的兩組永久磁鐵220，亦即每一對永久磁鐵220包括兩組永久磁鐵220，分別配置在磁芯210內以轉軸X1為中心相隔180度的兩處。據此，以變數形式定義第一夾角為θ1，第二夾角為θ2，則第一夾角的範圍為：0＜θ1＜min(60,tan^-1(d/L))，亦即第一夾角大於0度，小於60度與tan^-1(d/L)度之最小者，其中d可視為永久磁鐵220靠近磁芯210外側面的部分與磁芯210內管面的距離，如圖5所示，而此距離為d=[1-sin(θ2)]^-1×{r[sin(θ2)-1]+R[cos(180/N)-sin(θ2)]}。由此可知，第一夾角θ1的角度可隨著磁芯210的幾何尺寸以及永久磁鐵220的擺放方式而改變其範圍。

在本發明另一實施例中，以前述之變數形式定義第一夾角為θ1，則第一夾角θ1的角度可進一步限定為：θ1=min(30,tan^-1(d/L))，亦即第一夾角的最佳角度為30度與tan^-1(d/L)度之最小者。如前所述，第一夾角θ1可隨著磁芯210的幾何尺寸以及永久磁鐵220的擺放方式而改變其角度，但在此實施例中進一步限定第一夾角θ1的角度，可提供第一夾角θ1更準確的數值。

圖6是本實施例之磁芯的局部示意圖。請參考圖6，本發明提出一種永磁馬達的轉子200，包含了磁芯210與多組永久磁鐵220，而永久磁鐵220設置在磁芯210內，因此磁芯210具有多個容置孔212，用以容置永久磁鐵220。在本實施例中，磁芯210可為相疊的多個圓形碟片，圓形碟片具有相應的多個開孔，用以在相疊後構成容置孔212。然而，永久磁鐵220具有旋轉角度，若使用圓形碟片製作磁芯210且依照永久磁鐵220之旋轉角度進行開孔，會提高成本與製作困難度。

據此，本實施例在圓型碟片上開設尺寸較大的容置孔212，使具有旋轉角度的永久磁鐵220可容置在容置孔212中。然而，當具有旋轉角度的永久磁鐵220置入由圓型碟片相疊而成且具有較大尺寸之容置孔212的磁芯210時，容置孔212內會有許多空隙。

為解決此問題，本實施例利用補償塊214填補容置孔212內的空隙。詳細來說，本實施例使用圓型碟片製作開孔尺寸較大之磁芯210，並製作補償塊214，填入永久磁鐵220與相應的容置孔212之間的空隙。在本實施例中，補償塊214的材質為等向性導磁粉末，而在本發明其他實施例中，補償塊214的材質可為其他適當的材質。據此，本實施例藉由補償塊214的設置，以解決在由圓形碟片構成之磁芯210中置入具有旋轉角度之永久磁鐵220所面臨到的開孔與空隙問題。

圖7是本發明另一實施例之磁芯的局部示意圖。請參考圖7，本實施例捨棄使用圓型碟片製作磁芯210，改用等向性導磁粉末製作磁芯210。藉由等向性導磁粉末製作磁芯210並置入具有第一夾角θ1與第二夾角θ2的永久磁鐵220，則不須事先設置容置孔212，磁芯210與永久磁鐵220之間也沒有需填置補償塊214的空隙。換句話說，本實施例不需要使用補償塊214來填補空隙，亦不需受限於永久磁鐵的配置方式。

綜上所述，本發明提出一種永磁馬達與一種適用於永磁馬達的轉子，藉由改變永磁馬達的轉子內部永久磁鐵的配置方式，增加永久磁鐵有效面積。換句話說，本發明藉由旋轉角度的設置，例如每組永久磁鐵各自之磁極連線具有公垂線，且公垂線與永磁馬達的轉軸具有第一夾角，也就是軸向旋轉角，而每組永久磁鐵各自之磁極連線，也與所對應之徑向面各自具有第二夾角，也就是切面旋轉角。依照上述之永久磁鐵的配置方法，將永久磁鐵旋轉角度後設置在磁芯內，即可增加永久磁鐵有效面積，提高磁通密度並提升馬達輸出功率與轉矩。

除此之外，為了在磁芯中設置具有旋轉角度的永久磁鐵，本發明可利用多個圓形碟片相疊構成磁芯，並在磁芯上開設容置孔，將具有旋轉角度的永久磁鐵置入容置孔後，利用等向性導磁粉末製作補償塊，填置在永久磁鐵與磁芯之容置孔間的空隙。另外，本發明也可利用等向性導磁粉末製作磁芯並置入具有旋轉角度的永久磁鐵。利用等向性導磁粉末製作磁芯，可直接在成型過程中形成與永久磁鐵配合的容置孔，且不需要額外配置補償塊，故而不需受限於永久磁鐵的配置方式。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．永磁馬達

110．．．定子

112．．．定子槽

200．．．轉子

210．．．磁芯

212．．．容置孔

214．．．補償塊

220．．．永久磁鐵

220A．．．第一永久磁鐵

220B．．．第二永久磁鐵

M1．．．第一磁極連線

M2．．．第二磁極連線

X1．．．轉軸

Y1．．．徑向面

Z1．．．公垂線

θ1．．．第一夾角

θ2．．．第二夾角

P1．．．第一平面

P2．．．第二平面

r．．．內徑

R．．．外徑

L．．．管長

圖1是依照本實施例之一種永磁馬達的示意圖。

圖2是圖1之永磁馬達的爆炸圖。

圖3是圖1之永磁馬達的局部示意圖。

圖4是本實施例之轉子的局部側視圖。

圖5是本實施例之轉子的局部正視圖。

圖6是本實施例之磁芯的局部示意圖。

圖7是本發明另一實施例之磁芯的局部示意圖。

100．．．永磁馬達

110．．．定子

112．．．定子槽

200．．．轉子

210．．．磁芯

220．．．永久磁鐵

X1．．．轉軸

Claims (23)

1. 一種永磁馬達，包括：至少一轉子(rotor core)，沿一轉軸設置，各該轉子包括：一磁芯(magnetic core)，該轉軸穿過該磁芯；以及多組永久磁鐵，環繞該轉軸且成對設置於該磁芯內，其中每一組永久磁鐵包括一第一永久磁鐵以及一第二永久磁鐵，且該第一永久磁鐵以及該第二永久磁鐵對稱設置於垂直且通過該轉軸的一徑向面的相對兩側，每一第一永久磁鐵具有一第一磁極連線，每一第二永久磁鐵具有一第二磁極連線，且每一組永久磁鐵具有一公垂線垂直相交於該第一磁極連線以及該第二磁極連線，該公垂線與該轉軸具有一第一夾角；以及一定子，環繞該至少一轉子設置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之永磁馬達，其中每一組永久磁鐵中的該第一永久磁鐵的該第一磁極連線以及該第二永久磁鐵的該第二磁極連線分別與相應的該徑向面具有一第二夾角。
3. 如申請專利範圍第2項所述之永磁馬達，其中該第二夾角大於0度，小於60度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之永磁馬達，其中該磁芯包括多個容置孔，用以容置該些永久磁鐵。
5. 如申請專利範圍第4項所述之永磁馬達，其中各該轉子更包括多個補償塊(complementary block)，分別填入該些永久磁鐵與相應的該些容置孔之間的空隙。
6. 如申請專利範圍第5項所述之永磁馬達，其中該些補償塊的材質包括等向性導磁粉末。
7. 如申請專利範圍第1項所述之永磁馬達，其中該磁芯的材質包括等向性導磁粉末。
8. 如申請專利範圍第4項所述之永磁馬達，其中該磁芯包括相疊的多個圓形碟片，各該圓形碟片具有相應的多個開孔，用以在相疊後構成該些容置孔。
9. 如申請專利範圍第1項所述之永磁馬達，其中該磁芯為管狀，其內徑為r、外徑為R、管長為L，該多組永久磁鐵成對配置於該轉軸的相對兩側，且該多組永久磁鐵的數量為N對，定義：該第一夾角為θ1，該第二夾角為θ2，則：0＜θ1＜min(60,tan^-1(d/L))，且d=[1-sin(θ2)]^-1×{r[sin(θ2)-1]+R[cos(180/N)-sin(θ2)]}。
10. 如申請專利範圍第9項所述之永磁馬達，其中θ1=min(30,tan^-1(d/L))。
11. 如申請專利範圍第1項所述之永磁馬達，其中每一第一永久磁鐵或第二永久磁鐵為一矩形板，該矩形板具有相互平行的一第一平面以及一第二平面，且該第一磁極連線或該第二磁極連線垂直於該第一平面與該第二平面。
12. 如申請專利範圍第1項所述之永磁馬達，其中該至少一轉子的數量為兩個，且該兩轉子在該轉軸的方向上對稱設置。
13. 一種永磁馬達的轉子，沿一轉軸設置，該轉子包括：一磁芯(magnetic core)，該轉軸穿過該磁芯；以及多組永久磁鐵，環繞該轉軸且成對設置於該磁芯內，其中每一組永久磁鐵包括一第一永久磁鐵以及一第二永久磁鐵，且該第一永久磁鐵以及該第二永久磁鐵對稱設置於垂直且通過該轉軸的一徑向面的相對兩側，每一第一永久磁鐵具有一第一磁極連線，每一第二永久磁鐵具有一第二磁極連線，且每一組永久磁鐵具有一公垂線垂直相交於該第一磁極連線以及該第二磁極連線，該公垂線與該轉軸具有一第一夾角。
14. 如申請專利範圍第13項所述之永磁馬達的轉子，其中每一組永久磁鐵中的該第一永久磁鐵的該第一磁極連線以及該第二永久磁鐵的該第二磁極連線分別與相應的該徑向面具有一第二夾角。
15. 如申請專利範圍第14項所述之永磁馬達的轉子，其中該第二夾角大於0度，小於60度。
16. 如申請專利範圍第13項所述之永磁馬達的轉子，其中該磁芯包括多個容置孔，用以容置該些永久磁鐵。
17. 如申請專利範圍第16項所述之永磁馬達的轉子，更包括多個補償塊，分別填入該些永久磁鐵與相應的該些容置孔之間的空隙。
18. 如申請專利範圍第17項所述之永磁馬達的轉子，其中該些補償塊的材質包括等向性導磁粉末。
19. 如申請專利範圍第13項所述之永磁馬達的轉子，其中該磁芯的材質包括等向性導磁粉末。
20. 如申請專利範圍第16項所述之永磁馬達，其中該磁芯包括相疊的多個圓形碟片，各該圓形碟片具有相應的多個開孔，用以在相疊後構成該些容置孔。
21. 如申請專利範圍第13項所述之永磁馬達的轉子，其中該磁芯為管狀，其內徑為r、外徑為R、管長為L，該多組永久磁鐵成對配置於該轉軸的相對兩側，且該多組永久磁鐵的數量為N對，定義：該第一夾角為θ1，該第二夾角為θ2，則：0＜θ1＜min(60,tan^-1(d/L))，且d=[1-sin(θ2)]^-1×{r[sin(θ2)-1]+R[cos(180/N)-sin(θ2)]}。
22. 如申請專利範圍第21項所述之永磁馬達的轉子，其中θ1=min(30,tan^-1(d/L))。
23. 如申請專利範圍第13項所述之永磁馬達的轉子，其中每一第一永久磁鐵或第二永久磁鐵為一矩形板，該矩形板具有相互平行的一第一平面以及一第二平面，且該第一磁極連線或該第二磁極連線垂直於該第一平面與該第二平面。