TW201349733A - 整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機 - Google Patents

Abstract

本發明之整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，包括一馬達定子、一內轉子組環繞於該馬達定子外側、複數調磁鐵心塊環繞於該內轉子外側以及一外轉子組環繞於該複數調磁鐵心塊外側，該內轉子組係包括一共用軛鐵、複數馬達轉子磁極裝設於該共用軛鐵內側壁面、以及複數內轉子磁極裝設於該共用軛鐵外側壁面，該複數的調磁鐵心塊係相對於該馬達定子固定，該外轉子組係包括一外轉子軛鐵、複數外轉子磁極裝設於該外轉子軛鐵內側壁面；由該內轉子組輸入使其轉動，該複數的調磁鐵心塊係導引該內轉子組磁場分流，使該外轉子組沿反向轉動，藉此提供減速增矩的輸出。

Description

整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機

本發明係涉及一種齒輪馬達，尤其是一種整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機。

馬達結合齒輪減速機係為機械傳動系統的關鍵，馬達係為動力產生來源以提供機械運作的機械能，而齒輪減速機係為傳動變速裝置以轉換、調配馬達所提供的機械能，並輸出至執行裝置。

馬達裝置以及齒輪減速機一般係分屬於傳動系統的兩個獨立子單元，在個別設計以及製造完成後，再分別予以配合組裝，而廣泛應用於高扭矩低轉速的場合，現有的馬達裝置係設有一動力輸出軸，該動力輸出軸係與齒輪減速機的輸入軸做連結，為了讓馬達裝置的效率透過齒輪減速機的機械式減速達到最高的效益，在該馬達裝置的該動力輸出軸與齒輪減速機的輸入軸之間會透過聯軸器或動力傳輸元件等機構，確實將馬達裝置的動力傳遞至該齒輪減速機，在透過該齒輪減速機內的一行星齒輪組達到減速並轉換為扭矩輸出。

然而，由於馬達裝置與齒輪減速機之間的動力傳輸路徑較長，該馬達裝置的該動力輸出軸在透過聯軸器或動力傳輸元件後，再傳遞至該齒輪減速機，由於機件之間的摩擦力，產生額外的機械能損耗，致使傳動效率降低；由於該馬達裝置與該齒輪減速機之間的連結係採機械式的接觸連結，且該馬達裝置與該齒輪減速機係分別設計，因此基 於公差以及設計精度，兩者之間的連結難以緻密，其間的磨損不但耗能且容易造成機件損壞；該齒輪轉速機係承載輸出扭矩，若負載過重，往往容易造成行星齒輪組或與馬達裝置之間連結的部份崩齒，甚至馬達裝置燒毀，並無過載保護的機制。

為了解決上述現有馬達結合於齒輪減速機容易損耗能量，傳動效率不佳，且負載超過會產生崩齒損壞等問題，本發明的主要目的在於提供一種整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機。

本發明所運用的技術手段係在於提供一種整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，包括：一馬達定子，其係設有複數槽，各槽上係纏繞有一線圈繞組；一內轉子組，其係以該馬達定子為軸心且可轉動地裝設並圍繞於該馬達定子外側，該內轉子組係包括：一共用軛鐵，其係呈環狀且圍繞於該馬達定子外側；複數馬達轉子磁極，其係裝設於該共用軛鐵內側壁面而鄰近於該馬達定子，該複數馬達轉子磁極的數量係為偶數，朝向該馬達定子的該複數馬達轉子磁極中係以N極與S極各佔一半且呈交錯排列；以及複數內轉子磁極，其係裝設於該共用軛鐵外側壁面，該複數內轉子磁極的數量係為偶數，該複數內轉子磁極中係以N極與S極各佔一半且呈交錯排列；以及複數的調磁鐵心塊，其係以該馬達定子為軸心裝設且 環繞於該內轉子組外側，該複數的調磁鐵心塊係相對於該馬達定子而呈固定狀態且其材質係為良導磁材料以導引該內轉子組的磁力場；一外轉子組，其係以該馬達定子為軸心且可轉動地裝設並圍繞於該複數的調磁鐵心塊外側，該外轉子組係包括：一外轉子軛鐵，其係環狀且圍繞於該複數的調磁鐵心塊；以及複數外轉子磁極，其係裝設於該外轉子軛鐵內側壁面且鄰近於該複數的調磁鐵心塊，且該複數外轉子磁極的極性係為相同且呈間隔排列；藉此，由該內轉子組進行輸入並沿第一旋轉方向旋動，該複數的調磁鐵心塊係導引該內轉子組磁場分流，該外轉子組沿相反於該第一旋轉方向的第二旋轉方向旋動，該外轉子軛鐵得以提供減速增矩的輸出。

如前所述的整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，其中所述的各外轉子磁極的極性係為N極。

如前所述的整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，其中所述的外轉子軛鐵內側係等間隔地設有複數凹槽以容置該複數外轉子磁極。

本發明的整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，具有下列功效增進：

1、本發明的該馬達定子、該內轉子組、該複數的調磁鐵心塊以及外轉子組之間係非接觸式傳動，相較於現有的馬達機械式結合於齒輪減速機，本發明免除傳統的聯軸器或動力傳輸元件的使用，可降低因摩擦力導致的機械能損耗，能夠減少元件間彼此的磨耗，並縮短動力傳輸路徑， 使得整體效率提高。

2、相較於現有的馬達機械式結合齒輪減速機因為過載而造成崩齒、馬達毀損的狀況，由於本發明利用非接觸傳動，因此若負載過重時，本發明只會產生轉矩失步，即該內轉子組與該外轉子組轉動不一致而造成打滑現象，使得轉矩傳遞不順，不會讓損害擴散至整體的其他機構組件。

3、相較於現有的馬達轉軸與齒輪減速機為非共軸的設計，本發明的該馬達定子、該內轉子組、該調磁鐵心塊以及外轉子組係採用同軸心的設計而具有更佳的動態平衡特性，使得整體輸出較為平穩，減少可能產生的震動或噪音。

4、本發明的結構上相較於現有的馬達與齒輪減速機的設計更為緻密，組成組件之間更為簡化，因此能夠具有輕量化以及體積小的優勢，而且兼具功率密度大且轉矩密度高的優點，再者，由於組件的簡化，因此保養維修更為簡便。

為了能夠詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，更進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如后：本發明係一種整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，請參照圖1所示的較佳實施例，其係一外轉子直流無刷馬達結合於一同心式磁性齒輪減速機，其中包括一馬達定子10、一內轉子組20、複數調磁鐵心塊30以及一外轉子組40。

請參照圖1所示，該馬達定子10係使用於該外轉子直 流無刷馬達的矽鋼片，該外轉子直流無刷馬達係為八極九槽的設計，則該馬達定子10係具有八個槽11，各槽11上係纏繞有一線圈繞組12。

請參照圖1所示，該內轉子組20係以該馬達定子10為軸心、並可相對於該馬達定子10轉動、且呈環狀圍繞於該馬達定子10外側，該內轉子組20係包括一共用軛鐵21、複數馬達轉子磁極22、複數內轉子磁極23，該共用軛鐵21係為環狀結構且以該馬達定子10為同軸心設置、可轉動地圍繞於該馬達定子10，該複數馬達轉子磁極22係屬於該外轉子直流無刷馬達的一部分而具有八個極，即八個馬達轉子磁極22裝設於該共用軛鐵21內側壁面且鄰近於該馬達定子10，該八個馬達轉子磁極22係為偶數才能夠旋轉，且該八個馬達轉子磁極22內係四個N極以及四個S極交錯地排列於該共用軛鐵21內側壁面，圖式中係以黑色代表為N極且白色代表為S極，且各該馬達轉子磁極22沿該馬達定子10的直徑相對的該馬達轉子磁極22的極性係相同，更佳地，該複數內轉子磁極23的數量共為6個且係包括三組內轉子N磁極以及該三組內轉子S磁極交錯排列地裝設於該共用軛鐵21的外側壁面。

請參照圖1所示，該複數調磁鐵心塊30係等間距且環狀排列地環繞於該內轉子組20外側並以該馬達定子10為同軸心設置，各該調磁鐵心塊30與該馬達定子10相同為良導磁的矽鋼片，該複數調磁鐵心塊30係相對地固設於該馬達定子10而不會相對於該馬達定子10轉動，而可提供導引該內轉子組20的磁力場。

請參照圖1所示，該外轉子組40係以該馬達定子10為同軸心設置、可轉動地裝設並圍繞於該複數調磁鐵心塊30外側，該外轉子組40係包括一外轉子軛鐵41以及複數外轉子磁極42，該外轉子軛鐵41係呈環狀且圍繞於該複數調磁鐵心塊30外側，該外轉子軛鐵41內側壁面係等間隔地設有複數凹槽411以容置該複數外轉子磁極42，該複數外轉子磁極42係分別裝設於該外轉子軛鐵41內側壁面的複數凹槽411內且鄰近於該複數調磁鐵心塊30，各外轉子磁極42係部份凸露於該對應的凹槽411，該複數外轉子磁極42的極性係皆為相同且為N極，更佳地，該複數外轉子磁極42的數量係依照與該內轉子磁極23與該調磁鐵心塊30的對應關係式求得且多於該內轉子磁極23的數量。

請參照圖2所示，本發明的動力輸入源為該外轉子直流無刷馬達，並由該馬達轉子進行輸入，由於該複數馬達轉子磁極22係固定於該共用軛鐵21而同時作動，因此意即從該內轉子組20進行輸入，而使該內轉子組20朝一第一旋轉方向50旋轉作動產生磁力場，藉由複數調磁鐵心塊30將該內轉子組20的磁力場導引分流，而使內轉子組20的磁力場吻合於該外轉子組40的磁力場，則該外轉子組40係沿相反於該第一旋轉方向50的第二旋轉方向60旋動，由該外轉子組40的該外轉子軛鐵41提供輸出而達到減速增矩的效果。

上述的內、外轉子組20、40的該內轉子磁極23數量與該外轉子磁極42數量的關係式如下：內轉子磁極對數(P _i )+外轉子磁極數(P _o )=調磁鐵心塊數 量(M)； 減速比為，負號代表轉向相反，而提高的轉矩比為。

為了能夠進一步說明本發明的特點，發明人係提供未整合的馬達與本發明的整合直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機的比較數據，請參照圖3所示，縱軸為電磁轉矩，橫軸為角度，尚未整合前的馬達最大輸出轉矩為17.390Nm，平均輸出轉矩為15.713Nm，轉矩漣波為31.06%，而在整合直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機的表現雖然受到同心式磁性齒輪減速機的影響稍微為降低原有效能，使得最大輸出轉矩稍微下降至17.276Nm，平均輸出轉矩也略降為15.300Nm，但是轉矩漣波提高至34.69%。

本發明整合直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機的輸出轉矩表現可分為靜態轉矩與穩態轉矩，靜態轉矩中轉矩最大值稱為最大靜態轉矩，與失步扭矩的定義相同，表示為本發明整合直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機所能夠帶動的最大負載，請參照圖4所示，縱軸為轉矩，橫軸為角度，本發明的該內外轉子組在任意點都具有相同的轉矩比，該內轉子組的最大轉矩為16.009Nm，且該外轉子組的最大輸出轉矩為116.309Nm；穩態轉矩能夠對應本發明的整合直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機帶動全負載穩定運行的情況，請參照圖5所示，該內轉子組的轉矩出現微小的波動，值為15.585Nm，而該外轉子組的輸出轉 矩較平穩，其值為115.138Nm，兩者的表現均接近為直線，且依然具有相同的轉矩比。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者，若在不脫離本發明所提技術特徵的範圍內，利用本發明所揭示技術內容所作出局部更動或修飾的等效實施例，均仍屬於本發明技術特徵的範圍內。

10‧‧‧馬達定子

11‧‧‧槽

12‧‧‧線圈繞組

20‧‧‧內轉子組

21‧‧‧共用軛鐵

22‧‧‧馬達轉子磁極

23‧‧‧內轉子磁極

30‧‧‧調磁鐵心塊

40‧‧‧外轉子組

41‧‧‧外轉子軛鐵

411‧‧‧凹槽

42‧‧‧外轉子磁極

50‧‧‧第一旋轉方向

60‧‧‧第二旋轉方向

圖1係本發明較佳實施例的剖面示意圖。

圖2係本發明較佳實施例的作動示意圖。

圖3係本發明與尚未整合的馬達在電磁轉矩的比較圖。

圖4係本發明內外轉子組的靜態轉矩比較圖。

圖5係本發明內外轉子組的穩態轉矩比較圖。

10‧‧‧馬達定子

11‧‧‧槽

12‧‧‧線圈繞組

20‧‧‧內轉子組

21‧‧‧共用軛鐵

22‧‧‧馬達轉子磁極

23‧‧‧內轉子磁極

30‧‧‧調磁鐵心塊

40‧‧‧外轉子組

41‧‧‧外轉子軛鐵

411‧‧‧凹槽

42‧‧‧外轉子磁極

Claims (5)

1. 一種整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，包括：一馬達定子，其係設有複數槽，各槽上係纏繞有一線圈繞組；一內轉子組，其係以該馬達定子為軸心且可轉動地裝設並圍繞於該馬達定子外側，該內轉子組係包括：一共用軛鐵，其係呈環狀且圍繞於該馬達定子外側；複數馬達轉子磁極，其係裝設於該共用軛鐵內側壁面而鄰近於該馬達定子，該複數馬達轉子磁極的數量係為偶數，朝向該馬達定子的該複數馬達轉子磁極中係以N極與S極各佔一半且呈交錯排列；以及複數內轉子磁極，其係裝設於該共用軛鐵外側壁面，該複數內轉子磁極的數量係為偶數，該複數內轉子磁極中係以N極與S極各佔一半且呈交錯排列；以及複數的調磁鐵心塊，其係以該馬達定子為軸心裝設且環繞於該內轉子組外側，該複數的調磁鐵心塊係相對於該馬達定子而呈固定狀態且其材質係為良導磁材料以導引該內轉子組的磁力場；一外轉子組，其係以該馬達定子為軸心且可轉動地裝設並圍繞於該複數的調磁鐵心塊外側，該外轉子組係包括：一外轉子軛鐵，其係環狀且圍繞於該複數的調磁鐵心塊；以及複數外轉子磁極，其係裝設於該外轉子軛鐵內側 壁面且鄰近於該複數的調磁鐵心塊，且該複數外轉子磁極的極性係為相同且呈間隔排列；藉此，由該內轉子組進行輸入並沿第一旋轉方向旋動，該複數的調磁鐵心塊係導引該內轉子組磁場分流，該外轉子組沿相反於該第一旋轉方向的第二旋轉方向旋動，該外轉子軛鐵得以提供減速增矩的輸出。
2. 如請求項1所述的整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，其中所述的各外轉子磁極的極性係為N極。
3. 如請求項2所述的整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，其中所述的外轉子軛鐵內側係等間隔地設有複數凹槽以容置該複數外轉子磁極。
4. 如請求項1所述的整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，其中所述的外轉子軛鐵內側係等間隔地設有複數凹槽以容置該複數外轉子磁極。
5. 如請求項4所述的整合外轉式直流無刷馬達的同心式磁性齒輪減速機，其中所述的各外轉子磁極的極性係為N極。