TW201503550A - 用於減少由旋轉耦合產生的噪音的裝置、系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種用於可由一導體轉子總成與一磁體轉子總成之相對旋轉操作之一可調速磁驅動單元之散熱元件，其包含一基座部分及複數個群組之鰭片。該基座部分包含經設定尺寸及維度以耦合至該導體轉子總成之一安裝面，及一相對對流熱轉移面。該複數個群組之鰭片自該基座部分之該對流熱轉移面延伸。各群組之鰭片中之鄰近鰭片由沿該等鰭片之一縱向方向延伸之一通道分離。該複數個群組之鰭片由實質上橫向於該縱向方向延伸之至少一狹槽分離。

Description

用於減少由旋轉耦合產生的噪音的裝置、系統及方法 [相關申請案交叉參考]

本申請案根據35 U.S.C.§ 119(e)規定主張2013年2月27日提交之美國臨時申請案第61/770,003號之權利，該案之全文以引用之方式併入本文中。

本發明係關於散熱總成及用於可調速磁驅動系統之相關聯修整方法。

可調速磁驅動系統藉由跨一氣隙將扭矩自一馬達傳輸至一負載而操作。設備之驅動與被驅動側之間不存在機械連接。藉由驅動器之一側上之功能強大之稀土磁體與另一側上引發之磁場之相互作用而產生扭矩。藉由變動氣隙間隔，可控制所傳輸之扭矩之量，因此允許速度控制。

習知地，此類型之可調速驅動器由三組組件構成。含有稀土磁體之一磁體轉子總成附接至負載。一導體轉子總成附接至馬達。導體轉子總成包含由一導電材料(諸如鋁、銅或黃銅)製成之一轉子。致動組件控制磁體轉子與導體轉子之間之氣隙間隔。導體與磁體轉子總成之相對旋轉引發出跨氣隙之一功能強大之磁耦合。變動磁體轉子與導體轉子之間之氣隙間隔導致經控制之輸出速度。輸出速度係可調整 的、可控制的及可重複的。

磁感應之原理需要磁體與導體之間之相對運動。此意指輸出速度始終小於輸入速度。速度上之差異稱作下滑。通常，在依一全速率馬達速度之操作期間之下滑介於1%至3%之間。

相對於導體轉子之磁體之相對運動使得於導體材料中引發渦流。繼而，渦流產生其等本身之磁場。此係永久磁場與允許扭矩自磁體轉子轉移至導體轉子之所引發渦流磁場之相互作用。導體材料中之電渦流在導體材料中產生電熱。

習知地，鰭片經配置於導體轉子之一外表面上以有助於在驅動單元之操作期間移除熱量。圖1及圖2繪示一此習知組態。一可調速驅動器10包含由間隔件16耦合在一起之導體轉子12及14。複數個熱轉移元件20圓周地排列於導體轉子12及14之一外表面上。如圖2A至圖2C中所示，各熱轉移元件20包含自一基座22延伸以界定鰭片26之間之複數個通道28之複數個鰭片26。熱轉移元件20可經由基座22中之開口24而固定於導體轉子12及14。熱轉移元件20經耦合至導體轉子12及14，使得鰭片26及通道28依相對於導體轉子12及14之一旋轉軸之一實質上徑向方向延伸。由於可調速驅動器被操作，所以轉子12及14之旋轉使得氣體通過通道28徑向流出，藉此冷卻導體轉子12及14。

已觀察到，在一可調速驅動器之導體轉子上包含散熱總成在操作期間產生一不可接受量之噪音。已進一步觀察到，藉由減少散熱元件上之鰭片高度，聲音位準可降低至用於可調速驅動器之較低速操作之可接收範圍。亦已觀察到，包含跨鰭片及散熱元件之狹槽亦對聲音位準降低產生一有利影響，包含依較高速之操作。

用於可由一導體轉子總成與一磁體轉子總成之相對旋轉操作之一可調速磁驅動單元之一散熱元件可經概括為包含一基座部分，其包 含經設定尺寸及維度以耦合至導體轉子總成之一安裝面，及一相對對流熱轉移面；自基座部分之對流熱轉移面延伸之複數個群組之鰭片，各群組之鰭片中之鄰近鰭片由沿鰭片之一縱向方向延伸之一通道分離，複數個群組之鰭片由實質上橫向於縱向方向延伸之至少一狹槽分離。各群組之中之鰭片之一高度可跨群組變動。鰭片之高度可朝向散熱元件之一中心線線性增大以形成一帳篷形輪廓。各群組中之鰭片之一高度可跨群組變動以形成一非線性的彎曲輪廓。複數個群組之鰭片可由實質上橫向於縱向方向延伸之多於兩個狹槽分離。

一可調速磁驅動單元可經概括為包含一磁體轉子總成；相對於磁體轉子總成定位使得在磁體轉子總成與導體轉子總成之間存在一氣隙，且使得導體與磁體轉子總成之相對旋轉引發跨氣隙之一磁耦合之一導體轉子總成；及耦合至導體總成之一散熱總成，該散熱總成包含依相對於導體總成之一旋轉軸之一實質上圓周方向排列之複數個群組之鰭片，複數個圓周陣列之鰭片由實質上橫向於相對於導體轉子總成之旋轉軸之一徑向方向延伸之至少一狹槽分離。散熱總成可包含配置於導體轉子總成之一外表面上之複數個散熱元件，各散熱元件包含複數個群組之鰭片。在散熱總成之至少一者上，鰭片在複數個群組之鰭片之各者內之一高度可跨各別群組之鰭片變動。在散熱總成之至少一者上，鰭片可界定一帳篷形輪廓。在散熱總成之至少一者上，鰭片可界定一彎曲輪廓。各散熱元件可包含實質上橫向於徑向方向延伸之多於兩個狹槽。

一種減少由一可調速磁驅動單元(其可由一導體轉子總成與一磁體轉子總成之相對旋轉操作)產生之噪音之方法可被概括為包含：自導體轉子總成移除一第一散熱元件，該第一散熱元件包含依相對於導體轉子總成之一旋轉軸之一實質上徑向方向延伸之第一複數個鰭片；且接著將一第二散熱元件耦合至導體轉子總成以取代第一散熱元件， 該第二散熱元件包含依相對於導體轉子總成之旋轉軸之一實質上徑向方向延伸之第二複數個鰭片，該第二複數個鰭片之一總暴露表面積小於第一複數個鰭片之一總暴露表面積。第一複數個鰭片之一平均鰭片高度可大於第二複數個鰭片之一平均鰭片高度。第一複數個鰭片可依徑向方向在第一散熱元件上不間斷延伸，且第二複數個鰭片可包含實質上橫向於徑向方向延伸且將第二複數個鰭片分成至少兩個徑向群組之至少一狹槽。第一複數個鰭片之一平均鰭片高度可實質上與第二複數個鰭片之一平均鰭片高度相同。

10‧‧‧可調速驅動器

12‧‧‧導體轉子

14‧‧‧導體轉子

16‧‧‧間隔件

16a‧‧‧突變邊緣

16b‧‧‧突變邊緣

20‧‧‧熱轉移元件/散熱元件

22‧‧‧基座

24‧‧‧開口

26‧‧‧鰭片

28‧‧‧通道

30‧‧‧散熱元件

32‧‧‧基座

34‧‧‧孔

36‧‧‧鰭片

38‧‧‧通道

50‧‧‧可調速驅動器

52‧‧‧導體轉子

54‧‧‧導體轉子

56‧‧‧間隔件/間隔件元件

56a‧‧‧半徑

56b‧‧‧半徑

60‧‧‧散熱元件/熱轉移元件

62‧‧‧基座

64‧‧‧安裝孔

66‧‧‧鰭片

67‧‧‧狹槽

68‧‧‧通道

70‧‧‧可調速驅動器

72‧‧‧導體轉子元件

74‧‧‧導體轉子元件

76‧‧‧間隔件

80‧‧‧熱轉移元件

82‧‧‧基座

84‧‧‧安裝孔

86‧‧‧鰭片

87‧‧‧狹槽

88‧‧‧通道

90‧‧‧熱轉移元件

92‧‧‧基座部分

94‧‧‧安裝孔

96‧‧‧鰭片

97‧‧‧橫向狹槽

98‧‧‧通道

100‧‧‧熱轉移元件

102‧‧‧基座

104‧‧‧安裝孔

106‧‧‧鰭片

107‧‧‧橫向狹槽

110‧‧‧熱轉移元件

112‧‧‧基座

114‧‧‧安裝孔

116‧‧‧鰭片

117‧‧‧狹槽

118‧‧‧通道

h‧‧‧高度

h’‧‧‧高度

H‧‧‧高度

H’‧‧‧高度

在圖式中，相同元件符號識別類似元件或動作。

圖1A係一可調速驅動器上之一習知散熱配置之一等角視圖。

圖1B係圖1A之可調度驅動器之一正視圖。

圖1C係圖1A之可調速驅動器之一左側視圖。

圖1D係圖1A之可調速驅動器之一右側視圖。

圖2A係圖1A至圖1D之可調速驅動器之一習知散熱元件之一俯視圖。

圖2B係圖2A之散熱元件之一正視圖。

圖2C係圖2B之散熱元件之一等角視圖。

圖3展示由各種散熱配置依用於可調速驅動器之各種旋轉速度產生之聲音位準。

圖4A係具有相對於圖2A至圖2C中所示之散熱元件之一經減少之鰭片高度之一散熱元件之一俯視圖。

圖4B係圖4A之散熱元件之一正視圖。

圖4C係圖4A之散熱元件之一等角視圖。

圖5A係根據本發明之一態樣之一可調速驅動器之一等角視圖。

圖5B係圖5A之可調速驅動器之一正視圖。

圖5C係圖5A之可調速驅動器之一左側視圖。

圖5D係圖5A之可調速驅動器之一右側視圖。

圖6A係配合圖5A之可調速驅動器使用之一散熱元件之一俯視圖。

圖6B係圖6A之散熱元件之一正視圖。

圖6C係圖6A之散熱元件之一等角視圖。

圖7A係根據本發明之另一態樣之一可調速驅動器。

圖7B係圖7A之可調速驅動器之一正視圖。

圖7C係圖7A之可調速驅動器之一左側視圖。

圖7D係圖7A之可調速驅動器之一右側視圖。

圖8A係配合圖7A至圖7D中所繪示之可調速驅動器使用之一散熱元件之一俯視圖。

圖8B係圖8A中所示之散熱元件之一正視圖。

圖BC係圖8A中所示之散熱元件之一等角視圖。

圖9A係根據本發明之另一態樣之一散熱元件之一俯視圖。

圖9B係圖9A之散熱元件之一正視圖。

圖9C係圖9A之散熱元件之一等角視圖。

圖10A係根據本發明之另一態樣之一散熱元件之一俯視圖。

圖10B係圖10A之散熱元件之一正視圖。

圖10C係圖10A之散熱元件之一等角視圖。

圖11A係根據本發明之另一態樣之一散熱元件之一俯視圖。

圖11B係圖11A之散熱元件之一正視圖。

圖11C係圖11A之散熱元件之一等角視圖。

在以下描述中，闡述某些特定細節以提供本發明之各種實施例之一透徹理解。然而，熟悉此項技術者將瞭解，本發明可在沒有此等 細節之情況下實施。

除非內文另外需要，貫穿說明書及遵循其之申請專利範圍，字「包括」及其之變動(諸如「包括」)待被理解為具有一開放、包含意義，即如「包含，但不限於」。

貫穿本說明書參考「一個實施例」或「一實施例」意指關聯實施例所描述之一特定特徵、結構或特性包含於至少一實施例中。因此，在貫穿本說明書之各種地方之片語「在一個實施例中」或「在一實施例中」之出現無需全部參考相同實施例。此外，特定特徵、結構或特性可依任何適合方式組合至一或多個實施例中。

如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，單數形式「一」及「該」包含複數個參照物，除非內文另外清晰要求。亦應注意，術語「或者」大體上被採用其之最廣泛意義，即如意指「及/或」，除非內文另外清晰要求。

文中所提供之本發明之摘要係僅為方便起見，且不解釋實施例之範疇或意思。

如上文所指出，已認識到可調速驅動器上之散熱元件可產生高於可調速驅動器之一臨限旋轉速度之一非所要高聲鳴笛噪音。若干散熱元件輪廓之評估顯示，鳴笛噪音係可調速驅動器之散熱鰭片高度、長度及旋轉速度之一函數。圖3展示當在每分鐘900轉(rpm)、1200rpm、1500rpm及1800rpm下不具散熱元件以及具有不同散熱組態操作時，自一可調速驅動器之一側產生之聲音位準。

測試各種散熱元件高度，包含全高散熱元件、半高散熱元件及三分之一高度散熱元件。圖2及圖4分別繪示全高及半高散熱元件之實例。圖2A至圖2C中之散熱元件20之鰭片26之各者在基座22上方具有約0.80英寸之一高度H。圖4A至圖4C中所示之散熱元件30包含自其包含複數個鰭片36之一基座32。鰭片36具有約0.40英寸之一高度或圖2A 至圖2C中所示之散熱元件20之高度H之一半高度。鰭片36界定散熱元件30中之通道38。散熱元件30可經由基座32中之孔34被固定於一導體轉子。

如圖3中所示，減少散熱元件之鰭片之高度導致針對依較低速度操作之噪音產生之一顯著減少。例如，由依900rpm及1200rpm操作之可調速驅動器上之半高散熱組態產生之噪音量可與由不具有任何散熱元件之可調速驅動器產生之噪音量相當。然而，隨著速度增加至1500rpm，與沒有散熱元件之小於80分貝相較，半高散熱組態產生之噪音增加至高於90分貝，且全高散熱元件大於100分貝。隨著速度增加至1800rpm，由半高散熱組態產生之噪音與由全高散熱元件產生之噪音之差距在5分貝內，且大於由不具有散熱元件之驅動單元產生之噪音約15分貝。值得注意的是，具有全高散熱元件之三分之一高度之散熱元件在所測試之各操作速度間皆具有噪音優勢。

亦測試具有一帳篷形輪廓之散熱元件。此等散熱元件具有跨散熱元件之一可變鰭片高度。鰭片高度自散熱元件之一側線性增加至在中心處之一最大鰭片高度，且接著線性減少至散熱元件之另一側。所得輪廓類似於一帳篷。如圖3中所示，帳篷形輪廓散熱元件無法達成如用於900rpm、1200rpm及1500rpm之半高散熱元件之一顯著噪音減少，且與1800rpm之半高散熱元件之噪音減少相當。

進一步經觀察，(出乎意料)由一可調速驅動器產生之聲音位準可在僅藉由包含跨散熱元件之鰭片之橫向狹槽而不降低散熱元件之高度之情況下大幅降低。如圖3中所示，即使當可調速驅動器之速度針對具有狹槽之全高散熱元件、包含狹槽之帳篷形散熱元件及包含狹槽之半高散熱元件自900rpm增加至1800rpm時，槽狀散熱元件之噪音優點仍持續。

圖5A至圖5D繪示包含槽狀、全高散熱元件60之一可調速驅動器 50。可調速驅動器50包含經由間隔件56耦合之兩個導體轉子52及54。導體轉子52及54包含由一導電材料(諸如鋁、銅或黃銅)製成之一轉子。圖6A至圖6C更詳細繪示槽狀散熱元件60。各散熱元件60包含自其延伸複數個鰭片66之一基座62。鰭片66界定在其等之間之通道68且在基座62上方延伸一全高H。熱轉移元件60進一步包含實質上橫向於鰭片66之延伸之方向延伸之複數個狹槽67，藉此依相對於導體轉子之一旋轉軸之徑向方向將鰭片分成複數個群組。熱轉移元件60可經由安裝孔64而附貼至導體轉子52及54。

進一步經觀察，亦可藉由改變耦合導體轉子52及54之間隔件元件56之形狀而獲得噪音減省。特定言之，如圖5A中所示，各間隔件56包含其上之前邊緣及後邊緣上之一半徑56a及56b。相比之下，如圖1A中所示，間隔件16包含其之前邊緣及後邊緣上之突變邊緣16a及16b。

進一步經觀察，用於散熱轉移元件中之狹槽之數目可取決於可調速驅動器之尺寸而變動。圖7A至圖7D繪示根據本發明之另一態樣之一可調速驅動器。可調速驅動器70包含由具有前邊緣76a及後邊緣76b之間隔件76耦合之導體轉子元件72及74。熱轉移元件80貼附至導體轉子元件72及74之相對面。圖8A至圖8C更詳細繪示熱轉移元件80。各熱轉移元件80包含自其將鰭片86延伸至一高度H之一基座82。鰭片86界定複數個通道88。兩個狹槽87截斷鰭片86。熱轉移元件80可經由基座82中之安裝孔84而被固定於導體轉子72或74。

圖9A至圖9C繪示包含三個橫向狹槽之一熱轉移元件。熱轉移元件90包含自其將鰭片96延伸至一高度h之一基座92。鰭片96界定通道98。橫向狹槽97將複數個鰭片分成四個群組。熱轉移元件90可經由基座92中之安裝孔94被固定於導體轉子元件。

圖10A至圖10C繪示包含四個橫向狹槽107之一熱轉移元件100。 橫向狹槽107劃分及分離自一基座102延伸之複數個群組之鰭片106。鰭片達到一高度H。熱轉移元件100可經由基座102中之安裝孔104貼附至一旋轉導電元件。

圖11A至圖11C繪示根據本發明之另一態樣之一熱轉移元件110。鰭片116自一基座112延伸。鰭片116界定其等之間之通道118。狹槽117將鰭片116劃分及分離成複數個群組。基座112包含安裝孔114以將熱轉移元件固定於一導體轉子。與先前實例不同，鰭片116之高度變動以產生一彎曲輪廓。特定言之，如圖11B中所示，依一非線性方式將鰭片自一最小高度h'變成一最大高度H'。

除新的安裝之外，可藉由用文中所描述之經改良之熱轉移元件之任何者來替換既有熱轉移元件而達成噪音改良。例如，全高熱轉移元件可用針對低速應用之半高熱轉移元件來替換。針對更高速應用，全高熱轉移元件可用具有所要熱轉移元件所需之適當高度之槽狀熱轉移元件來替換。

可組合以上所描述之各種實施例以提供進一步實施例。可鑑於以上詳細描述對實施例做出此等及其他改變。通常，在以下申請專利範圍中，所用術語不應被理解為將申請專利範圍限制於說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施例，但應被理解為包含全部可能實施例，連同此等申請專利範圍授權之等效物之全部範疇。據此，申請專利範圍不由本揭示限制。

50‧‧‧可調速驅動器

52‧‧‧導體轉子

54‧‧‧導體轉子

56‧‧‧間隔件/間隔件元件

56a‧‧‧半徑

56b‧‧‧半徑

60‧‧‧散熱元件/熱轉移元件

Claims (17)

1. 一種用於可由一導體轉子總成與一磁體轉子總成之相對旋轉操作之一可調速磁驅動單元之散熱元件，該散熱元件包括：一基座部分，其包含經設定尺寸及維度以耦合至該導體轉子總成之一安裝面，及一相對對流熱轉移面；複數個群組之鰭片，其等自該基座部分之該對流熱轉移面延伸，各群組之鰭片中之鄰近鰭片由沿該等鰭片之一縱向方向延伸之一通道分離，該複數個群組之鰭片由實質上橫向於該縱向方向延伸之至少一狹槽分離。
2. 如請求項1之散熱元件，其中各群組中之該等鰭片之一高度跨該群組而變動。
3. 如請求項2之散熱元件，其中該等鰭片之該高度朝向該散熱元件之一中心線線性增加以形成一帳篷形輪廓。
4. 如請求項2之散熱元件，其中各群組中之該等鰭片之一高度跨該群組而變動以形成一非線性彎曲輪廓。
5. 如請求項1之散熱元件，其中該複數個群組之鰭片由實質上橫向於該縱向方向延伸之多於兩個狹槽分離。
6. 一種可調速磁驅動單元，其包括：一磁體轉子總成；一導體轉子總成，其相對於該磁體轉子總成定位，使得在該磁體轉子總成與該導體轉子總成之間存在一氣隙，且使得該導體轉子總成與該磁體轉子總成之相對旋轉引發跨該氣隙之一磁耦合；及一散熱總成，其耦合至該導體總成，該散熱總成包含依相對於該導體總成之一旋轉軸之一實質上圓周方向排列之複數個群 組之鰭片，該複數個圓周陣列之鰭片由實質上橫向於相對於該導體總成之該旋轉軸之一徑向方向延伸之至少一狹槽分離。
7. 如請求項6之可調速磁驅動單元，其中該散熱總成包含經配置於該導體轉子總成之一外表面上之複數個散熱元件，各散熱元件包含該複數個群組之鰭片。
8. 如請求項7之可調速磁驅動單元，其中在該等散熱總成之至少一者上，該等鰭片在該複數個群組之鰭片之各者內之一高度跨該各別群組之鰭片而變動。
9. 如請求項8之可調速磁驅動單元，其中在該等散熱總成之該至少一者上，該等鰭片界定一帳篷形輪廓。
10. 如請求項8之可調速磁驅動單元，其中在該等散熱總成之該至少一者上，該等鰭片界定一彎曲輪廓。
11. 如請求項7之可調速磁驅動單元，其中各散熱元件包含實質上橫向於徑向方向延伸之多於兩個狹槽。
12. 一種減少由可由一導體轉子總成與一磁體轉子總成之相對旋轉操作之一可調速磁驅動單元產生之噪音之方法，該方法包括：自該導體轉子總成移除一第一散熱元件，該第一散熱元件包含依相對於該導體轉子總成之一旋轉軸之一實質上徑向方向延伸之第一複數個鰭片；且接著將一第二散熱元件耦合至該導體轉子總成以取代該第一散熱元件，該第二散熱元件包含依相對於該導體轉子總成之該旋轉軸之一實質上徑向方向延伸之第二複數個鰭片，該第二複數個鰭片之一總暴露表面積小於該第一複數個鰭片之一總暴露表面積。
13. 如請求項12之方法，其中該第一複數個鰭片之一平均鰭片高度大於該第二複數個鰭片之一平均鰭片高度。
14. 如請求項12之方法，其中該第一複數個鰭片依該徑向方向在該第一散熱元件上不間斷延伸，且該第二複數個鰭片包含實質上橫向於該徑向方向延伸之至少一狹槽且將該第二複數個鰭片分成至少兩個徑向群組。
15. 如請求項14之方法，其中該第一複數個鰭片之一平均鰭片高度大於該第二複數個鰭片之一平均鰭片高度。
16. 如請求項13之方法，其中該第二複數個鰭片之一平均鰭片高度係該第一複數個鰭片之一平均鰭片高度之三分之一。
17. 如請求項13之方法，其中該第二複數個鰭片之一平均鰭片高度係該第一複數個鰭片之一平均鰭片高度之一半。