TW201515365A - 電機 - Google Patents

Abstract

一種電機可包含一定子磁芯、一轉子磁芯、一轉軸以及至少一對永磁體。轉子磁芯被定子磁芯所包圍。轉子套於轉軸上且具有至少一開槽。開槽具有一對子槽。此對子槽定義一角α於其間，角α滿足：α＜180°。此對永磁體分別容設於開槽之此對子槽中。

Description

電機

本發明係關於一種電機。

一般的電機泛指可利用電磁感應的原理，來轉換機械能與電能的裝置。舉例來說，發電機為可將機械能轉換成電能的電機，而電動機則係可將電能轉換成機械能的電機。

典型同步磁阻電機可包含定子及轉子。轉子可具有多個柵孔。柵孔的形狀可經由設計，而使轉子在沿圓周方向上不同位置的磁阻不同，以使得上述不同位置的電感不同，不同位置間的電感差異與定子電流的乘積能夠提供轉子扭矩而使轉子轉動。

然而，目前同步磁阻電機所需提供給定子的定子電流相當高，導致電機效率低落，且功率因數亦不佳。

有鑑於此，本發明之一目的係在於提高電機的效率及功率因數。

為了達到上述目的，依據本發明之一實施方式，一種電機可包含一定子磁芯、一轉子磁芯、一轉軸以及至少一對永磁體。轉子磁芯被定子磁芯所包圍。轉子磁芯套於轉軸上具有至少一開槽。開槽具有一對子槽。這對子槽係彼此對稱的。此對子槽定義一角α於其間，角α滿足：α＜180°。此對永磁體分別容設於開槽之此對子槽中。

於本發明之一或多個實施方式中，該開槽為V形。

於本發明之一或多個實施方式中，轉子磁芯具有一外半徑R及一內半徑r，且該電機的極對數爲P，其中角α滿足：

。

於本發明之一或多個實施方式中，轉子磁芯具有一外半徑R及一內半徑r，且該電機的極對數爲P，其中角α滿足：

。

於本發明之一或多個實施方式中，電極之極對數P=2。

於本發明之一或多個實施方式中，此對永磁體之材質為鐵氧體。

於本發明之一或多個實施方式中，此對子槽係連通的。

於本發明之一或多個實施方式中，轉子磁芯包含至少一分隔肋。此分隔肋隔開此對子槽。

於本發明之一或多個實施方式中，開槽之數量為複數個，永磁體之數量為複數對，且開槽及對永磁體係沿著轉子磁芯的D軸方向所排列。

於本發明之一或多個實施方式中，轉子磁芯具有一內環面。內環面接觸轉軸。這對子槽係相交於內環面。轉子磁芯具有一外半徑R以及一內半徑r，其中角α滿足：。

於本發明之一或多個實施方式中，電機為永磁助磁式同步磁阻電機。

於上述實施方式中，由於轉子磁芯的開槽中可容設有永磁體，其自身的永磁磁鏈可提升扭矩。因此，當上述實施方式之電機欲產生與傳統電機相等的扭矩時，上述實施方式之電機所需的定子電流較低。是以，上述實施方式可降低定子電流，從而提高電機的效率與功率因數。

以上所述僅係用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本發明之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。

100‧‧‧轉子磁芯

102‧‧‧外環面

104‧‧‧內環面

106‧‧‧頂面

110‧‧‧開槽

112‧‧‧子槽

112’‧‧‧子槽

114‧‧‧子槽

114’‧‧‧子槽

130‧‧‧分隔肋

200‧‧‧定子磁芯

210‧‧‧定子槽

300‧‧‧永磁體

400‧‧‧轉軸

Q‧‧‧軸

D‧‧‧軸

R‧‧‧外半徑

r‧‧‧內半徑

α‧‧‧角

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖繪示依據本發明一實施方式之電機的俯視圖；

第2圖繪示轉子磁芯的局部幾何關係圖；

第3圖繪示依據本發明另一實施方式之電機的俯視圖；以及

第4圖繪示依據本發明又一實施方式之電機的局部俯視圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，熟悉本領域之技術人員應當瞭解到，在本發明另一實施例中，這些實務上的細節並非必要的，因此不應用以限制本發明。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

第1圖繪示依據本發明一實施方式之電機的俯視圖。如第1圖所示， 本實施方式之電機可包含一轉子磁芯100以及一定子磁芯200。轉子磁芯100被定子磁芯200所包圍。轉子磁芯100具有至少一開槽110。開槽110係中空而不導磁的。轉子磁芯100的D軸係由轉子磁芯100的 幾何中心O朝向定子磁芯200所延伸的一軸，Q軸係由幾何中心O朝向定子磁芯200所延伸的另一軸。轉子磁芯100的D軸會通過開槽110，而Q軸不通過開槽110，因此，轉子磁芯100在D軸上的磁阻會高於轉子磁芯100在Q軸上的磁阻，而當定子磁芯200中有電流變化而產生磁場時，在轉子磁芯100的D軸上所產生的電感會低於在Q軸上所產生的電感，而這樣的電感差異可產生扭矩，而驅使轉子磁芯100旋轉。具體來說，轉子磁芯100所受的扭矩滿足：

……(式1)。

於式1中，代表在轉子磁芯100的Q軸上的電感；

代表在轉子磁芯100的D軸上的電感；

代表定子磁芯200在Q軸上的定子電流；

代表定子磁芯200在D軸上的定子電流；

代表永磁磁鏈；

p代表極對數。

由式1可知，若永磁磁鏈不足，則的數值必須夠高，亦即，必須施予足夠高的定子電流與給定子磁芯200，才能夠提供轉子磁芯100一定程度的扭矩。

有鑑於此，於本實施方式中，電機可包含至少一對永磁體300，亦即，此電機可為一永磁助磁式同步磁阻電機。此對永磁體300可設置於開槽110中，以提高永磁磁鏈。如此一來，在扭矩不變的情況下，具有永磁體300的電機之永磁磁鏈的數值較高，故可降低的數值，從而降低定子電流與的數值。因此，外部電力裝置僅需提供較低的定子電流與給定子磁芯200，即可提供足夠的扭矩給轉子磁芯100，故此電機所需消耗的電力比不具永磁體300的電力更低，故效率更高。此外，由於定子電流與的數值會下降，故可降低電機的無功功率，而提高 功率因數。

由上述可知，若定子電流與的數值越低，則電機的效率及功率因數越高。因此，如何降低定子電流與的數值實為提高電機的效率與功率因數的關鍵之一。

因此，本發明之實施方式提供一種可增加開槽110體積的技術方案，以容納體積更大的永磁體300。具體來說，開槽110可為一V形槽，亦即，開槽110具有一對子槽112及114。此對子槽112及114定義一角α於其間，角α滿足：α＜180°。換句話說，子槽112及114不平行。基於三角形的兩邊和大於第三邊之原則，將開槽110分為兩個不平行的子槽112及114可增加開槽110的體積，故可容設體積更大的永磁體300，從而提高永磁磁鏈的數值，以降低定子電流與的數值，而進一步地提高電機的效率與功率因數。V型開槽結構，可使永磁體安裝方便、加工精度高、模具簡單及成本低。

上述實施方式所需的永磁體300的體積大，故不可避免地會提高材料成本。再者，一般永磁材料為稀土材料，其價格相當昂貴。因此，於部分實施方式中，永磁體300之材質為鐵氧體，其價格遠低於稀土材料的價格，故即便上述實施方式所需的永磁體300體積大，也不會提高過多的材料成本，換句話說，上述實施方式，在設計為相同成本的情況下，效率和功率因數大幅度高於現有技術。

此外，於部分實施方式中，子槽112及114係彼此對稱的。換句話說，子槽112及114可爲形狀相同且體積相等的兩個槽，因此，子槽112與子槽114可設有形狀相同且體積相等的永磁體300。如此一來，工作人員可無須針對子槽112及114分別設置兩種不同(形狀或體積不同)的永磁體300，而可在子槽112及114中均設置相同的永磁體300，從而便於工作人員製作此電機。當然此處的相同或相等並不是嚴格的相同和相等，考慮到機械加工的精密性,可有公差範圍內的偏差。

於部分實施方式中，轉子磁芯100可為一環狀結構。具體來說，轉子磁芯100可包含一外環面102、一內環面104以及一頂面106。外環面102比內環面104更靠近定子磁芯200。頂面106連接外環面102與內環面104。開槽110係開設於頂面106。轉子磁芯100具有一外半徑R以及一內半徑r。外半徑R係代表外環面102與轉子磁芯100之幾何中心O之間的距離，而內半徑r係指內環面104與轉子磁芯100之幾何中心O之間的距離。

於部分實施方式中，當角α滿足特定關係時，可最大化開槽110的體積。具體來說，可參閱第2圖，本圖繪示轉子磁芯100的局部幾何關係圖。如第2圖所示，A處係位於轉子磁芯100的內環面104上。B處與C處係位於轉子磁芯100的外環面102上。B處與幾何中心O的連線和C處與幾何中心O的連線相垂直。當子槽112及114相交於轉子磁芯100之內環面104(例如：相交於內環面104上的A處)，而子槽112相對於A處的另一端係位於B處，子槽114相對於A處的另一端係位於C處時，子槽112與114的體積最大。在這樣的設計下，子槽112與114所夾的角α(如第1圖所示)可為第2圖中的，故此角α滿足：

…… (式2)。

當角α(可參閱第1圖)滿足式2的關係時，亦即，角α約等於時，子槽112與114的體積最大，故可容置的永磁體300(可參閱第1圖)的體積最大，而可進一步地提高電機的效率與功率因數。

然而，經研究發現，當角α(可參閱第1圖)滿足式2的關係時，子槽112會過度靠近Q軸(可參閱第1圖)，導致在轉子磁芯100之Q軸的電感下降，使得式1中的數值下降，而降低扭矩。

因此，於部分實施方式中，為了在避免影響扭矩的情況下提高電機的效率與功率因數，子槽112’相對於A處的一端可位於B’處，而子槽114’相對於A處的一端可位於C’處。子槽112’與114’所夾的角α(可參閱第1圖)可為第2圖中的，而滿足：

…… (式3)。

當角α(可參閱第1圖)滿足式3的關係時，開槽110(可參閱第1圖)不會影響轉子磁芯100之Q軸的電感，故可在避免影響扭矩的情況下提高電機的效率與功率因數。

此外，經研究發現，當 角α(可參閱第1圖)過小時，子槽112’會過度遠離Q軸(可參閱第1圖)，使得在轉子磁芯100之Q軸的電感較大，從而導致磁場變化時，在轉子磁芯100之Q軸的電感會較劇烈地變化，而造成轉矩脈動的問題。

因此，於部分實施方式中，為了在避免影響扭矩的情況下提高電機的效率與功率因數，且同時避免轉矩脈動的發生，子槽112’與114’所夾的角α(可參閱第1圖)滿足：

…… (式4)。

當角α(可參閱第1圖)滿足式4的關係時，開槽110(可參閱第1圖)不僅可在避免影響扭矩的情況下提升電機的效率與功率因數，還可避免產生過大的轉矩脈動。

於部分實施方式中，子槽112與114並非相交於轉子磁芯100的內環面上104，而係相交於轉子磁芯100的內環面104與外環面102之間的位置。因此，子槽112與114之間的 角α(可參閱第1圖)會變大，較佳而言，此角α可滿足：

…… (式5)。

當角α(可參閱第1圖)滿足式5的關係時，其不僅可避免轉矩脈動，也可避免角α為180°，而使得子槽112與114連成一直線狀的長槽，導致子槽112與114的體積減少。

於部分實施方式中，電機的極對數為 P ，角α與極對數P係相關的，進一步來說，在考慮極對數P的數量下，角α可滿足：

……(式6)。

或者，在考量極對數P的數量下， 角α可滿足：

……(式7)。

於部分實施方式中，較佳來說， 極對數P有兩對，亦即P=2。

於部分實施方式中，如第1圖所示，子槽112及114係連通的。換句話說，子槽112與114之間無間隔，以增加開槽110的體積。

於部分實施方式中，如第1圖所示，轉子磁芯100與定子磁芯200係分開的。換句話說，轉子磁芯100與定子磁芯200之間相隔一間隙。如此一來，定子磁芯200不會影響轉子磁芯100的旋轉。

於部分實施方式中，如第1圖所示，電機還包含一轉軸400。轉子磁芯100套於轉軸400上。具體來說，轉子磁芯100的內環面104接觸轉軸400。

於部分實施方式中，如第1圖所示，定子磁芯200具有複數定子槽210。這些定子槽210係共同環繞轉子磁芯100。每一定子槽210中均可容設線圈(未示於圖中)。當線圈通電時，轉子磁芯100可受到磁場的影響而旋轉。

第3圖繪示依據本發明另一實施方式之電機的俯視圖。如第3圖所示，本實施方式與前述實施方式之間的主要差異係在於：轉子磁芯100可包含至少一分隔肋130。分隔肋130隔開開槽110的兩個子槽112及114。換句話說，在每一開槽110中，子槽112及114不相連通，而被分隔肋130所隔開。藉由將分隔肋130設置於子槽112與114之間，可強化轉子磁芯100的結構強度，以利轉子磁芯100高速旋轉。

於部分實施方式中，如第1圖所示，在沿著轉子磁芯100的D軸方向上，可設置有複數個開槽110及複數對永磁體300。舉例來說，如第1圖所示，在沿著轉子磁芯100的D軸方向上，設置有兩個開槽110及兩對永磁體300。第4圖繪示依據本發明又一實施方式之電機的局部俯視圖。具體來說，如第4圖所示，在沿著轉子磁芯100的D軸方向上，可設置有三個開槽110及三對永磁體300，但本發明之開槽110的數量及永磁體300的數量並不以此為限。舉例來說，於其他實施方式中，在沿著轉子磁芯100的D軸方向上，亦可設置有四、五或六個開槽110以及四、五或六對永磁體300。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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‧‧‧轉子磁芯

102‧‧‧外環面

104‧‧‧內環面

106‧‧‧頂面

110‧‧‧開槽

112‧‧‧子槽

114‧‧‧子槽

200‧‧‧定子磁芯

210‧‧‧定子槽

300‧‧‧永磁體

400‧‧‧轉軸

Q‧‧‧軸

D‧‧‧軸

R‧‧‧外半徑

r‧‧‧內半徑

α‧‧‧角

Claims (12)

1. 一種電機，包含：
   一轉軸；
   一轉子磁芯，套於該轉軸上，該轉子磁芯具有至少一開槽，該開槽具有一對子槽，該對子槽定義一角α於其間，該角α滿足：α＜180°，該對子槽係彼此對稱的；
   一定子磁芯，包圍該轉子磁芯；以及
   至少一對永磁體，分別容設於該開槽之該對子槽中。
2. 如請求項1所述之電機，其中該開槽爲V形。
3. 如請求項1所述之電機，其中該轉子磁芯具有一外半徑R及一內半徑r，且該電機的極對數爲P，其中該角α滿足：。
4. 如請求項3所述之電機，該電機的極對數P＝2。
5. 如請求項1所述之電機，其中該轉子磁芯具有一外半徑R及一內半徑r，且該電機的極對數爲P，其中該角α滿足：。
6. 如請求項5所述之電機，該電機的極對數P＝2。
7. 如請求項1所述之電機，其中該對永磁體之材質為鐵氧體。
8. 如請求項1所述之電機，其中該對子槽係連通的。
9. 如請求項1所述之電機，其中該轉子磁芯包含至少一分隔肋，該分隔肋隔開該對子槽。
10. 如請求項1至9中任一項所述之電機，其中該至少一開槽之數量為複數個，該至少一對永磁體之數量為複數對，且該些開槽及該些對永磁體係沿著該轉子磁芯的D軸方向所排列。
11. 如請求項1所述之電機，其中該轉子磁芯具有一內環面，該內環面接觸該轉軸，該對子槽係相交於該內環面，且該轉子磁芯具有一外半徑R以及一內半徑r，其中該角α滿足：。
12. 如請求項1所述之電機，其中該電機為一永磁助磁式同步磁阻電機。