TW201622305A - 外轉子永磁無刷馬達 - Google Patents

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Abstract

一種外轉子永磁無刷馬達，包含一外轉子與一內定子，外轉子具有P個磁極，P為自然數且P為4的倍數；內定子具有一定子軸，內定子之外周表面具有S個齒部，S=P-1，S為自然數；每一齒部具有一靴部，靴部具有一外側端面朝向外轉子，外側端面之中心以定子軸為中心形成一圓，外側端面之中心以該圓定義一修正角度a1與一原始角度a，外側端面於第一弧度a1之範圍形成第一弧面，第一弧面相對二端各設有一第二弧面，第二弧面由其與第一弧面之連接處朝向定子軸之方向逐漸偏離該圓，原始角度a涵蓋之範圍為靴部之寬度，修正角度a1與原始角度a之比值滿足0.2<(a1/a)<0.6。

Description

外轉子永磁無刷馬達
本揭露為一種外轉子永磁無刷馬達，尤指一種可有效降低頓轉轉矩之外轉子永磁無刷馬達。
永磁電機因具有結構簡單、運行可靠、體積小、損耗小與效率高的優點，且電機的形狀和尺寸可以容易變化等優點，因而應用範圍極廣，幾乎遍及航太、國防、工農業、製造與住商民生的各領域。然而，頓轉轉矩和梯形反電動勢波形始終為其在性能上的缺陷。頓轉轉矩是因為永磁無刷馬達因轉子磁石與定子矽鋼片間因幾何尺寸與構形而產生一固有但不必要的轉矩變動，進而導致馬達運轉時發生震動(vibration)與噪音(noise)等缺失的現象，且頓轉轉矩尤其對外轉子馬達影響更為嚴重。而永磁無刷外轉子馬達的轉子磁石部分一般都是使用表面黏貼於轉子軛部的內側之設計，如此將會導致馬達本身的反電動勢波形偏向梯形波分布。
習知專利或公開文獻皆多以內轉子永磁電機作設計考慮，並針對轉子磁石來進行降低頓轉轉具和反電動勢波形修正。但在外轉子電機架構時，轉子磁石的圓弧型架構限制，會導致修改轉子磁石的製造成本較高且公差控制變得較困難。
在一實施例中，本揭露提出一種外轉子永磁無刷馬達，其包含一外轉子與一內定子，外轉子具有P個磁極，P為自然數且P為4的倍數；內定子具有一定子軸，內定子之外周表面具有S個齒部，S=P-1，S為自然數；每一齒部具有一靴部，靴部具有一外側端面朝向外轉子，外側端面之中心以定子軸為中心形成一圓，外側端面之中心以該圓定義一修正角度a1與一原始角度a，外側 端面於第一弧度a1之範圍形成第一弧面，第一弧面相對二端各設有一第二弧面，第二弧面由其與第一弧面之連接處朝向定子軸之方向逐漸偏離該圓，原始角度a涵蓋之範圍為靴部之寬度，修正角度a1與原始角度a之比值滿足0.2<(a1/a)<0.6。
100‧‧‧轉子永磁無刷馬達
10‧‧‧外轉子
11‧‧‧磁極
12‧‧‧轉子軛部
20‧‧‧內定子
21‧‧‧齒部
22‧‧‧定子軸
23‧‧‧齒槽
24‧‧‧靴部
25‧‧‧外側端面
251‧‧‧第一弧面
252‧‧‧第二弧面
26‧‧‧圓
a‧‧‧原始角度
a1‧‧‧修正角度
L31~L35‧‧‧不同槽極配之頓轉轉矩曲線
L51~L56、L61~L66‧‧‧不同角度之反電動勢波形之曲線
W‧‧‧寬度
圖1為本揭露之實施例之結構示意圖。
圖2為圖1之A部放大結構示意圖。
圖3為不同槽級配之頓轉轉矩比較圖。
圖4為頓轉轉矩與修正角度之關係圖。
圖5為反電動勢波形之比較圖。
圖6為反電動勢波形近端放大比較圖。
請參閱圖1及圖2所示實施例，本揭露之外轉子永磁無刷馬達100，包含一外轉子10與一內定子20。
外轉子10具有P個磁極11，P為自然數且P為4的倍數。外轉子10具有一轉子軛部12連接於複數個磁極11。
內定子20之外周表面具有S個齒部21，S=P-1，S為自然數。內定子20具有一定子軸22，齒部21相對於定子軸22在內定子20之圓周方向均勻分佈。內定子20設置於外轉子10內，外轉子10相對於定子軸22旋轉運動。齒部21相對於定子軸22在內定子20之圓周方向形成複數個齒槽23，齒槽23之數量與齒部21之數量相同。
於本實施例中，外轉子10具有16個磁極11，內定子20具有15個齒部21，亦即具有15個齒槽23。
每一齒部21具有一靴部24，靴部24具有一外側端面25朝向外轉子10，外側端面25之中心以定子軸22為中心形成一圓26，外側端面25之中心以圓26定義一修正角度a1與一原始角度a。外側端面25於第一弧度a1之範圍形成第一弧面251，第一弧面251相對二端各設有一第二弧面252。第二弧面252由其與第一弧面251之連接處朝向定子軸22之方向逐漸偏離圓26，原始角度a 涵蓋之範圍為靴部24之寬度W。於本實施例中，修正角度a1與原始角度a之比值滿足0.2<(a1/a)<0.6。藉此，使得每一靴部24之厚度係由外側端面25之中心朝向靴部24之相對二端漸減。
本揭露之外轉子永磁無刷馬達100，主要是從頓轉轉矩與反電動勢波形這兩項重要指標著手，以改善外轉子馬達之性能。針對頓轉轉矩，以下兩個計算公式分別代表頓轉轉矩的大小(公式(1))與頓轉轉矩的平滑度(公式(2))：
其中，P為外轉子之磁極數、Qs為內定子之齒槽數、LCM(P,QS)代表兩者之最小公倍數、HCF(P,QS)代表兩者之最大公因數。公式(1)的CT值越小，則可使頓轉轉矩峰值越小，而公式(2)的NP值越大，則表示頓轉轉矩越平滑。
請參閱以下所示實施例。下列表1顯示頓轉轉矩大小與槽極配之關聯性：
其中，NC代表最小公倍數。
下列表2顯示頓轉轉矩平滑度與槽級配之關聯性：
其中，HCF代表最大公因數。
由表1的設計比較表所顯示，當槽極配的數目相差1時，頓轉轉矩峰值可為最小，而搭配表2的設計比較時，可得知道當槽極配數越多時，頓轉轉矩則越平滑。據此，可得出在16極15槽下的配置時，可同時滿足有效地降低頓轉轉矩與平滑化，亦即本揭露之技術特徵之一，外轉子具有P個磁極，P為自然數且P為4的倍數；內定子之外周表面具有S個齒部，S=P-1，S為自然數。
其次，請參閱圖3所示不同槽極配之頓轉轉矩Y1之比較圖，其中，曲線L31代表16極15槽，曲線L32代表12極15槽，曲線L33代表14極12槽，曲線L34代表10極12槽，曲線L35代表12極18槽。圖3顯示16極15槽之頓轉轉矩峰值最小。
針對本揭露之另一項重要參數，反電動勢波形部分，再以16極15槽搭配定子修弧之設計進行分析驗證。請同時參閱圖2所示，假設每個靴部24的原始角度a為22度(360/15=24，減去兩靴部24間之距離)，分別針對2度、5度、10度、14度等不同角度(修正角度a1)與22度(原始角度a)進行比較分析。請參閱圖4所示之頓轉轉矩與修正角度之關係圖，其顯示，當修正角度為10度、14度時，皆能夠降低頓轉轉矩[I1]，然而當修正角度為2度、5度時，反而會使頓轉轉矩增加，換言之，於界定修正角度時必須特別注意，過大或過小皆無法達到效果，而是有一定的限制，因此，本揭露之修正角度a1與原始角度a之比值滿足0.2<(a1/a)<0.6。
請參閱圖5及圖6所示於相同轉述下之反電動勢波形之比較圖，其中，曲線L51、L61代表理想波形，曲線L52、L62代表修正角度為2度，曲線L53、L63代表修正角度為5度，曲線L54、L64代表修正角度為10度，曲線L55、L65代表修正角度為14度，曲線L56、L66代表原始角度為22度。修正角度2度、5度(亦即曲線L52、L53)顯示導致反電動勢峰值下降，進而導致性能下降；原始角度22度、修正角度14度(亦即曲線L56、L55)的波形則偏向梯形波分布，而當修正角度為10度時(亦即曲線L54)的修弧效果較好，不會降低馬達性能，且又能夠有效地修正反電動勢波形。以上述方式對其他角度進行分析，因此歸納出，當修正角度a1與 原始角度a之比值滿足0.2<(a1/a)<0.6時，能夠有效地修正反電動勢波形。
必須說明的是，上述16極15槽僅為本揭露之一實施例，僅於此處作為說明例，舉凡符合，於外轉子具有P個磁極，P為自然數且P為4的倍數；內定子之外周表面具有S個齒部，S=P-1，S為自然數；修正角度a1與原始角度a之比值滿足0.2<(a1/a)<0.6等技術特徵，皆屬於本揭露主張之技術手段。
綜上所述，本揭露所提供之外轉子永磁無刷馬達，由於結合轉定子槽極配的設計法則與定子矽鋼片修弧之設計方法，因此能達成使反電動勢波形趨近弦波分布且降低頓轉轉矩的功能，進而達成較高性能與效率之外轉子永磁電機。本揭露可解決永磁無刷外轉子馬達的頓轉轉矩(cogging torque)與馬達反電動勢波形(Back-EMF)修整之問題。由於馬達所產生的反電動勢波形可接近理想的弦波分布，因此與驅動器之弦波控制搭配能產生較佳效率，且轉矩漣波也可以有效地被改善。此外，本揭露利用修正內定子靴部而修正反電動勢波形，不僅可降地製造成本，並可減少構成內定子之矽鋼片所產生的鐵損，進而可提升馬達效率。
惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本揭露之特點及功效，而非用於限定本揭露之可實施範疇，於未脫離本揭露上揭之精神與技術範疇下，任何運用本揭露所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧外轉子
11‧‧‧磁極
12‧‧‧轉子軛部
20‧‧‧內定子
21‧‧‧齒部
24‧‧‧靴部
25‧‧‧外側端面
251‧‧‧第一弧面
252‧‧‧第二弧面
26‧‧‧圓
a‧‧‧原始角度
a1‧‧‧修正角度
W‧‧‧寬度

Claims (5)

  1. 一種外轉子永磁無刷馬達，包含：一外轉子，其具有P個磁極，P為自然數且P為4的倍數；以及一內定子，其具有一定子軸，該內定子之外周表面具有S個齒部，S=P-1，S為自然數；每一該齒部具有一靴部，該靴部具有一外側端面朝向該外轉子，該外側端面之中心以該定子軸為中心形成一圓，該外側端面之中心以該圓定義一修正角度a1與一原始角度a，該外側端面於該第一弧度a1之範圍形成第一弧面，於該第一弧面相對二端各設有一第二弧面，該第二弧面由其與該第一弧面之連接處朝向該定子軸之方向逐漸偏離該圓，該原始角度a涵蓋之範圍為該靴部之寬度，該修正角度a1與該原始角度a之比值滿足0.2<(a1/a)<0.6。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之外轉子永磁無刷馬達，其中每一該靴部之厚度係由該外側端面之中心朝向該靴部之相對二端漸減。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之外轉子永磁無刷馬達，其中該內定子設置於外轉子內，該外轉子具有一轉子軛部連接於該等磁極，該外轉子相對於該定子軸旋轉運動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之外轉子永磁無刷馬達，其中該等齒部相對於該定子軸在該內定子之圓周方向均勻分佈。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之外轉子永磁無刷馬達，其中該等齒部相對於該定子軸在該內定子之圓周方向形成複數個齒槽，該齒槽之數量與該齒部之數量相同。
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