TW201804711A - 電機轉子機構 - Google Patents

Abstract

一種電機轉子機構，包含複數個轉子導條與一轉子本體。轉子導條設置於轉子本體上。轉子本體具有複數個磁阻孔和複數個磁阻軌跡。每一磁阻軌跡自其中一轉子導條延伸至另一轉子導條。磁阻孔分別沿著磁阻軌跡排列，每一磁阻孔為一磁通屏障，且相鄰的二磁阻孔之間形成一磁路通道。

Description

電機轉子機構

本發明係關於一種電機轉子機構，特別是一種兼具同步和異步電機優勢的電機轉子機構。

所謂電機，是用於實現將機械能和電能相互轉換的一種電磁做動方式，是各行業和人們日常生活中應用最廣泛的產品，例如可用於工具機、水泵、輕工機械、風力發電和水力發電等，為工業發展必備的基礎設備之一，與經濟發展息息相關。

傳統的電機，通常透過材料的選擇、更多材料的加入或電子材料的應用來增加效率，例如稀土材料製成的永久磁鐵廣泛地用在同步電機中。但近年來，節能議題備受重視、稀土類材料的價格高漲及控制技術的成熟，減少稀土類元素的同時又能提高馬達效率的研究，逐漸成為電機領域的重點項目之一。在此背景下，不需使用稀土類磁石的同步磁阻電機(synchronous reluctance motor)成為了研究的趨勢，但其需要額外加入驅動器和控制器才有辦法平順運轉，是為該種電機的缺點。

因此，若能將同步磁阻電機具有的高效率特性，和傳統的異步電機(感應電機)具有直接啟動、高負載與高可靠特性等優越結構耦合，排除驅動器的配置，將可成為一個更有競爭力的電機種類。

有鑑於此，本發明提供一種電機轉子機構，兼具同步和異步電機的優勢，除了有助於縮小電機的體積和降低成本，還可達到自啟動特性、增加電機的單位磁通密度、輸出轉矩、提升電機效率和具高負載能力等。

根據本發明所揭露的一種電機轉子機構，包含複數個轉子導條與一轉子本體。轉子導條設置於轉子本體上。轉子本體具有複數個磁阻孔和複數個磁阻軌跡。每一磁阻軌跡自其中一轉子導條延伸至另一轉子導條。磁阻孔分別沿著磁阻軌跡排列，每一磁阻孔為一磁通屏障，且相鄰的二磁阻孔之間形成一磁路通道。

本發明所揭露的電機轉子機構中，由於轉子本體上具有沿著磁阻軌跡排列的磁阻孔，使得電機在一時間內運轉時，這些磁阻孔的排列形成磁通屏障而阻擋磁路通過，以壓縮轉子的磁通在這些磁阻軌跡之前，藉此有助於增加整體轉子的磁通密度，進而提升電機的轉矩，同時正比提升電機效率。隨著時間變化，磁通又可經由相鄰的磁阻孔之間所形成的磁路通道通過，以維持電機的運轉順暢，進而有助於降低電機的轉矩漣波。

簡言之，藉由前述轉子本體中磁阻孔的適當排列，可在增加磁阻力矩、磁通密度等特性的同時又兼顧運轉的順暢，使得電機可沿用異步電機的架構，即具有結構簡單的優點而有助於縮小整體體積之外，還可藉由磁阻孔增加整體單位磁通，而增加轉矩的優點，進而提高電機效率，使其額外具備同步電機高轉矩的優勢。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明，係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者，瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

此外，以下將以圖式揭露本發明之實施例，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，應瞭解到的是，這些實務上的細節非用以限制本發明。另外，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，甚至部分的圖式省略了走線(纜線、或排線)等結構以保持圖面整潔，於此先聲明之。

再者，除非另有定義，本文所使用的所有詞彙，包括技術和科學術語等具有其通常的意涵，其意涵能夠被熟悉此技術領域者所理解。更進一步的說，上述之詞彙的定義，在本說明書中應被解讀為與本發明相關技術領域具有一致的意涵。除非有特別明確的定義，這些詞彙將不被解釋為過於理想化的或正式的意涵。

請參照圖1~2，圖1係為根據本發明之一實施例所繪示之電機的立體圖，而圖2係為圖1之電機的分解圖。

本發明提出一種轉子機構1a，適用於一電機9。所述的電機9具有一定子(stator)2及二端環(end ring)40等。轉子機構1a可轉動地位於定子2內。二端環40位於轉子機構1a相對兩端面11、12。但本發明不以定子2、端環40或其結構為限。

以下，將針對轉子機構1a進行說明。請接續參閱圖3，圖3係為圖1之電機的正視圖。轉子機構1a包含一轉子本體10a與多個轉子導條(rotor bar)30。轉子本體10a，又可稱為轉子鐵芯，可以但不限於是由多片矽鋼片堆疊組成的結構。此外，轉子本體10a可透過斜槽(skew slots)技術，以改善電機起動特性和降低激磁噪音。

此外，轉子本體10a具有一軸心孔11s與多個轉子導條槽(又可稱轉子槽)12s。軸心孔11s貫穿轉子本體10a且位於轉子本體10a的中心線上，可用以裝設一軸心(shaft)來傳導、輸出轉子機構1a的旋轉驅動力，但該軸心為選用，本發明並非以此為限。此外，於本實施例或其他實施例中，軸心孔11s也可保持淨空而以其他的配置來輸出旋轉驅動力。

於本實施例中，轉子導條槽12s貫穿轉子本體10a，且圍繞軸心孔11s，但其位置較鄰近於轉子本體10a側面，而轉子導條30分別設置於轉子導條槽12s內。但需聲明的是，雖然於本實施例之轉子導條槽12s的位置排列靠近轉子本體10a的側面，但本發明並以此為限。例如於其他實施例中，轉子導條槽12s的位置也可較靠近軸心孔11s，即轉子導條30的位置靠近軸心孔11s。

接著，值得注意的是，於本實施例中，轉子本體10a上還具有多個磁阻軌跡R1與多個磁阻孔13，但需要聲明的是，為達圖面簡潔之目的，圖3僅繪示一磁阻軌跡R1。

具體來說，磁阻軌跡R1位於轉子導條30與軸心孔11s之間的轉子軛部空間(未標號)，且每一磁阻軌跡R1係自其中一轉子導條30延伸至另一轉子導條30，即單一磁阻軌跡R1的兩端分別位於兩相異的轉子導條30，但至於單一磁阻軌跡R1的兩端分別位於哪兩個轉子導條，本發明並非以此為限。此外，於本實施例或其他實施例中，每一磁阻軌跡R1至少會與另外二個磁阻軌跡R1相交錯，如圖3所示，轉子本體10a具有七條磁阻軌跡R1，可用以讓磁力線可平順地在這些軌跡前通過。

更詳細來說，如圖2~3所示，每一磁阻軌跡R1至少部分與其中一端環40投影至轉子本體10a之其中一端面11的正投影的區域A相重疊。

磁阻孔13沿著磁阻軌跡R1排列，且彼此不相連。在電機運轉時，每一磁阻孔13可為一磁通屏障，磁力線無法通過，但兩兩相鄰的磁阻孔13之間則可在滑差特性(slip)產生時形成一磁路通道，讓磁力線通過。此外，於本實施例或其他實施例中，單一磁阻軌跡R1上的多個磁阻孔13保持等間距，但本發明並非以此為限。例如於其他實施例中，單一磁阻軌跡R1上的多個磁阻孔13可保持不等間距或部分等間距部分不等間距的排列。

此外，於本實施例或其他實施例中，每一磁阻孔13的截面形狀為圓形，但本發明並非以此為限。例如在一些實施例中，磁阻孔13的截面形狀也可為任意形狀，如圓形、橢圓形或多邊形等。

更進一步的，於本實施例或其他實施例中，依據實際的需求，相鄰的二磁阻孔13的間距相對於每一磁阻孔13的外徑的比值約小於3。

另外，於本實施例中，磁阻孔13的截面積至少會小於轉子導條30的截面積，但本發明並非以此為限。例如於其他實施例中，磁阻孔的截面積也可大於轉子導條的截面積或大於容納轉子導條的轉子槽的截面積。

再者，於本實施例或其他實施例中，這些磁阻孔13內填充有介質，例如，金、鋁等金屬材質，可用以增加阻磁的效果。但本發明並非以填充於磁阻孔13內的介質的材料種類為限，且該介質為選用。原則上，只要保持磁阻孔13內的導磁率低於轉子本體10a的導磁率。例如在一些實施例中，磁阻孔13內也可保持淨空，僅存有空氣。

接著，於圖3所示，於本實施例或其他實施例中，轉子本體10a上還具有多個氣孔10s，鄰設於軸心孔11s。具體來說，氣孔10s是位於端環40之內圈的區域B中。此外，氣孔10s的用途在於減少轉子本體10a的轉動慣量，或增加散熱效果。

由上述設計，在電機運作時，轉子機構1a會安裝至電機9的定子2中而形成了電機的基本結構，但又有所不同的是，由於轉子本體10a上具有沿著磁阻軌跡R1排列的磁阻孔13，在一時間內，這些磁阻孔13會排列形成磁通屏障而阻擋磁通通過，以壓縮轉子機構1a的磁通在這些磁阻軌跡R1之前，藉此，有助於增加整體電機的磁通密度(Flux Density)和磁阻轉矩。例如請參閱圖4，圖4係為圖1之電機的磁力線與磁通密度分析圖。由圖中可看到，在某一特定時間區間，通過轉子本體的磁力線會集中分佈於磁阻軌跡前側(例如，區域C)，即磁阻軌跡與轉子本體外緣之間，使得區域C的磁通密度增加(如圖所示，區域C的B值約落在1.1111e至8.8889e特斯拉(Tesla)的範圍區間內)。並且，根據實驗比較數據的結果顯示，該區域C的磁通密度相較於傳統上的轉子的同區域約增加176.2%，且可有效提升電機轉矩達15%以上，進而有助於提升電機效率。接著，隨時間變化，由於相鄰的磁阻孔13不相連，保持著適當的距離而可在滑差特性產生時形成磁路通道，讓磁通可經由這些磁路通道通過。也就是說，當轉子本體10a與定子2產生滑差特性時，磁路又可於相鄰的磁阻孔13間的磁路通道通過，以維持運轉的順暢，進而有助於降低電機的轉矩漣波(Torque Ripple)。

簡單來說，藉由前述轉子本體10a中磁阻孔13的適當排列，可在增加磁阻力矩、磁通密度等特性的同時又兼顧運轉的順暢，使得電機9可沿用異步電機的架構，即具有結構簡單的優點而有助於縮小整體體積之外，還可藉由磁阻孔13增加整體磁能而增加轉矩的優點，進而提高電機的效率，使其額外具備同步電機高轉矩的優勢。

此外，本發明之轉子機構1a不用設置磁鐵，因而也不會有永磁輔助同步電機使用磁鐵而增加材料成本，及因使用磁鐵會有高溫消磁等問題。相較之下，本發明之的轉子機構可應用的範圍較廣泛，且具高負載能力。

另外，雖然於前述實施例中，每一磁阻軌跡R1的排列至少會與另外二個磁阻軌跡R1相交錯，但本發明不以此為限。例如請參閱圖5，係為根據本發明之另一實施例所繪示之轉子機構的正視圖。本實施例提出一轉子機構1b，其與前述實施例之轉子機構1a不同之處在於，轉子機構1b之轉子本體10b的磁阻軌跡R2彼此不相交錯。因此，可理解的是，本發明也非以磁阻軌跡R1的數量為限，使用者是可依據實際需求進行數量上的增減。

接著，請參閱圖6，係為根據本發明之又一實施例所繪示之轉子機構的正視圖。本實施例提出一轉子機構1c，與前述實施例之轉子機構不同之處在於，轉子機構1c的轉子本體10c上還具有多個輔助磁阻結構15，位於磁阻軌跡R3與軸心孔11s之間，且外形匹配於磁阻軌跡R3，以形成多層的磁障以增加磁通密度。此外，雖然於本實施例中，每一輔助磁阻結構構15為一條狀溝槽，但本發明並非以此為限。例如於其他實施例中，每一輔助磁阻結構也可以為多個類似第一實施例之磁阻孔13的排列所構成。

接著，請參閱圖7，係為根據本發明之再一實施例所繪示之轉子機構的正視圖。本實施例提出一轉子機構1d，與前述實施例之轉子機構不同之處在於，前述本實施例中的每一磁組軌跡是為具有一折點的線條，但本發明並非以此為限。例如於本實施例中，轉子機構1d之轉子本體10d的每一磁阻軌跡R4為一弧線。因此，由前述實施例的變化可推論，於一些實施例中，每一磁阻軌跡也可依據實際需求調整為由多條直線，即曲率變化為零的多條線段，或曲率具有變化的曲線所構成的軌跡，本發明並非以此為限。

由上所述，本發明提出一了種創新的轉子機構，可達到同步電機和異步電機耦合的優勢，還可進一步達到自啟動特性、增加電機的磁阻力矩、磁通密度、縮小電機體積、降低成本、提升電機效率和具高負載能力等，期望能成為未來電機市場的新議題和新的電機種類。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1a‧‧‧轉子機構
2‧‧‧定子
9‧‧‧電機
10a、10b、10c、10d‧‧‧轉子本體
10s‧‧‧氣孔
11、12‧‧‧端面
11s‧‧‧軸心孔
12s‧‧‧轉子導條槽
13‧‧‧磁阻孔
15‧‧‧輔助磁阻結構
30‧‧‧轉子導條
40‧‧‧端環
A‧‧‧區域
B‧‧‧區域
C‧‧‧區域
R1、R2、R3、R4‧‧‧磁阻軌跡

圖1係為根據本發明之一實施例所繪示之電機的立體圖。 圖2係為圖1之電機的分解圖。 圖3係為圖1之電機的正視圖。 圖4係為圖1之電機的磁力線與磁通密度分析圖。 圖5係為根據本發明之另一實施例所繪示之轉子機構的正視圖。 圖6係為根據本發明之又一實施例所繪示之轉子機構的正視圖。 圖7係為根據本發明之再一實施例所繪示之轉子機構的正視圖。

1a‧‧‧轉子機構

2‧‧‧定子

9‧‧‧電機

10a‧‧‧轉子本體

10s‧‧‧氣孔

11‧‧‧端面

11s‧‧‧軸心孔

12s‧‧‧轉子導條槽

13‧‧‧磁阻孔

30‧‧‧轉子導條

A‧‧‧區域

B‧‧‧區域

R1‧‧‧磁阻軌跡

Claims (12)

1. 一種電機轉子機構，包含：複數個轉子導條；以及一轉子本體，該些轉子導條設置於該轉子本體上，該轉子本體具有複數個磁阻軌跡與複數個磁阻孔，每一該磁阻軌跡自其中一該轉子導條延伸至另一該轉子導條，該些磁阻孔分別沿著該些磁阻軌跡排列，每一該磁阻孔為一磁通屏障，且相鄰的二該磁阻孔之間形成一磁路通道。
2. 如請求項1所述之電機轉子機構，其中相鄰二該磁阻孔的間距相對於每一該磁阻孔的外徑的比值小於3。
3. 如請求項1所述之電機轉子機構，其中於每一該磁阻軌跡上，該些磁阻孔之間保持等間距。
4. 如請求項1所述之電機轉子機構，其中於每一該磁阻軌跡上，該些磁阻孔之間非等間距。
5. 如請求項1所述之電機轉子機構，其中每一該磁阻孔填充有導磁率低於該轉子本體的介質。
6. 如請求項1所述之電機轉子機構，其中該些磁阻軌跡彼此不相交錯。
7. 如請求項1所述之電機轉子機構，其中每一該磁阻軌跡至少與另二該磁阻軌跡相交錯。
8. 如請求項1所述之電機轉子機構，其中每一該磁阻軌跡為一弧線。
9. 如請求項1所述之電機轉子機構，其中每一該磁阻軌跡的曲率變化為零。
10. 如請求項1所述之電機轉子機構，更包含二端環，設置於該轉子本體的相對兩端面，每一該磁阻軌跡至少部分與其中一該端環投影至該轉子本體之其中一該端面的正投影相重疊。
11. 如請求項1所述之電機轉子機構，其中該轉子本體還具有一軸心孔與複數個氣孔，該些氣孔環繞於該軸心孔。
12. 如請求項10所述之電機轉子機構，其中該轉子本體還具有複數個氣孔，其中該些氣孔位於該些端環之內圈的區域中。