417547 A7 B7 五、發明説明(1 ) 發明背景 本發明是有關於一ρ無刷直流馬達,甩於工業機器人 或機械設備*其包括:一個定子,此定子具有一安裝三相 電樞.繞組的定子鐵心,及一個轉子,可轉動地置於定子中 ,此轉子具有作爲磁極之永久磁鐵。 首先,定義本說明書所使用到的語彙》 “槽”是馬達電樞鐵心槽溝的一部份。電樞繞組畳繞 於該槽內。 “單位磁極相位之槽數Q”是以電樞之槽數N除以馬 達的相數m和馬達的磁極數P所獲得。亦即, q = N/ (m· P) = a+ (b/c) 此處之a,b,c爲整數,且(b/c)爲最簡分數。 “整數之槽繞組”是指繞組圈數之“單位磁極相位之 槽數Q”爲一整數。 ,. “分數之槽繞組”是指繞組圈數之“單位磁極相位之 槽數q”爲一分數。 “集中式繞組系統”是指在同一槽中縷繞倍數次線圈 之系統,亦即,在定子鐵心齒部之單相中的線圈纏繞系統 。在三相馬達的情況,當電子之三相關係建立後,馬達的 齒數爲3的倍數。集中化之繞組系統適於以繞組機將線圈 纏繞於鐵心之自動繞組過程。 “繞組係數”是輸出P。u t (輸出比)的値,其中, 假設繞組的配置及構成可獲之最·大輸出値爲1 . 0 本紙張尺度追州t囤國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ 297公釐)_4_ (iiJLlli讀背面之注意事項4坫朽本S ) 訂 <ί··.,-οϊ 姜-ipt- ^\ τ.- Xu." 417347 A7 B7 五、發明説明(2 ) 因而’ P。U t爲 ?。。1=(線性常數).0.]^〜.1^*1.(1)^ ("-1閱請背面之注意事項再填巧本互) 其中,ω爲轉速(徑度/秒),kw爲纏繞係數(0S k w ^ 1 ) ’ N爲繞組數,I爲電流(A)而①^則爲主磁 通權數(W b )。 “鈍齒轉矩”是馬達在極低的轉速下所產生的轉矩波 動,其成因乃因轉子和定.子之齒位對齊或定位時引起了磁 通變化所致。 “鈍齒轉矩之波紋程度”是馬達一次的迴轉中產生轉 矩波動(鈍齒轉矩)的週期。 圖1是習知無刷直流馬達的剖面圖。圖1中的無刷直 流馬達包括一個定子1 0 0,一個轉子2 0 0,其可旋轉 地配置於定子1 0 0中。圖1中之定子包含一個定子鐵心 1 ,其上形成18個槽10— 1至10, - 18,且三相電 輸繞組4至9(U,V,W,U’ ,V, ,W’ )組裝於 定子鐵心1的槽內。轉子2 0 0包含轉子鐵心3,和一個 用以構成磁極之永久磁鐵2 (2_1至2 — 6) ·其配置 於轉子鐵心3的外表面。圖1的例子中,構成磁極之永久 磁鐵2之磁極數爲6。亦即,圖1的例子中,轉子鐵心3 包含了有6個磁極之永久磁鐵2·,轉子1 0 0則包含了三 相電輸繞組 4 至 9(U,V,W,U, ’V’ ,W’ ), 該繞組存在於有18個槽的定子鐵心內。 附帶的,三相電輸繞組U·-表示其電流方向和三相電 輸繞組U相反。同樣的,三相電輸繞組V’ - W * ,表示 本紙张尺度4用中國國家標率(CNS ) A4規格(2]0X 297公釐} _ 5 -517247 B7 五 、發明説明(3 ) 1 1 其 電 流 方 向和三相電輸 繞 組V W 相 反 〇 U 相 繞 組以 4表 1 | 示 .f V 相 繞組以5表示 t W相 繞 組 以 6 表 示 U 9 相 繞組 1 I 以 7 表 示 ,V ’相繞組 以 8表 示 > W » 相 繞 組 以 9 表 示。 η 1 1 r rei 圖 1 中 馬 達的單位磁極 相位之槽數< L 8 / < :a X 6 )= L I 1 _ 0 〇 背 ii 之 1 該 馬 達繞組系統爲 蜃 繞組 > 其 單 位 磁 極 相位 之 槽數q 意 重 1 爲 整 數 1 .0 ( 1 8 槽 / 3相 / 6 磁 極 ) 〇 此 系 統 可 應用 T 項 再 1 1 於 其 他 磁 級數的情形, 因 爲在 馬 達 外 徑 的 限 制 條件 下 ,已 % 本 ·» -1 實 現 了 最 大的能量密度 Ti •w- 1 1 當 單 位磁極相位之 槽數Q 超 出 了 1 * 0 > Q > 0 .5 1 1 的 範 圍 時 ,可使用揭露 於 Jpn. Pat. Appln. ΚΟΚΑΙ 專 利 號碼 1 l 7 — 9 9 9 2 3或類似 專 利的 繞 組 系 統 β 圖 2 爲 使 用 Jpn. 訂 I Pat. Appl η. KOKAI 專利 號 碼7 — 9 9 9 2 3 之 馬 達 剖 面圖 1 i I 〇 圖 2 中 的馬達是最典 型 的8 磁 極 馬 達, 0 圖 2 中 的 單 位磁 1 1 極 相位之槽數q = 15, / (3 > 8 ) — 5 / 8 0 1 1 圖 2 中的無刷直流 馬 達包 括 個 定 子 1 0 0 一個 Ί 轉 子 2 0 〇 ’ ,其可旋 轉 地配 置 於 定 子 1 0 0 t 中 〇 圖2 I 中 之 定 子 1 0 0 ’包含 —- 個定 子 鐵 心 1 , 其 上 形成 15 1 1 t 個 槽 1 0 ’ -1 至 1 0 t -1 5 且 三 相 電 輸 繞 組 4 至9 1 1 ( U V > W > U ', V 9 9 W y ) 組 裝 於 定 子 鐵 心 1, 1 1 的 精 1 0 ’ ~ 1 至 1 0 9 -1 5 內 〇 轉 子 2 0 0 r 包 含轉 1 I 子 鐵 心 3 ’,和用以構 成 磁極 之 永 久 磁 鐵 2 * ( 2 1 -1 1 Ι 至 2 » — 8),其配置 於 轉子 鐵 心 3 « 的 外 表 面 〇 圖 2的 1 1 例 子 中 y 構成磁極之永久磁鐵2’ 之磁極數爲8 0 1 1 1 本紙张尺度述用中1¾¾家栋準{ CNS > Λ4規格(2〗〇X 297公釐) -6 - A7 B7 五、發明説明(4 ) 另一方面,爲了要在低成本的條件下製造出小型且高 輸出之無刷直流馬達,須有大的能量密度Ed =(輸出和馬 達體積之比),並減少配置電樞線之槽的數目以簡化馬達 的結構,以及使用具高工作效能之繞組方式。 圖3;顯示了某一無刷直流馬達之能量密度,其中 轉子的外徑和繞組系統固定|且定子鐵心的磁通密度,電 刷繞組的電流密度,和其他的電磁特性亦固定,而僅改變 定子鐵心中之磁極數目。 如圖3所示,爲了要提高能量密度E d e,必須要增加 馬達的磁極數。 習知技術有下列的缺點。首先,在圖3之能量密度和 磁極數的關係中,更多的磁即可獲致更小的尺寸和更高的 馬達輸出。 然而,當磁極數增加並保持轉速N_.( r pm)爲定値 時,電子頻率和磁極數成正比。同樣的,電壓Vin (V) (其値和供應電壓成正比,並可由驅動放大器提供至馬達 )中之電刷電感La (H)的電壓降部份亦隨之增加。耽電 壓降爲: iy 中 i: j; .1 f 合 i't 卬 f- 先閱讀背*之注意事項再碛巧本VK ) 2πΝ/60·Ρ/2^Β· I (V) 因此須使用一種可維持轉矩輸出r (Nm)之馬達設 計,其可藉由採用某一數目或更多的磁極,由此降低主磁 通量Φ s ( W b ),並使^流提升的方式來達成》其結果爲 驅動放大器的電流流量增高,而系統的成本相對的提高。 其次,可由'驅動放大器提供至馬達的電壓Vin爲 本紙汝尺度追用中®國家標卑(CNS )六4祝格(210X297公釐} 41,以? A7 B7 五、發明説明(5 ) V i η ^ [ ( R - Ι+Κΐ·Φβ*Ν)2 + (2?rN/60-P/2*La-I)2]l/2 (丄) 輸出轉矩r爲 τ = K 2 ♦ I ( 2 )
其中Ra爲電樞繞組電阻(Ω) . Ki ( W/W b / A )是感應電壓相關係數’ K2 (Nm/Wb/A)是轉矩相 關係數。 在此情況下,當槽數爲單位磁極相位之槽數Q〉 1 . 〇之分數式的槽繞組或疊繞組1 . 〇>q>〇 · 5胃 ,可獲得適當之感應電壓波形,且轉矩波紋和其他的馬達 特性皆佳,但是由於磁極數的增加所造成槽數的增加’或 是電樞繞組的複雜度,皆會減慢馬達的生產速度’並會增 加馬達的生產成本。 而或,使用單位磁極相位之槽數d,= l . 0 ’爲了要 獲得適當之感應電壓波形,必須要作額外的,如定子或永 久磁鐵偏角的手段,或是將永久磁鐵的邊緣細薄化,此等 皆會增加成本。 進一步的,單位磁極相位之槽數q = 〇 . 5時,雖然 是一有效的方法,和能量密度有正比關係之繞組係數爲 0 · 866,且和圖2中,習知馬達之繞組係數 0 . 9*54相較,其馬達尺寸約小1 〇%,由於其尺寸略 大於有相同磁極數的馬達,有缺黯<存\。 一般而言,使用單位磁極祖位之槽數q<〇.5,由 於具有節省槽的效果’因而可增強製造性,但雖獲得節省 {誚先閱讀背面之注意事項再填巧本I)
*1T 本紙乐尺度迖州十囷囤家標率(CNS ) Λ4規格(210Χ297公| ) -8- ί.-^、···中J-'r-". f ^ ^17^47 at _ B7 五、發明説明(6 ) 槽的效益*定子內側齒和轉子外側永久磁·鐵間的吸引力的
• I 變化卻因而增加,因而使鈍齒轉矩變大》由此,如圖4 A ’ 4 B中所示之鈍齒轉矩的抑制手段,,須減少永久磁鐵片 的邊緣厚度,或是提供定子或永久磁鐵一個偏角。如此, 皆會造成成本的增加。 圖4A顯示習知8極,9槽馬達之轉矩特性及其鈍齒 轉矩的的抑制手段,4 B顯示了相同馬達之單片永久磁鐵 的剖面圖。藉由減小永久磁鐵片邊緣的厚度,鈍齒轉矩 Tc〇e成爲2.8g · cm。圖4A,4B中之每極,9槽 馬達使用了一個有8磁極,9槽,d = 3/ 8的電磁鐵。 且額定轉矩Trate爲1 . 5kg . cm。此外,Τ"κ/ Tratexl〇〇=l . 9%。此處,0是作爲磁極之永久 磁鐵片之單位磁極的角度。 和圖4 A,4B中之鈍齒轉矩抑制.手段的例子相較, 圖5顯示了無鈍齒轉矩抑制手段的習知8極,9槽馬達, 5 B顯示了該馬達之單片永久磁鐵的剖面圖。該永久磁鐵 片的邊緣並不如圖4 B中所顯示的薄。鈍齒轉矩丁。。8爲 54g · cm。圖5A,5B中之8極,9槽馬達使用了 一個有8磁極,9槽,Q = 3/ 8的電磁鐵。且額定轉矩 T I a t e 爲 1 . 5kg· cm。此外 ’ Tcog/TrateX 100 = 3 . 6%。於此,0是作爲磁極之永久磁鐵片單 位磁極的角度。 本發明的目的是提供一種馬達,其可在不提高成本的 情況下表現出更佳之馬達特性。 本紙張尺度述用中闯國家標準(CNS 現格(210X297公釐) TgT ~ (""閱诗背面之:'^意事項再頊3本只 丁 -β v a^17347 ________B7_ 五、發明説明(7 ) 發明槪述 爲了解決問題,本發明之無刷直流馬達是由下述所構 成》即,該無刷直流馬達包括:一個定子,具有用以安裝 電樞繞組之定子鐵心,及一個轉子,具有磁極和轉子鐵心 其中,由永久磁鐵所形成之轉子的磁極,數目爲1 4 ,且 定子鐵心的槽數爲1 2, 在定子鐵心的1 2個槽中,三相電樞繞組用集中式繞 組系統纏繞。 再者,用以組成馬達磁極之永久磁鐵,由1 4片有相 同厚度之永久磁鐵片所組成。並環狀交替地安裝於轉子鐵 心的S極和N極上。 ,. 本發明之附加目的及優點將描述如後,其中,一部份 可明顯的從描述中看出,或是由本發明的實施中學得。本 發明的目的和優點可由接下來的手段和組合中了解。 圖式簡單說明 伴隨著合倂及組成一部份說明之圖式,配合著前述之 一般描述及接下來之較佳實施例的詳細說明,來閩述本發 明之較佳實施例並用以說明發明的原理。 圖1是習知6極,18槽馬違之前剖面圖" 圖2是習知6極,15槽馬達之前剖面圖。 (誚1閱讀背面之注意事項再""?本頁) 本紙張尺政迖用中囤國家標準(CNS ) A4規格(2IOX297公釐) .-(〇 . * Ί f * 4 ^ J. ί 〇 4 ;· Λ7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 _ 五 、發明説明( 8 ) 1 | [EJ 圖 3 顯 示 磁 極數 和 能 量密度之關係圖。 1 I 圖 4 A 和 4 B是 具 有 鈍齒轉矩抑制手段之8 極 9 槽 馬 1 1 I 達 之 圖 例 0 1 1 锖 \ 圖 5 A 和 5 B是 無 鈍 齒轉矩抑制手段之8極 9 槽 馬 遵 先 閱 讀 1 1 之 nat 圖 例 0 背 1¾ | 之 1 圖 6 是 本 發 明第 1 實 施例之馬達前剖面圖。 意 1 事 1 圖 7 A 和 7 B是 相 同 轉矩下磁極數和馬達電 流 之 關 係 項 .31 t 圖 〇 填 寫 1 本 1 圖 8 A 和 8 B是 本 發 明第1實施例之鈍齒轉 矩 特 性 圖 頁 1 1 及 馬 達 中 永 久 磁 鐵片 的 剖 面圖。. 1 1 I 元 件 對 照 表 1 1 訂 1 0 0 定子, 2 0 0 轉子,1 定子鐵心, 1 1 2 永久 磁 鐵 » 2 - 1 2—6 永久磁鐵磁極, 1 I 3 轉子 鐵 心 9 9 三相電輸繞組(U,V, W ! I U t > V » t W ' ) ♦ 1 0-1 〜10 - 18 1 8 個 槽 1 y 1 0 0 定 子, 2 0 0 ’ 轉子,1 ’ 定 子 鐵 心 » 1 1 2 . 永 久 磁 鐵 ,2 1 — 1〜2 ’ - 8 永久磁 鐵 磁 極 ) 1 3 , 轉 子 鐵 心 ,4 9 三相電輸繞組(U, V 9 W T J U * V « 9 W ) t 1 I 1 0 , — 1 1 0 , — 1 5 1 5 個槽,1 0 0 0 定 子 1 1 » 2 0 0 jhiti 轉 子 ,4 0 0 定子鐵心,2 0 永 久 磁 鐵 > I 1 ( 2 0 一 1 2 0 - 1 4 ) 永久磁鐵磁極,3 0 0 轉 1 t 子 鐵 心 1 4 9 二 相 電 輸繞組(U,V,W,U ϊ Τ 1 1 1 本紙張尺度適用中國國家樣準(CNS)A4規格(2丨ΟΧ 297公楚> -11 - •117347 Λ7 ΙΪ7 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 五、發明説明(9 ) V’ ,w’ ) ,40 — 1 〜40 — 12 12 個槽,30 —1〜3 ◦ — 12 12個齒 較佳實施例之詳細說明 如圖6所示,本發明實施例之無刷直流馬達包.括一個 定子1000,具有一個含12槽的定子鐵心4 00,一 個轉子2 0 0,具有轉子鐵心及含1 4個磁極2 0- 1至 20 — 14的永久磁鐵。定子鐵心400 ’包含12齒 30 — 1 至 30 — 12 及 1 2 槽 40 - 1 至 40-12。 在定子鐵心400的槽40-1至40 - 1 2中’安裝有 相互偏移1 2 0度電工角相位之三相電樞繞組U ’ V,W > U ' , V, ,W,。 附帶的,三相電輸繞組U*顯示其電流方向和三相電 輸繞組U相反,亦即,有相反的電流方向。同樣的,三相 電輸繞組V ^ > W ',顯示其電流方向和三相電輸繞組V ,W相反,亦即,有相反的電流方向。u相繞組以4表示 ,V相繞組以5表示,W相繞組以6表示’ U ’相繞組以 7表示,V’枏繞組以8表示,W’相繞組以9表示。 本實施例中之無刷直流馬達,在電樞槽數1 2, 馬達相數m = 3 *馬達極數P == 1 4的情況下,單位磁極 相位之槽數ci爲 q = N/ (m. P)二12 (3χ14) = 2/ 7 圖7 Α中,將馬達磁極數視爲一參數,並藉由馬達額 定輸出37kW, l〇〇rpm的設計,說明了馬達額定 (诗先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用宁國國家標準(CMS ) Λ4規格(210X297公敍)-12-
五、發明説明(10)
^'‘""•ψ^κΐττ^ρ TT 消f"^印*'?: I 電流及磁極數間的關係》當然地,圖7 A中的結果可不考 慮額定輸出而適用於其他的輸出。 圖7 B顯示了馬達磁極數和標準電流間的關係*當圖 7A中之馬達磁極數爲8時,在電流81.4A之參考値 爲 1 . 0。 圖8A顯示具5 . OkW,3000 rpm額定輸出 之馬達藉由外部裝置的驅動,在低轉速操作下,其輸出轉 矩的量測結果。圖8 B顯示此例之永久磁鐵片的剖面圖。 (以下說明馬達磁極數爲14的理由) 在不考慮馬達磁極數的情況下,通常很難改變馬達的 效能。使用倍數磁極的優點在於藉由減少永久磁鐵數可降 低馬達的成本=而倍數磁極的缺點是使繞組的複雜度增加 並降低控制的性能。 / _ 爲了要抑制馬達的驅動電流,14個或14個以下的 馬達磁極數是較佳的選擇。亦即,由圖7 B所示之相同轉 矩下馬達磁極數和電流的關係結果可以看出,考慮以倍數 磁極提升能量密度Ed。和驅動放大器電流流量增加之間的 關係,使用1 4個磁極可獲得小的電流增加。 (以下說明馬達槽數爲1 2的理由) 和能量密度Edt:成正比之繞線係數,可在每個槽中求 得。在單位磁極相位之槽數Q<-〇 . 5的範圍中,如表1 所示,1 2槽有最高的繞組係數,因而可實現具小尺寸及 氺紙張尺度追/1]中國國家標準(CNS ) Λ4規格(2丨0X297公釐) 《"1閱讀背面之注意事項再楨巧本頁} •-° -13- Λ ϊ 7 ά. ^ <5丄以‘ Α7 _____Β7 _ 五、發明説明(11 ) . 高製造性的馬達。 此表中的槽數,是採集中式的繞組系統,3的倍數是 因爲三相馬達的關係。 (本發明的操作) 接下來的效果係藉由下述之設定所產生。轉子鐵心 300所設置之永久磁極數設爲14,即20 — 1至20 —1 4,槽數設爲1 2,以使得三相電樞繞組U,V,W ,U’ ,V’ ,W’可藉由上述之集中式繞組系統設置於 定子鐵心4 0 0內。 (1 )藉由1 4個磁極之倍數磁極設計,可增強能量 密度,且馬達體積與習知技術相較•減少了 1 〇至 15%。 (2 )用以構成辱達磁極之永久磁.鐵髯在相同的去磁 阻下,和習知技術相較,可省30至40%,並且可降低 成本。 (3 )藉由倍數磁極設計,驅動放大器的電流量,和 習知技術相同,且驅動放大器所使用之功率半導體元件亦 和習知技術相同。 (4 )槽數爲1 2且單位磁極相位之瘠數q = 2 / 7 (Q<0 . 5或較小),但是,無須如圖8A,8B所示 之永久磁鐵邊緣的細薄化,定子的預備,或永久磁鐵偏角 之鈍齒轉矩抑制手段,本發明之馬達鈍齒轉矩和圖4 A, 4B,5A和5B所示之習知馬達,仍有相同的性能。 本紙張尺度追用中园國家標隼{ CMS ) A4規格(210X297公釐) _ 14- " (ti先閱讀背面之注意事項再功巧木玎} 丁 、-0 Λ17347 at ______B7_ 五、發明説明(12 ) .(5 )本發明之繞組係數0 · 9 9 3和習知技術相同 ,因而在具高能量密度和1省槽數的情況下,可以自動化 機器來完成繞組的工作’亦即,可實現集中式之繞組系統 0 (6 )由於單位磁極相位之槽數Q = 2/7,本發明 之馬達和倍數槽馬達(Q = 2 )具有相同之繞組效率分布 ,因而可形成和習知馬達相同之正弦感應電壓波形。隨即 ,可實現伺服馬達所需之穩定的輸出轉矩。 (7 )鈍齒轉矩波紋度由1 2槽和1 4磁極之最小公 倍數8 4所決定,以使得馬達轉動波紋可簡單地設定在機 械系統之響應頻率範圍之外。 (8 )由於槽數爲偶數,和奇數個槽數的情形相較, 轉子偏心所造嘰之馬達磁電流的不平衡力,組裝精度I軸 承鬆弛,操作精度的變動,磁化狀態或,是永久磁鐵的排列 精度等|皆結構性地具有較小的發生機率。 由此構成之本發明即產生了下述之效能。首先,可製 造出小尺寸表,高輸出及低成本之無刷直流馬達。 本發明中,如圖7A和7 B钓結果所示,考慮增強馬 達能量密度E 之倍數磁極設計與增加驅動放大器電流流 量間的關係,藉由使用可減小電流增加之1 4電極*即可 在不改變驅動放大器電流流量的情況下,實現具高能量密 度的馬達。 再者,藉2槽的使用單位磁極相位之槽數q = 2/7,q<0 . 5),無需一般視爲缺點之鈍齒轉矩的 本纸乐尺皮追扣中囤國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐)_ 15- (誚先閱誚背面之注意事項再填β本頁)
11T 417347 A7 _B7__ 五、發明説明(13 ) (誚先閱讀背面之注^^項再械朽本页) 抑制手段(尤其,永久磁鐵邊緣的細薄化,定子的預備* 或永久磁鐵的偏角),馬達仍有優異的性能。並且藉由具 小尺寸及最佳繞組工作效能之集中式繞組系統,以及大量 之生產性,可降低生產的成本。 附加的優點和改良可確實地再本發明的技術中實現。 因而, 本發明之更廣泛的應用方向並不限於此處所述之具代 表性及較佳的實施例。據此,在不偏離以下所附之申請專 利範圍和其等效物所定義之一般發明觀念的精神或範圍下 ,即可實現多樣化的改良。 本紙张尺戾述中®國家標準(CNS ) Α4規格(2ΙΟΧ297公麓).16-