TWI388108B - 具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構 - Google Patents

Description

具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構

本發明係有關一種具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構，尤指一種具有可調軸向場磁通之薄型馬達構造，不需調整氣隙大小，卻可改變氣隙磁通密度，只需在磁鐵外圈以軟磁複合材料包圍，軟磁複合材料外圈再繞線圈，調整線圈激磁電流即可改變場磁通強度，同樣能達到氣隙磁通密度改變的效果。

請參閱圖一、二所示，習知技術馬達輸出效能可經由馬達內部機構設計來改變氣隙寬度，達到高轉速低扭力或是低轉速高扭力之特性，其主要結構為一馬達定子1上設置有一馬達繞線11，而一馬達轉子2上設置有一永久磁鐵21，當氣隙磁通密度降低時，氣隙變大，可增加馬達轉速；反之，氣隙變小，可增加馬達扭力。或是使用弱磁控制法與相位超前法，使用電流相位控制方式將馬達定子1以反向磁通方式強迫壓抑磁鐵磁通，有效增加馬達額定轉速。另外，由機構調整氣隙幾何長度則需要設計複雜機構，對抗馬達轉子2正向力，才能有效拉開馬達定、轉子(1、2)間隙；而長期使用電流相位控制之弱磁控制法與相位超前法，將會導致永久磁鐵21退磁，造成馬達損壞。

第一習知技術於中華民國專利第I303122號係提供一般電子產品之超薄型馬達結構，藉此提高馬達的組裝性與量產性，解決了傳統徑向氣隙馬達因堆疊導磁材料阻礙馬達體積薄化設計的問題。

第二習知技術於馬達內部機構設計方面，中華民國專利第I253800號則是設計一種具有行星齒輪系的直流無刷馬達，根據不同齒輪比切換關係作為馬達扭力增減之用。

第三習知技術於中華民國專利第I306324號，利用控制器控制行星齒輪來改變馬達之氣隙大小，達到扭力改變之目的。

第四習知技術於以馬達控制方法來改變輸出特性方面，中華民國專利第401923號提出變結構馬達之電子式兩段變速電動車動力控制裝置，需要高扭力時切換為串聯繞組，高轉速時切換為並聯繞組，根據馬達輸出特性之要求，切換其內部繞組，改變速度與扭力。

第五習知技術於中華民國專利第483231號，則是提出依轉速調整換相時機之無刷直流馬達控制方法，藉由改變馬達電流相位，產生相位超前與弱磁控制的效果，不需更改馬達本體與相關驅動設備，即可大幅提升馬達額定轉速之功效。

第五習知技術於美國專利方面，US 6974399 B2針對輪轂馬達設計變速機構，將行星齒輪組裝置於馬達內部，並利用單向離合器做齒輪切換，達到馬達扭力/轉速輸出變化的效果，該行星齒輪系統機構可改善傳動效率，讓馬達變速更平順。

第六習知技術於US 6404097 B1則是提出氣隙自動調整機構來改變馬達輸出特性，當馬達高速運轉時，根據離心力原理，該機構會自動鬆開，使得氣隙變大，反之，當低速運轉時，離心力作用消失，其機構又會恢復原始位置，使得馬達氣隙變小，扭力變大。

第七習知技術於US 7468568 B2設計軸向磁通輪轂馬達，輪圈可直接駁輪胎形成車輪，並且提出可變氣隙的機構應用，利用馬達內部齒輪間的聯結關係，使氣隙可以被調整，並裝置於機車後輪，直接驅動機車。

於前述國內、外專利中，在一般電子產品之薄型馬達設計方面，由於其線圈皆為微奈米尺寸，只能適用於小功率馬達，無法承受一般馬達所需之電流負載，而且定子部分並無背鐵設計，馬達能夠提供的扭力有限。而在一般馬達變速機構方面，除了複雜設計之外，還必須定時維修內部齒輪組及其傳動機構，增加維修成本，若以電流相位調整換相時機進行弱磁控制，也必須承擔馬達長時間高速運轉，造成磁鐵退磁之風險，上述的缺失正有待改進。

本發明為解決上述存在問題，設計具有可調軸向場磁通之薄型馬達構造，不需另外設計傳動機構，即可調整磁通強度，改變氣隙磁通密度，達到變速效果，還能防止磁鐵退磁，避免馬達故障的問題發生。

基於解決以上所述習知技術的缺失，本發明為一種具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構架構，主要目的為軸向場磁通之薄形馬達包含一永久磁石，故存在永久磁力。選擇以磁性較弱之永久磁石作為馬達磁場，由於其電機特性之故，馬達之扭力常數與電壓常數為固定值，旋轉電機的工作範圍亦為固定範圍，若藉由弱磁控制長時間操作於工作範圍外，容易造成旋轉電機過熱和效率過低等問題，本發明亦以同樣規格之永久磁石作為製造永久磁場，但在永久磁石側邊環繞銅線、銅板或其他可導電材料，並透過電刷或是其他可導電材料，將直流電流導入永久磁石側邊環繞的導電材料中，使導電材料通電，形成電磁場，可加強永久磁石的磁場強度，並延伸工作範圍，使此旋轉電機可同時兼顧高速低扭力與低速高扭力的特性。

為連上述目的，本發明為一種具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構，其係包括有：一馬達定子，包括有一馬達繞線及一環狀導電材料；一馬達轉子，包括有一永久磁鐵、一導電材料、至少一軟磁材料及一對電刷；該馬達繞線於馬達定子上，且馬達定子與該永久磁鐵存在一氣隙距離，該永久磁鐵裝置於該馬達轉子之上，而該導電材料裝置於該永久磁鐵側邊，並環繞該永久磁鐵，該導電材料分為上、下兩層，而中間的空隙部分則填充該軟磁材料，且該電刷與該導電材料連接，轉子的一對電刷緊貼著該環狀導電材料，該環狀導電材料固定於馬達定子上；以及藉由上述結構，透過該導電材料通過電流產生磁場，增加磁鐵之軸向磁通、增加扭力及防止磁鐵退磁。

較佳者，該永久磁鐵之材料係指銣鐵錋永久磁鐵、鋁鎳鈷磁鐵、釤鈷磁鐵、氧化鐵燒結磁鐵等具有永久磁性之材料。

較佳者，該導電材料可為一件或複數件銅線和一件或複數件銅板所構成。

較佳者，該導電材料所需的直流電流，係透過一對電刷與環狀導電材料的直接接觸以傳遞電流。

較佳者，該導電材料的表面更係塗佈或鍍上一絕緣材質。

為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對　貴審查委員於審查工作有所助益。

茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於　貴審委做一瞭解。

請參閱圖三至圖八所示，本發明具體結構為兩大部份：一馬達定子3，包括有一馬達繞線31及一環狀導電材料32；一馬達轉子4，包括有一永久磁鐵41、一導電材料42、至少一軟磁材料43及一對電刷44；，馬達繞線31於馬達定子3上，馬達定子3與永久磁鐵41存在一氣隙距離，永久磁鐵41裝置於馬達轉子4之上，而導電材料42裝置於永久磁鐵41側邊，並環繞永久磁鐵41，導電材料42分為上、下兩層，而中間的空隙部分則填充軟磁材料43，外加電流會通過導電材料42，並受電流影響產生磁場，而軟磁材料43將提供磁力線的傳遞通道，此磁場之磁力線會經由永久磁鐵41，在經過馬達氣隙距離到達馬達定子3，與馬達繞線31所產生的磁場產生交互作用，使磁力增加，提升其輸出扭力，其中電刷44與導電材料42連接，當馬達轉子4轉動時，而馬達轉子4的一對電刷44將緊貼著環狀導電材料32，此環狀導電材料32將固定於馬達定子3上，並不會轉動，上述導電材料42所需的直流電流，係透過一對電刷44與環狀導電材料32的直接接觸以傳遞電流，輸入直流電流達到改變氣隙磁通的目的。

上述該永久磁鐵41之材料係指銣鐵錋永久磁鐵、鋁鎳鈷磁鐵、釤鈷磁鐵、氧化鐵燒結磁鐵等具有永久磁性之材料。

上述該導電材料42可為一件或複數件銅線和一件或複數件銅板所構成，且該導電材料42的表面更係塗佈或鍍上一絕緣材質。

藉由上述圖三至圖八的揭露，即可瞭解本發明為一種具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構架構，軸向場磁通之薄形馬達包含一永久磁石，故存在永久磁力。選擇以磁性較弱之永久磁石作為馬達磁場，由於其電機特性之故，馬達之扭力常數與電壓常數為固定值，旋轉電機的工作範圍亦為固定範圍，若藉由弱磁控制長時間操作於工作範圍外，容易造成旋轉電機過熱和效率過低等問題，本發明亦 以同樣規格之永久磁石作為製造永久磁場，但在永久磁石側邊環繞銅線、銅板或其他可導電材料，並透過電刷或是其他可導電材料，將直流電流導入永久磁石側邊環繞的導電材料中，使導電材料通電，形成電磁場，可加強永久磁石的磁場強度，並延伸工作範圍，使此旋轉電機可同時兼顧高速低扭力與低速高扭力的特性，同時不會造成磁鐵退磁之風險，於薄型馬達的製造領域中，具有極高的商業價值，故提出專利申請以尋求保護。

綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深賦實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明專利之要件。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1．．．馬達定子

11．．．馬達繞線

2．．．馬達轉子

21．．．永久磁鐵

3．．．馬達定子

31．．．馬達繞線

32．．．環狀導電材料

4．．．馬達轉子

41．．．永久磁鐵

42．．．導電材料

43．．．軟磁材料

44．．．電刷

圖一　係為習知軸向磁通永磁馬達之立體結構示意圖；

圖二　係為習知軸向磁通永磁馬達之立體分解結構示意圖；

圖三　係為本發明之軸向磁通永磁馬達之立體結構示意圖；

圖四　係為本發明之軸向磁通永磁馬達之立體分解結構示意圖；

圖五　係為本發明之導電材料之立體結構示意圖；

圖六　係為本發明之導電材料與軟磁材料之立體結構示意圖；

圖七　係為本發明之軸向磁通永磁馬達之剖面結構示意圖；

圖八　係為本發明之可變磁通直流導電結構示意圖。

3．．．馬達定子

31．．．馬達繞線

32．．．環狀導電材料

4．．．馬達轉子

41．．．永久磁鐵

42．．．導電材料

43．．．軟磁材料

44．．．電刷

Claims (5)

1. 一種具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構，其係包括有：一馬達定子，包括有一馬達繞線及一環狀導電材料；一馬達轉子，包括有一永久磁鐵、一導電材料、至少一軟磁材料及一對電刷；該馬達繞線於馬達定子上，且馬達定子與該永久磁鐵存在一氣隙距離，該永久磁鐵裝置於該馬達轉子之上，而該導電材料裝置於該永久磁鐵側邊，並環繞該永久磁鐵，該導電材料分為上、下兩層，而中間的空隙部分則填充該軟磁材料，且該電刷與該導電材料連接，當馬達轉子轉動時，馬達轉子的一對電刷緊貼著該環狀導電材料，該環狀導電材料固定於馬達定子上；以及藉由上述結構，透過該導電材料通過電流產生磁場，增加磁鐵之軸向磁通、增加扭力及防止磁鐵退磁。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構，其中該永久磁鐵之材料係指銣鐵錋永久磁鐵、鋁鎳鈷磁鐵、釤鈷磁鐵、氧化鐵燒結磁鐵等具有永久磁性之材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構，其中該導電材料可為一件或複數件銅線和一件或複數件銅板所構成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構，其中該導電材料所需的直流電流，係透過一對電刷與環狀導電材料的直接接觸以傳遞電流。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有可調軸向場磁通之薄型馬達結構，其中該導電材料的表面更係塗佈或鍍上一絕緣材質。