TWI401862B

TWI401862B - 馬達及電子裝置

Info

Publication number: TWI401862B
Application number: TW099123347A
Authority: TW
Inventors: Mi Ching Tsai; Yu Sheng Hsu; Te Min Kuo; Liang Yi Hsu; Shang Hsun Mao
Original assignee: Univ Nat Cheng Kung
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2013-07-11
Also published as: TW201203794A

Description

馬達及電子裝置

本發明係關於一種馬達，特別關於一種馬達及使用該馬達之電子裝置。

由於石化燃料的持續使用，導致廢氣的排放量愈來愈多，使得地球的溫室效應愈來愈明顯，也造成全球的氣候異常，因此，許多廠商已逐漸開發以替代能源(例如電能)來代替石化燃料的電動載具，例如，電動汽車、電動機車、電動腳踏車等，這些將成為未來最普遍使用的交通工具之一。

電動載具係以電能來驅動馬達，進而帶動輪胎轉動，以達到移動的目的，因此，馬達的選用為相當重要的考慮因素。傳統的永磁馬達，無論是有刷馬達或是無刷馬達，大部份是採用徑向磁通結構或是軸向磁通結構。

請參照圖1A所示，其為一種習知的徑向磁通馬達1a之結構示意圖。徑向磁通的意思為馬達之定子線圈產生磁力線的方向係垂直於馬達的軸心方向。由於徑向磁通馬達的內部同時存在磁石與大量的導磁材料，但是，在磁石與導磁材料之間的磁路(magnetic circuit)設計上受限於轉子矽鋼片的結構，因此，常會有漏磁現象發生，致使馬達的轉矩密度受到了限制，無法提供較大的扭力輸出。

再者，如圖1B所示，其為一種習知的軸向磁通馬達1b之結構示意圖。軸向磁通的意思為馬達之定子線圈產生磁力線的方向係平行於馬達的軸心方向。軸向磁通馬達因使用較少的導磁材料，所以，磁頓轉的現象較不明顯。但是，其扁平化的結構設計於轉動時，卻容易產生偏擺現象，造成馬達軸心與軸承壽命縮短。

此外，習知另一種永磁馬達係具有橫向磁通結構，橫向磁通的馬達在磁路設計上可實現三維磁通結構。而三維磁通馬達具有較高轉矩密度及較少漏磁現象的優點，比較適合使用於低轉速、高轉矩之電動載具上。

請參照圖1C所示，其為橫向磁通馬達之單相定子單元與轉子單元之磁力線的路徑示意圖。其中，箭頭A的方向顯示為磁力線之路徑。橫向磁通馬達包括一定子單元1與一轉子單元2。定子單元1包括二定子鐵心11、一線圈12、一繞線鐵心13，而轉子單元2包括一轉子鐵心21及二永久磁石22。其中，線圈12設置於二定子鐵心11之間。另外，轉子鐵心21係與定子鐵心11相對設置，且二永久磁石22分別設置於二定子鐵心11與二轉子鐵心21之間。

然而，為了實現橫向磁通馬達之三維磁通結構，必須於定子鐵心11與轉子鐵心21之間分別設置一永久磁石22，以導引磁力線，使馬達具有三維磁通的結構。但是，當定子鐵心11之線圈12未驅動時，磁石22的磁力將干擾鄰設之定子單元1及轉子單元2的磁通，使得馬達的整體效率降低。此外，這樣的設計也增加馬達的體積及重量。

因此，如何提供一種馬達及電子裝置，可避免磁漏現象而提升馬達效率，並可縮小馬達的體積及重量，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可避免磁漏現象而提升馬達效率，並可縮小馬達的體積及重量之馬達及電子裝置。

為達上述目的，依據本發明之一種馬達包括至少一定子單元以及至少一轉子單元。定子單元具有一線圈及複數導磁元件，該等導磁元件環設於該線圈。轉子單元環設於定子單元，並具有至少一磁性元件，該等導磁元件設置於線圈與轉子單元之間，磁性元件環設該等導磁元件。

在本發明之一實施例中，定子單元更具有二定子鐵心，線圈係設置於該等定子鐵心之間，該等導磁元件係環設於該等定子鐵心。

在本發明之一實施例中，該等定子鐵心具有複數凹槽，該等導磁元件分別設置於該等凹槽。

在本發明之一實施例中，定子單元更具有一繞線鐵心，該等定子鐵心及線圈係環設於繞線鐵心。

在本發明之一實施例中，轉子單元更具有至少二轉子鐵心，該等轉子鐵心分別與該等定子鐵心相對設置，磁性元件設置於該等轉子鐵心之間，並與線圈相對設置。

在本發明之一實施例中，當馬達具有複數定子單元時，該等定子單元係相疊且於徑向上錯位設置。

在本發明之一實施例中，當馬達具有複數轉子單元時，該等轉子單元係為相疊設置。

在本發明之一實施例中，馬達更包括一控制電路，控制電路同時驅動該等定子單元之該等線圈的其中之二。

在本發明之一實施例中，馬達更包括一軸心及一殼體。軸心穿設於定子單元及轉子單元。殼體與轉子單元連接。

為達上述目的，依據本發明之一種電子裝置包括一作動單元以及一馬達。馬達係驅動作動單元，並包括至少一定子單元、至少一轉子單元、一殼體及一軸心。定子單元具有一線圈及複數導磁元件，該等導磁元件環設於該線圈。轉子單元環設於定子單元，並具有至少一磁性元件，該等導磁元件分別設置於線圈與轉子單元之間，磁性元件環設該等導磁元件。軸心係穿設於定子單元及轉子單元。殼體與轉子單元連接。

承上所述，因依據本發明之馬達及電子裝置的轉子單元係環設於定子單元，定子單元的導磁元件環設於線圈，並設置於線圈與轉子單元之間，而磁性元件係環設該等導磁元件。藉此，可因導磁元件的設置使磁性元件磁通得到導引並形成一磁路，而避免磁漏現象而干擾鄰設之定子單元及轉子單元的磁通，因而可提升馬達的效率。另外，在本發明之一實施例中，磁性元件係設置於該等轉子鐵心之間，並與線圈相對設置，使馬達之轉子單元與定子單元形成三維磁路的結構，使馬達具有較高轉矩密度。此外，磁性元件係設置於二轉子鐵心之間，與習知永久磁石分別設置於定子鐵心與轉子鐵心之間相較，本發明之馬達及電子裝置除具有較少磁性元件的使用外，也可縮小馬達的體積及重量，使電子裝置輕量化。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種馬達及電子裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖2A及圖2B所示，其分別為本發明較佳實施例之一種馬達3之分解示意圖及組合示意圖。馬達3包括至少一定子單元31及至少一轉子單元32。為了清楚說明馬達3的結構，圖2A與圖2B係以一定子單元與一轉子單元(即單相)為例。當然，實際應用時，可使用多組定子單元與轉子單元，並配合多相控制而組成一馬達。本發明之馬達3可應用於驅動電動設備，例如電動汽車、電動機車、或電動腳踏車的驅動上，或是使用於具有低轉速，但高轉矩的動力應用上。

定子單元31具有二定子鐵心311及一線圈312，而線圈312係設置於定子鐵心311之間。於此，二定子鐵心311平行設置，並夾置線圈312為例。定子鐵心311包含導磁材料，例如軟磁複合材料(soft magnetic composite,SMC)，其材料可選自純鐵、鎳、鈷金屬、鐵鎳合金、鐵鎳鉬合金、鐵鋁合金、鐵基非晶合金、鐵基奈米晶合金、軟磁鐵氧體經過粉碎後製成的粉末及其組合。

定子單元31更可具有複數導磁元件313，導磁元件313係環設於線圈312。另外，導磁元件313亦環設於該等定子鐵心311，並分別設置於線圈312與轉子單元32之間。定子鐵心311可具有複數凹槽G，導磁元件313係分別設置於該等凹槽G內。在本實施例中，定子單元31更具有複數第一支持元件314，第一支持元件314分別設置於凹槽G內，且導磁元件313係分別固定於第一支持元件314。為了清楚說明導磁元件313之位置，圖2B並未顯示第一支持元件314。

另外，定子單元31更可具有一繞線鐵心315，而定子鐵心311及線圈312係環設於繞線鐵心315。換言之，繞線鐵心315係設置於定子鐵心311與線圈312之中間部分。為了清楚說明定子單元31的組合結構，圖2B並未顯示繞線鐵心315。

轉子單元32係環設於定子單元31。轉子單元32具有至少二轉子鐵心321及至少一磁性元件322。於此，係以轉子單元32具有複數轉子鐵心321及複數磁性元件322，而且，每一磁性元件322係分別設置於二轉子鐵心321之間為例。另外，磁性元件322係環設於導磁元件313。

其中，轉子單元32更可具有二第二支持元件323。第二支持元件323的設置目的是為了固定轉子鐵心321及磁性元件322，並使其設置於定子單元31之定子鐵心311之外緣，且使得二轉子鐵心321夾置一磁性元件322。不過，為了清楚說明轉子鐵心321與磁性元件322之相對位置，圖2B並未顯示第二支持元件323。另外，轉子鐵心321係分別與定子鐵心311相對設置，而磁性元件322係與線圈312相對設置。其中，轉子鐵心321亦可包含導磁材料。導磁材料例如可為軟磁複合材料。另外，磁性元件322係為永久磁石。

特別說明的是，為了清楚定子單元31、轉子單元32與軸心33之間的連結關係，圖2A係顯示軸心33。但是，軸心33並不包括於轉子單元32內。

請參照圖2C及圖2D的所示，以更清楚顯示馬達3之定子單元31與轉子單元32的結構及其三維磁通。其中，圖2C為圖2B之前視圖，而圖2D為圖2C中，直線C-C的剖面示意圖。圖2D之箭頭B的方向顯示定子單元31之線圈312未驅動時，轉子鐵心321、磁性元件322及導磁元件313的磁路。

如圖2D所示，此時，馬達3的磁通係由轉子鐵心321、磁性元件322，再穿過轉子鐵心321後，由導磁元件313再導引至轉子鐵心321。因此，磁性元件322的磁力將不會干擾鄰設之定子單元及轉子單元的三維磁路。

請參照圖3A及圖3B示，以說明本發明之馬達具有複數定子單元及複數轉子單元時的結構。其中，圖3A及圖3B之馬達4係分別具有三組定子單元41與三組轉子單元42為例。而圖3A及圖3B的定子單元41係省略了繞線鐵心及第一支持元件，而轉子單元42係省略了第二支持元件。

當馬達4具有複數定子單元41時，該等定子單元41係為相疊，且於徑向上係為錯位設置。於此，二定子單元41相疊設置時，彼此係相差一電氣角度，在實施上可藉由各相的繞線鐵心之內壁具有一凹槽，而軸心上對應於該等凹槽處設置有凸槽，且凸槽錯位設置，藉由凹槽與凸槽的配合可讓繞線鐵心固定於軸心，且錯位設置。錯位設置的目的是為了使馬達4可順利啟動而不會有啟動死角。另外，當馬達4具有複數轉子單元42時，該等轉子單元42係為相疊設置，但並不需錯位。因此，使用者可視需要，將單相之定子單元41與轉子單元42組裝並模組化後，再組裝成所需相數之馬達(例如三相馬達)，提升產品適用性。

另外，馬達4更可包括一控制電路(圖未顯示)，控制電路可同時驅動定子單元41之線圈412的其中之二。換言之，控制單元係可同時驅動馬達4的二相線圈。當然，控制電路也可具有其它的驅動方式，於此。並不加以限制。

請參照圖3C及圖3D所示，圖3C為圖3B之前視圖，而圖3D為圖3C中，直線D-D的剖面示意圖。其中，圖3D箭頭E的方向顯示為定子單元41與轉子單元42之磁路。

在本實施例中，同一時間點，控制電路係同時驅動二相的定子單元41之線圈412，使二相的定子單元41及轉子單元42分別產生三維磁通。於此，控制電路係同時驅動圖3C之上、下二相之定子單元41之線圈412，但中間相位之定子單元41的線圈412不被驅動。因此，可看出，上、下二相之定子單元41與轉子單元42係具有三線之磁通，而中間相位之定子單元41與轉子單元42並沒有。

因此，如上所述，中間相位之轉子單元42之磁性元件422的磁力，將被導磁元件413所導引，使不被控制單元驅動之轉子單元42(例如圖3C中間相位轉子單元42)之磁性元件422的磁力線，可經由導磁元件413的導引而構成閉合磁路(closed magnetic circuit)，因而可避免磁性元件422的漏磁而造成相鄰相位的磁性干擾因而可提升馬達4的輸出效率。

另外，請參照圖4所示，其為本發明之馬達4組裝完成的示意圖。馬達4更可包括一軸心43、一殼體44及二外蓋45。其中，二外蓋45係夾置定子單元41及轉子單元42，而軸心43係穿設定子單元41、轉子單元42以及二外蓋45，且於軸心43與外蓋45之間設有軸承(bearing)。另外，殼體44係分別與轉子單元42及二外蓋45連接。

當控制電路驅動定子單元41之線圈412時，產生之三維磁路係推動轉子單元42轉動，而轉子單元42又帶動與其連結之殼體44與外蓋45轉動。另外，軸心43係固定於定子單元41。

另外，請參照圖5所示，其為本發明之一種電子裝置5的示意圖。電子裝置5包括一作動單元6以及一馬達7。電子裝置5例如可為一電動載具或其它電動裝置，例如電動汽車、電動機車、或電動腳踏車，或是電子玩具、電子設備等。於此，電子裝置5係以一電動機車為例，然並不以此為限。

在本實施例中，除了馬達7外，其餘的元件均可視為本發明之作動單元6，包含輪胎、支架及其它。馬達7係驅動作動單元6。換言之，當馬達7轉動時，可同時驅動作動單元6作動。

馬達7包括至少一定子單元、至少一轉子單元。定子單元具有二定子鐵心及一線圈，線圈設置於該等定子鐵心之間。轉子單元係環設於定子單元，轉子單元具有至少二轉子鐵心及至少一磁性元件，磁性元件設置於該等轉子鐵心之間，並與線圈相對設置，該等轉子鐵心分別與該等定子鐵心相對設置。

馬達7更可包括一軸心、一殼體及二外蓋75。其中，軸心係與一車架61連接，殼體係連接轉子單元、外蓋75及輪胎62。當馬達7轉動時，可驅動作動單元6之輪胎62作動而使電子裝置5移動。

此外，馬達7的元件與馬達4之相同元件具有相同的技術特徵，於此不再贅述。

綜上所述，因依據本發明之馬達及電子裝置的轉子單元係環設於定子單元，定子單元的導磁元件環設於線圈，並分別設置於線圈與轉子單元之間，而磁性元件係環設該等導磁元件。藉此，可因導磁元件的設置使磁性元件不會有磁漏現象而干擾鄰設之定子單元及轉子單元的磁通，因而可提升馬達的效率。另外，在本發明之一實施例中，磁性元件係設置於該等轉子鐵心之間，並與線圈相對設置，使馬達之轉子單元與定子單元形成三維磁路的結構，使馬達具有較高轉矩密度。此外，磁性元件係設置於二轉子鐵心之間，與習知永久磁石分別設置於定子鐵心與轉子鐵心之間相較，本發明之馬達及電子裝置除具有較少磁性元件的使用外，也可縮小馬達的體積及重量，使電子裝置輕量化。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、31、41‧‧‧定子單元

1a、1b、3、4、7‧‧‧馬達

11、311、411‧‧‧定子鐵心

12、312、412‧‧‧線圈

13、315‧‧‧繞線鐵心

2、32、42‧‧‧轉子單元

21、321、421‧‧‧轉子鐵心

22‧‧‧磁石

313、413‧‧‧導磁元件

314‧‧‧第一支持元件

322、422‧‧‧磁性元件

323‧‧‧第二支持元件

33、43‧‧‧軸心

44‧‧‧殼體

45、75‧‧‧外蓋

5‧‧‧電子裝置

6‧‧‧作動單元

61‧‧‧車架

62‧‧‧輪胎

A、B、E‧‧‧方向

C-C、D-D‧‧‧直線

G‧‧‧凹槽

圖1A及圖1B分別為一種習知的馬達結構示意圖；

圖1C為橫向磁通馬達單相之磁力線的路徑示意圖；

圖2A及圖2B分別為本發明較佳實施例之一種馬達之分解示意圖及組合示意圖；

圖2C為圖2B之前視圖；

圖2D為圖2C中，直線C-C的剖面示意圖；

圖3A及圖3B分別為本發明另一態樣之馬達的分解示意圖及組合示意圖；

圖3C為圖3B之前視圖；

圖3D為圖3C中，直線D-D的剖面示意圖；

圖4為本發明之馬達組裝完成之示意圖；以及

圖5為本發明之一種電子裝置的示意圖。

3．．．馬達

31．．．定子單元

311．．．定子鐵心

312．．．線圈

313．．．導磁元件

314．．．第一支持元件

315．．．繞線鐵心

32．．．轉子單元

321．．．轉子鐵心

322．．．磁性元件

323．．．第二支持元件

33．．．軸心

G．．．凹槽

Claims

一種馬達，包括：至少一定子單元，具有一線圈及複數導磁元件，該等導磁元件環設於該線圈；以及至少一轉子單元，環設於該定子單元，並具有至少一磁性元件，該等導磁元件設置於該線圈與該轉子單元之間，該磁性元件環設該等導磁元件，其中當該馬達具有複數定子單元時，該等定子單元係相疊且於徑向上錯位設置，當該馬達具有複數轉子單元時，該等轉子單元係為相疊設置。
如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該定子單元更具有二定子鐵心，該線圈係設置於該等定子鐵心之間，該等導磁元件係環設於該等定子鐵心。
如申請專利範圍第2項所述之馬達，其中該等定子鐵心具有複數凹槽，該等導磁元件分別設置於該等凹槽。
如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該定子單元更具有一繞線鐵心，該線圈係環設於該繞線鐵心。
如申請專利範圍第2項所述之馬達，其中該轉子單元更具有至少二轉子鐵心，該等轉子鐵心分別與該等定子鐵心相對設置，該磁性元件設置於該等轉子鐵心之間，並與該線圈相對設置。
如申請專利範圍第1項所述之馬達，更包括：一控制電路，同時驅動該等定子單元之該等線圈的其中之二。
如申請專利範圍第1項所述之馬達，更包括：一軸心，穿設於該定子單元及該轉子單元；及一殼體，與該轉子單元連接。
一種電子裝置，包括：一作動單元；以及一馬達，係驅動該作動單元，包括：至少一定子單元，具有一線圈及複數導磁元件，該等導磁元件環設於該線圈；至少一轉子單元，環設於該定子單元，並具有至少一磁性元件，該等導磁元件分別設置於該線圈與該轉子單元之間，該磁性元件環設該等導磁元件，其中當該馬達具有複數定子單元時，該等定子單元係相疊且於徑向上錯位設置，當該馬達具有複數轉子單元時，該等轉子單元係為相疊設置；一軸心，係穿設於該定子單元及該轉子單元；及一殼體，與該轉子單元連接。