TWI441417B - 風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，尤指一種提供一磁石馬達轉子結構設計，可以有效解決習知結構的三個缺點：降低馬達的耗功損耗以提升馬達效率、減少磁石材料使用量以降低成本、減少馬達反應電動勢以提高馬達轉速，以達到風扇及空調機功效的提升的目的。
直流電動機(DC Motor)的好處為在控速方面比較簡單，只須控制電壓大小已可控制共轉速，但此類電動機不宜在高溫、易燃等環境下操作，而且由於電動機中需要以碳刷作為電流變換器(Commutator)的部件(有刷馬達)，所以需要定期清理炭刷磨擦所產生的污物。無碳刷之馬達稱為無刷馬達，相對於有刷，無刷馬達因為少了碳刷與軸的摩擦因此較省電也比較安靜。製作難度較高、價格也較高。
變頻空調機的冷媒循環系統，如圖1所示，一空調機包括有一蒸發器11、一冷凝器12、一膨脹裝置13、二風扇14及一壓縮機15，的室內側及室外側各有一個風扇14，由於變頻空調機的壓縮機15使用直流磁石馬達，所以若將空調機的風扇14也由定頻馬達，改為直流磁石馬達來達到具有變頻的功能，因為已有現成的直流電源控制器(圖中未示)，所以並不會增加額外成本，卻可大幅提升風扇14
及空調機的功能及效率。
目前的空調機所使用的風扇馬達，已由傳統的定頻感應馬達，改為直流磁石馬達。直流磁石馬達具有體積小、效率高的優點。風扇馬達因為需要的功率不大，馬達的外徑尺寸也較小，一般都以圓弧形磁石的設計，置於馬達轉子的外徑位置，作為風扇馬達轉子的結構設計。
請參閱圖二及圖四所示，係為習知磁石馬達轉子結構圖，其包括有複數個堆疊轉子矽鋼片22，該些轉子矽鋼片22中心處可容置一轉子心軸21，該轉子心軸21為馬達驅動之傳動件。且該些轉子矽鋼片22具有複數個固定孔23，可供螺絲或鉚釘穿置，以供該些轉子矽鋼片22及配合前後二片固定蓋26形成固定狀態。而該些轉子矽鋼片22設置有四個容置孔25，該四容置孔25可供四個圓弧狀磁石24來做為轉子之磁極，該四個圓弧狀磁石24的弧角皆為接近90度，此習知設計結構具有一些缺點，包括有：1、馬達有較大的功率損失。2、需要使用較多的高單價磁石材料。3、在相同的馬達負載條件下，會有較高的馬達反應電動勢，降低馬達的最大轉速範圍。本發明的轉子結構正為針對上述缺點改進之改良結構。
基於解決以上所述習知技術的缺失，本發明為一種風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，主要目的為提供一磁石馬達轉子結構設計，可以有效解決習知結構的三個缺點：降低馬達的耗功損耗以提升馬達效率、減少磁石材料
使用量以降低成本、減少馬達反應電動勢以提高馬達轉速，以達到風扇及空調機功效的提升的目的。
為達上述目的，本發明為一種風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，於一風扇直流馬達轉子上具有複數個磁極，且每一個磁極皆由一圓弧狀磁石所構成，每一個圓弧狀磁石以其圓弧外緣二端點做為圓弧狀磁石角度，且該圓弧狀磁石之二端點至轉子心軸中心點所形成二切線所夾合角度稱之磁石抱合角度，該些圓弧狀磁石的設計結構原則如下：磁石抱合角度比值=(圓弧狀磁石角度)÷(360度/磁極數量)；圓弧狀磁石設計範圍為：0.6≦磁石抱合角度比值≦0.8。
較佳者，該圓弧狀磁石之中心處較圓弧狀磁石之二端點為厚。
較佳者，該風扇直流馬達結構為四個磁極時，其水平切線與垂直切線形成九十度弧角，該圓弧狀磁石之外徑延伸至內徑之切線與相鄰之該水平切線或該垂直切線之夾角係大於四十五度。
較佳者，該風扇直流馬達轉子主體係由複數個轉子矽鋼片所構成。
較佳者，該些轉子矽鋼片具有複數個固定孔，可供螺絲或鉚釘穿置，以供該些轉子矽鋼片形成固定狀態。
較佳者，該些轉子矽鋼片外緣至圓弧狀磁石之外徑的距離，必須為氣隙距離的二倍以上，該氣隙距離係為轉子
與定子之間隙。
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。
請參閱圖三及圖五所示，係為係為本發明之磁石馬達轉子第一實施結構圖，其包括有複數個堆疊轉子矽鋼片32，該些轉子矽鋼片32中心處可容置一轉子心軸31，該轉子心軸31為馬達驅動之傳動件。且該些轉子矽鋼片32具有複數個固定孔33，可供螺絲或鉚釘穿置，以供該些複數轉子矽鋼片32及配合前後二片固定蓋36形成固定狀態。而該些轉子矽鋼片32設置有四個容置孔35，該四容置孔35可設置四個圓弧狀磁石34來做為轉子之磁極，於一風扇直流馬達轉子上具有複數個磁極，且每一個磁極皆由一圓弧狀磁石34所構成，每一個圓弧狀磁石34以其圓弧外緣二端點做為圓弧狀磁石34角度，且該圓弧狀磁石34之二端點至轉子心軸31之中心點所形成二切線所夾合角度稱之磁石抱合角度40，該些圓弧狀磁石的設計結構原則如下：磁石抱合角度比值=(圓弧狀磁石角度)÷(360度/磁極數量)；圓弧狀磁石設計範圍為：0.6≦磁石抱合角度比值≦0.8。
以四個磁極來舉例，磁抱合角度=圓弧狀磁石角度÷90度
若要符合0.6≦磁石抱合角度比值≦0.8的原則
那麼圓弧狀磁石角度範圍必須設定為72度至54度之間，而經實驗數據看來，具有下列的優點：
1、改善先前之問題，增進風扇馬達之功能及效率。
(1)可降低馬達的功率損耗(鐵損)，提高馬達效率。
(2)可減少高單價磁石材料的使用量，節省製造成本。
(3)在相同的馬達負載條件下，可減少馬達反應電動勢的電壓值，藉以提高馬達的最大轉速範圍。
2、增進風扇及空調機的功效。
3、本發明可應用於各種較小功率的直流磁石馬達之商品。
除了上述的設計原則外，本發明更具有下列設計結構，可使本案的直流馬達特性更好：
(1)該些圓弧狀磁石(41、42、43、44)之中心處(圖號為T)較圓弧狀磁石之二端點(圖號為t)為厚，(如：圖六至圖九)，利用此一結構，可使磁力線的分佈更佳，達到馬達最佳化目的。
(2)請參閱圖三所示，該風扇直流馬達結構為四個磁極時，其水平切線38與垂直切線39形成九十度弧角，該圓弧狀磁石34之外徑延伸至內徑之切線與相鄰之該垂直切線39之夾角係大於四十五度。
(3)請參閱圖三所示，該些轉子矽鋼片32外緣至圓弧狀磁石34之外徑的距離(圖號為S)，必須為氣
隙距離的二倍以上，該氣隙距離係為轉子與定子之間隙。
請參閱圖十所示，係為本發明磁石抱合角度比值比值vs.銅損及鐵損關聯圖，由圖中曲線圖可瞭解在磁石抱合角度比值在0.6至0.8之間時，其銅損、鐵損及總損耗處於較低的區間，因此磁石抱合角度比值在0.6至0.8之間時，可獲得較低的損耗。
請參閱圖十一所示，係為本發明磁石抱合角度比值比值vs.馬達效率值關聯圖，由圖中曲線圖可瞭解在磁石抱合角度比值在0.6至0.8之間時，馬達效率值之三點取樣點皆位於90%以上，亦證明磁石抱合角度比值在0.6至0.8之間時，可獲得較佳的馬達效率值。
請參閱圖十二所示，係為本發明磁石抱合角度比值比值vs.反應電動勢電壓值關聯圖，由圖中曲線圖可瞭解在磁石抱合角度比值在0.6至0.8之間時，反應電動勢電壓值處於175V至195V之較佳區間。
請參閱圖十三所示，係為習知磁石馬達之磁力線圖，其中磁力線51係由一磁極走至相鄰磁極，習知的磁力線52因轉子矽鋼片外緣至圓弧狀磁石之外徑的距離S距離等於0，故形成部份磁力線走捷徑回到原來的磁極，形成無效的磁力線而做虛功，再比對本發明圖十四的磁力線分佈圖，大部份磁力線61亦由一磁極走至相鄰磁極，特別要強調的是，於氣隙區磁力線62因為經由本發明轉子矽鋼片外緣至圓弧狀磁石之外徑的距離S距離大於二倍氣隙距離的關係，幾乎沒有無效磁力線，故能達到較佳的效能。
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。
T‧‧‧圓弧狀磁石之中心處
t‧‧‧圓弧狀磁石之二端點
S‧‧‧轉子矽鋼片外緣至圓弧狀磁石之外徑的距離
11‧‧‧蒸發器
12‧‧‧冷凝器
13‧‧‧膨脹裝置
14‧‧‧風扇
15‧‧‧壓縮機
21、31‧‧‧轉子心軸
22、32‧‧‧轉子矽鋼片
23、33‧‧‧固定孔
24、34‧‧‧圓弧狀磁石
25、35‧‧‧容置孔
26、36‧‧‧固定蓋
37‧‧‧圓弧狀磁石之外徑延伸至內徑之切線所形成的夾角
38‧‧‧水平切線
39‧‧‧垂直切線
40‧‧‧磁石抱合角度
41‧‧‧第一圓弧狀磁石
42‧‧‧第二圓弧狀磁石
43‧‧‧第三圓弧狀磁石
44‧‧‧第四圓弧狀磁石
51、52、61、62‧‧‧磁力線
圖一係為習知變頻空調機的冷媒循環系統圖；圖二係為習知磁石馬達轉子結構圖；圖三係為本發明之磁石馬達轉子第一實施結構圖；圖四係為圖二之立體分解圖；圖五係為圖三之立體分解圖；圖六係為本發明之磁石馬達轉子第二實施結構圖；圖七係為本發明之磁石馬達轉子第三實施結構圖；圖八係為本發明之磁石馬達轉子第四實施結構圖；圖九係為本發明之磁石馬達轉子第五實施結構圖；圖十係為本發明磁石抱合角度比值比值vs.銅損及鐵損關聯圖；圖十一係為本發明磁石抱合角度比值比值vs.馬達效
率值關聯圖；圖十二係為本發明磁石抱合角度比值比值vs.反應電動勢電壓值關聯圖；圖十三係為習知磁石馬達之磁力線圖；圖十四係為本發明磁石馬達之磁力線圖。
31‧‧‧轉子心軸
32‧‧‧轉子矽鋼片
33‧‧‧固定孔
34‧‧‧圓弧狀磁石
37‧‧‧圓弧狀磁石之外徑延伸至內徑之切線所形成的夾角
38‧‧‧水平切線
39‧‧‧垂直切線
40‧‧‧磁石抱合角度
Claims (10)
- 一種風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，於一風扇直流馬達轉子上具有複數個磁極，且每一個磁極皆由一圓弧狀磁石所構成，每一個圓弧狀磁石以其圓弧外緣二端點做為圓弧狀磁石角度，且該圓弧狀磁石之二端點至轉子心軸之中心點所形成二切線所夾合角度稱之磁石抱合角度，該圓弧狀磁石的磁石抱合角度比值為：磁石抱合角度比值=(圓弧狀磁石抱合角度)÷(360度/磁極數量)；且必須符合0.6≦磁石抱合角度比值≦0.8。
- 如申請專利範圍第1項所述之風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，其中該圓弧狀磁石之中心處較圓弧狀磁石之二端點為厚。
- 如申請專利範圍第1項所述之風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，其中該風扇直流馬達結構為四個磁極時，其水平切線與垂直切線形成九十度弧角，該圓弧狀磁石之外徑延伸至內徑之切線與相鄰之垂直切線之夾角係大於四十五度。
- 如申請專利範圍第1項所述之風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，其中該風扇直流馬達轉子主體係由複數個轉子矽鋼片所構成。
- 如申請專利範圍第4項所述之風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，其中該些轉子矽鋼片具有複數個固定孔，可供螺絲或鉚釘穿置，以供該些轉子矽鋼片形成固定狀態。
- 如申請專利範圍第4項所述之風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，其中該些轉子矽鋼片外緣至圓弧狀磁石之外徑的距離，必須為氣隙距離的二倍以上，該氣隙距離係為轉子與定子之間隙。
- 如申請專利範圍第1項所述之風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，其中該風扇直流馬達結構為四個磁極時，該圓弧狀磁石角度範圍為72度至54度之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，其中該磁石轉子包括有複數個堆疊轉子矽鋼片，該複數個堆疊轉子矽鋼片設置有複數個容置孔。
- 如申請專利範圍第8項所述之風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，其中該複數個容置孔與複數圓弧狀磁石相結合。
- 如申請專利範圍第9項所述之風扇直流馬達之圓弧形磁石轉子結構，其中該複數圓弧狀磁石為四個圓弧狀磁石。
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