TWI449302B

TWI449302B - 多極電機

Info

Publication number: TWI449302B
Application number: TW101118146A
Authority: TW
Inventors: Fei Tyh Chuang
Original assignee: Jaguar Prec Industry Co Ltd
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2014-08-11
Also published as: CN103427517B; CN103427517A; TW201349710A

Description

多極電機

本發明係有關一種多極電機，特別是有關於一種定子配置有電樞繞組及/或磁石及/或場繞組，且定子與動子設有凸齒與槽部之多極電機。

電機可分為馬達與發電機等，前述電機包含有定子及動子。就以永磁無刷馬達來說，動子常是永久磁鐵，而一般低速馬達的動子多是採用磁石多磁極來獲取得到大扭力的特性，定子槽數一般是大於動子磁極數的2/3倍，動子的磁極數一多，相對定子需要開的槽數就跟著多，這會造成定子結構強度及繞線的問題，且即使採取多極的設計，因定子齒寬會隨著磁極數增加而降低，所以整體磁交鏈並無法大幅提升，所以利用多極設計作扭力的提升效果有限。另外，設計多極的動子會造成黏貼磁石的加工問題，磁石數量多，黏貼就耗工，磁石脫落的機率也就變大。

有鑑於此，如何有效率的量產多極電機、以及如何創造出低轉速高扭力的多極電機，實為相關業界所需努力研發之目標。

為解決上述先前技術不盡理想之處，本發明提供一種多極電機，其包含定子與動子，此動子形成N個朝向定子的第一凸齒，任二相鄰的第一凸齒之間形成第一凹槽，此定子形成S個朝向動子的溝部，任二相鄰的溝部之間朝向動子形成第二凹槽，各溝部與比鄰於各溝部的第二凹槽之間共形成t個第二凸齒及t-1個第三凹槽，前述t≧2，二相鄰的第二凹槽之間繞設有跨越溝部的電樞繞組，第二凸齒靠近動子的平均寬度與第三凹槽靠近動子的平均寬度合為w，溝部靠近動子具有開放端，此開放端的寬度為a^＊ w，其中a為大於零的數，且滿足整數-0.15<a<整數+0.35，第二凹槽靠近動子具有開放端，此開放端的寬度為b^＊ w，其中b為大於零的數，且滿足整數-0.15<b<整數+0.35，第二凸齒靠近動子的平均寬度為c^＊ w，0.25≦c≦0.75，多極電機10具有配置參數S、Y、M及N，其中：S=2^＊ P^＊ Q，Q為正整數；Y為最接近【a+b+2c+2(t-1)】的正整數；M=S^＊ Y；N選自於下列之一：M、M±1、、、M±Q。

因此，本發明之其一目的在於提供一種多極電機，藉由配置參數的調整，尤其是滿足M=S^＊ Y，且N選自於下列之一：M、M±1、、、M±Q，容易達成動子多極的設計。

本發明之其二目的在於提供一種多極電機，藉由配置參數的調整，使多極電機具有高扭力的特性。

本發明之其三目的在於提供一種多極電機，當配合輔助的場繞組時，可藉由調整場繞組的電流來控制氣隙磁通密度，達到弱磁或增磁的功能。

本發明係揭露一種多極電機，以下文中所對照之圖式，係表達與本發明特徵有關之結構示意，無需根據實際尺寸完整繪製，合先敘明。

本發明第一、第二實施例的多極電機10可以是外動子馬達、內動子馬達、線性馬達、軸向氣隙馬達、步進馬達或發電機等，且多極電機10可以為單相馬達或多相馬達。請先參考圖1A為本發明第一實施例之動子與定子的平面組合圖一，以下就多極電機10的結構進一步說明：多極電機10包含定子20與動子30，動子30與定子20彼此是相對設置的。

首先說明動子30：動子30靠近定子20的部位稱為第一側A，動子30於第一側A朝向定子20形成N個第一凸齒31，任二相鄰的第一凸齒31之間形成有第一凹槽32。

接著說明定子20：定子20靠近動子30的部位稱為第一側B，定子20 就是以此第一側B與動子30的第一側A相對之下設置，定子20遠離動子30的部位稱為第二側C。定子20於第一側B朝向動子30形成S個溝部21，各溝部21內另可設置有磁石40，任二相鄰溝部21內的磁石40磁極相向、且極性相反。且各溝部21於靠近動子30之第一側B形成有開放端211，另於遠離動子30之第二側C形成有開放端212，使各溝部21朝定子20的第一側B與第二側C貫通。

定子20於任二相鄰的溝部21之間朝向動子30形成有第二凹槽22，且第二凹槽22於定子20之靠近動子30之第一側B形成有開放端221，另於定子20之遠離動子30之第二側C形成有封閉端222。

定子20的各溝部21與比鄰於各溝部21的第二凹槽22之間形成有第二凸齒23及第三凹槽24，前述第二凸齒23及第三凹槽24形成於定子20的第一側B，且共形成t個第二凸齒23及t-1個第三凹槽24，前述t≧2，以圖1A來看是採用2個第二凸齒23間隔搭配1個第三凹槽24。

本發明實施例將多極電機10之第二凸齒23、溝部21靠近動子30的開放端211及第二凹槽22靠近動子30的開放端221的寬度限定如下：首先定義第二凸齒23靠近動子30的平均寬度與第三凹槽24靠近動子30的平均寬度合為w。

接著定義溝部21靠近動子30的開放端211，其寬度為a^＊ w，a為大於0的數，且a值以介於某個整數-0.15與此整數+0.35之間為最佳取值範圍，但a的取值範圍不限於前述揭露的範圍。

再接著定義第二凹槽22靠近動子30的開放端221，其寬度為b^＊ w，b為大於0的數，且b值以介於某個整數-0.15與此整數+0.35之間為最佳取值範圍，但b的取值範圍不限於前述揭露的範圍。

最後定義第二凸齒23靠近動子30端的平均寬度為c^＊ w，且c值以0.25≦c≦0.75為最佳取值範圍，但c的取值範圍不限於前述揭露的範圍。

本發明多極電機10具有特殊的配置參數與配置關係，可以在不增加定子20之電樞繞組50的數目，以及在不降低定子20之電樞繞組50的磁交鏈(flux linkage)下，卻可以輕易增加動子30的磁極數，如此將可有效提升多極電機10的扭力，非常適合運用在低速、大扭力的場合。以下將詳細說明配置參數S、P、Q、Y、a、b、c、t、M、S、Y、N的配置關係滿足以下關係式：S=2^＊ P^＊ Q，Q為正整數；Y為最接近【a+b+2c+2(t-1)】的正整數；M=S^＊ Y；N選自於下列之一：M、M±1、、、M±Q，其中，N的選擇可以分為二種狀態：第一種狀態是多極電機10採用單相時，N=M；第二種狀態是多極電機10採用多相時，N=M±1、、、M±Q其中之一。

前述多極電機10(請參考圖1A、1C)的各溝部21於第一側B與第二側C分別形成有開放端211、212，但在多極電機10加工過程，顧慮到此定子20加工的整體性與方便性，各溝部21(請參考圖1B、1D)於定子20之遠離動子30之第二側C可為封閉端213。

前述多極電機(請參考圖1C)的各溝部21靠近動子30進一步形成第四凹槽25，各溝部21遠離動子30進一步形成有第五凹槽26，第四凹槽25一端具有溝部21的開放端211，第五凹槽26一端具有溝部21的開放端212，第四凹槽25另一端與第五凹槽26另一端於溝部21中段處互不連通。各溝部21的第五凹槽26內可設置有磁石40，且二相鄰溝部21內的磁石40磁極相向、且極性相反。

前述多極電機(請參考圖1D)的各溝部21靠近動子30進一步形成有第四凹槽25，各溝部21遠離動子30進一步形成有第五凹槽26，第四凹槽25一端具有溝部21的開放端211，第五凹槽26一端具有溝部21的封閉端 213，第四凹槽25另一端與第五凹槽26另一端於溝部21中段處互相連通。各溝部21的第五凹槽26內可設置有磁石40，且二相鄰溝部21內的磁石40磁極相向、且極性相反。

前述多極電機10(請參考圖1A、1B、1C、1D、1E、2A、2B)之二相鄰的第二凹槽22之間可繞設有跨越溝部21的電樞繞組50。

前述多極電機10(請參考圖1E)的定子20的第二凸齒23與第三凹槽24可以沿著第一側B橫向延伸，以圖1E來看是採用3個第二凸齒23間隔搭配2個第三凹槽24。

前述相鄰的第四凹槽25(請參考圖1C、1D、2B)之間繞設有跨越第二凹槽22、第二凸齒23及第三凹槽24的場繞組60，多極電機10配合前述的場繞組60時，可藉由調整通過場繞組60的電流來控制氣隙磁通密度(air-gap flux density)達到弱磁或增磁的功能。

前述多極電機10(請參考圖2A、2B)的各溝部21的封閉端213形成有第六凹槽27，任二相鄰的第六凹槽27繞設有場繞組60，多極電機10配合前述的場繞組60是可以達到上一段指出的功能。

前述多極電機10(請參考圖1D)可在繞設有電樞繞組50配合設置磁石40，或者可在繞設有電樞繞組50配合繞設場繞組60，亦或者可在繞設有電樞繞組50配合設置磁石40及繞設場繞組60。

前述多極電機10(請參考圖2B)可在繞設有電樞繞組50與設置磁石40配合第六凹槽27繞設的場繞組60，或者可在繞設有電樞繞組50、設置磁石40及第六凹槽27繞設有場繞組60配合第四凹槽25繞設的場繞組60。

前述多極電機10(請參考圖1F)的各溝部21可以不用設置磁石40，在沒有磁石40的情況下，任二相鄰的溝部21之間可繞設有跨越第二凹槽22的場繞組60。

根據上述的的配置參數與配置關係，底下提出三個實驗例進行驗證：

第一實驗例：採用單相電機(P=1)；令Q=4時，S=2^＊ 1^＊ 4=8；a=1.15，b=1.15，c=0.35，t=3；Y為最接近【1.15+1.15+2^＊ 0.35+2(3-1)】=6的正整數為6；M=S^＊ Y=8^＊ 6=48；N=48。

第二實驗例：採用三相電機(P=3)；令Q=2時，S=2^＊ 3^＊ 2=12；a=1.2，b=1.15，c=0.35，t=2；Y為最接近【1.2+1.15+2^＊ 0.35+2(2-1)】=5.05的正整數為5；M=S^＊ Y=12^＊ 5=60；N=M±1、、、M±Q之一，可以為58、59、61或62。

第三實施例：採用三相電機(P=3)；令Q=2時，S=2^＊ 3^＊ 2=12；a=1.15，b=1.15，c=0.4，t=3；Y為最接近【1.15+1.15+2^＊ 0.4+2(3-1)】=7.1的正整數為7；M=S^＊ Y=12^＊ 7=84；N=M±1、、、M±Q之一，可以為82、83、85或86。

根據上述的的配置參數與配置關係，底下分別提出本發明與習知的反電動勢進行比對：請參考圖3A與圖3B，橫軸為動子運轉的電氣角，縱軸為其相對應的反電動勢，其中，圖3B為N=58，也就是本發明實施例之動子30的第一凸齒31為58齒，為本發明的多極電機10。圖3A為N=10，也就是習知之動子的凸齒為10齒，為習知的磁通切換型電機。從圖3B與3A圖可以清楚看出，本發明實施例之多極電機10相較於習知的磁通切換型電機，本發明實施例所提出之多極電機10的反電動勢約為兩倍，亦即其輸出扭矩較大，有顯著的功效提昇。

再根據上述的的配置參數與配置關係，底下分別提出習知與本發明的頓轉轉矩進行比對：請參考圖4A與圖4B，橫軸為動子運轉的電氣角，縱軸為其相對應的頓轉轉矩，其中，圖4B為N=58時，也就是本發明實施例之動子30的第一凸齒31為58齒，為本發明的多極電機10。圖4A為N=10時，也就是習知之動子的凸齒為10齒，為習知的磁通切換型電機。從圖4B與圖4A可以清楚看出，本發明實施例之多極電機10相較於習知的磁通切換型電機10，本發明實施例所提出之多極電機10的頓轉轉矩極低，有顯著的功效提昇。

以上所述僅為本發明之實施例，並非用以限定本發明之申請專利權利；同時以上的描述，對於熟知本技術領域之專門人士應可明瞭及實施，因此其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利範圍中。

10‧‧‧多極電機

20‧‧‧定子

21‧‧‧溝部

211、212‧‧‧開放端

213‧‧‧封閉端

22‧‧‧第二凹槽

221‧‧‧開放端

222‧‧‧封閉端

23‧‧‧第二凸齒

24‧‧‧第三凹槽

25‧‧‧第四凹槽

26‧‧‧第五凹槽

27‧‧‧第六凹槽

30‧‧‧動子

31‧‧‧第一凸齒

32‧‧‧第一凹槽

40‧‧‧磁石

50‧‧‧電樞繞組

60‧‧‧場繞組

A、B‧‧‧第一側

C‧‧‧第二側

圖1A為本發明第一實施例之動子與定子的平面組合圖一，此圖定子的溝部二端皆為開放端。

圖1B為本發明第一實施例之動子與定子的平面組合圖二，此圖定子的溝部一端為封閉端與一端為開放端。

圖1C為本發明第一實施例之動子與定子的平面組合圖三，此圖定子的溝部一端為封閉端與一端為開放端、溝部形成有凹槽、且凹槽之間繞設有場繞組。

圖1D為本發明第一實施例之動子與定子的平面組合圖四，此圖定子的溝部一端為封閉端與一端為開放端、溝部形成有凹槽、且凹槽之間繞設有場繞組。

圖1E為本發明第一實施例之動子與定子的平面組合圖五，此圖定子的溝部二端皆為開放端、且定子形成3個第二凸齒及2個第三凹槽。

圖1F為本發明第一實施例之動子與定子的平面組合圖六，此圖定子的溝部一端為封閉端與一端為開放端、溝部之間繞設有場繞組。

圖2A為本發明第二實施例之動子與定子的平面組合圖一，此圖的定子於溝部一端形成有凹槽、且凹槽之間繞設有場繞組。

圖2B為本發明第二實施例之動子與定子的平面組合圖二，此圖的定子於溝部二端形成有凹槽、且凹槽之間繞設有場繞組。

圖3A為習知提出之多極電機的各個電氣角與其所相對應的反電動勢。

圖3B為本發明實施例提出之多極電機的各個電氣角與其所相對應的反電動勢。

圖4A為習知提出之多極電機的各個電氣角與其所相對應的頓轉轉矩。

圖4B為本發明實施例提出之多極電機的各個電氣角與其所相對應的頓轉轉矩。