TWI451668B - Two - phase axial magnetoresistive motor and its rotor - Google Patents

Description

兩相軸向磁阻馬達及其轉子

本發明是有關一種馬達及其轉子，特別是指兩相軸向磁阻馬達及其轉子。

請參考圖8所示，係美國專利第3062979號所揭露的二相磁阻馬達，其包含有一轉子70與一定子71，可在定子71上兩導磁柱710的線圈711通以電流，令兩導磁柱710之間產生磁場，因磁力線係依磁阻相對較低的區域而分佈，當轉子70轉動時將改變兩導磁柱710之間的磁阻分佈，使得磁場在轉子70上產生作用力讓轉子70轉動，以維持磁力線在磁阻相對較低的區域分佈，藉由控制輸出電流到定子71上的線圈711，可使轉子70持續轉動，進而讓馬達運轉。然而，轉子70與定子71均為對稱結構，當轉子70處於磁力線均勻的位置時，表示磁場作用在轉子70上的力是平衡的，該位置稱為死域，此時磁力線在轉子70上的作用力達到平衡，轉子70無法轉動，馬達即無法順利運轉。

如美國專利第5652493號所揭露的二相磁阻馬達，其包含有二組對稱結構的轉子與定子，其中各組的相位彼此相差22.5°，類似的有美國專利第7781931號所揭露之二相磁阻馬達，同樣具有二組對稱結構的轉子與定子，其中各組的相位彼此相差45°，藉由各組轉子、定子的相位差，可改善死域的情況，然而因須具備二組定子與轉子，其製 造組裝複雜，且成本較高。

為改善死域的情況，尚有非對稱的轉子結構被提出。請參考圖9所示，係美國專利第3956678號所揭露的二相磁阻馬達，其定子80為對稱結構，其包含有四組導磁柱800與環繞其上的線圈801，而轉子81採為非對稱結構，且該轉子81內部亦形成氣隙810，轉子81的非對稱結構及其內部的氣隙810可產生不同磁阻分佈，改善死域的情況。又如美國專利第6060809號所揭露之二相磁阻馬達，其定子為對稱結構，而轉子為非對稱結構，其轉子具有二種不同的凸極寬度，可避免死域無法啟動。然而，由於轉子的結構特殊，使得控制方法較為複雜。

因此本發明的主要目的是提供一種兩相軸向磁阻馬達，以期藉由該轉子的形狀構造，改善死域的情況發生。

為達前揭目的，本發明所採用的技術手段是令該兩相軸向磁阻馬達包含有：一定子，其包含有：一上定位片；一下定位片，與該上定位片對應而間隔排列；一樞軸，設於該上定位片頂面的軸心處，且其側向凸出一凸緣；及四個磁柱組，各磁柱組包含一導磁圓柱與一繞設於導磁圓柱上的線圈，該四磁柱組裝設於上、下定位片之間；該定子中定義有一通過上定位片中心的中心軸線，且定義有一垂直於中心軸線的水平參考面，該水平參考面包含有相互垂直的一第一軸線與一第二軸線，且定義有以該中心軸線為圓心且不等半徑之一第一假想圓、一第二假想圓、一第三假想圓與一第四假想圓，該樞軸對應於中心軸線而穿出於該上定位片的頂面，該四個導磁圓柱之軸心分別位於該第一假想圓與第一軸線、第二軸線相交之四交點處，該四導磁圓柱之圓周面共同與第二假想圓內切，且共同與第三假想圓外切，該第四假想圓的半徑介於該第一假想圓的半徑與該第三假想圓的半徑之間；以及一轉子，樞設於樞軸上，其中該樞軸上的凸緣位於轉子與上定位片之間，而在該轉子與該上定位片之間形成一氣隙，該轉子中定義有一垂直於中心軸線且平行於水平參考面的水平基準面，於水平基準面上定義有相互垂直的一第一參考線以及一第二參考線，該轉子相對於該第一參考線區分為一第一半部與一第二半部，該第二半部對應相同於該第一半部以該中心軸線為中心旋轉180度之形狀，所述該第一半部包含：一本體，其周邊具有一半徑小於或等於該第三假想圓半徑之一本體弧邊；一第一片體，沿該第一參考線一端方向延伸，其周邊具有一自該第一參考線側向延伸之一第一弧邊，以及一自該第一弧邊延伸連接本體弧邊的一第一斜邊，該第一弧邊係以該中心軸線為圓心，且半徑小於或等於該第二假想圓半徑且大於第一假想圓之弧邊，該第一斜邊相對於第一參考線形成一α°的夾角，20°<α°<35°；及一第二片體，沿該第一參考線且相對該第一片體的另一端方向延伸，其周邊具有一第二斜邊、一第三斜邊與一第二弧邊，該第二斜邊自該本體弧邊與該第二參考線相交之交點傾斜延伸且相對於該第一參考線成一β°的夾角，25°<β°<35°，該第二弧邊係以該中心軸線為圓心，且半徑小於或等於第二假想圓半徑且大於第一假想圓之弧邊，該第三斜邊係自第二斜邊與第四假想圓的相交點斜向延伸而連接該第二弧邊，該第三斜邊與該第二弧邊的相交點與第四假想圓的圓心所構成的直線係相對第一參考線成一γ°的夾角，0°<γ°<17°。

本發明再一目的是提供一種兩相軸向磁阻馬達的轉子，該兩相軸向磁阻馬達具有一定子，該定子中定義有一中心軸線，且定義有一垂直於中心軸線的水平參考面，該水平參考面包含有相互垂直的一第一參考線與一第二參考線，且定義有以該中心軸線為圓心且不等半徑之一第一假想圓、一第二假想圓、一第三假想圓與一第四假想圓，該些假想圓由大至小排列依序為第二假想圓、第一假想圓、第四假想圓與第三假想圓；該轉子設於該定子上，該轉子相對於該第一參考線區分為一第一半部與一第二半部，該第二半部對應相同於該第一半部以該中心軸線為中心旋轉180度之形狀，所述該第一半部包含：一本體，其周邊具有一半徑小於或等於該第三假想圓半徑之一本體弧邊；一第一片體，沿該第一參考線一端方向延伸，其周邊具有一自該第一參考線側向延伸之一第一弧邊，以及一自該第一弧邊延伸連接本體弧邊的一第一斜邊，該第一弧邊係以該中心軸線為圓心，且半徑小於或等於該第二假想圓半徑且大於第一假想圓之弧邊，該第一斜邊相對於第一參考線形成一α°的夾角，20°<α°<35°；及一第二片體，沿該第一參考線且相對該第一片體的另一端方向延伸，其周邊具有一第二斜邊、一第三斜邊與一第二弧邊，該第二斜邊自該本體弧邊與該第二參考線相交之交點傾斜延伸且相對於該第一參考線成一β°的夾角，25°<β°<35°，該第二弧邊係以該中心軸線為圓心，且半徑小於或等於第二假想圓半徑且大於第一假想圓之弧邊，該第三斜邊係自第二斜邊與第四假想圓的相交點斜向延伸而連接該第二弧邊，該第三斜邊與該第二弧邊的相交點與第四假想圓的圓心所構成的直線係相對第一參考線成一γ°的夾角，0°<γ°<17°。

藉由該轉子特殊的非對稱形狀，當轉子置於磁場中旋轉時，可持續改變磁場中的磁阻分佈，使轉子可持續轉動，避免死域的情況發生；此外，本發明的結構簡單，組裝容易，而可降低成本。

請參考圖1與圖2所示，係本發明的一較佳實施例，該較佳實施例包含有一定子10與一轉子20。

該定子10包含一上定位片11、一下定位片12、一樞軸13以及四磁柱組14，該上定位片11與下定位片12上、下對應而間隔排列每一磁柱組14包含一導磁圓柱140與一繞設於導磁圓柱140上的線圈141，該四磁柱組14裝設於上、下定位片11、12之間，該樞軸13凸出於該上定位片11頂面的軸心處，且樞軸13側向凸出一凸緣130。於本較佳實施例中，該樞軸13係一穿設於上、下定位片11、12的圓棒；或如圖3所示的較佳實施例，該樞軸13係一凸出於該上定位片11頂面的凸部。

該轉子20樞設於樞軸13上，樞軸13上的凸緣130位於轉子20與上定位片11之間，請參考圖4所示，凸緣130令轉子20與上定位片11之間形成一氣隙200。

請參考圖5所示，定子10中定義有一通過上定位片11中心的中心軸線100，且定義有一垂直於中心軸線100的水平參考面，該水平參考面包含有相互垂直的第一軸線101與第二軸線102，且定義有以中心軸線100為圓心且不等半徑之一第一假想圓41、一第二假想圓42、一第三假想圓43與一第四假想圓44，其中各假想圓的半徑由大至小排列依序為第二假想圓42、第一假想圓41、第四假想圓44與第三假想圓43，該樞軸13對應於中心軸線100而穿出於上定位片11頂面。

四導磁圓柱140之軸心分別位於該第一假想圓41與第一軸線101、第二軸線102相交之四交點50處，該四導磁圓柱140之圓周面共同與第二假想圓42內切，且共同與第三假想圓43外切，該第四假想圓44的半徑介於該第一假想圓41的半徑與該第三假想圓43的半徑之間。

轉子20定義有一垂直於中心軸線100且平行於水平參考面的水平基準面，於水平基準面上定義有相互垂直的第一參考線201以及第二參考線202，轉子20相對於第一參考線201區分為一第一半部21與一第二半部22，且第二半部22對應相同於第一半部21以中心軸線100為中心旋轉180度之形狀，所述第一半部21包含一本體23以及自本體23沿第一參考線201兩端方向分別延伸之第一片體24與第二片體25，且第一、二片體23、24為相異的形狀；所述本體23周邊具有一半徑小於或等於第三假想圓43半徑之本體弧邊230，第一片體24周邊具有一自第一參考線201側向延伸之第一弧邊241，與一自第一弧邊241延伸連接本體弧邊230的第一斜邊242，第一弧邊241係以中心軸線100為圓心，且半徑小於或等於第二假想圓42半徑且大於第一假想圓41之弧邊，第一斜邊242相對於第一參考線201形成一α°的夾角，20°<α°<35°。

第二片體25周邊具有一第二斜邊251、第三斜邊252與一第二弧邊253，第二斜邊251自本體弧邊230與第二參考線202相交之交點傾斜延伸且相對於第一參考線201成一β°的夾角，25°<β°<35°，第二弧邊253相同於第一弧邊241以中心軸線100為圓心，且半徑小於或等於第二假想圓42半徑且大於第一假想圓41之弧邊，該第三斜邊252係自第二斜邊251與第四假想圓44的相交點斜向延伸而連接該第二弧邊253，該第三斜邊252與該第二弧邊253的相交點與第四假想圓44的圓心所構成的直線係相對第一參考線201成一γ°的夾角，0°<γ°<17°。

於本較佳實施例中，α=30°，β=30°，γ=5°，導磁圓柱140的直徑為0.27mm，兩相對導磁圓柱140之軸心距離為0.61mm，轉子20外徑為0.8mm，該樞軸13的直徑為0.2mm，該氣隙200為20μm。請參考圖6與圖7所示，係分別以單相與兩相對線圈141通以電流後，轉子20扭矩與相位角度之關係圖，如圖6所示，當以單相通電時，轉子20產生正扭矩的角度達120度，如圖7所示，當以相位相差90度兩相通電時，轉子20平均扭矩輸出為0.082μNm，扭矩漣波為17%，扭矩數據分佈較為平均。

根據本發明的結構，藉由轉子20非對稱的構造，確實可改善死域之情況，且本發明的結構簡單、組成構件較少，故可易於組裝且降低成本。

10‧‧‧定子

100‧‧‧中心軸線

101‧‧‧第一軸線

102‧‧‧第二軸線

11‧‧‧上定位片

12‧‧‧下定位片

13‧‧‧樞軸

130‧‧‧凸緣

14‧‧‧磁柱組

140‧‧‧導磁圓柱

141‧‧‧線圈

20‧‧‧轉子

200‧‧‧氣隙

201‧‧‧第一參考線

202‧‧‧第二參考線

21‧‧‧第一半部

22‧‧‧第二半部

23‧‧‧本體

230‧‧‧本體弧邊

24‧‧‧第一片體

241‧‧‧第一弧邊

242‧‧‧第一斜邊

25‧‧‧第二片體

251‧‧‧第二斜邊

252‧‧‧第三斜邊

253‧‧‧第二弧邊

41‧‧‧第一假想圓

42‧‧‧第二假想圓

43‧‧‧第三假想圓

44‧‧‧第四假想圓

50‧‧‧交點

70‧‧‧轉子

71‧‧‧定子

710‧‧‧導磁柱

711‧‧‧線圈

80‧‧‧定子

800‧‧‧導磁柱

801‧‧‧線圈

81‧‧‧轉子

圖1：本發明之一較佳實施例立體分解示意圖。

圖2：圖1之組合外觀示意圖。

圖3：本發明之另一較佳實施例立體分解示意圖。

圖4：圖2之側視示意圖。

圖5：轉子與定子端視示意圖。

圖6：本發明於單相運轉時之扭矩-角度波形圖。

圖7：本發明於兩相運轉時之扭矩-角度波形圖。

圖8：已知兩相馬達示意圖。

圖9：另一已知兩相馬達示意圖。

10．．．定子

11．．．上定位片

12．．．下定位片

13．．．樞軸

130．．．凸緣

14．．．磁柱組

140．．．導磁圓柱

141．．．線圈

20．．．轉子

Claims (4)

1. 一種兩相軸向磁阻馬達，其包含有：一定子，其包含有：一上定位片；一下定位片，與該上定位片對應而間隔排列；一樞軸，設於該上定位片頂面的軸心處，且其側向凸出一凸緣；及四個磁柱組，各磁柱組包含一導磁圓柱與一繞設於導磁圓柱上的線圈，該四磁柱組裝設於上、下定位片之間；該定子中定義有一通過上定位片中心的中心軸線，且定義有一垂直於中心軸線的水平參考面，該水平參考面包含有相互垂直的一第一軸線與一第二軸線，且定義有以該中心軸線為圓心且不等半徑之一第一假想圓、一第二假想圓、一第三假想圓與一第四假想圓，該樞軸對應於中心軸線而穿出於該上定位片的頂面，該四個導磁圓柱之軸心分別位於該第一假想圓與第一軸線、第二軸線相交之四交點處，該四導磁圓柱之圓周面共同與第二假想圓內切，且共同與第三假想圓外切，該第四假想圓的半徑介於該第一假想圓的半徑與該第三假想圓的半徑之間；以及一轉子，樞設於樞軸上，其中該樞軸上的凸緣位於轉子與上定位片之間，而在該轉子與該上定位片之間形成一氣隙，該轉子中定義有一垂直於中心軸線且平行於水平參考面的水平基準面，於水平基準面上定義有相互垂直的一第一參考線以及一第二參考線，該轉子相對於該第一參考線區分為一第一半部與一第二半部，該第二半部對應相同於該第一半部以該中心軸線為中心旋轉180度之形狀，所述該第一半部包含：一本體，其周邊具有一半徑小於或等於該第三假想圓半徑之一本體弧邊；一第一片體，沿該第一參考線一端方向延伸，其周邊具有一自該第一參考線側向延伸之一第一弧邊，以及一自該第一弧邊延伸連接本體弧邊的一第一斜邊，該第一弧邊係以該中心軸線為圓心，且半徑小於或等於該第二假想圓半徑且大於第一假想圓之弧邊，該第一斜邊相對於第一參考線形成一α°的夾角，20°<α°<35°；及一第二片體，沿該第一參考線且相對該第一片體的另一端方向延伸，其周邊具有一第二斜邊、一第三斜邊與一第二弧邊，該第二斜邊自該本體弧邊與該第二參考線相交之交點傾斜延伸且相對於該第一參考線成一β°的夾角，25°<β°<35°，該第二弧邊係以該中心軸線為圓心，且半徑小於或等於第二假想圓半徑且大於第一假想圓之弧邊，該第三斜邊係自第二斜邊與第四假想圓的相交點斜向延伸而連接該第二弧邊，該第三斜邊與該第二弧邊的相交點與第四假想圓的圓心所構成的直線係相對第一參考線成一γ°的夾角，0°<γ°<17°。
2. 如申請專利範圍第1項所述之兩相軸向磁阻馬達，該該樞軸係一穿設於該上、下定位片的圓棒。
3. 如申請專利範圍第1項所述之兩相軸向磁阻馬達，該樞軸係一凸出於該上定位片頂面的凸部。
4. 一種兩相軸向磁阻馬達的轉子，該兩相軸向磁阻馬達具有一定子，該定子中定義有一中心軸線，且定義有一垂直於中心軸線的水平參考面，該水平參考面包含有相互垂直的一第一參考線與一第二參考線，且定義有以該中心軸線為圓心且不等半徑之一第一假想圓、一第二假想圓、一第三假想圓與一第四假想圓，該些假想圓由大至小排列依序為第二假想圓、第一假想圓、第四假想圓與第三假想圓；該轉子設於該定子上，該轉子相對於該第一參考線區分為一第一半部與一第二半部，該第二半部對應相同於該第一半部以該中心軸線為中心旋轉180度之形狀，所述該第一半部包含：一本體，其周邊具有一半徑小於或等於該第三假想圓半徑之一本體弧邊；一第一片體，沿該第一參考線一端方向延伸，其周邊具有一自該第一參考線側向延伸之一第一弧邊，以及一自該第一弧邊延伸連接本體弧邊的一第一斜邊，該第一弧邊係以該中心軸線為圓心，且半徑小於或等於該第二假想圓半徑且大於第一假想圓之弧邊，該第一斜邊相對於第一參考線形成一α°的夾角，20°<α°<35°；及一第二片體，沿該第一參考線且相對該第一片體的另一端方向延伸，其周邊具有一第二斜邊、一第三斜邊與一第二弧邊，該第二斜邊自該本體弧邊與該第二參考線相交之交點傾斜延伸且相對於該第一參考線成一β°的夾角，25°<β°<35°，該第二弧邊係以該中心軸線為圓心，且半徑小於或等於第二假想圓半徑且大於第一假想圓之弧邊，該第三斜邊係自第二斜邊與第四假想圓的相交點斜向延伸而連接該第二弧邊，該第三斜邊與該第二弧邊的相交點與第四假想圓的圓心所構成的直線係相對第一參考線成一γ°的夾角，0°<γ°<17°。