TWI458224B - 馬達及其線圈結構 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種馬達及其線圈結構,特別關於一種法宇哈巴(FaulHaber)式之馬達及其線圈結構。
馬達為將電能轉換為機械能的裝置,且已廣泛應用於日常生活的產品之中,例如風扇、或光碟機、或硬碟機、或光學裝置、或車用裝置等。雖然馬達的種類繁多,但其主要應用的原理係為電磁效應。
一般而言,馬達具有轉子磁鐵及定子線圈等結構,根據其配置關係可略分為外轉子馬達及內轉子馬達兩類。其中,外轉子馬達的永久磁石係設置於定子線圈的外側。
另外,現有直流馬達(無刷或有刷)的空心線圈係將漆包線纏繞成中空的圓環狀,且線圈不會包覆也不會纏繞任何導磁性鐵芯。其中,空心線圈的繞法有很多種形式,例如為六角形繞法、鐘形繞法或菱形繞法等。另外一種繞線方法如圖1A之線圈1所示,圖1A之線圈1為法宇哈巴(FaulHaber)式繞線法,其為彎折漆包線以進行排線的一種繞法,而線圈1的外觀上主要的特徵為斜向走線。
若將線圈1展開,如圖1B所示,其由一個正立三角形和一個倒立
三角形組合而成之一三角形對(區域a、b組成一個正立三角形,而區域c為倒立三角形,以組成一個三角形對)。其中,由正立三角形的線圈係提供正向的激磁,而倒立三角形的線圈係提供反向的激磁,再藉由電路切換驅動,如此可推動轉子轉動。目前業界以此生產的直流馬達有一個三角形對(如圖1B所示)或兩個三角形對(如圖1C所示,區域d、e組成一個正立三角形,而區域f、g、h分別為一個三角形,共組成兩個三角形對)。另外,如圖1D所示,若馬達的空心線圈具有一個三角形對,僅可搭配一組磁石對(即一磁極N及一磁極S)。而兩個三角形對則僅可搭配兩組磁石對(即四個磁極,圖未顯示)。換言之,磁石數量等於三角形對之數量的二倍。
然而,若於相同體積下欲使馬達提供較大的扭力或輸出較大的功率時,則馬達需搭配更多的磁石對,如此,法宇哈巴式繞線法所形成的三角形對相對也需更多。為了使形成的三角形對更多,則必須使漆包線的彎折次數變多,進而將造成線圈彎折時,如圖1C所示,角度θ愈小。其中,角度θ愈小表示漆包線的彎折程度愈大,如此,彎折處的線圈將易產生龜裂,且可能會造成線圈的漏電流、或絕緣劣化,或耐壓不足等問題。
因此,如何提供一種馬達及其線圈結構,可在相同的線圈彎折角度下具有較多的磁性材料,進而使馬達可輸出較大的扭力及功率而提升馬達的效率,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在相同的線圈彎折角度下具有較多的磁性材料,進而使馬達可輸出較大的扭力及功
率而提升馬達的效率之馬達及其線圈結構。
為達上述目的,依據本發明之一種馬達包括一線圈結構以及複數磁性材料。其中,線圈結構具有三組繞線組,各繞線組具有複數繞線部,而該等繞線部之間具有一間距,並分別藉由一導線電性連接。另外,複數磁性材料係鄰設於線圈結構,並與該等繞線組對應設置。其中,線圈結構係可為一空心線圈,且線圈結構係以法宇哈巴式繞線方法繞成。另外,該等繞線組係依序繞設,並具有相同繞線順序及結構。此外,該等繞線組的一端係電性連接一電源,該等繞線組的另一端係彼此電性連接。
在本發明一較佳實施例中,線圈結構具有一第一數量的三角形對,各繞線組分別具有一第二數量之該等繞線部,該等磁性材料的數量等於二倍的第一數量乘以第二數量的平方。
在本發明一較佳實施例中,馬達更可包括一第一導磁材料,第一導磁材料設置於線圈結構之內,並與線圈結構連接。另外,馬達更可包括一第二導磁材料,第二導磁材料設置於該等磁性材料之外周緣。
為達上述目的,依據本發明之一種線圈結構包括複數繞線組,各繞線組具有複數繞線部,且該等繞線部具有一間距,並分別藉由一導線電性連接。其中,線圈結構係可為一空心線圈,且線圈結構係以法宇哈巴式繞線方法繞成。另外,該等繞線組係依序繞設,並具有相同繞線順序及結構。
承上所述,因依據本發明之馬達具有一線圈結構以及複數磁性材料,線圈結構具有三組繞線組,各繞線組具有複數繞線部,該等
繞線部之間具有一間距,並分別藉由一導線電性連接。另外,磁性材料係鄰設於線圈結構,並與該等繞線組對應設置。藉此,與習知相較,本發明之線圈結構具有與習知技術相同數量的三角形對,故繞線的彎折角度與習知相同。但是,本發明之馬達在相同的線圈彎折角度下具有較多數量的磁性材料(永久磁石),使得磁力線的集中度較高而使其利用率也相對較高。因此,在同一馬達體積下,本發明之馬達可提供較大的扭力,並可輸出更大的功率而可提升馬達的效率。
1‧‧‧線圈
2、4‧‧‧馬達
21、41‧‧‧磁性材料
22‧‧‧第一導磁材料
23‧‧‧第二導磁材料
24‧‧‧轉軸
3、3a、5‧‧‧線圈結構
31~33、31a、51~53‧‧‧繞線組
311、312、321、322、331、332、311a、312a、321a、322a、331a、332a、511~514、521~524、531~534‧‧‧繞線部
a、b、c、d、e、f、g、h‧‧‧區域
B1、B2‧‧‧轉折柱
com‧‧‧端
d1、d2、d3‧‧‧間距
N、S‧‧‧磁極
U、V、W‧‧‧三相電源
W1、W2、W3、W11、W12、W13、W21、W22、W23、W31、W32、W33‧‧‧導線
θ‧‧‧角度
圖1A為習知一種具有法宇哈巴式繞線法之線圈結構的示意圖;圖1B為圖1A之線圈結構的展開示意圖;圖1C為習知另一線圈結構的展開示意圖;圖1D為圖1A之線圈結構的展開示意圖及其對應的磁石示意圖;圖2A為本發明較佳實施例之一種馬達的局部示意圖;圖2B(1)為圖2A之線圈結構的展開示意圖;圖2B(2)為圖2B之一繞線組的展開示意圖;圖2B(3)為圖2B的線圈結構之繞線示意圖;圖2B(4)為圖2B(1)去掉一部分斜線之線圈結構的展開示意圖;圖2C為圖2A之馬達的線圈結構之結線及磁性材料的展開示意圖;圖2D為另一線圈結構及另一繞線組的展開示意圖;圖3為本發明較佳實施例之一種馬達的另一局部示意圖;圖4A(1)~圖4A(2)分別為本發明另一較佳實施例之一種馬達的線圈結構及一繞線組的展開示意圖;以及
圖4B為本發明另一較佳實施例之一種馬達的線圈結構之結線及磁性材料的展開示意圖。
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其線圈結構,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所示,其為本發明較佳實施例之一種馬達2的局部示意圖。本發明之馬達2可為一三相馬達,不過,經電流換向後,其亦可為一直流馬達,於此,並不限制其使用。另外,馬達2可為一外轉子馬達或為一內轉子馬達。於此,係以一外轉子馬達為例來說明,然並不以此為例,在其它的實施態樣中,馬達2亦可為一內轉子馬達。此外,本發明亦不限定馬達2之外觀形狀,隨著應用功能或領域的不同,馬達2亦可在結構上作改變。其中,馬達2係包括一線圈結構3及複數磁性材料21。
線圈結構3為馬達2之定子線圈,且具有三組繞線組31~33,該等繞線組31~33係平均分配於360度的機械角上,並繞成一空心線圈。換言之,線圈結構3並不繞於任何導磁材料(例如矽鋼片)上,而是空繞。於此,線圈結構3之各繞線組31~33係以法宇哈巴式繞線方法繞線,以形成空心線圈。另外,該等繞線組31~33分別為斜向走線,且依序繞設,並具有相同繞線順序及結構。
請參照圖2B(1)所示,其為圖2A之線圈結構3之展開示意圖。不過,為了可清楚說明線圈結構3的結構,請同時參照圖2B(2)所示,其為圖2B之繞線組31的展開示意圖。
各繞線組31~33分別具有複數繞線部,且該等繞線部之間具有一
間距。在本實施例中,繞線組31~33分別具有二組繞線部311、312,321、322,331、332,且繞線部311、312之間具有一間距d1,繞線部321、322之間具有一間距d2,而繞線部331、332之間具有一間距d3。
請參照圖2B(3)所示,以說明繞線組31的繞線方式。當繞線部311繞線時,漆包線是由圖2B(3)之左上往下經過一轉折柱B1後,向右斜下往另一轉折柱B2的下方繞過,再向右斜向往上繞,由於繞線組31之繞線部311係平均分配於360度的機械角上,因此,會再繞到左上之轉折柱B1,再斜下往轉折柱B2的下方繞過,以此類推。最後,抽離轉折柱B1、B2後,即可得繞線部311。於此,繞線部311的彎折部分具有一角度θ。
同樣地,繞線組31之繞線部312也以同樣的方式繞線,並使兩繞線部311、312之間具有間距d1,如圖2B(2)所示。待兩繞線部311、312繞線完成後,可藉由一導線W1將兩繞線部311、312電性連接。其中,導線W1與繞線部311、312可為連續的漆包線(即繞完繞線部311後不剪斷漆包線,待跳線間距d1後,繼續繞繞線部312);或者導線W1可為另一條導線,其兩端分別與兩繞線部311、312電性連接。於此,並不加以限制。以此類推,同樣地完成繞線部321、322及繞線部331、332的繞線及結線。此外,亦可於完成繞線部311後即接續繞繞線部321及繞線部331,而後再依序繞繞線部312、繞線部322及繞線部332。
因此,請參照圖2C所示,當三組繞線組31、32、33繞線完成時,可分別具有二組繞線部311、312、321、322、331、332,且繞線部311、312之間、繞線部321、322之間及繞線部331、332之間分
別具有一間距d1、d2、d3,並分別以導線W1、W2、W3電性連接。另外,該等繞線組31~33的一端係電性連接一電源,該等繞線組31~33的另一端彼此電性連接。於此,繞線部311、321、331的一端係可分別電性連接一三相電源(U、V、W),而繞線部312、322、332的另一端(com)係彼此電性連接,使線圈結構3之繞線組31~33結線成Y型。
在此特別一提的是,上述之向右繞線的方式只是舉例,當然,本發明之線圈結構3之繞線組31~33也可為其它的繞線方式。例如圖2D所示之線圈結構3a,其為向左繞線的方式,可得到與繞線組31~33相同結構之繞線組31a~33a。
另外,請再參照圖2A所示,複數磁性材料21係鄰設於線圈結構3,並與該等繞線組31~33對應設置。於此,複數磁性材料21係鄰設於線圈結構3之外周緣,並與線圈結構3具有一間隙。其中,磁性材料21係可為永久磁石。
其中,線圈結構3具有一第一數量m的三角形對。在本實施例中,如圖2B(4)所示(為了清楚顯示,圖2B(4)去除了一部分的斜線),線圈結構3具有一組三角形對(區域a、b組成一正立的三角形,區域c為倒立的三角形),故第一數量m等於1。另外,各繞線組31~33分別具有一第二數量n之該等繞線部。於此,各繞線組31~33分別具有二組繞線部311、312、321、322、331、332,故第二數量n等於2。而本發明之馬達2之該等磁性材料21的數量等於二倍的第一數量m乘以第二數量n的平方。換言之,磁性材料21(永久磁石)的數量=2m×n2。於此,磁性材料21的數量=2×1×22=8,如圖2C所示。
另外,請參照圖3所示,其為馬達2之另一局部示意圖。
馬達2更可包括一第一導磁材料22,第一導磁材料22設置於線圈結構3之內,並與線圈結構3連接。於此,第一導磁材料22係為導磁軛鐵。其中,線圈結構3與第一導磁材料22組成馬達2之定子結構。
另外,馬達2更可包括一第二導磁材料23,第二導磁材料23設置於該等磁性材料21之外周緣,並與磁性材料21連接。於此,第二導磁材料23亦為導磁軛鐵。另外,馬達2更可包括一轉軸24,其與第二導磁材料23及該等磁性材料21連接(圖未顯示)。其中,第二導磁材料23、該等磁性材料21及轉軸24組成馬達2之轉子結構。因此,當電源(U、V、W)輸入線圈結構3時,可藉由馬達2之轉子結構與定子結構之間產生的電磁效應,使轉子結構轉動。
承上,因本發明之馬達2具有一線圈結構3以及複數磁性材料21,線圈結構3具有三組繞線組31~33,各繞線組具有兩繞線部311~312、321~322、331~332,該等繞線部311~312、321~322、331~332之間分別具有一間距d1~d3,並分別藉由一導線W1~W3電性連接。另外,磁性材料21係鄰設於線圈結構3,並與該等繞線組31~33對應設置。藉此,與習知相較,線圈結構3具有與先前技術之圖1B相同的一組三角形對,故彎折的角度θ與圖1B相同。然而,本發明之馬達2在相同線圈彎折角度下具有較多的磁性材料21(8個),使得磁力線的集中度較高而使其利用率相對也較高,因此,在同一馬達體積下,本發明之馬達2可提供較大的扭力,並可輸出更大的功率而可提升馬達的效率。
另外,請分別參照圖4A(1)~圖4A(2)所示,其分別為本發明另一較佳實施例之一種馬達4的線圈結構5及一繞線組51的展開示意圖。
如圖4A(1)及圖4A(2)所示,線圈結構5與上述之線圈結構3主要的不同在於,線圈結構5之繞線組分別具有4組繞線部511~514、521~524、531~534,故第二數量n等於4,而線圈結構5一樣具有一組三角形對,故第一數量m等於1。因此,如圖4B所示,馬達4之磁性材料41的數量等於2m×n2=2×1×42=32,即馬達4具有32只磁石。
另外,如圖4B所示,繞線部511~514之間分別藉由一導線W11、W12、W13電性連接,繞線部521~524之間分別藉由一導線W21、W22、W23電性連接,而繞線部531~534之間分別藉由一導線W31、W32、W33電性連接。
此外,馬達4、線圈結構5、磁性材料41之其它技術特徵可參照上述之馬達2、線圈結構3及磁性材料21,於此不再贅述。
綜上所述,因依據本發明之馬達具有一線圈結構以及複數磁性材料,線圈結構具有三組繞線組,各繞線組具有複數繞線部,該等繞線部之間具有一間距,並分別藉由一導線電性連接。另外,磁性材料係鄰設於線圈結構,並與該等繞線組對應設置。藉此,與習知相較,本發明之線圈結構具有與習知技術相同數量的三角形對,故繞線的彎折角度與習知相同。但是,本發明之馬達在相同的線圈彎折角度下具有較多數量的磁性材料(永久磁石),使得磁力線的集中度較高而使其利用率也相對較高。因此,在同一馬
達體積下,本發明之馬達可提供較大的扭力,並可輸出更大的功率而可提升馬達的效率。
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。
2‧‧‧馬達
21‧‧‧磁性材料
3‧‧‧線圈結構
31、32、33‧‧‧繞線組
311、312、321、322、331、332‧‧‧繞線部
com‧‧‧端
d1、d2、d3‧‧‧間距
U、V、W‧‧‧三相電源
W1、W2、W3‧‧‧導線
Claims (11)
- 一種馬達,包括:一線圈結構,具有三組繞線組,各該繞線組具有複數繞線部,該等繞線部之間具有一間距,並分別藉由一導線電性連接;複數磁性材料,係鄰設於該線圈結構,並與該等繞線組對應設置,其中,該線圈結構具有一第一數量的三角形對,各該繞線組分別具有一第二數量之該等繞線部,且該等磁性材料的數量等於二倍的該第一數量乘以該第二數量的平方。
- 如申請專利範圍第1項所述之馬達,其中該線圈結構係為一空心線圈。
- 如申請專利範圍第1項所述之馬達,其中該線圈結構係以法宇哈巴式繞線方法繞成。
- 如申請專利範圍第1項所述之馬達,其中該等繞線組依序繞設,並具有相同繞線順序及結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之馬達,更包括:一第一導磁材料,設置於該線圈結構之內,並與該線圈結構連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之馬達,更包括:一第二導磁材料,設置於該等磁性材料之外周緣。
- 如申請專利範圍第1項所述之馬達,其中該等繞線組的一端電性連接一電源,該等繞線組的另一端彼此電性連接。
- 一種線圈結構,其與複數磁性材料對應設置,並包括:複數繞線組,各該繞線組具有複數繞線部,該等繞線部具有一間距,並分別藉由一導線電性連接,其中,該些磁性材料鄰設於該線圈結構,且該線圈結構具有一第一數量的三角形對,各該繞線組分別具有一第二數量之該等繞線部,該等磁性材料的數量等於二倍的該第一數量乘以該第二數量的平方。
- 如申請專利範圍第8項所述之線圈結構,其中該線圈結構係為一空心線圈。
- 如申請專利範圍第8項所述之線圈結構,其中該線圈結構係以法宇哈巴式繞線方法繞成。
- 如申請專利範圍第8項所述之線圈結構,其中該等繞線組係依序繞設,並具有相同繞線順序及結構。
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