TWI460967B - 電機轉定子結構 - Google Patents

Description

電機轉定子結構

本提案係關於一種電機轉定子結構，特別是具有磁性件之表面具有突起結構的電機轉定子結構。

近年來，隨著能源成本逐漸高漲，各國對於能耗的要求日趨嚴格。特別是在工廠節能方面，馬達係佔工廠總用電量的70%以上。因此，如何提升馬達的運轉效率便受到相當地重視。在數種馬達架構中，永磁無刷馬達因提供結構簡單、易維護及效率高等優點，而逐漸受到重視。其中，又以軸向磁通馬達(axial flux motor，AFM)具有徑長比值低而容易薄型化之優點，而受到矚目。

在永磁無刷馬達中，磁鐵對於馬達性能扮演著舉足輕重的角色。除了提高磁鐵本身的磁能積之外，有效引導馬達內部的磁路以及與減少磁鐵的磁漏現象，也是馬達的發展重點。

一般來說，在各種磁鐵當中，又以稀土磁鐵具有較高的磁能積，使得採用稀土磁鐵的馬達具有較佳的扭力密度而被廣泛的運用於各機電領域。

然而，由於近年來稀土材料之價格大幅上漲將近三倍，使得採用稀土磁鐵的馬達之成本相對提升。因此，如何降低稀土磁鐵的用量，並同時能夠提高馬達的運轉效率，已是研究人員所欲追求的目標。

本提案在於提供一種電機轉定子結構，藉以提升磁通密度而 提高馬達的運轉效率，以降低磁鐵材料的使用量。

本提案所揭露之電機轉定子結構，包含一定子、一轉子及多個突起結構。定子包含多個第一磁性件，每一第一磁性件具有一第一表面。轉子可相對定子樞轉，轉子包含多個第二磁性件。每一第二磁性件具有一第二表面，這些第二表面面向這些第一表面。這些突起結構設置於這些第一表面或這些第二表面。

根據上述本提案所揭露之電機轉定子結構，係藉由突起結構的設置，以集中轉子磁性件與定子磁性件之間的磁通路徑而避免發散，藉以提升轉子磁性件與定子磁性件之間的磁通量以及磁通密度。因此，本實施例之電機轉定子結構可提升磁鐵的利用率。是以，本提案的電機轉定子結構可進一步地提升馬達的運轉效率，並可降低成本。

有關本提案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

請參照第1A圖、第1B圖及第2A圖，第1A圖係為根據本提案一實施例之電機轉定子結構的結構示意圖，第1B圖係為根據本提案一實施例之電機轉定子結構的結構剖視圖，第2A圖係為根據本提案一實施例之電機轉定子結構的局部結構放大圖。

本提案之電機轉定子結構10包含一定子11、一轉子12及多個突起結構13。

定子11包含多個第一磁性件111，且定子11另包含一殼體112，這些第一磁性件111固定於殼體112。

詳細來說，在本實施例中，殼體112可包含一第一殼件1121及一第二殼件1122，第一殼件1121與第二殼件1122係間隔設置。這些第一磁性件111分別固定於第一殼件1121及一第二殼件1122，且這些第一磁性件111介於第一殼件1121及第二殼件1122之間。每一第一磁性件111包含一導磁件1111以及一線圈1112，線圈1112圈繞導磁件1111。換句話說，第一磁性件111係為一電磁鐵。每一第一磁性件111的導磁件1111具有一第一表面1113。

此外，上述本實施例的導磁件1111之材質可為軟磁複合材料。導磁件1111的製作方式可以是將包含有鐵(Fe)、矽(Si)、鋁(Al)、錳(Mo)之成份的混合粉體，以絕緣接合劑(binder)壓結成塊狀而形成。上述的絕緣接合劑可以為無機材，譬如磷(Phosphates)與二氧化矽(Oxides)。與傳統採用沖壓製成的矽鋼片之導磁件比較，本實施例的導磁件1111因為壓鑄成形的關係而具有較高的材料利用率。此外，本實施例的導磁件1111之材質因具有等向性之鐵磁特性，故在設計上可較傳統的矽鋼片之導磁件更具彈性。

轉子12以可相對定子11樞轉的關係樞設於定子11。轉子12包含多個第二磁性件121，這些第二磁性件121為永久磁鐵。轉子12另包含可相對殼體112旋轉的一轉盤122，轉盤122介於第一殼件1121及第二殼件1122之間。這些第二磁性件121固定於轉盤122上，且這些第二磁性件121介於位於第一殼件1121的這些第一磁性件111與位於第二殼件1122的這些第一磁性件111之間。並且，這些第二磁性件121具有相對的二第二表面1211，此二第二表面1211分別面向固定於第一殼件1121的導磁件1111之 第一表面1113以及固定於第二殼件1122的導磁件1111之第一表面1113。

上述本實施例的第二磁性件121可為樹脂結合型磁鐵，其主要包含釹(Nd)、鐵(Fe)與錋(B)等元素，且可藉由壓鑄結合的方式製成。相較於傳統稀土磁鐵，本實施例的第二磁性件121因沒有鏑(Dy)元素需求而可降低成本達30%以上。

需注意的是，上述定子11之殼體112係以包含二殼件(第一殼件1121及第二殼件1122)為例，但殼件的數量非用以限定本提案。譬如在其他實施例當中，定子11之殼體112也可以僅包含單一個殼件，而第一磁性件111僅位於第二磁性件121的單側。

本實施例的這些突起結構13設置於這些第一表面1113以及這些第二表面1211上。突起結構13可以是但不限於以一體成型的方式設置於第一表面1113或第二表面1211馬達。突起結構13用以提升第一磁性件111之第一表面1113與第二磁性件121之第二表面1211之間的磁通密度，以提升運用本提案之電機轉定子結構10的馬達之運轉效率。

此外，在本實施例中，位於這些第一表面1113的這些突起結構13與位於這些第二表面1211的這些突起結構13係正對配置，如第2A圖。詳細來說，所謂的正對配置係指由第一表面1113的這些突起結構13投影至第二表面1211的位置係與第二表面1211的這些突起結構13之位置相重疊。

需注意的是，上述第一表面1113上的這些突起結構13與第二表面1211上的這些突起結構13之相對位置關係並非用以限定 本提案。舉例來說，如第2B圖所示的另一施例當中，位於這些第一表面1113的這些突起結構13與位於這些第二表面1211的這些突起結構13係交錯配置。所謂的交錯配置係指由第一表面1113的這些突起結構13投影至第二表面1211的位置係介於第二表面1211的每一突起結構13之間而不相重疊。藉由第一表面1113上的突起結構13與第二表面1211上的突起結構13之交錯配置關係，可有利於電機轉定子結構10的組裝而避免第一表面1113上的突起結構13與第二表面1211上的突起結構13產生干涉的問題。

此外，如本實施例之第3A圖所示，突起結構13的外型可為柱體，譬如圓柱體。需注意的是，突起結構13的外型非用以限定本提案。在其他實施例中，突起結構13a的外型也可為三角柱體(如第3B圖所示)，或者突起結構13b的外型也可為方柱體(如第3C圖所示)。並且，如第3D圖至第3G圖所示的其他實施例中，突起結構13c/13d/13e/13f的一端也可具有一導角結構131c/131d/131e/131f。此外，在本實施例或其他實施例中，本實施例之這些突起結構13可以是陣列排列(如第4A圖所示)。或者，在其他實施例當中，這些突起結構13可以是放射狀排列(如第4B圖所示)。但這些突起結構13的排列方式非用以限定本提案。這些突起結構13之設置除了可提升磁通密度外，更可藉由調整突起結構13的外型以及排列方式，以視不同需求而選擇性的提升電機轉定子結構10的最大轉矩(Maximum Torque)、轉矩漣波(Torque Ripple)或頓轉轉矩(Cogging Torque)，以符合實際運用需求。

請接著參照第5A圖，第5A圖係為根據本提案另一實施例之 電機轉定子結構的結構剖視圖。本實施例與第1B圖之實施例相似，因此只針對相異處加以說明。

本實施例之電機轉定子結構10a與第1B圖之實施例的差異在於，這些突起結構13僅設置於第一表面1113而未設置於第二表面1211。是以這樣的突起結構13之配置，依舊可以提升電機轉定子結構10a之第一表面1113與第二表面1211之間的磁通密度，以提升運用此電機轉定子結構10a的馬達之運轉效率。

請接著參照第5B圖，第5B圖係為根據本提案另一實施例之電機轉定子結構的結構剖視圖。本實施例與第1B圖之實施例相似，因此只針對相異處加以說明。

本實施例之電機轉定子結構10b與第1B圖之實施例的差異在於，這些突起結構13僅設置於第二表面1211而未設置於第一表面1113。是以這樣的突起結構13之配置，依舊可以提升電機轉定子結構10b之第一表面1113與第二表面1211之間的磁通密度，以提升運用此電機轉定子結構10b的馬達之運轉效率。

請接著參照第6A圖，第6A圖係為根據本提案另一實施例之電機轉定子結構的局部結構放大圖。本實施例與第2A圖之實施例相似，因此只針對相異處加以說明。

本實施例的突起結構13與第2A圖之實施例的差異在於，突起結構13可相對第一表面1113的法線向量L1以及第二表面1211的法線向量L2傾斜一角度θ，角度θ的範圍可為-45至45度。詳細來說，突起結構13的結構中線L係與第一表面1113的法線向量L1以及第二表面1211的法線向量L2夾一銳角。藉由突起結構 13相對第一表面1113的法線向量L1或第二表面1211的法線向量L2的傾斜設置，可更加提升磁通密度。需注意的是，本實施例係以第一表面1113以及第二表面1211皆設置有傾斜的突起結構13為例，但不以此為限。譬如在其他實施例當中，也可僅有第二表面1211具有傾斜的突起結構13，如第6B圖所示。或者，在其他實施例當中，也可僅有第一表面1113具有傾斜的突起結構13，如第6C圖所示。

根據上述本提案所揭露的各種電機轉定子結構之實施例，更以模擬軟體Maxwell模擬本提案各實施例以及習知轉定子結構的磁通量、最大扭力以及Z軸磁通量來做比較，比對資料如第7圖以及下表一、二所示。

如第7圖所示，橫軸代表具有第一表面1113或是第二表面1211的一長度區段(單位毫米/mm)，縱軸代表磁通量大小(單位：毫特斯拉/mTesla)。虛線代表第一表面1113以及第二表面1211皆不具有突起結構13的習知轉定子結構之磁通量曲線。實線代表第一表面1113或是第二表面1211具有突起結構13的實施例之磁通量曲線。而上述的突起結構13為放射狀排列。每一突起結構13之外型為直徑1.0mm以及高度0.5mm的圓柱體，且突起結構13相對第一表面1113或是第二表面1211的傾斜角度為30度。由第7圖可知，第一表面1113或是第二表面1211具有突起結構13的實施例(實線)之平均的磁通量係大於第一表面1113以及第二表面1211皆不具有突起結構13的習知轉定子結構(虛線)。由此模擬分析可知，於第一磁性件111的第一表面1113或是於第二磁性件121 的第二表面1211設置突起結構13，確實有助於提升電機轉定子結構之轉子與定子之間的氣隙磁通量，進而提升馬達之運轉效率。

此外，如下表一所示，係為各組轉定子結構的最大扭力、磁通量以及Z軸磁通量之比較表。其中，對照組為不具突起結構的習知轉定子結構，實施例1至實施例19為第二表面1211具有突起結構13之電機轉定子結構，且實施例1至實施例19具有不同傾斜角度的突起結構13。其中，傾斜角度為正代表突起結構13相對第二表面1211的法線向量L2向右傾斜，而傾斜角度為負代表突起結構13相對第二表面1211的法線向量L2向左傾斜。並且，上述對照組以及實施例1至實施例19的轉定子結構除了在突起結構上具有差異外，其餘特徵條件皆相同。此外，上述的磁通量代表第一表面1113至第二表面1211的磁通量，而Z軸磁通量代表第一表面1113至第二表面1211的磁通量之Z軸方向的分量。

由表一可知，具有突起結構13的每一實施例之最大扭力、磁通量以及Z軸磁通量皆優於不具突起結構的習知轉定子結構。並且，突起結構13又以傾斜0度角具有最佳的最大扭力，以傾斜-40、-35、35度角具有最佳的磁通量，以傾斜-35度角具有最佳的Z軸磁通量。

此外，如下表二所示，係為各組轉定子結構的最大扭力、磁通量以及Z軸磁通量之比較表。其中，對照組為不具突起結構的習知轉定子結構，實施例1至實施例19為第一表面1113及第二表面1211皆具有突起結構13之電機轉定子結構，且實施例1至實施例19具有不同傾斜角度的突起結構13。其中，傾斜角度為正代表突起結構13相對第一表面1113的法線向量L1向右傾斜，以及突起結構13相對第二表面1211的法線向量L2向右傾斜。而傾斜角度為負代表突起結構13相對第一表面1113的法線向量L1向左傾斜，以及突起結構13相對第二表面1211的法線向量L2向左傾斜。並且，上述對照組以及實施例1至實施例19的轉定子結構除了在突起結構上具有差異外，其餘特徵條件皆相同。此外，上 述的磁通量代表第一表面1113至第二表面1211的磁通量，而Z軸磁通量代表第一表面1113至第二表面1211的磁通量之Z軸方向的分量。

由表二可知，具有突起結構13的每一實施例之最大扭力、磁通量以及Z軸磁通量皆優於不具突起結構的習知轉定子結構。並且，突起結構13又以傾斜-20度角具有最佳的最大扭力，以傾斜-45度角具有最佳的磁通量以及最佳的Z軸磁通量。

根據上述實施例之電機轉定子結構，係藉由突起結構的設置，以集中轉子磁性件與定子磁性件之間的磁通路徑而避免發散，藉以提升轉子磁性件與定子磁性件之間的磁通量以及磁通密度。因此，本實施例之電機轉定子結構可提升磁鐵的利用率。是以，本提案的電機轉定子結構可進一步地提升馬達的運轉效率，並可降低成本。

雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電機轉定子結構

10a‧‧‧電機轉定子結構

10b‧‧‧電機轉定子結構

11‧‧‧定子

111‧‧‧第一磁性件

1111‧‧‧導磁件

1112‧‧‧線圈

1113‧‧‧第一表面

112‧‧‧殼體

1121‧‧‧第一殼件

1122‧‧‧第二殼件

12‧‧‧轉子

121‧‧‧第二磁性件

1211‧‧‧第二表面

122‧‧‧轉盤

13‧‧‧突起結構

13a‧‧‧突起結構

13b‧‧‧突起結構

13c‧‧‧突起結構

13d‧‧‧突起結構

13e‧‧‧突起結構

13f‧‧‧突起結構

131c‧‧‧導角結構

131d‧‧‧導角結構

131e‧‧‧導角結構

131f‧‧‧導角結構

第1A圖係為根據本提案一實施例之電機轉定子結構的結構示意圖。

第1B圖係為根據本提案一實施例之電機轉定子結構的結構剖視圖。

第2A圖係為根據本提案一實施例之電機轉定子結構的局部結構放大圖。

第2B圖係為根據本提案另一實施例之電機轉定子結構的局部結構放大圖。

第3A圖係為根據本提案一實施例之突起結構的結構放大圖。

第3B圖至第3G圖係為根據本提案其他實施例之突起結構的結構放大圖。

第4A圖係為根據本提案一實施例之突起結構的排列示意圖。

第4B圖係為根據本提案另一實施例之突起結構的排列示意圖。

第5A圖係為根據本提案另一實施例之電機轉定子結構的結構剖視圖。

第5B圖係為根據本提案另一實施例之電機轉定子結構的結構剖視圖。

第6A圖係為根據本提案另一實施例之電機轉定子結構的局部結構放大圖。

第6B圖係為根據本提案另一實施例之電機轉定子結構的局部結構放大圖。

第6C圖係為根據本提案另一實施例之電機轉定子結構的局部結構放大圖。

第7圖係為根據本提案一實施例之具突起結構的結構示意圖。

10‧‧‧電機轉定子結構

11‧‧‧定子

111‧‧‧第一磁性件

1111‧‧‧導磁件

1112‧‧‧線圈

1113‧‧‧第一表面

112‧‧‧殼體

1121‧‧‧第一殼件

1122‧‧‧第二殼件

12‧‧‧轉子

121‧‧‧第二磁性件

1211‧‧‧第二表面

122‧‧‧轉盤

13‧‧‧突起結構

Claims (13)

1. 一種電機轉定子結構，其包含有：一定子，包含多個第一磁性件，每一該第一磁性件具有一第一表面；一轉子，以一軸向為旋轉軸相對該定子樞轉，該轉子包含多個第二磁性件，每一該第二磁性件具有一第二表面，該些第二表面沿該軸向面向該些第一表面；以及多個突起結構，設置於該些第一表面或該些第二表面。
2. 如請求項1所述之電機轉定子結構，其中該些突起結構設置於該些第一表面及該些第二表面。
3. 如請求項2所述之電機轉定子結構，其中，位於該些第一表面的該些突起結構與位於該些第二表面的該些突起結構係正對配置。
4. 如請求項2所述之電機轉定子結構，其中，位於該些第一表面的該些突起結構與位於該些第二表面的該些突起結構係交錯配置。
5. 如請求項1所述之電機轉定子結構，其中，該些突起結構相對該些第一表面的法線向量或該些第二表面的法線向量傾斜一角度。
6. 如請求項1所述之電機轉定子結構，其中，該些突起結構之外型為柱體。
7. 如請求項6所述之電機轉定子結構，其中，該些突起結構之外型為圓柱體、三角柱體或方柱體。
8. 如請求項1所述之電機轉定子結構，其中，該些突起結構係陣列排列。
9. 如請求項1所述之電機轉定子結構，其中，該些突起結構係放射狀排列。
10. 如請求項1所述之電機轉定子結構，其中，每一該第一磁性件包含一導磁件以及一線圈，該線圈圈繞該導磁件。
11. 如請求項1所述之電機轉定子結構，其中，每一該第二磁性件為一永久磁鐵。
12. 如請求項1所述之電機轉定子結構，其中，該定子另包含一殼體，該些第一磁性件固定於該殼體，該轉子另包含一轉盤，該轉盤可相對該殼體旋轉，該些第二磁性件固定於該轉盤。
13. 如請求項12所述之電機轉定子結構，其中，該殼體包含一第一殼件及一第二殼件，該轉盤介於該第一殼件及該第二殼件之間，該些第一磁性件設置於該第一殼件及該第二殼件，且該些第二磁性件介於位於該第一殼件的該些第一磁性件與位於該第二殼件的該些第一磁性件之間。