TWI477034B - Built-in permanent magnet motor - Google Patents

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TWI477034B TW100144088A TW100144088A TWI477034B TW I477034 B TWI477034 B TW I477034B TW 100144088 A TW100144088 A TW 100144088A TW 100144088 A TW100144088 A TW 100144088A TW I477034 B TWI477034 B TW I477034B
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Description

內置式永久磁鐵馬達
本發明與馬達轉子有關,更詳而言之,係指一種可提高磁阻轉矩、降低頓轉轉矩及高次諧波之內置式永久磁鐵馬達轉子。
習知一種具有均勻氣隙的內置式永久磁鐵轉子馬達,為提高其磁阻轉矩,採取了縮小主磁極極面的技術方案,此一技術方案的另一意義是擴大了極間極面,提高交軸和直軸電感比,增加馬達的磁阻轉矩。然而,交軸電感提高導致頓轉轉矩增加,而頓轉轉矩會導致脈動漣波轉矩產生,馬達因而產生震動及噪音,這對於馬達的效率影響很大,特別是應用於車輛驅動、機器人(或機械手臂)、高精密位置控制或恆定速度控制時,頓轉轉矩必需設法克服。
已知改善馬達頓轉轉矩的技術方案,包括改變轉子磁鐵強度、改變磁鐵展開角度、改變轉子磁鐵充磁方式、定子齒部設置輔助槽、槽和極數不同組合、定子斜槽和轉子斜磁極、減少定子開口槽寬度、增加每極槽數等。
一先前專利的美國發明專利US6703745B2提出了利用氣隙磁阻來改善頓轉轉矩的技術方案。該方案主要將和磁鐵槽位相對的轉子極面設計成向外凸出的圓弧形,以下簡稱圓弧極面,構成該圓弧極面的半徑係小於轉子半徑。該圓弧極面改變了馬達氣隙的磁場分佈,使氣隙磁通分佈接近正弦波分佈,從而改善頓轉轉矩。(如第一圖)
但是,上述各種改善頓轉轉矩的技術方案,都會產生不被期待的寄生效應。例如上開先前專利,因馬達交軸的氣隙增加,導致交軸電感大幅減少,磁阻轉矩亦隨之減少。而頓轉轉矩低於某種程度時,感應電壓的高次諧波反而增加,尤其是使用強力磁鐵(稀土磁鐵)時,感應電壓的高次諧波將會使轉子和定子發生熱電磁耗損、馬達高負載運行時噪音增加,且產生徑向力使轉子的轉動力量不均勻,軸承負荷增加等問題。這些高次諧波更會進一步的使我們希望的正弦波氣隙磁路變形,引起一些寄生的扭力波形,這會弱減馬達實際的扭力輸出。
從以上的技術揭露可知,減少頓轉轉矩以及增加磁阻轉矩和降低高次諧波這三個目的似乎無法同時兼顧,但是,本發明在此所提出的新技術方案,可以同時解決上述三項問題。
本案之目的係在提供一種內置式永久磁鐵馬達,其具有減少頓轉轉矩、增加磁阻轉矩、以及降低高次諧波之效能。
本案達成上述目的之技術方案,主要係將馬達的轉子外緣規劃多數個主磁極極面和極間極面,每一極間極面介於兩個相鄰的主磁極極面之間;主磁極極面及極間極面係由多個與轉子圓心不同心之偏心圓之圓弧連接而成,主磁極極面和極間極面為多層次圓弧面,它使轉子與定子之間的氣隙為非均勻,但為規律層次性的變化,據此調整氣隙磁通分佈,使其接近正弦波分佈,以改善頓轉轉矩過大的問題。此外,主磁極極面和極間極面之各圓弧於連接處形成凹陷部,該凹陷部可產生抑制高次諧波的氣隙磁場。
本發明設定極間極面至少等於或大於1/2定子齒部之齒寬,透過維持極間極面寬度以及縮減極間極面氣隙之方案,以獲得較高之交軸電感來提高磁阻轉矩,並且維持較低的頓轉轉矩。
為便於說明本案於上述新型內容一欄中所表示的中心思想,茲以具體實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪,而非按實際元件的比例予以繪製,合先敘明。
如第二圖及第三圖,以馬達定子及轉子的端面圖來描述本發明,包括一定子10、一轉子20、多數個供永久磁鐵內置之磁鐵槽25、以及設於該轉子20中心供旋轉軸心(圖未示)穿樞之軸孔26。
第三圖係第二圖之局部放大圖,用以清楚顯示轉子外緣的形狀。本發明將馬達的轉子外緣規劃多數個主磁極極面21和極間極面22,每一極間極面22介於兩個相鄰的主磁極極面21之間;該主磁極極面21和極間極面22係由多個與該轉子圓心C0不同心之偏心圓之圓弧連接合成,於圓弧連接處形成凹陷部44、45。
主磁極極面21係由多個與轉子的圓心C0為不同心的偏心圓弧連結而成。在本案所揭露之最佳實施例中,該主磁極極面21包含一個第一偏心圓弧41和兩個第二偏心圓弧42,該第一偏心圓弧41及該第二偏心圓弧42與該轉子的圓心C0為不同心,且該第一偏心圓弧41與該第二偏心圓弧42為不同心;兩個第二偏心圓弧42分別連接於該第一偏心圓弧41的兩個邊端,並在圓弧連接處形成一凹陷部45。
該極間極面22也是由與轉子的圓心C0為不同心的偏心圓弧所構成,極間極面22的邊端與主磁極極面21的邊端連接。該極間極面22可以是單個偏心圓弧,也可以是多個偏心圓弧相連。在本案所揭露之最佳實施例中,該極間極面22包含一個偏心圓弧,吾等將之稱為第三偏心圓弧43。第二偏心圓弧42連接著第一偏心圓弧41和第三偏心圓弧43,且第二偏心圓弧42與第三偏心圓弧的連接處形成一凹陷部44。
為便於詳細描述,茲以主磁極極面21包含一個第一偏心圓弧41和兩個第二偏心圓弧42,以及極間極面22包含一個第三偏心圓弧43為例,來說明本發明之技術特徵。然而最佳實施例之揭露並非用以限制本發明,舉凡偏心圓弧的數量、曲率、展開角度改變均可依照馬達的需求而加以調變,例如,本發明以下所述的技術特徵,可依據單轉向馬達或雙轉向馬達做合宜之調整。
如第四圖,第一偏心圓弧41之成形係由第一圓心C1以及第一圓弧半徑R1所構成。第一圓心C1與轉子圓心C0具有一距離位差R2。在最佳圖例中,第一圓弧半徑R1小於轉子半徑R,同時具有R1+R2=R的關係。但並不以此為限,第一圓弧半徑R1大於轉子半徑R,或R2+R=R1亦是可行的。應用於單轉向馬達時,該第一偏心圓弧41也可以由不同圓心的圓弧組成。
第二偏心圓弧42之形成係由第二圓心C2以及第二圓弧半徑R3所構成,該第二圓心C2與轉子圓心C0偏移一個水平距離D。在最佳圖例中,第二圓弧半徑R3小於轉子半徑R。但並不以此為限,第二圓弧半徑R3大於轉子半徑R亦是可行的;此外,兩個第二偏心圓弧42亦可為不同圓心,不同之圓弧半徑。
該第三偏心圓弧43之成形係由第三圓心C3以及第三圓弧半徑R4所構成,該第三圓心C3與轉子圓心C0具有一距離位差R5。在最佳圖例中,第三圓弧半徑R4小於轉子半徑R,同時具有R4+R5=R的關係。但並不以此為限,第三圓弧半徑R4大於轉子半徑R,或R5+R=R4亦是可行的。
主磁極極面21之第一偏心圓弧41和第二偏心圓弧42的總展開角度介於(n-m)×(360度/s)與(n-m-1)×(360度/s)之間。其中,n為馬達每一個主磁極極面21所面對之總齒數之整數值int(s/p),s為馬達總槽數,p為馬達極數,m=0,1,2…之整數。m為整數,代表主磁極極面21面對整數倍的齒槽寬度,這樣的頓轉轉矩較高必須避免。再者,(n-m-1)必須大於零。第一偏心圓弧41之展開角度小於360度/2p(p為馬達極數)。除此之外,一個主磁極極面21和一個極間極面22所包含的一個第一偏心圓弧41、兩個第二偏心圓弧42以及一個第三偏心圓弧43,它們的的展開角度總和為360度/p(p為馬達極數)。
極間極面22至少等於或大於1/2定子齒部之齒寬。
本發明實施例之主磁極極面採用不同心之一個第一偏心圓弧41和二個第二偏心圓弧42合成,使該主磁極極面21邊端之氣隙厚度AG1大於中點之氣隙厚度AG2,較佳的是,AG1為AG2的1.2~2.5倍。除此之外,該極間極面22的中點氣隙厚度AG3與主磁極極面21之中點氣隙厚度AG2相同為最佳。
以上所述係為本發明之各項技術特徵,以下係將各項技術特徵之功效一一加以說明。
本發明定義極間極面22的寬度至少等於或大於1/2定子齒部之齒寬,且極間極面22係由上述第三偏心圓弧43構成,此一設計係為了獲得較高的交軸(Q軸)電感。而本發明再定義極間極面22的中點氣隙厚度AG3與主磁極極面21之中點氣隙厚度AG2相同,儘可能的縮小極間極面22的氣隙厚度,解決因氣隙過大而導致Q軸電感弱減的問題。基於此,本發明之設計達到了增加交軸電感和增加馬達磁阻轉矩的目的。
本發明於達成上述目的之同時也兼顧了降低頓轉轉矩的要求。本發明之主磁極極面21為第一偏心圓弧41和第二偏心圓弧42的設計,偏心圓弧設計改變了氣隙的磁場分佈,使氣隙磁通分佈接近正弦波分佈,使馬達具有較低的頓轉轉矩。
在達到低頓轉轉矩目的之同時,本發明利用微調氣隙磁通的方法兼顧了降低高次諧波的要求。例如以第一偏心圓弧41、第二偏心圓弧42為不同展開角度及/或不等圓弧、調整第二偏心圓弧42之圓弧偏心量、使主磁極極面21為多層次圓弧面、於第一偏心圓弧41和第二偏心圓弧42之交界產生凹陷部45、調整凹陷部45的氣隙厚度AG1等設計,均可將產生高次諧波(5、7、11、13…次階諧波)的磁場做局部降低,使得高次諧波可以降到最低。基於高次諧波的降低,無效的漣波減少,使馬達效率提高。
以下,以本發明圖例所示之最佳實施例進行磁阻扭力、頓轉轉矩、以及諧波之實驗和結果,證明本發明確可達到所述的目的及功效。
■磁阻扭力
習知的馬達扭力公式,如式1
T=3P/Ws[Eq*Iq+(Xd-Xq)*Id*Iq] 式1
其中,符號*為乘法;T:扭力;P:馬達極數;Ws:同步轉速;Eq:反電動勢;Xd:直軸電感(d軸);Xq:交軸電感(q軸);Id=-I*sinθ;Iq=I*cosθ;θ:電流角度。
當馬達轉子磁鐵位於表面時,Xd=Xq,沒有磁阻扭力,扭力T與電流Iq成正比。在相同的電流I條件下,透過控制電流角度,讓Id/Iq的電流產生變化,則可以將馬達轉速提高,產生一個等功率的馬達輸出特性的轉速範圍。亦即,馬達轉速和輸出扭力成反比,產生出相對應的扭力及轉速數值。
當馬達轉子磁鐵位於裡面時,Xd<Xq,有磁阻扭力,但扭力並沒有與電流Iq成正比。在相同的電流I條件下,透過控制電流角度,讓Id/Iq的電流產生變化,則可以將獲得的磁阻扭力表現出來,在相同轉速時,表現出來的扭力會比等功率的扭力高,進而使得功率變高。
表一是以一顆8極內置式馬達配合本發明之最佳實施例在相同電流I時的測試數據,可以展現磁阻扭力的功效。
由表一之相同電流角度的最大扭力值可以看出,相對於馬達等功率對應扭力,在扭力的增加上有明顯的效益。
■頓轉轉矩
表二是以一顆8極內置式馬達配合本發明之最佳實施例測試頓轉轉矩之數值。8極馬達,每極占45度,所以,每45度會產生一個頓轉轉矩數值的重複性。表二是馬達在各不同角度下的頓轉轉矩數值。
由表二的頓轉轉矩數值可以看出,馬達最大頓轉轉矩數值為1.5kg-cm,由表一的最大扭力測試數據中可以看出,馬達最大扭力為94kg-cm,最大頓轉轉矩相對於馬達最大扭力,只有1.6%的比值,可以確認本發明確具有降低頓轉轉矩的效能。
■諧波數值分析
馬達的反電動勢波形量出後,經過傅利葉(FFT)轉換後可以看出每個諧波量。測試時,是以具備本發明上述最佳實施例之8極內置式馬達,利用原動機將本發明之待測馬達轉到1500RPM,測試待測馬達反電動勢,利用示波器FFT分析反電動勢諧波分佈。
附件一為諧波量測之結果,黃色曲線為馬達U相反電動勢,紅色曲線為FFT分析結果。由FFT結果發現,主要頻率只有100Hz這1根,其餘地方都幾乎為0。表示只有基礎波,其他諧波幾乎為0。
馬達轉速=120*頻率/馬達極數
這顆測試馬達為8極,又利用原動機將待測馬達轉到1500RPM,所以,依上式,可以換算出頻率為100HZ。這跟FFT結果的100HZ相同,由此可證明,FFT量到的基礎波就是測試馬達的運轉頻率。由測試結果數據圖的各階諧波跟基本波比較,相對百分比很低,可以確認本專利實施的有效性。
已知,高次諧波為基礎波的倍頻率,若在示波器中具有基礎波形以及許多倍頻率的波形時,代表高次諧波存在。在本發明之測試結果並沒有出現100Hz倍頻的波形,表示只有基礎波,其他諧波幾乎為0。據此證明本案具有降次諧波之效能。
10...定子
20...轉子
21...主磁極極面
22...極間極面
25...磁鐵槽
26...軸孔
41...第一偏心圓弧
42...第二偏心圓弧
43...第三偏心圓弧
44...凹陷部
45...凹陷部
AG1...氣隙厚度
AG2...氣隙厚度
AG3...氣隙厚度
C0...轉子圓心
C1...第一圓心
C2...第二圓心
C3...第三圓心
D...水平距離
R...轉子半徑
R1...第一圓弧半徑
R2...距離位差
R3...第二圓弧半徑
R4...第三圓弧半徑
R5...距離位差
第一圖為先前技術馬達轉子和定子的組合端面面。
第二圖為本發明轉子與定子之端面圖。
第三圖為本發明轉子與定子之局部放大圖,描述轉子外緣的形狀。
第四圖為本發明轉子與定子之局部放大圖,描述定義該轉子外緣形狀之條件。
附件一本發明之諧波量測結果。
10‧‧‧定子
20‧‧‧轉子
25‧‧‧磁鐵槽
26‧‧‧軸孔
41‧‧‧第一偏心圓弧
42‧‧‧第二偏心圓弧
43‧‧‧第三偏心圓弧
44‧‧‧凹面
45‧‧‧凹面

Claims (11)

  1. 一種內置式永久磁鐵馬達,包括一定子、一轉子、以及設於該轉子上多數個供永久磁鐵內置之磁鐵槽、以及設於該轉子中心供一旋轉軸心穿樞之軸孔;該轉子的外緣面包含:多數個主磁極極面和多數個極間極面,每一極間極面介於兩個相鄰的主磁極極面之間;該主磁極極面和該極間極面係由多個與該轉子圓心不同心之偏心圓之圓弧連接合成,於每一圓弧連接處形成一凹陷部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述內置式永久磁鐵馬達,其中,該主磁極極面之邊端之氣隙厚度大於中點之氣隙厚度,其厚度相差1.2~2.5倍。
  3. 如申請專利範圍第1項所述內置式永久磁鐵馬達,其中,該極間極面的中點氣隙厚度與該主磁極極面之中點的氣隙厚度相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述內置式永久磁鐵馬達,其中,該極間極面的寬度等於或大於1/2定子齒部之齒寬。
  5. 如申請專利範圍第1項所述內置式永久磁鐵馬達,其中,該主磁極極面包括至少一個第一偏心圓弧以及至少兩個第二偏心圓弧,該第一偏心圓弧及該第二偏心圓弧與該轉子的圓心為不同心,且該第一偏心圓弧與該第二偏心圓弧為不同心;該二個第二偏心圓弧分別連接於該第一偏心圓弧的兩個邊端,並在圓弧連接處形成一凹陷部。
  6. 如申請專利範圍第5項所述內置式永久磁鐵馬達,其中,該第一偏心圓弧之成形係由一第一圓心以及一第一圓弧半徑所構成;該第一圓心與該轉子之圓心具有一距離位差。
  7. 如申請專利範圍第5項所述內置式永久磁鐵馬達,其中,該第二偏心圓弧之形成係由一第二圓心以及一第二圓弧半徑所構成;該第二圓心與該轉子圓心偏移一個水平距離。
  8. 如申請專利範圍第5項所述內置式永久磁鐵馬達,其中,上述的兩個第二偏心圓弧分別為不同圓心及不同圓弧半徑所構成。
  9. 如申請專利範圍第5項所述內置式永久磁鐵馬達,其中,該主磁極極面的總展開角度介於(n-m)×(360度/s)與(n-m-1)×(360度/s)之間;其中,n為馬達每一個主磁極極面所面對之總齒數之整數值int(s/p),s為馬達總槽數,p為馬達極數,m=0,1,2…之整數;(n-m-1)大於零。
  10. 如申請專利範圍第1項所述內置式永久磁鐵馬達,其中,該極間極面包含至少一偏心圓弧,該極間極面之偏心圓弧連接於該主磁極極面的兩個邊端。
  11. 如申請專利範圍第10項所述內置式永久磁鐵馬達,其中,該極間極面之偏心圓弧之成形係由一第三圓心以及一第三圓弧半徑所構成,該第三圓心與該轉子之圓心具有一距離位差。
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