TWI556549B - 內轉子馬達、內轉子馬達之轉子及其尺寸選用方法 - Google Patents

Description

內轉子馬達、內轉子馬達之轉子及其尺寸選用方法

本發明係關於一種內轉子馬達、內轉子馬達之轉子及其尺寸選用方法，尤其是一種包含鐵芯之轉子及設有該轉子的內轉子馬達，以及該轉子的尺寸選用方法。

請參照第1圖所示，係一種習用內轉子馬達之轉子9，該轉子9包含一轉軸91、一鐵芯92及數個永久磁鐵93。該鐵芯92包含一管狀連接部921，該管狀連接部921結合於該轉軸91外周，且該管狀連接部921連接數個磁極部922，所述磁極部922的數量、所述永久磁鐵93的數量與該轉子9的磁極數量對應。其中，該鐵芯92包含數個磁鐵收納氣隙923，所述磁鐵收納氣隙923沿該轉軸91的軸向貫穿該鐵芯92，且所述磁鐵收納氣隙923於該管狀連接部921的徑向外側形成於各該磁極部922之間。藉此，所述永久磁鐵93可以被安裝在各該磁鐵收納氣隙923中。上述習用內轉子馬達之轉子9的一實施例已揭露於中國公告第CN202759303號「旋轉電機」專利案中。

然而，所述永久磁鐵93的尺寸選用在設計該轉子9時較為困難。詳言之，若所述永久磁鐵93的尺寸過小，將導致永久磁鐵93之間的磁通量過低，造成該轉子9之磁極的磁力強度不足，因而影響採用該轉 子9之內轉子馬達的運轉效率；相對地，若所述永久磁鐵93的尺寸過大，勢必會導致所述磁極部922的體積縮小，造成該鐵芯92的整體結構強度不足，而在該轉子9旋轉的過程中產生噪音、震動甚至變形的情形。

有鑑於此，亟需提供一種進一步改良之內轉子馬達、內轉子馬達之轉子及其尺寸選用方法，以解決上述習用內轉子馬達之轉子9設計困難的問題。

本發明之一目的係在於提供一種內轉子馬達、該內轉子馬達之轉子及其尺寸選用方法，使該轉子之各永久磁鐵之面積總和與其鐵芯之外周面的面積符合一較佳比例，從而使該內轉子馬達具有良好的運轉效率，並且使該轉子之鐵芯能保有良好的結構強度。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段包含有：一種內轉子馬達之轉子，包含：一轉軸；一鐵芯，該鐵芯包含一磁軛部及數個磁極部，該磁軛部結合於上述轉軸外周，所述數個磁極部沿一圓周方向排列設置於該磁軛部外周，且於該圓周方向上相鄰之二磁極部間形成一容置槽；及數個永久磁鐵，所述永久磁鐵分別設置於上述各容置槽中；其中，上述各磁極部於遠離該轉軸之一側形成一磁極端面，各該磁極部之磁極端面於該圓周方向上延伸形成一外周面，該外周面具有一面積(A)，且上述每一個永久磁鐵包含朝向所述磁極部之二第一表面、朝向上述磁軛部之一第二表面及遠離該磁軛部之一第三表面，該二第一表面、該第二表面與該第三表面具有一面積總和(S)，該面積總和(S)與該外周面之面積(A)的比值(S/A)為0.15~0.36。

如上述內轉子馬達之轉子，其中，上述面積總和(S)與上述外周面之面積(A)的比值(S/A)為0.23~0.36。

如上述內轉子馬達之轉子，其中，上述鐵芯在上述轉軸的 軸向上具有一鐵芯高度(H)，且該鐵芯在該轉軸的徑向上具有一半徑(r)，該半徑(r)為該轉軸中心至任一上述磁極部之磁極端面的距離，上述外周面之面積(A)表示如下式所示：A=2r×π×H。

如上述內轉子馬達之轉子，其中，上述各永久磁鐵係為四邊形柱體。

如上述內轉子馬達之轉子，其中，上述各永久磁鐵係為矩形柱體，各該永久磁鐵在上述轉軸的軸向上具有一磁鐵高度(H’)、在該轉軸的徑向上具有一長度(L)、且在上述圓周方向的切線方向上具有一寬度(W)，上述二第一表面、上述第二表面與上述第三表面之面積總和(S)表示如下式所示：S=2×(L×H’)+2×(W×H’)。

如上述內轉子馬達之轉子，其中，上述鐵芯之容置槽沿上述轉軸的軸向貫通該鐵芯二側。

如上述內轉子馬達之轉子，其中，上述永久磁鐵之數量、上述容置槽之數量與上述磁極部之數量相對應。

如上述內轉子馬達之轉子，其中，上述各永久磁鐵之二第一表面分別為一N極及一S極。

如上述內轉子馬達之轉子，其中，上述鐵芯由矽鋼片堆疊組成。

一種內轉子馬達，設有如上所述之轉子，且另包含：一定子，該定子係環繞形成一容置空間，上述轉子之鐵芯及永久磁鐵設置於該容置空間中，上述轉子之轉軸與該定子形成可旋轉地結合。

一種內轉子馬達之轉子的尺寸選用方法，包含：選定具有一面積總和(S)的永久磁鐵或外周面具有一面積(A)的鐵芯，並將該 面積總和(S)或該面積(A)代入關係式「0.15A≦S≦0.36A」，以選擇鐵芯之外周面應有的面積(A)或永久磁鐵應有的面積總和(S)。

如上所述內轉子馬達之轉子的尺寸選用方法，其中，該轉子之永久磁鐵的面積總和(S)與鐵芯之外周面的面積(A)符合0.23A≦S≦0.36A。

藉由上述內轉子馬達、該內轉子馬達之轉子及該轉子的尺寸選用方法，可以確保各該永久磁鐵之面積總和(S)與該鐵芯之外周面的面積(A)具有足夠大的比值(S/A)，以增加各該永久磁鐵間的磁通量達到提升運轉效率的效果；同時確保該比值(S/A)不會過大，以避免各該磁極部的體積過小而影響該鐵芯的整體結構強度，確實具有簡化該永久磁鐵或該鐵芯之尺寸選用過程之功效。

〔本發明〕

1‧‧‧轉子

11‧‧‧轉軸

12‧‧‧鐵芯

121‧‧‧磁軛部

122‧‧‧磁極部

122a‧‧‧磁極端面

123‧‧‧容置槽

13‧‧‧永久磁鐵

131‧‧‧第一表面

132‧‧‧第二表面

133‧‧‧第三表面

2‧‧‧定子

R‧‧‧容置空間

P‧‧‧外周面

A‧‧‧面積

H‧‧‧鐵芯高度

H’‧‧‧磁鐵高度

r‧‧‧半徑

S‧‧‧面積總和

L‧‧‧長度

W‧‧‧寬度

S/A‧‧‧比值

〔習知〕

9‧‧‧轉子

91‧‧‧轉軸

92‧‧‧鐵芯

921‧‧‧管狀連接部

922‧‧‧磁極部

923‧‧‧磁鐵收納氣隙

93‧‧‧永久磁鐵

第1圖：為一種習知內轉子馬達之轉子的剖視圖。

第2圖：為本發明實施例內轉子馬達的立體分解示意圖。

第3圖：為本發明實施例內轉子馬達之轉子的放大分解示意圖。

第4圖：為本發明實施例內轉子馬達之轉子的上視示意圖。

第5圖：為本發明實施例內轉子馬達之轉子的剖視示意圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照第2圖所示，係本發明一實施例內轉子馬達，包含一轉子1及一定子2，該轉子1可旋轉地結合於該定子2。

請參照第3圖所示，係該轉子1的放大分解示意圖，該轉子1包含一轉軸11、一鐵芯12及數個永久磁鐵13。該鐵芯12結合於該 轉軸11，所述永久磁鐵13則設置於該鐵芯12。再者，該定子2係環繞形成一容置空間R，該鐵芯12及永久磁鐵13可以設置於該容置空間R中，該轉軸11則與該定子2形成可旋轉地結合。

該鐵芯12由導磁材質製成，舉例而言，該鐵芯12可以由矽鋼片堆疊組成，或者由導磁材料一體成形製作，本發明並不加以限制。該鐵芯12包含一磁軛部121及數個磁極部122，該磁軛部121結合於該轉軸11外周。所述磁極部122沿一圓周方向排列設置於該磁軛部121外周，且於該圓周方向上相鄰之二磁極部122間形成一容置槽123。各該容置槽123係在該轉軸11的徑向(即垂直且通過該轉軸11的方向)上位於該磁軛部121外側，所述容置槽123之數量與所述磁極部122之數量可以相對應，且各該容置槽123可以沿上述轉軸11的軸向(即該轉軸11的延伸方向)貫通該鐵芯12二側。

所述永久磁鐵13係設置於該鐵芯12的容置槽123中，且每一容置槽123可供容置一個永久磁鐵13。因此，所述永久磁鐵13之數量亦可與所述磁極部122之數量相對應，使得所述永久磁鐵13能夠分別設置於各該容置槽123中。各該永久磁鐵13係由磁性材質製成。

請一併參照第4圖所示，係該轉子1的上視示意圖，該鐵芯12之各磁極部122於遠離該轉軸11之一側形成一磁極端面122a，各該磁極部122之磁極端面122a於該圓周方向上延伸形成一外周面P，該外周面P具有一面積A。詳言之，該鐵芯12在該轉軸11的軸向上具有一鐵芯高度H，且該鐵芯12在該轉軸11的徑向上具有一半徑r，該半徑r為該轉軸11中心至任一個磁極部122之磁極端面122a的距離，該外周面P之面積A可以表示如下式(1)所示：A=2r×π×H (1)

此外，各該永久磁鐵13均包含朝向所述磁極部122之二第 一表面131、朝向上述磁軛部121之一第二表面132及遠離該磁軛部121之一第三表面133，該二第一表面131、該第二表面132與該第三表面133具有一面積總和S。請參照第3及5圖所示，在本實施例中，各該永久磁鐵13可以為矩形柱體，且各該永久磁鐵13在上述轉軸11的軸向上具有一磁鐵高度H’、在該轉軸11的徑向上具有一長度L、且在該圓周方向的切線方向上具有一寬度W，因此該二第一表面131、該第二表面132與該第三表面133之面積總和S可以表示如下式(2)所示：S=2×(L×H’)+2×(W×H’) (2)

該面積總和S與該外周面P之面積A相除可以產生一比值(S/A)，該比值(S/A)為0.15~0.36，以確保該實施例之內轉子馬達具有良好的運轉效率。更詳言之，各該永久磁鐵13之二第一表面131為其磁力面，換言之，該二第一表面131分別為一N極及一S極，該轉子1的磁束密度主要仰賴各該永久磁鐵13的厚度(即該寬度W)及磁力面作用產生，因此透過增加該第二表面132與該第三表面133的面積以提升該寬度W，或者透過增加該二第一表面131的面積以直接提升磁力面的面積，均可使該轉子1獲得較高之磁束密度，進而提升該實施例之內轉子馬達的運轉效率。該面積總和S與該外周面P之面積A的比值(S/A)與該實施例之內轉子馬達的運轉效率之關係可以整理如下表一所示：

其中，該實施例之內轉子馬達的運轉效率係經由實際測量輸入該定子2之輸入功率與該轉子1所產生之輸出功率以計算產生，所述運轉效率即輸出功率與輸入功率的比率。

一般而言，馬達之運轉效率較佳大於70%，因此藉由設計 使該面積總和S與該外周面P之面積A的比值(S/A)大於等於0.15，確實能夠使該實施例之內轉子馬達具有良好的運轉效率。然而，當該比值(S/A)大於0.36時，額外增加該比值(S/A)對於該實施例之內轉子馬達的運轉效率較無顯著提升效果，反而可能導致各該磁極部122的體積過小而影響該鐵芯12的整體結構強度。據此，藉由設計使該比值(S/A)小於等於0.36，能夠確保該鐵芯12具有良好的結構強度，故該比值(S/A)係選擇為0.15~0.36。換言之，該面積總和S與該外周面P之面積A的關係符合0.15A≦S≦0.36A。

再者，藉由設計使該比值(S/A)為0.23~0.36，能夠進一步提升該實施例之內轉子馬達的運轉效率，使其具有大於80%的運轉效率。換言之，該面積總和S與該外周面P之面積A的關係符合0.23A≦S≦0.36A。

雖然在本實施例中，各該永久磁鐵13係為矩形柱體，然而各該永久磁鐵13可以為不同形式的四邊形柱體，舉例而言，各該永久磁鐵13也可以為梯形柱體或平行四邊形柱體，本發明並不加以限制。當各該永久磁鐵13非呈矩形柱體時，該面積總和S雖無法以上式(2)推導，然而該面積總和S仍可透過逐一量測計算該二第一表面131、該第二表面132與該第三表面133面積並且將結果加總產生，並不影響各該永久磁鐵13的尺寸設計。此外，如第5圖所示，雖然在本實施例中，該磁鐵高度H’與該鐵芯高度H相同，然而在本發明部分實施例中，該磁鐵高度H’可以與該鐵芯高度H不同。一般而言，該磁鐵高度H’係小於等於該鐵芯高度H，使得各該永久磁鐵13能夠完整容置於各該容置槽123中。

由此可知，本發明提供一種內轉子馬達之轉子的尺寸選用方法，包含：選定具有一面積總和(S)的永久磁鐵或外周面具有一面積(A)的鐵芯，並將該面積總和(S)或該面積(A)代入關係式「0.15A ≦S≦0.36A」，以選擇鐵芯之外周面應有的面積(A)或永久磁鐵應有的面積總和(S)。另，針對於馬達之運轉效率要求較高的內轉子馬達，該轉子之永久磁鐵的面積總和(S)與鐵芯之外周面的面積(A)較佳能符合0.23A≦S≦0.36A。

藉由上述本發明實施例之內轉子馬達、該內轉子馬達之轉子及該轉子的尺寸選用方法，可以確保各該永久磁鐵13之面積總和S與該鐵芯12之外周面P的面積A具有足夠大的比值(S/A)，以增加各該永久磁鐵13間的磁通量，使該轉子1獲得較高之磁束密度，進而使該實施例之內轉子馬達運轉時輸出相同功率的條件下降低其輸入功率，達到提升運轉效率的效果；同時，該實施例之內轉子馬達、該內轉子馬達之轉子及該轉子的尺寸選用方法能夠確保該比值(S/A)不會過大，以避免各該磁極部122的體積過小而影響該鐵芯12的整體結構強度，進而避免該轉子旋轉的過程中產生噪音、震動甚至變形的情形。據此，本發明實施例確實能夠在設計該內轉子馬達之轉子時，達到簡化該永久磁鐵或該鐵芯之尺寸選用過程之功效，以解決上述習用內轉子馬達之轉子9設計困難的問題。

綜上所述，本發明之內轉子馬達，是以其轉子之永久磁鐵的磁通量及鐵芯之結構強度作為考量，提供一種轉子及該轉子的尺寸選用方法，使該轉子之各永久磁鐵之面積總和與其鐵芯之外周面的面積符合一較佳比例，從而使該內轉子馬達具有良好的運轉效率，並且使該轉子之鐵芯能保有良好的結構強度。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧轉子

11‧‧‧轉軸

12‧‧‧鐵芯

121‧‧‧磁軛部

122‧‧‧磁極部

122a‧‧‧磁極端面

123‧‧‧容置槽

13‧‧‧永久磁鐵

131‧‧‧第一表面

132‧‧‧第二表面

133‧‧‧第三表面

H‧‧‧鐵芯高度

r‧‧‧半徑

H’‧‧‧磁鐵高度

L‧‧‧長度

W‧‧‧寬度

Claims (12)

1. 一種內轉子馬達之轉子，包含：一轉軸；一鐵芯，該鐵芯包含一磁軛部及數個磁極部，該磁軛部結合於上述轉軸外周，所述數個磁極部沿一圓周方向排列設置於該磁軛部外周，且於該圓周方向上相鄰之二磁極部間形成一容置槽；及數個永久磁鐵，所述永久磁鐵分別設置於上述各容置槽中；其中，上述各磁極部於遠離該轉軸之一側形成一磁極端面，各該磁極部之磁極端面於該圓周方向上延伸形成一外周面，該外周面具有一面積(A)，且上述每一個永久磁鐵包含朝向所述磁極部之二第一表面、朝向上述磁軛部之一第二表面及遠離該磁軛部之一第三表面，該二第一表面、該第二表面與該第三表面具有一面積總和(S)，該面積總和(S)與該外周面之面積(A)的比值(S/A)為0.15~0.36。
2. 如申請專利範圍第1項所述內轉子馬達之轉子，其中，上述面積總和(S)與上述外周面之面積(A)的比值(S/A)為0.23~0.36。
3. 如申請專利範圍第1項所述內轉子馬達之轉子，其中，上述鐵芯在上述轉軸的軸向上具有一鐵芯高度(H)，且該鐵芯在該轉軸的徑向上具有一半徑(r)，該半徑(r)為該轉軸中心至任一上述磁極部之磁極端面的距離，上述外周面之面積(A)表示如下式所示：A=2r×π×H。
4. 如申請專利範圍第1項所述內轉子馬達之轉子，其中，上述各永久磁鐵係為四邊形柱體。
5. 如申請專利範圍第4項所述內轉子馬達之轉子，其中，上述各永久磁鐵係為矩形柱體，各該永久磁鐵在上述轉軸的軸向上具有一磁鐵高度(H’)、在該轉軸的徑向上具有一長度(L)、且在上述圓周方向的切 線方向上具有一寬度(W)，上述二第一表面、上述第二表面與上述第三表面之面積總和(S)表示如下式所示：S=2×(L×H’)+2×(W×H’)。
6. 如申請專利範圍第1項所述內轉子馬達之轉子，上述鐵芯之容置槽沿上述轉軸的軸向貫通該鐵芯二側。
7. 如申請專利範圍第1項所述內轉子馬達之轉子，其中，上述永久磁鐵之數量、上述容置槽之數量與上述磁極部之數量相對應。
8. 如申請專利範圍第1項所述內轉子馬達之轉子，其中，上述各永久磁鐵之二第一表面分別為一N極及一S極。
9. 如申請專利範圍第1項所述內轉子馬達之轉子，其中，上述鐵芯由矽鋼片堆疊組成。
10. 一種內轉子馬達，設有如申請專利範圍第1至9項任一項所述之轉子，且另包含：一定子，該定子係環繞形成一容置空間，上述轉子之鐵芯及永久磁鐵設置於該容置空間中，上述轉子之轉軸與該定子形成可旋轉地結合。
11. 一種內轉子馬達之轉子的尺寸選用方法，包含：選定具有一面積總和(S)的永久磁鐵或外周面具有一面積(A)的鐵芯，並將該面積總和(S)或該面積(A)代入關係式「0.15A≦S≦0.36A」，以選擇鐵芯之外周面應有的面積(A)或永久磁鐵應有的面積總和(S)。
12. 如申請專利範圍第11項所述內轉子馬達之轉子的尺寸選用方法，其中，該轉子之永久磁鐵的面積總和(S)與鐵芯之外周面的面積(A)符合0.23A≦S≦0.36A。