TWI610517B - 外轉子馬達 - Google Patents

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Abstract

一種外轉子馬達包含一內定子及一外轉子。內定子包含一軛鐵及多個線圈，軛鐵在內定子之軸向上具有相對的一第一側及一第二側。這些線圈纏繞於軛鐵。外轉子包含一環形殼體及一磁石。磁石設置於環形殼體內側，並至少部分環繞軛鐵。外轉子可相對內定子轉動。其中，磁石之相對兩側分別凸出軛鐵之第一側及第二側，且於內定子之軸向上。軛鐵的中心點與磁石的中心點保持一距離。

Description

外轉子馬達
本發明係關於一種馬達，特別是一種外轉子馬達。
永磁電機因具有結構簡單、運行可靠、體積小、損耗小與效率高的優點，且電機的形狀和尺寸可以容易變化等優點，因而應用範圍極廣，幾乎遍及航太、國防、工農業、製造與住商民生的各領域。然而，頓轉轉矩和梯形反電動勢波形始終為其在性能上的缺陷。頓轉轉矩是因為永磁無刷馬達因轉子磁石與定子矽鋼片間因幾何尺寸與構形而產生一固有但不必要的轉矩變動，進而導致馬達運轉時發生震動(vibration)與噪音(noise)等缺失的現象，且頓轉轉矩尤其對外轉子馬達影響更為嚴重。而永磁無刷外轉子馬達的轉子磁石部分一般都是使用輻射或平行充磁的片狀磁石表面黏貼於轉子軛部的內側之設計，如此將會導致馬達本身的反電動勢波形偏向梯形波分布。另外，針對懸吊式風扇結構，整體(包含扇葉和馬達)會因重力產生一向下的軸向力，扇葉在旋轉時產生一軸向氣體力向上，上述因素造成轉動件存在一軸向合力，往往會造成軸承磨耗，因此降低馬達壽命和效率。
本發明在於提供一種外轉子馬達，藉以解決習知技術中頓轉轉矩的問題，以及軸向合力會造成軸承磨耗，以致於降低馬達壽命和效率的問題。
本發明之一實施例所揭露之外轉子馬達，包含一內定子及一外轉子。內定子包含一軛鐵及多個線圈，軛鐵在內定子之軸向上具有相對的一第一側及一第二側。這些線圈纏繞於軛鐵。外轉子包含一環形殼體及一磁石。磁石設置於環形殼體內側，並至少部分環繞軛鐵。外轉子可相對內定子轉動。其中，磁石之相對兩側分別凸出軛鐵之第一側及第二側，且於內定子之軸向上。軛鐵的中心點與磁石的中心點保持一距離。
根據上述實施例之外轉子馬達，透過外轉子之磁石與內定子之軛鐵呈軸向非對稱排列，以產生朝上的靜磁力。如此一來，軸向合力可從20至25牛頓大幅降低至5-10牛頓，進而減少軸承造成磨損以及提升外轉子馬達的效率。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
請參閱圖1。圖1為根據本發明第一實施例所述之外轉子馬達的剖面示意圖。
如圖1所示，本實施例之外轉子馬達10包含一第一殼體100、一第二殼體200、二軸承310、320、一轉軸400、一外轉子500、一內定子600及一墊圈700。
第二殼體200與第一殼體100相組，以共同圍繞出一容置空間S。
二軸承310、320位於容置空間S內，並分別裝設於第一殼體100與第二殼體200。
轉軸400組裝於二軸承310、320，並自第一殼體100穿出於外。
外轉子500包含一環形殼體510及一磁石520。環形殼體510位於容置空間S內，並固定於轉軸400，以隨轉軸400一併轉動(沿箭頭a所指示的方向)。磁石520設置於環形殼體510內側。
在本實施例中，磁石520的數量為單個，且外形為環狀，但並不以此為限，在其他實施例中，磁石的數量可改為多個，每一個磁石的外形為弧狀，且這些磁石共同圍成環形。
如圖1與圖2所示，內定子600包含一軛鐵610及多個線圈620。軛鐵610的材質例如為矽鋼片。軛鐵610在內定子600之軸向(軸線A之延伸方向)上具有相對的一第一側611及一第二側612。外轉子500之磁石520環繞軛鐵610。磁石520於內定子600之軸向上具有一高度H， 且磁石520之相對兩側分別凸出軛鐵610之第一側611及第二側612。磁石520超出軛鐵610之第一側611一第一長度L1，以及磁石520超出軛鐵610之第二側612一第二長度L2，且第一長度L1異於第二長度L2。藉此，軛鐵610的中心點C2與磁石520的中心點C1在內定子600之軸向上保持一距離D。
墊圈700例如為波浪形，且墊圈700夾設於第二殼體200與裝設於第二殼體200之軸承320。
在本實施例中，墊圈700對軸承320有朝下的預壓力F1。風扇運轉時，流場造成的氣體對轉軸400產生朝上的一浮力F2。外轉子500連同轉軸400有朝下的一重力F3。其中，F1、F2、F3的軸向合力會朝下，而F1、F2、F3所產生之朝下的合力易對軸承310與320造成磨損，進而導致馬達效能降低。因此本實施例特別設計外轉子500之磁石520與內定子600之軛鐵610呈軸向非對稱排列，以產生朝上的靜磁力F4。當距離D與磁石520之高度H的比值大於0，且小於等於1/3時，軸向合力可從20至25牛頓大幅降低至5-10牛頓，進而減少軸承310與320造成磨損以及提升外轉子馬達10的效率。此外，當距離D與磁石520之高度H的比值大於1/3時，則所能提供的靜磁力的效果會大幅降低。
請參閱圖2。圖2為軛鐵的中心點與磁石的中心點偏離的位移量與所產生之靜磁力的曲線關係圖。
從圖2中可知，軛鐵610的中心點C2與磁石520的中心點C1偏離的位移量D越大，則磁石520與軛鐵610所產生向上的靜磁力F4就越大。因此可依據所需來選擇軛鐵610的中心點C2與磁石520的中心點C1偏離的位移量D。
請參閱圖3。圖3為圖1之內定子之軛鐵與外轉子之磁石的平面示意圖。
在本實施例中，軛鐵610包含一軛部610A、多個齒部610B及多個靴部610C。這些齒部610B連接於軛部610A並呈放射線狀向外延伸，且這些齒部610B隔出多個定子槽610D。這些靴部610C分別連接於這些齒部610B。這些齒部610B具有一寬度W。磁石520於內定子之徑向上具有一厚度T，且每一磁石之厚度T與每一齒部之寬度W的比值大於等於0.5且小於等於2.5。當厚度T與每一齒部之寬度W的比值小於0.5時，齒部610B會太寬。如此一來，將造成矽鋼片材料浪費和銅損增加而導致馬達效率降低。當厚度T與每一齒部610B之寬度W的比值大於2.5時，磁石太厚，且齒部飽和。如此一來，鐵損和熱增加而導致馬達壽命減少。
此外，在本實施例中，外轉子500的極數與內定子600的槽數的比例為7X比6Y，X為大於1的偶數，Y為1以上的自然數。其中，內定子600的槽數即為槽部610D的數量。外轉子500的極數可用磁波卡測得。在本實施例之外轉子500的極數為14個且內轉子600的槽數為12個。但並不以此為限，在其他實施例中，例如可以改成外轉子的極數為14個且內轉子的槽數為18個。或者，又例如可以改成外轉子的極數為14個且內轉子的槽數為6個。
請參閱圖4。圖4為槽極配與頓轉轉矩之曲線關係圖。
從圖4中可知，選用槽極配為8P(極數)12S(槽數)的頓轉轉矩最大。選用槽極配為10P(極數)12S(槽數)的頓轉轉矩次之。選用槽極配為14P(極數)12S(槽數) 的頓轉轉矩更次之。選用槽極配為14P(極數)18S(槽數) 的頓轉轉矩最小，幾乎接近於零。由此可知，槽極配選用上述界定之比例可大幅改善頓轉轉矩的問題，以進一步提升馬達效能。
請參閱圖5。圖5為片狀輻射充磁與環形極異方性充磁之頓轉轉矩之曲線示意圖。
從圖5中可知，採用片狀輻射充磁的頓轉轉矩遠大於採用環形極異方性充磁的頓轉轉矩，故本實施例之磁石採用環形極異方性充磁來進一步降低馬達的頓轉轉矩。
請參閱圖6。圖6為根據本發明第二實施例所述之外轉子馬達的剖面示意圖。
本實施例之外轉子馬達10’與上述之外轉子馬達10相似，故以下僅針對相異處進行說明。
在本實施例之外轉子馬達10’中，磁石520’包含一第一磁塊520A及一第二磁塊520B。第一磁塊520A環繞軛鐵610，且第一磁塊520A與第二磁塊520B分別位於軛鐵610之相鄰側。舉例來說，第一磁塊520A位於軛鐵610之外側，而第二磁塊520B位於軛鐵610之下方，以產生相似於上述朝上的靜磁力F4的效果。
根據上述實施例之外轉子馬達，透過外轉子之磁石與內定子之軛鐵呈軸向非對稱排列，以產生朝上的靜磁力。如此一來，軸向合力可從20至25牛頓大幅降低至5-10牛頓，進而減少軸承造成磨損以及提升外轉子馬達的效率。
此外，軛鐵採用環形極異方性充磁來進一步降低馬達的頓轉轉矩。
再者，槽極配選擇為7X比6Y可大幅改善頓轉轉矩的問題，以進一步提升馬達效能。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明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、10’‧‧‧外轉子馬達
100‧‧‧第一殼體
200‧‧‧第二殼體
310、320‧‧‧軸承
400‧‧‧轉軸
500‧‧‧外轉子
510‧‧‧環形殼體
520、520’‧‧‧磁石
520A‧‧‧第一磁塊
520B‧‧‧第二磁塊
600‧‧‧內定子
610‧‧‧軛鐵
611‧‧‧第一側
612‧‧‧第二側
610A‧‧‧軛部
610B‧‧‧齒部
610C‧‧‧靴部
610D‧‧‧槽部
620‧‧‧線圈
700‧‧‧墊圈
A‧‧‧軸線
a‧‧‧方向
F1~F4‧‧‧力
L1、L2‧‧‧長度
H‧‧‧高度
D‧‧‧距離
C1、C2‧‧‧中心
T‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度
A‧‧‧軸線
圖1為根據本發明第一實施例所述之外轉子馬達的剖面示意圖。 圖2為軛鐵的中心點與磁石的中心點偏離的位移量與所產生之靜磁力的曲線關係圖。 圖3為圖1之內定子之軛鐵與外轉子之磁石的平面示意圖。 圖4為槽極配與頓轉轉矩之曲線關係圖。 圖5為片狀輻射充磁與環形極異方性充磁之頓轉轉矩之曲線示意圖。 圖6為根據本發明第二實施例所述之外轉子馬達的剖面示意圖。
10‧‧‧外轉子馬達
100‧‧‧第一殼體
200‧‧‧第二殼體
310、320‧‧‧軸承
400‧‧‧轉軸
500‧‧‧外轉子
510‧‧‧環形殼體
520‧‧‧磁石
600‧‧‧內定子
610‧‧‧軛鐵
611‧‧‧第一側
612‧‧‧第二側
620‧‧‧線圈
700‧‧‧墊圈
A‧‧‧軸線
a‧‧‧方向
F1~F4‧‧‧力
L1、L2‧‧‧長度
H‧‧‧高度
D‧‧‧距離
C1、C2‧‧‧中心

Claims (10)

  1. 一種外轉子馬達，包含：一內定子，包含一軛鐵及多個線圈，該軛鐵在該內定子之軸向上具有相對的一第一側及一第二側，該些線圈纏繞於該軛鐵；以及一外轉子，包含一環形殼體及一磁石，該磁石設置於該環形殼體內側，並至少部分環繞該軛鐵，該外轉子可相對該內定子轉動；其中，該磁石的厚度均厚，且該磁石之相對兩側分別凸出該軛鐵之該第一側及該第二側，且於該內定子之軸向上，該軛鐵的中心點與該磁石的中心點保持一距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之外轉子馬達，其中該磁石於該內定子之軸向上具有一高度，該距離與該高度的比值大於0，且小於等於1/3。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之外轉子馬達，其中該磁石超出該軛鐵之該第一側一第一長度，該磁石超出該軛鐵之該第二側一第二長度，且該第一長度異於該第二長度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之外轉子馬達，其中該磁石包含一第一磁塊及一第二磁塊，該些第一磁塊環繞該軛鐵，且該第一磁塊與該第二磁塊分別位於該軛鐵之相鄰側。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之外轉子馬達，其中該外轉子的極數與該內定子的槽數的比例為7X比6Y，X為大於1的偶數，Y為1以上的自然數。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之外轉子馬達，其中該外轉子 的極數為14個且該內轉子的槽數為12個。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之外轉子馬達，其中該外轉子的極數為14個且該內轉子的槽數為18個。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之外轉子馬達，其中該外轉子的極數為14個且該內轉子的槽數為6個。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之外轉子馬達，其中該磁石於該內定子之徑向上具有一厚度T，該軛鐵包含一軛部、多個齒部及多個靴部，該些齒部連接於該軛部並呈放射線狀向外延伸，且該些齒部隔出多個定子槽，該些靴部分別連接於該些齒部，該些齒部具有一寬度W，且每一該磁石之該厚度T與每一該齒部之該寬度W的比值大於等於0.5且小於等於2.5。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之外轉子馬達，更包含一第一殼體、一第二殼體、二軸承、一轉軸及一墊圈，該第二殼體與該第一殼體相組，該二軸承分別裝設於該第一殼體與該第二殼體，該轉軸組裝於該二軸承，並自該第一殼體穿出，該外轉子之該環形殼體固定於該轉軸，以隨該轉軸一併轉動，該墊圈夾設於該第二殼體與裝設於該第二殼體之該軸承。
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