TWI649940B - 轉子機構 - Google Patents

Abstract

一種轉子機構，包含複數個導體條與轉子鐵芯。導體條沿轉子鐵芯周緣排列設置，轉子鐵芯具有複數個磁阻單元與至少一環形磁通道，磁阻單元分別自其中一導體條延伸到另一導體條，且環形磁通道通過該些磁阻單元，並圍繞轉子鐵芯之一軸心，其中，每一磁阻單元為磁通屏障，且相鄰的二磁阻單元之間的間隙與環形磁通道皆為磁路通道。

Description

轉子機構

本發明係關於一種轉子機構，特別是一種具有環形磁通道的轉子機構。

所謂電動機，是用於實現將機械能和電能相互轉換的一種電磁做動方式，是各行業和人們日常生活中應用最廣泛的產品，例如可用於工具機、水泵、輕工機械、風力發電、水力發電和電動汽車等，為工業發展必備的基礎設備之一，與經濟發展息息相關。

因應節能減碳的議題，國際電工委員會(IEC)統一將全球的電動機能效標準，將效率由低至高依序定為IE1~IE4甚至更高的IE5級等。為了達到高效率的標準，感應電動機多採用高導電率材料或更高等級的導磁鋼片，但提昇的幅度已達到瓶頸。因此，為了達到IE5以上的效率，多數大廠拋棄了感應電動機的型態，改採稀土材料和驅動器的方案來進行，但相對也提高了馬達整體的材料成本。不僅如此，稀土還存有退磁的潛在問題，且此類的電動機都沒有辦法接上市電直接運轉。因此，如何以較低成本實現高效率的電動機，成為業界開發和研究的重點項目。

本發明在於提供一種轉子機構，兼具同步和異步電動機的優勢且可達到高效率輸出。

根據本發明所揭露的一種轉子機構，包含複數個導體條與轉子鐵芯。導體條沿該轉子鐵芯周緣排列設置，該轉子鐵芯具有複數個磁阻單元與至少一環形磁通道，該些磁阻單元分別自其中一該導體條 延伸到另一該導體條，且該至少一環形磁通道通過該些磁阻單元，並圍繞該轉子鐵芯之一軸心，其中，每一該磁阻單元為磁通屏障，且相鄰的二該磁阻單元之間的間隙與該至少一環形磁通道皆為磁路通道。

本發明所揭露的轉子機構中，藉由單元磁阻和環形磁通道之的適當排列，可使其應用於電動機時提供電動機於異步運轉狀態時磁通的通道，以提升異步運轉時的轉矩能力，還可於同步運轉狀態時使激磁的磁通控制在特定的方向，進而讓電動機兼具同步與異步的優勢，使電動機達到特優質效率(ultra-premium efficiency)能量轉換能力等功效。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明，係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者，瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

此外，以下將以圖式揭露本發明之實施例，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到的是，這些實務上的細節非用以限制本發明。另外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之，甚至部分的圖式省略了走線(纜線、或排線)等結構以保持圖面整潔，於此先聲明之。

再者，除非另有定義，本文所使用的所有詞彙，包括技術和科學術語等具有其通常的意涵，其意涵能夠被熟悉此技術領域者所理解。更進一步的說，上述之詞彙的定義，在本說明書中應被解讀為與本發明相關技術領域具有一致的意涵。除非有特別明確的定義，這些詞彙將不被解釋為過於理想化的或正式的意涵。

請參照圖1~2，圖1係為根據本發明之一實施例所繪示之電動機的立體圖，而圖2係為圖1之電動機的分解圖。

本發明提出一種轉子機構1a，適用於一電動機9。所述的電動機9具有一定子(stator)2及二端環(end ring)3等。轉子機構1a可轉動地位於定子2內。二端環3位於轉子機構1a相對兩端面。但本發明不以定子2、端環3或其結構為限。

以下，將針對轉子機構1a進行說明。請接續參閱圖3，圖3係為圖1之轉子機構的正視圖。轉子機構1a包含一轉子鐵芯(rotor core)40與複數個導體條(rotor bar)50。轉子鐵芯40具有複數個導體槽41、複數個磁阻群42與複數個環形磁通道43。

導體槽41沿轉子鐵芯40周緣排列設置。於本實施例中，導體槽41與轉子鐵芯40之環形側壁(未標號)相隔一距離，如圖4，為圖1之轉子鐵芯的局部放大圖，但本發明並非以此為限。例如圖5，為本發明另一實施例的轉子鐵芯的局部放大圖，導體槽41’也可為破槽，與轉子鐵芯40’之環形側壁相連。此外，於本實施例中，導體槽41的截面為梨形，但本發明也非以此為限。例如於其他實施例中，導體槽41的截面也可改為圓形、橢圓形或其他幾何形。

請復參圖3，導體條50分別設置於這些導體條41中。

磁阻群42圍繞轉子鐵芯40之軸心L排列。大致上，磁阻群42的數量與轉子鐵芯40的極數(pole)相同，例如於本實施例中，轉子鐵芯40的極數為四極，磁阻群42的數量則為四組，且分別配置於各極中。

每一組磁阻群42包含多個磁阻單元(Reluctance unit)420。磁阻單元420分別自其中一導體槽41延伸到另一導體槽41；也可以說，磁阻單元420分別自其中一導體條50延伸到另一導導體條50。此外，於本實施例或其他實施例中，磁阻單元420中不設置磁鐵，且各磁阻單元420與導體槽41之間保持一距離，即磁阻單元420與導體槽41為相分離而非相連。另外，提醒的是，轉子鐵芯40之極數(即磁阻群42的組數)與每組磁阻群42中磁阻單元420的數量可據實際需求進行調整，本發明並非以此為限。

於本實施例中，各磁阻群42中的磁阻單元420等間距地沿該轉子鐵芯40之徑向方向排列，也可以說，於轉子鐵芯40每一極(pole)中，具有三個磁阻單元420沿轉子鐵芯40之徑向方向排列。但磁阻單元420不限於等間距排列。例如於其他實施例中，各磁阻群中的磁阻單元也可為非等間距地沿轉子鐵芯之徑向方向排列。

另外，請參閱圖6，為圖1之轉子鐵芯的局部放大圖。於各磁阻群42中，磁阻單元420於轉子鐵芯40之徑向方向的長度總合為a1+a2+a3=a。而轉子鐵芯40於徑向方向的厚度為t，更具體地說，t值為轉子鐵芯40之實體於徑向方向的厚度。

在設計上，a與t符合以下條件：

1.4≦t/a≦2.5。

此外，各磁阻單元420之中央部421的寬度為w1，該磁阻單元420其中一端部422的寬度為w2，在設計上，w1與w2滿足以下條件：

0.3≦w1/w2。

值得注意的是，於本實施例中，這些環形磁通道43貫穿前述的這些磁阻單元420，以將這些磁阻單元420分隔成多個子單元(未標號)。詳細來說，這些環形磁通道43圍繞轉子鐵芯40之軸心L，且這些環形磁通道43彼此呈同心圓排列。但提醒的是，環形磁通道43的數量可依據實際需求增加或減少，本發明並非以此為限。例如於其他實施例中，每一轉子鐵芯上也可僅具有一個環形磁通道43。另外，環形磁通道不限於是正圓，例如於其他實施例中，環形磁通道也可為橢圓等其幾何形，只要是貫穿磁阻單元且環繞轉子鐵芯的軸心的環形磁通道，均屬於本發明之範疇。

對於轉子鐵芯40來說，每一磁阻單元420，包含其子單元皆為磁通屏障，但相鄰的磁阻單元420之間的間隙與這些環形磁通道43皆為磁路通道。在原理上，電動機繞組輸入電源，相對應定子繞組的轉子鐵芯40上的導體條50會產生激磁電流(excitation current)，使轉子鐵芯40導磁形成封閉的磁力線迴圈。此時，單位截面積所通過的磁通量，稱為磁通密度(Flux density - B)。透過這些環形磁通道43的配置，不僅可提供電動機於異步運轉狀態時磁通的通道，以提升異步運轉時的轉矩能力，還可使激磁的磁通控制在特定的方向。

請參閱圖7A~7B，圖7A為圖1之電動機的達到同步狀態時磁力線的示意圖，而圖7B為圖1之電動機的達到異步狀態時磁力線的示意圖。

圖7A顯示電動機達同步時的狀態，由於磁阻單元420排列於轉子鐵芯40中，使激磁的磁通被控制在特定的方向。此時，磁通絕大部分被侷限於磁阻單元420之間的間隙。且當需要較大的同步特性轉矩輸出時，磁通絕大部分經由d軸(d-axis)方向流通。

接著，圖7B顯示電動機達異步時的狀態，由於環形磁通道43的配置，使得當需要較大的異步轉矩特性時，磁通可允許通過環形磁通道43，不會讓磁通僅侷限在導體條50和磁阻單元420間。並且，磁通經環形磁通道43通過，可以使轉子鐵芯40的高導磁材料不產生過飽和現象以及相對應的磁滯損失(hysteresis loss)和渦流損失(eddy current loss)，並有助於使電動機的溫度不產生急劇提升，以及有助於在異步運轉時增加轉矩。

此外，依據實驗結果，環形磁通道43與磁阻單元420的排列會造成磁通的聚集，使磁通密度適當的調適到理想值，平均約為1.2~2.0特斯拉(Tesla)。

雖然前述磁阻單元420與環形磁通道43的數量並不受限，但透過磁阻單元420和環形磁通道43的數量調整，可將d軸方向和q軸方向的電感值差值(Ld-Lq)控制在1~5倍。例如請參圖8，為圖1之電動機(b型)與不具環形磁通道之電動機(a型)於運轉時電感差值的比較圖。詳細來說，圖8為前述具有環形磁通道43與另一不具有環形磁通道43的電動機的d-q軸電感值示意圖。其中，兩電動機的差異僅在於是否具有環形磁通道43。

前述具有環形磁通道43的轉子機構1a中，d軸電感和q軸電感的差值(Ld-Lq)在穩定運轉一定時間後約為43 mH，並存有約1.4倍的倍數差。相較之下，沒有環形磁通道43的電動機中，d軸電感和q軸電感的差值則約為154mH。d軸和q軸電感差值越大，直接影響到轉矩的輸出大小，助於改變電動機的轉矩特性和相對的效率特性。

接著，請參閱圖9，為圖1之電動機與不具環形磁通道之電動機於運轉時切換轉矩的比較圖。可知，有環形磁通道43通過磁阻單元420的轉子機構(即磁阻單元420之子單元的數量越多)，異步區域的轉矩越大，同步區域的轉矩相對降低。相較之下，未有環形磁通道43通過的轉子機構，異步區域的轉矩越小，同步區域的轉矩相對提升。其中，同步區域和異步區域的切換點為切換轉矩(switch torque)。

同時，由於結構上的差異，調變了切換同步和異步旋轉的速度落差。如有環形磁通道43通過磁阻單元420的轉子機構(即磁阻單元420之子單元的數量越多者)，具有落差較小的S2轉數落差特性。而在未有環形磁通道43通過的轉子機構，則具有落差較大的S1轉數落差特性。

接著，請參閱圖10，為圖1之電動機的效率圖。由圖可看到，可使得電動機在極廣的功率範圍內具有特優質效率(Ultra-Premium Efficiency)輸出以及同步運轉特性。

最後，舉例本案於實際實驗中與傳統之電動機的溫升比較，如下表，為採用本發明之轉子機構的電動機相較於傳統的感應電動機，在1.5kW/60Hz/220V的電流下運轉時的溫升情形，可看到，本發明之轉子機構的電動機的溫升遠低於傳統感應電動機。

<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 電動機 </td><td> 本發明之轉子機構的電動機 </td><td> 傳統的感應電動機 </td></tr><tr><td> 環境溫度 </td><td> 20.1 ℃ </td><td> 22.6 ℃ </td></tr><tr><td> 繞組溫度 </td><td> 41.5 ℃ </td><td> 78.8 ℃ </td></tr><tr><td> 溫升 </td><td> ΔT: 21.4 ℃ </td><td> ΔT: 56.2 ℃ </td></tr></TBODY></TABLE>

由前述可知，藉由磁阻單元420與環形磁通道43的配置，可帶來以下特性：

(a) 使得電動機具有同步運轉特性和異步運轉特性而成為雙模態的電動機。

(b) 於同步運轉時，具有特優值效率輸出的特性。

(c) 可獲得較高的切換轉矩。

(d) 切換轉矩的大小較額定功率所需輸出的轉矩大1至5倍。

(e) 獲得較高的能量轉換效率，例如本案圖1之電動機，經全國認證基金會(TAF)實驗室測得具有94%的效率特性，屬於IE5等級以上。

(f) 環形磁通道將磁阻單元切成多個子單元，有助於平緩切換轉矩至異步區域的轉矩差異變化。

可知，由本發明前述之轉子機構，可使電動機達到特優質效率(ultra-premium efficiency)能量轉換能力、自啟動特性、同步運轉、寬廣功率範圍的效率操作域、轉矩大小調整、異步區域和同步區域切換的平緩調整等功效。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1a　轉子機構 9　電動機 2　定子 3　端環 40　轉子鐵芯 41　導體槽 42　磁阻群 43　環形磁通道 50　導體條 420　磁阻單元 421　中央部 422　端部 a、a1~a3　磁阻單元於徑向方向的長度 L　軸心 w1　磁阻單元之中央部的寬度 w2　磁阻單元之端部的寬度

圖1係為根據本發明之一實施例所繪示之電動機的立體圖。 圖2係為圖1之電動機的分解圖。 圖3係為圖1之轉子機構的正視圖。 圖4為圖1之轉子鐵芯的局部放大圖。 圖5為本發明另一實施例的轉子鐵芯的局部放大圖。 圖6為本發明又一實施例的轉子鐵芯的局部放大圖。 圖7A為圖1之電動機的達到同步狀態時磁力線的示意圖。 圖7B為圖1之電動機的達到異步狀態時磁力線的示意圖。 圖8為圖1之電動機與不具環形磁通道之電動機於運轉時電感差值的比較圖。 圖9為圖1之電動機與不具環形磁通道之電動機於運轉時切換轉矩的比較圖。 圖10為圖1之電動機的效率圖

Claims (12)

1. 一種轉子機構，包含：複數個導體條；以及一轉子鐵芯，該些導體條沿該轉子鐵芯周緣排列設置，該轉子鐵芯具有複數個磁阻單元與至少一環形磁通道，該些磁阻單元分別自其中一該導體條延伸到另一該導體條，且該至少一環形磁通道圍繞該轉子鐵芯之一軸心並介於該些導體條與該軸心之間而貫穿該些磁阻單元，其中，每一該磁阻單元為磁通屏障，且相鄰的二該磁阻單元之間的間隙與該至少一環形磁通道皆為磁路通道。
2. 如請求項1所述之轉子機構，其中該至少一環形磁通道的數量為多個，且彼此為同心圓。
3. 如請求項1所述之轉子機構，其中該些磁阻單元組成複數組磁阻群，該些磁阻群圍繞該轉子鐵芯之該軸心，且於各該磁阻群中，該些磁阻單元沿該轉子鐵芯之徑向方向排列。
4. 如請求項3所述之轉子機構，其中於各該磁阻群中，該些磁阻單元等間距地沿該轉子鐵芯之徑向方向排列。
5. 如請求項3所述之轉子機構，其中於各該磁阻群中，該些磁阻單元非等間距地沿該轉子鐵芯之徑向方向排列。
6. 如請求項3所述之轉子機構，其中於各該磁阻群中，該些磁阻單元於該轉子鐵芯之徑向方向的長度總合為a，該轉子鐵芯於徑向方向上的厚度為t，其符合以下條件：1.4≦t/a≦2.5。
7. 如請求項1所述之轉子機構，其中各該磁阻單元之中央部的寬度為w1，各該磁阻單元之端部的寬度為w2，其符合以下條件：0.3≦w1/w2。
8. 如請求項1所述之轉子機構，其中該轉子鐵芯更具有複數個導體槽，用以供該些導體條設置。
9. 如請求項8所述之轉子機構，其中每一該導體槽為一開槽，與該轉子鐵芯之環形側壁相連。
10. 如請求項8所述之轉子機構，其中每一該導體槽與該轉子鐵芯之環形側壁相隔一距離。
11. 如請求項1所述之轉子機構，其中各該磁阻單元具有彼此相對且與該些轉子導條相間隔的二端緣，而該至少一環形磁通道介於該些磁阻單元的該些端緣與該軸心之間。
12. 如請求項1所述之轉子機構，其中各該磁阻單元具有彼此相對且與該些轉子導條相間隔的二端緣，該至少一環形磁通道與該軸心之間具有一第一最短距離，各該端緣與該軸心之間具有一第二最短距離，各該轉子導條與該軸心之間具有一第三最短距離，該第一最短距離小於該第二最短距離，該第二最短距離小於該第三最短距離。