TWI664794B - 具有柵欄式定子的外盤式馬達 - Google Patents

Abstract

具有柵欄式定子的外盤式馬達，包括一樞軸；複數個平行配置的盤式外轉子，分別包括一盤本體及偶數個永久磁鐵，盤本體中心垂直固設於樞軸，且相鄰的永久磁鐵以同極性相對方式均勻排列，盤式外轉子的永久磁鐵的相異磁極則彼此相對；柵欄式定子，包括複數個長條狀鐵芯，分別平行上述軸向均勻排列分布於一個以樞軸為心的圓管，並以兩極分別對應前述永久磁鐵，鐵芯數目大於永久磁鐵一倍且低於二倍；及一個致能控制器，提供交流時脈式驅動訊號，使得每兩相鄰的時脈式驅動訊號具有一均勻相位差，柵欄式定子的前述相位差總和為360度的非零整數倍。

Description

具有柵欄式定子的外盤式馬達

一種外盤式馬達，尤其是一種具有柵欄式定子的外盤式馬達。

常見的永磁式直流伺服馬達，是把永久磁鐵設置在外圍的轉子，而將電樞線圈設置在核心的定子處，無論是電流經過電樞線圈會因為電阻而發熱，或是在換相過程中發生電流跳接時的驟熱，都難以輕易散出；如果是應用於直接驅動系統時，轉子處的高熱將傳導至傳動軸，長久使用下，會逐漸導致傳動軸的變形；相對的，如圖1所示的永磁式交流伺服馬達9，其具有電樞線圈91的定子設置於馬達外層，永久磁鐵93則設置於核心的轉子處，因此散熱較佳，且有較高的功率體積比。部分外轉子馬達，雖然克服了電樞線圈的散熱問題，但受限於內外層包覆式的結構設計，使得面對輸出扭力變更、安裝空間限制等問題時，其應變的彈性也減少了。

另方面，由於馬達運行主要是依賴磁力的異極相吸和同極相斥，磁力線的分佈在馬達運行中佔有決定性的影響。因為空氣的磁阻甚高，如果永磁裝置和線圈中的鐵芯，在封閉迴路中所佔途徑比例越低，經過的空氣區域越長，磁阻將大幅升高，磁通因而分散，作用的效率也隨之降低。一種習知盤式發電機8，如圖2所示，雖揭露有盤式外轉子81的馬達結構，但對上述的發熱及耗能問題並無適當解答。此外，永久磁鐵和線圈83的數 目未曾妥善匹配，也將導致磁迴路無法均勻作用，在每一作用週期中，都可能造成出力忽大忽小的轉動不均勻狀況。

如何讓永久磁鐵的磁極和鐵芯的間隙縮小，並且構成適當的磁迴路，讓磁通量集中在預期通路中而避免發散，並且妥善運用時變的驅動訊號，形成電磁鐵和永久磁鐵有效率地交互作用，藉此提升馬達的能量轉換效率，就是本發明所要解決的問題。

本發明的一目的，在提供一種具有柵欄式定子的外盤式馬達，藉由定子鐵芯與轉子永久磁鐵的數目比例，確保空氣間隙有效縮減，磁通路順暢，達到減少發熱及降低耗能的功效。

本發明另一目的，在提供一種具有柵欄式定子的外盤式馬達，利用時脈式驅動訊號間的相位差，配合鐵芯和永久磁鐵的比例配置，讓馬達整體磁力驅動均勻，運轉順暢。

本發明再一目的，在提供一種具有柵欄式定子的外盤式馬達，藉由盤式外轉子的結構使具有線圈繞組的定子不被包覆，易於散熱而順利延長馬達組件的壽命。

本發明又一目的，在提供一種具有柵欄式定子的外盤式馬達，藉由每二個彼此平行配置的盤式外轉子之間設置一組柵欄式定子的結構，可以依需要向前述外盤式轉子的兩外側同軸擴充，達到不變更馬達單體的規格設計，而能彈性因應輸出扭力與安裝空間的需求。

本發明揭露的一種具有柵欄式定子的外盤式馬達，包括：至少一根沿一軸向延伸的樞軸；至少二個彼此平行配置的盤式外轉子，每一 前述盤式外轉子分別包括一個盤本體及偶數個永久磁鐵，且前述盤本體分別以其對稱中心垂直固設於上述樞軸，前述永久磁鐵分別以兩磁極設置於上述盤本體的方式設置於上述盤本體，且每一前述永久磁鐵與上述樞軸最短距離點共同位於一個以上述樞軸為圓心的圓上，每兩個相鄰的前述永久磁鐵以相同極性相對接的方式串聯並相對上述樞軸均勻排列，以及前述至少二個近接的盤式外轉子的前述永久磁鐵的相異磁極彼此相對設置；至少一組柵欄式定子，包括複數個長條狀鐵芯，每一前述鐵芯分別沿著平行上述軸向彼此平行排列，且均勻分布於一個以上述樞軸為圓心的圓管處，前述該組柵欄式定子的每一前述鐵芯，分別以各自的兩極分別近接對應前述兩個盤式外轉子的上述永久磁鐵，以及前述鐵芯數目大於上述永久磁鐵數目的一倍且低於二倍，每一前述鐵芯分別纏繞有一線圈繞組，供接受一交流的時脈式驅動訊號磁化前述鐵芯；至少一個轉子位置感測元件，供量測上述盤式外轉子的永久磁鐵位置，並輸出至少一個位置訊號；及一個致能控制器，依據所收到的前述位置訊號，提供上述交流的時脈式驅動訊號至上述線圈繞組，並使得每兩相鄰前述線圈繞組的時脈式驅動訊號間，分別具有一均勻的相位差，且所有該組柵欄式定子的所有相鄰線圈繞組間的前述相位差總和為360度的非零整數倍。

由於本案一種具有柵欄式定子的外盤式馬達包含了至少二個彼此平行配置的盤式外轉子及至少一組柵欄式定子，藉由外轉子與定子相互間的巧妙配置及至少一根樞軸的串接，一方面減少空氣隙的距離，使得磁通量主要經過鐵芯和永久磁鐵達成迴路，磁阻被大幅降低；另方面由於永久磁鐵和鐵芯的數目相互匹配，共同構成磁迴路，搭配彼此具有特定 相位差的時脈式驅動訊號，讓轉子的運轉順暢；加以外盤式馬達散熱容易，馬達組件壽命得以延長，進一步藉由輔助盤式外轉子及輔助柵欄式定子的擴充，使得本發明不需變更馬達單體的規格設計，就能彈性調整輸出扭力與因應安裝空間的需求；尤其，藉由外轉子上的每兩個相鄰的永久磁鐵以相同極性相對接的方式設置並相對前述樞軸均勻排列，且每二個近接的盤式外轉子的永久磁鐵的相異磁極彼此相對設置，以及柵欄式定子的每一鐵芯分別以各自的兩極分別近接對應兩個盤式外轉子的永久磁鐵，結合鐵芯數目大於永久磁鐵數目的一倍且低於二倍的結構特點，每一永久磁鐵都恰好搭配一個完整磁迴路，有效提升馬達能量轉換效率，並且達成減少發熱及降低耗能的功效，進而達成以上所述所有目的。

20‧‧‧致能控制器

12‧‧‧樞軸

121‧‧‧圓

123、123’‧‧‧圓管

14、81‧‧‧盤式外轉子

141‧‧‧盤本體

93、143、143’、143”‧‧‧永久磁鐵

145‧‧‧聚磁磁鐵

16、16’‧‧‧柵欄式定子

161、161’、161”‧‧‧鐵芯

163‧‧‧線圈繞組

165‧‧‧非導磁定子基座

18‧‧‧轉子位置感測元件

21‧‧‧前叉

3‧‧‧馬達外殼

9‧‧‧永磁式交流伺服馬達

91‧‧‧電樞線圈

8‧‧‧盤式發電機

83‧‧‧線圈

1‧‧‧外盤式馬達

圖1為習知具有外轉子的馬達的結構側視示意圖，用以說明馬達定子與轉子的相對位置關係。

圖2為習知技術盤式電動機之架構示意圖，用以說明其主要構成元件及其相對關係。

圖3為本發明具有柵欄式定子的外盤式馬達第一較佳實施例的部分立體分解示意圖，說明轉子的盤本體和永久磁鐵結構。

圖4為圖3實施例的部分立體分解示意圖，說明定子的非導磁定子基座和鐵芯-線圈的相對關係立體示意圖。

圖5為圖4的永久磁鐵和鐵芯-線圈立體組合示意圖。

圖6為圖5的永久磁鐵和鐵芯-線圈立體分解示意圖。

圖7為圖3應用於電動單車的致動車輪示意圖。

圖8為圖3應用於單叉電動單車的致動車輪示意圖。

圖9為圖3實施例致能控制器提供的時脈式驅動訊號示意圖，說明相鄰線圈繞組所接收時脈式驅動訊號相位差關係。

圖10為圖3實施例永久磁鐵的磁力線分佈側視示意圖。

圖11為本發明具有柵欄式定子的外盤式馬達第二較佳實施例的部分立體分解示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚呈現；此外，在各實施例中，相同之元件將以相似之標號表示。

本案一種具有柵欄式定子的外盤式馬達的第一較佳實施例，請一併參考圖3至6所示，前述外盤式馬達1具有一根沿一軸向延伸的樞軸12，為便於說明，此處定義前述軸向方向為沿著圖式的上下方向，以及兩個彼此平行配置的盤式外轉子14，每一個盤式外轉子14分別包括一個盤本體141及偶數個永久磁鐵143，在本例中是以6個永久磁鐵143為例。且本例中的盤本體141都是圓形盤狀，分別以其對稱中心垂直固設於上述樞軸12。

前述永久磁鐵143在本例中均為略成長扁彎弧形平坦嵌設於上述盤本體141中，並且每個永久磁鐵143的兩磁極N、S，不僅都設置於上述盤本體141處，並且相鄰的兩個永久磁鐵143，都是以N極兩兩相接近或S極兩兩相接近的方式設置。如熟悉此技術領域人士所能輕易理解，即使此 處的永久磁鐵改採其他如馬蹄形或長方形，只要依前述方式設置於盤本體141，仍無礙於本發明的實施。且由於本例中的永久磁鐵143本身為彎弧狀，磁鐵的彎弧形狀恰使得各磁鐵和磁極都共同位於一個以上述樞軸12為圓心的圓121上均勻排列，此外，前述兩個盤式外轉子14的相對設置方式，是以永久磁鐵143的相異磁極彼此相對的方式設置。

上述外盤式馬達1還包含一組柵欄式定子16，該組柵欄式定子16在本例中包括9根等長度的長條狀鐵芯161，且每一上述鐵芯161的長度均為3.5公分，本例中的鐵芯161例釋為以複數矽鋼片構成，藉此降低渦電流作用，並共同受一個非導磁定子基座165的固持。當然，本發明技術領域具有通常知識者可以任意選擇例如鐵粉壓鑄而成或其他慣用磁導體作為鐵芯，均無礙於本案實施。每一前述鐵芯161分別沿平行上述軸向彼此平行排列，且均勻分布於一個以上述樞軸12為圓心的圓管123處，由於各鐵芯161間均勻配置，因此每一鐵芯161和樞軸12連線，和相鄰鐵芯161與樞軸12連線間的夾角分別為30度，且每一鐵芯161的兩極分別近接對應前述兩個盤式外轉子14的上述永久磁鐵143，由於本例中的鐵芯161數目為永久磁鐵143的1.5倍，所以無論永久磁鐵143轉動至任何位置，都可以恰好對應兩根鐵芯161，且兩根鐵芯161分別接近其N極和S極，使得上下方的盤式外轉子14相互對應的兩根永久磁鐵143正好可以通過此處的兩根鐵芯161構成一個完整磁迴路。

尤其如本例中的馬達整體厚度不大於6公分，實際上厚度僅約5公分左右，盤式外轉子14的厚度則約0.5公分，使得鐵芯161相較於永久磁鐵143間的間隙相當窄小，比盤式外轉子14的厚度更窄，使得磁迴路中行 經空氣的部分甚短，永久磁鐵143的磁力線將密集通過鐵芯161，磁阻因而大幅降低。當然，熟悉本領域人士可以理解，要構成上述對應的磁迴路，本發明前述鐵芯的數目必須為相對於上述樞軸呈現放射狀對稱分佈的正整數，且數目大於上述永久磁鐵數目的一倍並低於二倍。

每一上述鐵芯161分別纏繞有一線圈繞組163，供接受一交流的時脈式驅動訊號S1磁化前述鐵芯161；在永久磁鐵143的某磁極剛經過鐵芯161的對應端部時，在鐵芯端部形成和該磁極相同的磁性，以發揮同極性相斥的推力，且在相反磁極接近時提供異極性相吸的引力；直到次一磁極接近，則鐵芯161的端部磁性開始減弱而至歸零，隨後換相，改以相反的磁性再度推動次一磁極繼續運轉。由於永久磁鐵143的數目並不等於鐵芯161的數目，要產生最大的推動扭矩，不僅必須準確獲得盤式外轉子14的永久磁鐵143位置，還要對每一線圈繞組163提供具有相位差的時脈式驅動訊號。

因此，藉由如圖9所示的轉子位置感測元件18量測並輸出一個位置訊號到致能控制器20，而致能控制器20則依據所收到的前述位置訊號，提供一個交流的時脈式驅動訊號S1至柵欄式定子16的線圈繞組163，進而使得每兩相鄰線圈繞組163的時脈式驅動訊號S1間，分別具有一均勻的相位差，且所有該組柵欄式定子16的所有相鄰線圈繞組163間的前述相位差總和為360度的非零整數倍。因此，各鐵芯161將受到與盤式外轉子14轉速相匹配的時脈式驅動訊號所驅動，且相鄰鐵芯161所收到的時脈式驅動訊號間分別存在如本例中120度的相位差，使得每相距三根鐵芯後，第四根鐵芯所受的時脈式驅動訊號將等同於第一根鐵芯，而環繞九根鐵芯後，本例中的相位差的總和為1080度。於本例中，上述轉子位置感測元件18例釋為霍爾 元件，本發明所屬技術領域具有通常知識者可選用其他適合的元件進行簡單變換。

在本例中，柵欄式定子16更包括一個非導磁定子基座165，藉以固持住每一鐵芯161，而非導磁定子基座165更在圖式上下兩端分別設置有一組滾珠軸承(圖未示)，藉此讓上述樞軸12在非導磁定子基座165中順利樞轉。並且讓盤式外轉子14和柵欄式定子16可相對樞轉地組合。如圖7所示，因為本例中的馬達是作為電動單車的致動車輪，盤式外轉子14直接可結合至車輪的外胎，而非導磁定子基座165則進一步連結一馬達外殼3，再連結到電動單車的前叉21，以保護該柵欄式定子(圖未示)不會因外力意外碰撞或接觸而使鐵芯161或線圈繞組163受損或短路燒毀。當然，該前叉即使改為後叉，或改為如圖8的單側的前叉21，均無礙於本發明的實施。

請一併參考圖9所示，當上述外盤式馬達1位於上述軸向上方的盤式外轉子14的永久磁鐵143的磁極自左至右以S-N、N-S、S-N、…的方式對接串聯排列於盤本體141，則相對地位於上述軸向下方的盤式外轉子14的永久磁鐵143的磁極自左至右以將相對設置而以N-S、S-N、N-S、…的方式對接串聯排列於盤本體141。此時，若有一鐵芯161被驅動感應出的磁極正好與近接對應的上述永久磁鐵143的磁極相同，因磁極相斥而由鐵芯161推動永久磁鐵143沿著上述圓121的切線方向運動，也就是上述盤式外轉子14被上述柵欄式定子16推動旋轉，於本例，就會在圓121周上每隔120度產生一處相同的推/拉作用，使得上述外盤式馬達1中每一時相可產生三倍的推/拉力。

本例中前述鐵芯161數目與永久磁鐵143數目比值為3：2，亦 即每三個前述鐵芯161分別對應二個永久磁鐵143，環繞盤本體141一周共形成有3組此種對應組合，且如圖10所示，上述鐵芯161與近接對應的上述永久磁鐵143的最短距離小於上述盤本體厚度，使對應的上述鐵芯161與上述永久磁鐵143形成良好的磁通迴路。同時考量時脈式驅動訊號導入的情況，永久磁鐵143隨轉子旋轉，將恰好在鐵芯161中的感應磁極換相時，藉由永久磁鐵143的磁力線行經鐵芯161，使得磁滯損耗(Hysteresis losses)降低，進而減少磁導體發熱，也使得電能的消耗降低，馬達整體轉換效率因而上升。

當上述盤式外轉子14受上述柵欄式定子16推動旋轉，鐵芯161與永久磁鐵143原先建立的對應關係發生錯位改變，原先磁極所受到的同極斥力，逐漸因為轉子的旋轉，改由次一磁極受到相異磁極的引力，此時，上述轉子位置感測元件18將感測到盤式外轉子14的永久磁鐵143位置的改變，更進一步輸出一個上述位置訊號到上述致能控制器20，促使致能控制器20依據所收到的位置訊號，研判盤式外轉子14是否有轉速變化，並決定交流時脈式驅動訊號的頻率是否需配合提高或降低。

在本實施例中，為更進一步減少空氣隙的距離，並且讓永久磁鐵的磁力線集中，因此在每兩個極性相對的彼此近接永久磁鐵143的磁極面向柵欄式定子16的位置，分別安裝有一個如圖6所示的聚磁磁鐵145，在本例中為一扁圓柱型永久磁鐵，每一個聚磁磁鐵145都是和對應永久磁鐵的磁極相吸，並且承擔作為磁力線的通道，進一步縮窄由永久磁鐵143至鐵芯161間的空氣隙，降低磁阻而提升轉換效率。

當然，此聚磁磁鐵並非必須設置，為簡化結構降低製造成本，也可以如圖11本發明第二較佳實施例所示，將上述永久磁鐵143’和相鄰 永久磁鐵間的間隙縮窄，且同時減少永久磁鐵143’和沿著虛擬的圓管123’佈設的鐵芯161’間的距離，使得轉子和柵欄式定子16’間磁阻降低。此外，上述的永久磁鐵僅需為成對均勻設置，並未侷限於6個，而柵欄式定子中的鐵芯數，僅需符合數目介於上述永久磁鐵數目的一倍至兩倍間的整數即可，關鍵在於上述時脈式驅動訊號，彼此間的相位差總和為360度的整數倍，且每二相鄰線圈間的相位差都是彼此相同，且隨轉速變更。

尤其，當單純由兩片盤式外轉子和一組柵欄式定子所構成的馬達出力不足時，本實施例更在原先圖式下方的盤式外轉子下，更沿著樞軸的同軸方向，增加一組與前述盤式外轉子和上述柵欄式定子結構相同並且呈共樞軸配置的輔助柵欄式定子和輔助盤式外轉子，該輔助柵欄式定子並受上述致能控制器致能磁化，為便於理解，此處僅繪示出輔助柵欄式定子的鐵芯161”及輔助盤式外轉子的永久磁鐵143”，就此增加整體的扭力輸出。由於上述鐵芯-線圈的數目配置，可以提供永久磁鐵完整的磁力線通路，讓磁阻大幅降低，且永久磁鐵的旋轉移動可以週期性地減弱鐵芯受交流電訊號勵磁過程中的磁滯現象，讓磁滯現象所帶來的發熱及能量耗損降低，藉此使得本發明所揭露的馬達在運轉過程中發熱量低，能量轉換效率高，達成超越現有技術的上述發明目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (8)

1. 一種具有柵欄式定子的外盤式馬達，包括：至少一根沿一軸向延伸的樞軸；至少二個彼此平行配置的盤式外轉子，每一前述盤式外轉子分別包括一個盤本體及偶數個永久磁鐵，且前述盤本體分別以其對稱中心垂直固設於上述樞軸，前述永久磁鐵分別以兩磁極設置於上述盤本體的方式設置於上述盤本體，且每一前述永久磁鐵與上述樞軸最短距離點共同位於一個以上述樞軸為圓心的圓上，每兩個相鄰的前述永久磁鐵以相同極性相對接的方式串聯並相對上述樞軸均勻排列，以及前述至少二個近接的盤式外轉子的前述永久磁鐵的相異磁極彼此相對設置；至少一組柵欄式定子，包括複數個長條狀鐵芯，每一前述鐵芯分別沿著平行上述軸向彼此平行排列，且均勻分布於一個以上述樞軸為圓心的圓管處，前述該組柵欄式定子的每一前述鐵芯，分別以各自的兩極分別近接對應前述兩個盤式外轉子的上述永久磁鐵，以及前述鐵芯數目大於上述永久磁鐵數目的一倍且低於二倍，每一前述鐵芯分別纏繞有一線圈繞組，供接受一交流的時脈式驅動訊號磁化前述鐵芯；至少一個轉子位置感測元件，供量測上述盤式外轉子的永久磁鐵位置，並輸出至少一個位置訊號；及一個致能控制器，依據所收到的前述位置訊號，提供上述交流的時脈式驅動訊號至上述線圈繞組，並使得每兩相鄰前述線圈繞組的時脈式驅動訊號間，分別具有一均勻的相位差，且所有該組柵欄式定子的所有相鄰線圈繞組間的前述相位差總和為360度的非零整數倍。
2. 如申請專利範圍第1項所述的具有柵欄式定子的外盤式馬達，其中每一上述鐵芯為複數矽鋼片。
3. 如申請專利範圍第1項所述的具有柵欄式定子的外盤式馬達，其中上述柵欄式定子更包括一個固持上述各鐵芯的非導磁定子基座。
4. 如申請專利範圍第1項所述的具有柵欄式定子的外盤式馬達，更包括一個連結至上述柵欄式定子的馬達外殼。
5. 如申請專利範圍第1項所述的具有柵欄式定子的外盤式馬達，其中上述鐵芯的長度不大於3.5公分，且上述外盤式馬達的整體厚度不大於6公分。
6. 如申請專利範圍第1項所述的具有柵欄式定子的外盤式馬達，其中上述轉子位置感測元件為霍爾元件。
7. 如申請專利範圍第1項所述的具有柵欄式定子的外盤式馬達，更包括一個平行上述盤式外轉子且與前述盤式外轉子結構相同並且呈共樞軸配置的輔助盤式外轉子，前述輔助盤式外轉子設置於上述二個盤式外轉子的外側；一組設置於前述二個盤式外轉子之一和上述輔助盤式外轉子間的輔助柵欄式定子，該輔助柵欄式定子和上述柵欄式定子結構相同且呈共樞軸配置，該輔助柵欄式定子並受上述致能控制器致能磁化。
8. 如申請專利範圍第1項所述的具有柵欄式定子的外盤式馬達，其中上述鐵芯與近接對應的上述永久磁鐵的最短距離小於上述盤本體厚度。