TWI676336B - 六極之轉子裝置及具有該六極之轉子裝置的磁阻馬達 - Google Patents

Abstract

一種六極之轉子裝置，包含一本體單元，及複數障壁單元。該本體單元包括一轉子鐵芯，及一穿設於該轉子鐵芯上的主軸，該複數障壁單元平均環繞且間隔設置於該轉子鐵芯上，每一障壁單元包括至少二間隔設置且貫穿該轉子鐵芯之磁通障壁槽，及至少一位於相鄰兩磁通障壁槽間的磁通通道，其中，最靠近該轉子鐵芯之圓心的磁通障壁槽之中間厚度大於兩端的厚度。

Description

六極之轉子裝置及具有該六極之轉 子裝置的磁阻馬達

本發明是有關一種轉子裝置，特別是指一種六極之轉子裝置及具有該六極之轉子裝置的磁阻馬達。

隨著自動化生產設備的需求日益趨增，電動機作為生產設備之主要驅動裝置扮演著關鍵性的角色，在數種電動機架構中，最常見的為感應馬達，而永磁馬達與磁阻馬達因具有結構簡單及效率高等優點，故而逐漸受到重視，也都逐步朝向提高能源效率發展。

由於永磁馬達之轉子為磁性材料，所以轉子無感應電流，雖然效率較高，惟，使用稀土之良好的磁性材料產量稀少且價格昂貴，使得永磁馬達不易為工業界大量使用。

反觀磁阻馬達有別於採用勞倫茲力作動的感應馬達及永磁馬達，磁阻馬達是利用磁阻力來運轉，也就是利用磁力線在空間中形成一封閉迴路時，磁力線會選擇走磁阻最低的路徑，所以當轉子置於定子磁場時，磁力線會驅使轉子移動至其磁阻為最低的位置，透過轉子d-q軸之磁阻產生最大與最小之磁阻差，來產生磁阻轉矩，也因轉子與定子之旋轉磁場同步旋轉，因此沒有感應電流，也無二次銅損，所以能量轉換效率高，在油電雙漲以及溫室效應帶來之環境議題，節能成為全球迫切的課題，因此磁阻馬達取代工業用感應馬達與稀土類永磁馬達的應用。

現有技術的磁阻馬達為了提高轉矩利用率，需使d軸電感越大，q軸電感越小，為了增加磁阻差，需有效阻隔q軸磁通，以利降低q軸電感，然而，轉子中之障壁設置的數量較少或障壁的空間較小，都將使障壁的磁阻變小，進而降低轉子的轉矩；若增加障壁的數量或空間，則會導致轉子的結構強度變差，使轉子於高速轉動時容易變形，而需加以改善。

上述缺點都顯現習知磁阻馬達在使用上所衍生的種種問題，長久下來，常常導致物件的使用效率與結構強度無法提升等缺失，因此現有技術確實有待提出更佳解決方案之必要性。

有鑑於此，本發明之目的，是提供一種六極之轉子裝置，包含一本體單元，及六個障壁單元。

該本體單元包括一轉子鐵芯，及一穿設於該轉子鐵芯上的主軸，該六障壁單元平均環繞且間隔設置於該轉子鐵芯上，每一障壁單元包括至少二間隔設置且貫穿該轉子鐵芯之磁通障壁槽，及至少一位於相鄰兩磁通障壁槽間的磁通通道，其中，最靠近該轉子鐵芯之圓心的磁通障壁槽之中間厚度大於兩端的厚度。

本發明的另一技術手段，是在於上述之障壁單元定義有一位於相鄰兩障壁單元間之d軸，及一自該磁通障壁槽之中心位置穿過的q軸，自該轉子鐵芯之圓心並以與最靠近圓心之六個磁通障壁槽的中心位置為切點所形成一相切的外切圓直徑為Rd1，該轉子鐵芯的直徑為Rd2，Rd1、Rd2滿足0.45≦Rd1/Rd2≦0.6關係式。

本發明的又一技術手段，是在於上述之磁通障壁槽的數量為2~5個，當該磁通障壁槽的數量為2個，定義該二磁通障壁槽的中間部位厚度的總和為F’，相 鄰兩磁通障壁槽間的磁通通道距離為I’，I’、F’滿足0.4≦I’/F’≦0.6關係式；當該磁通障壁槽的數量為3~5個，定義所有磁通障壁槽的中間部位厚度的總和為F，相鄰兩磁通障壁槽間的所有磁通通道距離的總和為I，I、F滿足0.3≦I/F≦0.4關係式。

本發明的再一技術手段，是在於上述之最靠近該轉子鐵芯之圓心的磁通障壁槽之中間厚度大於最遠離該轉子鐵芯之圓心的磁通障壁槽之中間厚度，且每一位於兩磁通障壁槽間之磁通通道的間距相同。

本發明的另一技術手段，是在於上述之每一磁通障壁槽之兩側末端的形狀概呈圓弧形，且每一障壁單元更包括一連接該複數磁通障壁槽且位於q軸上之連接肋，用以增加該轉子鐵芯之結構強度。

本發明的又一技術手段，是在於上述轉子鐵芯之直徑大於60mm時，該磁通障壁槽之兩側末端與該轉子鐵芯之外緣的寬度不小於0.3mm。

本發明的再一技術手段，是在於上述轉子鐵芯之直徑大於100mm時，該磁通障壁槽之兩側末端與該轉子鐵芯之外緣的寬度不小於0.4mm。

本發明的另一技術手段，是在於上述轉子鐵芯之直徑大於130mm時，該磁通障壁槽之兩側末端與該轉子鐵芯之外緣的寬度不小於0.5mm。

本發明的又一技術手段，是在於上述轉子鐵芯之直徑大於160mm時，該磁通障壁槽之兩側末端與該轉子鐵芯之外緣的寬度不小於0.6mm。

本發明的再一技術手段，是在於提供一種磁阻馬達，包括一具有一定子鐵芯及纏繞於該定子鐵芯上之分佈繞組的定子裝置，及一裝設於該定子裝置內側的六極之轉子裝置。

本發明之有益功效在於，藉由最靠近該轉子鐵芯之圓心的磁通障壁槽之中間厚度大於兩端的厚度，且最靠近該轉子鐵芯之圓心的磁通障壁槽之中間厚度大於最遠離該轉子鐵芯之圓心的磁通障壁槽之中間厚度，以降低馬達轉矩漣波，進而抑制震動噪音，此外縮短該磁通障壁槽之兩側末端與該轉子鐵芯之外緣的寬度，可藉此得到最大之馬達特性，同時不會提高馬達的轉矩漣波，使馬達的效率達到最高水平，進而達到節省成本且可大量生產之目的。

21‧‧‧直徑

22‧‧‧直徑

23‧‧‧厚度

24‧‧‧距離

3‧‧‧本體單元

31‧‧‧轉子鐵芯

32‧‧‧主軸

5‧‧‧障壁單元

51‧‧‧磁通障壁槽

52‧‧‧磁通通道

53‧‧‧連接肋

7‧‧‧定子裝置

71‧‧‧定子鐵芯

72‧‧‧分佈繞組

圖1是一前視示意圖，說明本發明六極之轉子裝置及具有該六極之轉子裝置的磁阻馬達之較佳實施例；圖2是局部放大圖，說明本較佳實施例中一障壁單元的設置態樣；圖3是一前視示意圖，說明本較佳實施例中一定子裝置與一轉子裝置的結合態樣；圖4是一示意圖，說明本較佳實施例中外切圓的直徑與轉子鐵芯的直徑對轉矩的模擬結果；圖5是一示意圖，說明本較佳實施例中外切圓的直徑與轉子鐵芯的直徑對轉矩漣波的模擬結果；圖6是一示意圖，說明本較佳實施例中相鄰兩磁通障壁槽間的所有磁通通道距離的總和與所有磁通障壁槽的中間部位厚度的總和對轉矩的模擬結果；及圖7是一示意圖，說明本較佳實施例中相鄰兩磁通障壁槽間的所有磁通通道距離的總和與所有磁通障壁槽的中間部位厚度的總和對轉矩漣波的模擬結果。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內 容，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1、2，為本發明六極之轉子裝置及具有該六極之轉子裝置的磁阻馬達之較佳實施例，該轉子裝置包含一本體單元3，及複數障壁單元5。

在此，先說明的是，磁阻馬達轉矩產生的方式主要透過該轉子裝置d-q軸之磁阻差來產生磁阻轉矩，於此，定義該障壁單元5有一位於相鄰兩障壁單元5間之d軸，及一自該磁通障壁槽51之中心位置穿過的q軸，進一步地，d軸為該轉子裝置之凸極磁場延伸的方向，q軸為連接相鄰凸極與凸極間磁場延伸的方向。磁阻馬達之轉矩方程式在同步旋轉座標下可表示為：

上述方程式中，T為磁阻馬達的電磁轉矩，P為轉子極數，Ld、Lq為d、q軸電感，id、iq為在空間向量的定子電流在d、q軸方向上的分量。由公式可知，磁阻馬達具有依賴電感差值(Ld-Lq)最大之特性。提高d軸電感或者降低q軸電感，皆可提高電機之輸出轉矩。因此，電感差為影響磁阻馬達之運轉性能最主要的參數之一。

該本體單元3包括一轉子鐵芯31，及一穿設於該轉子鐵芯31上的主軸32。該轉子鐵芯31是由鋼板、矽鋼片、軟磁複合材料(Soft magnetic composites，SMC)或其它導磁材料，透過複數個導磁矽鋼片堆疊銲接固定或自動鉚合等壓配合元件而成，或者為一體成型的構件。藉此，提供一種能快速達到轉矩最大利用與較低的轉矩漣波之方式，以改善磁阻馬達效率的方法。

該複數障壁單元5平均環繞且間隔設置於該轉子鐵芯31上，每一障壁單元5包括至少二間隔設置且 貫穿該轉子鐵芯31之磁通障壁槽51，及至少一位於相鄰兩磁通障壁槽51間的磁通通道52。

其中，最靠近該轉子鐵芯31之圓心的磁通障壁槽51之中間厚度23大於兩端的厚度，也就是最靠近該轉子鐵芯31之圓心的磁通障壁槽51從q軸穿過該磁通障壁槽51之中心位置到該磁通障壁槽51的左右兩末端，呈現越來越小之態樣，用以降低馬達轉矩漣波，藉此得以抑制作動之震動噪音。

進一步地，最靠近該轉子鐵芯31之圓心的磁通障壁槽51之中間厚度23大於最遠離該轉子鐵芯31之圓心的磁通障壁槽51之中間厚度23，而當有複數個磁通障壁槽51時，其為由厚至薄的漸進式厚度設計，透過此設計可降低馬達轉矩漣波，以抑制震動噪音，且每一位於兩磁通障壁槽51間之磁通通道52的間距相同。

再者，每一磁通障壁槽51之兩側末端的形狀概呈圓弧形，除了可提升製造品質外，更可延長模具壽命，進而達到大量生產之目的。

於此，定義自該轉子鐵芯31之圓心並以與最靠近圓心之六個磁通障壁槽51的中心位置為切點所形成一相切的外切圓直徑21為Rd1，該轉子鐵芯的直徑22為Rd2，在本較佳實施例中，該障壁單元5的數量為六個，六極也就是六個障壁單元5，Rd1、Rd2滿足0.45≦Rd1/Rd2≦0.6關係式。

進一步地，該磁通障壁槽51的數量為2~5個，如圖1~3中所示，該磁通障壁槽51的數量為3個，而該磁通通道52為2個。當該磁通障壁槽51的數量為2個而該磁通通道52為1個時，定義該二磁通障壁槽51的中間部位厚度23的總和為F’，相鄰兩磁通障壁槽51間的磁通通道52距離24為I’，滿足0.3≦I’/F’≦0.4關係式， 於當該磁通障壁槽51的數量為3個，定義所有磁通障壁槽51的中間部位厚度23的總和為F，相鄰兩磁通障壁槽51間的所有磁通通道52距離24的總和為I，亦I、F滿足0.3≦I/F≦0.4關係式。

其中，當該轉子鐵芯31之直徑22大於60mm時，該磁通障壁槽51之兩側末端與該轉子鐵芯31之外緣的寬度不小於0.3mm。

其中，當該轉子鐵芯31之直徑22大於100mm時，該磁通障壁槽51之兩側末端與該轉子鐵芯31之外緣的寬度不小於0.4mm。

其中，當該轉子鐵芯31之直徑22大於130mm時，該磁通障壁槽51之兩側末端與該轉子鐵芯31之外緣的寬度不小於0.5mm。

其中，當該轉子鐵芯31之直徑22大於160mm時，該磁通障壁槽51之兩側末端與該轉子鐵芯31之外緣的寬度不小於0.6mm。

當該轉子鐵芯31之直徑22，及該磁通障壁槽51之兩側末端與該轉子鐵芯31之外緣的寬度如上所述之數值時，可避免轉子運轉時之製造精度及結構強度等問題。

當該磁通障壁槽51之兩側末端與該轉子鐵芯31之外緣的寬度越薄，可得到最大之馬達特性。

較佳地，每一障壁單元5更包括一連接該複數磁通障壁槽51且位於q軸上之連接肋53，用以增加該轉子鐵芯31之結構強度。此外，該磁通障壁槽51中可填入熱塑性或熱固性之非導磁介質於其中，用以維持運轉之動平衡。

配合參閱圖3，為具有上述六極之轉子裝置的磁阻馬達，該磁阻馬達包括一具有一定子鐵芯71及纏繞 於該定子鐵芯71上之分佈繞組72的定子裝置7，其中，該定子裝置7與該轉子裝置為間隔設置以同步運轉。

依據上述結構說明，使用模擬軟體進行結果驗證，配合參閱圖4、5分別為外切圓的直徑21與轉子鐵芯的直徑22對轉矩及對轉矩漣波的模擬波形。於此，圖4~6是使用4個磁通障壁槽51與3個磁通通道52的障壁單元5進行模擬。本發明透過調整Rd1與Rd2的比例，使電機能產生最大的輸出功率(轉矩N-m)，由圖4可知，最大轉矩區域介於0.3~0.6之間。除了選擇最大輸出功率外，同時需讓電機運轉時能有較低的噪音，而同步電機轉矩漣波與電機震動噪音息息相關，由圖5可知，轉矩漣波(%)的最佳區域介於0.45~0.6之間。為了使馬達能有最大的輸出功率與最小的震動噪音，因此，0.45~0.6為最佳值，並滿足0.45≦Rd1/Rd2≦0.6關係式。

參閱圖6、7，分別為相鄰兩磁通障壁槽51間的所有磁通通道52距離24的總和與所有磁通障壁槽51的中間部位厚度23的總和對轉矩的模擬波形。由圖6可知，最大轉矩區域介於0.3~0.6之間，由圖7可知，轉矩漣波最佳區域為0.3~0.4之間，考量電機的最大的輸出功率與最小的震動噪音，因此，0.3~0.4為最佳值，並滿足0.3≦I/F≦0.4關係式。

選用不同數量之障壁單元5的轉子裝置對馬達的輸出轉矩與輸出功率影響極大，在本較佳實施例中，採用六個障壁單元5，於低速時能獲得最大的輸出轉矩。

綜上所述，本發明六極之轉子裝置及具有該六極之轉子裝置的磁阻馬達，藉以該本體單元3，及該複數障壁單元5間相互設置，透過最靠近該轉子鐵芯31之圓心的磁通障壁槽51之中間厚度23大於兩端的厚度， 且最靠近該轉子鐵芯31之圓心的磁通障壁槽51之中間厚度23大於最遠離該轉子鐵芯31之圓心的磁通障壁槽51之中間厚度23，用以降低馬達轉矩漣波，進而以抑制震動噪音，再者，縮短該磁通障壁槽51之兩側末端與該轉子鐵芯31之外緣的寬度，可藉此得到最大之馬達特性，同時不會提高馬達的轉矩漣波之最佳設計，使馬達的效率達到最高水平，進而達到節省成本且可大量生產之目的，故確實可以達成本發明之目的。

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

Claims (9)

1. 一種六極之轉子裝置，包含：一本體單元，包括一轉子鐵芯，及一穿設於該轉子鐵芯上的主軸；及六個平均環繞該主軸且間隔設置於該轉子鐵芯上的障壁單元，每一障壁單元包括至少二間隔設置且貫穿該轉子鐵芯之磁通障壁槽，及至少一位於相鄰兩磁通障壁槽間的磁通通道，其中，最靠近該轉子鐵芯之圓心的磁通障壁槽之中間厚度大於兩端的厚度，且該障壁單元定義有一位於相鄰兩障壁單元間且通過該轉子鐵芯之圓心的d軸，及一自該每一障壁單元之該等磁通障壁槽之中心位置穿過且通過該轉子鐵芯之圓心的q軸，自該轉子鐵芯之圓心並以與該最靠近圓心之六個磁通障壁槽的中心位置為切點所形成一相切的外切圓直徑為Rd1，該轉子鐵芯的直徑為Rd2，Rd1、Rd2滿足0.45≦Rd1/Rd2≦0.6關係式。
2. 依據申請專利範圍第1項所述六極之轉子裝置，其中，該每一障壁單元之磁通障壁槽的數量為2~5個，當該每一障壁單元之磁通障壁槽的數量為2個，定義該每一障壁單元之所有磁通障壁槽的中間部位厚度的總和為F’，該每一障壁單元之相鄰兩磁通障壁槽間的磁通通道距離為I’，I’、F’滿足0.3≦I’/F’≦0.4關係式；當該每一障壁單元之磁通障壁槽的數量為3~5個，定義該每一障壁單元之所有磁通障壁槽的中間部位厚度的總和為F，該每一障壁單元之相鄰兩磁通障壁槽間的所有磁通通道距離的總和為I，I、F滿足0.3≦I/F≦0.4關係式。
3. 依據申請專利範圍第1項所述六極之轉子裝置，其中，最靠近該轉子鐵芯之圓心的磁通障壁槽之中間厚度大於最遠離該轉子鐵芯之圓心的磁通障壁槽之中間厚度，且每一位於兩磁通障壁槽間之磁通通道的間距相同。
4. 依據申請專利範圍第1項所述六極之轉子裝置，其中，每一磁通障壁槽之兩側末端的形狀概呈圓弧形，且每一障壁單元更包括一連接該複數磁通障壁槽且位於q軸上之連接肋，用以增加該轉子鐵芯之結構強度。
5. 依據申請專利範圍第1項所述六極之轉子裝置，當該轉子鐵芯之直徑大於60mm時，該磁通障壁槽之兩側末端與該轉子鐵芯之外緣的寬度不小於0.3mm。
6. 依據申請專利範圍第1項所述六極之轉子裝置，當該轉子鐵芯之直徑大於100mm時，該磁通障壁槽之兩側末端與該轉子鐵芯之外緣的寬度不小於0.4mm。
7. 依據申請專利範圍第1項所述六極之轉子裝置，當該轉子鐵芯之直徑大於130mm時，該磁通障壁槽之兩側末端與該轉子鐵芯之外緣的寬度不小於0.5mm。
8. 依據申請專利範圍第1項所述六極之轉子裝置，當該轉子鐵芯之直徑大於160mm時，該磁通障壁槽之兩側末端與該轉子鐵芯之外緣的寬度不小於0.6mm。
9. 一種磁阻馬達，包括一具有一定子鐵芯及纏繞於該定子鐵芯上之分佈繞組的定子裝置，及一依據申請專利範圍第1~8項之任一項所述並裝設於該定子裝置內側的六極之轉子裝置。