TWI749556B

TWI749556B - 馬達結構

Info

Publication number: TWI749556B
Application number: TW109116453A
Authority: TW
Inventors: 姚立和; 謝培升; 田騏禎
Original assignee: 姚立和
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2021-12-11
Also published as: TW202145679A

Abstract

本發明馬達結構包含有一定子、一轉子、複數磁石以及複數繞線組，該定子具有複數齒部及複數槽部，該轉子設置有複數磁石孔及複數穿孔，該複數磁石孔沿該轉子的圓周排列，該複數磁石則嵌入該複數磁石孔中，而該複數繞線組捲繞於該定子上，其中，該複數穿孔設置於該複數磁石孔與該定子間；本發明藉由該複數穿孔改變該複數磁石孔與該定子間的磁力線分布，一方面使磁力線緊密排列增加磁通密度，進而增加磁路磁阻及降低電感值，另一方面降低該轉子與該定子間的凸極效應，進而降低馬達的轉矩漣波，以增加馬達效能並改善馬達振動及噪音的問題。

Description

馬達結構

一種馬達結構，透過於轉子上設置穿孔以增加馬達中的磁路磁阻，並降低馬達的電感值及凸極效應，強化馬達性能。

馬達由定子與轉子所組成，以永磁式馬達為例，複數定子包圍在轉子外側，各定子上具有銅線纏繞，而轉子中嵌入複數磁石，當銅線線圈通電時，定子吸引轉子磁極，進而使轉子旋轉產生扭力。

永磁式馬達中轉子的轉矩只由磁阻變化的原理產生，轉子並無繞線組，故不存在轉子銅損的問題，與一般馬達相比具有高工作效率、結構堅固等優點，然而，為了纏繞銅線定子一般具有槽齒結構，轉子中的磁石與定子的槽齒產生交互作用，由於磁石經過槽、齒的磁阻不同使得馬達產生轉矩漣波，進而導致馬達發出噪音和振動。

另一方面，在馬達高速運轉的情況下，由於馬達的反電動勢與轉速成正比，若馬達的運轉速度超過額定速度，則會大幅增加反電動勢電壓，造成部分輸入電壓需用以抵抗反電動勢電壓，而反電動勢與馬達的電感值有關，馬達的電感值越高，則馬達的電壓損耗亦越高，進而導致輸入電壓的電壓使用效率降低。

因此，如何改良馬達結構，降低轉矩漣波對馬達效能造成的影響，並降低馬達的電感值以降低電壓耗損，實為一重要課題。

有鑑於此，本發明的主要目的是提供一種馬達結構，期以降低馬達的轉矩漣波及電壓消耗。

本發明馬達結構包含：一定子，具有複數齒部及複數槽部；一轉子，設置於該定子中，相對於該定子轉動，且該轉子設置有複數磁石孔及複數穿孔，該複數磁石孔及該複數穿孔分別沿該轉子的軸向延伸貫穿該轉子，且呈同心圓排列；複數磁石，分別嵌入該複數磁石孔中；複數繞線組，捲繞於該定子上；其中，該複數穿孔設置於該複數磁石孔與該定子間。

本發明馬達結構中，該複數穿孔設置於該複數磁石孔與該定子間，藉由該複數穿孔改變各磁石孔與該定子間的磁力線分布，使磁力線緊密排列增加磁通密度，以增加磁路磁阻，進而降低電感值來達到降低電壓耗損的目的，另一方面，該複數穿孔改變磁場分布亦降低該轉子與該定子間的凸極效應，進而降低馬達運轉時的轉矩漣波，改善馬達振動及噪音的問題。

請參看圖1所示，本發明馬達結構包含一定子10、一轉子20、複數磁石30與複數繞線組40，該定子10由複數定子組件11沿圓形排列組成，而各該定子組件11為T型結構，使得該定子10具有複數齒部12及複數槽部13。

該轉子20設置於該定子10中，且該轉子20與該定子10間存在氣隙，使該轉子20能藉由磁力相對於各該定子組件11轉動，進一步參看圖2所示，該轉子20可由多個矽鋼片沿軸向堆疊至一預定厚度，且該轉子20設置有複數磁石孔21及複數穿孔22，該複數磁石孔21及該複數穿孔22分別沿該轉子20的軸向延伸貫穿該轉子20，且該複數磁石孔21及該複數穿孔22分別呈同心圓排列，而該複數穿孔22則設置於該複數磁石孔21與該複數定子組件11之間。

各該複數磁石30嵌入各該磁石孔21中，其中，該複數磁石孔21、該複數穿孔22及該複數磁石30數量相同，各磁石孔21與各定子組件11間設置有一個穿孔22。在本較佳實施例中，該些複數穿孔22分別係一圓孔。

該複數繞線組40與該複數齒部12的數量相同，各繞線組30纏繞於該定子10的各齒部12上，且該繞線組30可由銅線所捲繞而成，當該複數繞線組40通電時，電流通過該複數繞線組40並產生磁場，由於該轉子20內嵌入有該複數磁石30，該複數磁石30受該複數繞線組40產生的磁場影響，進而帶動該轉子20相對於該定子10轉動。

請參看圖3所示，於本發明的另一實施例中，該轉子20的外輪廓具有複數凹槽23，各該凹槽23可為一弧形凹槽或一多邊形凹槽，且該轉子20的外輪廓其結構對稱，使該轉子20於馬達中運作時能穩定轉動。

請參看圖4所示，該複數磁石孔21中具有複數組對稱設置的磁石孔對21a,21b，該複數穿孔22中具有複數組對稱設置的穿孔對22a,22b，且各該複數磁石孔對21a,21b與該定子10間分別設置有一組穿孔對22a,22b，以下以其中一組磁石孔對21a,21b及對應的一組穿孔對22a,22b為例，藉此說明各磁石孔對21a,21b與各穿孔對22a,22b的相對距離關係。該磁石孔對21a,21b中的兩磁石30具有一中心線L1，該磁石孔對21a,21b沿該中心線L1相互對稱，且設置於該磁石孔對21a,21b與該定子10間的該穿孔對22a,22b，沿其對應的該磁石孔對21a,21b中該兩磁石30的該中心線L1相互對稱。

進一步參看圖5所示，該定子10的各齒部12定義有一定子齒寬W，而該穿孔對22a,22b間的最短直線距離為一第一距離D1，該第一距離D1不小於該定子齒寬W的0.7倍，且該第一距離D1不大於該定子齒寬W的1.3倍，意即該穿孔對22a,22b與該中心線L的最短直線距離分別不超過該定子齒寬W的0.35倍，且不大於該定子齒寬W的0.65倍。

請參看圖6所示，該轉子20定義有一轉子最大外徑R，而各該穿孔22其圓心至該轉子20的旋轉中心的最短直線距離為一第二距離D2，其中，該第二距離D2不大於該轉子最大外徑R，且該第二距離D2不小於該轉子最大外徑R的0.85倍。

請參看圖7所示，該轉子20的該複數磁石30分別係一方型磁石，而各該複數磁石30及分別與其距離最近的一穿孔22中，各該複數磁石30最接近該穿孔22的一表面係為一外側表面31，自該外側表面31延伸且垂直於該外側表面31，並通過與其最近的該穿孔22的圓心後，至該轉子20其外徑的最短直線距離為一第三距離D3；而與各該複數磁石30距離最近的該穿孔22具有一穿孔直徑A，其中，該穿孔直徑A不小於該第三距離D3的0.1倍，且該穿孔直徑A不大於該第三距離D3的0.7倍。

請參看圖8所示，於本發明另一實施例中該轉子20設置有複數磁石孔21及複數穿孔22，且該複數磁石孔21及該複數穿孔22分別呈同心圓排列，而該複數穿孔22則設置於該複數磁石孔21與該複數定子組件11之間。進一步參看圖9所示，該複數穿孔22中具有複數組對稱設置的穿孔對22a,22b，且各該磁石孔21與該定子10間分別設置有一組穿孔對22a,22b，以下以其中一磁石孔21及對應的一組穿孔對22a,22b為例，藉此說明各磁石孔21與各穿孔對22a,22b的相對距離關係。該磁石孔21中的一磁石30具有一中心線L2，且設置於該磁石孔21與該定子10間的該穿孔對22a,22b，沿其對應的該磁石孔21中該磁石30的該中心線L2相互對稱。

為了解本發明馬達結構的實際功效，以下將不具有該複數穿孔22的習知馬達與本發明進行比較，請參看圖10及圖11，為該複數繞線組40經由電流而產生的磁場與該複數磁石30產生交互作用時的磁力線分布圖。本發明馬達結構與習知馬達相比，在磁通量不變的情況下，意即在磁力線數不變的情況下，該複數穿孔22壓縮該複數磁石孔21外側能分布磁力線的區域，使得該複數穿孔22周圍的磁力線排列較緊密，藉由增加該複數磁石孔21外側的磁通密度來增加磁路磁阻，並降低該複數繞線組40與該複數定子組件11所產生的電感值，進而讓馬達其輸入電壓用於抑制反電動勢的比例降低，增加輸入電壓的利用率。

請參看圖12及表格1所示，在馬達轉速同為7000rmp且輸入電壓同為96VDC，輸入電流同為92Arms的情況下，未設置有該複數穿孔22的習知馬達其輸出扭力為7.3Nm，輸出功率為5351W，弱磁角為79.5∘，而本發明馬達結構的輸出扭力為10.9Nm，輸出功率為7990W，弱磁角為75∘。本發明馬達結構的輸出扭力及輸出功率皆大於習知馬達，又因馬達的馬力為扭力及功率的乘積，意即本發明馬達結構的馬力亦高於習知馬達。而藉由轉矩波型可以得知，本發明馬達結構的不僅輸出扭力高於習知馬達的輸出扭力，本發明馬達結構的轉矩波型較平緩，顯示本發明能保持穩定的扭力輸出。

	轉速	輸入電壓	輸出扭力	輸出功率	弱磁角	輸入電流
習知馬達	7000rpm	96VDC	7.3Nm	5351W	79.5∘	92Arms
本發明	7000rpm	96VDC	10.9Nm	7990W	75∘	92Arms

表格1

習知馬達中，由於習知馬達的槽部具有槽開口以利銅線置入，然而槽開口使得定子的槽部與轉子間的氣隙較大，而定子的齒部與轉子間的氣隙較小，定子與轉子間不均勻的氣隙導致凸極效應的產生，凸極效應越強，馬達運轉時的轉矩漣波越大，進而導致馬達噪音與振動的產生。

進一步參看表格2所示，轉矩漣波代表馬達旋轉時輸出轉矩的周期性變化，將馬達一周期內最大轉矩與最小轉矩間的差以百分比表示，由表格2可以得知，未設置有該複數穿孔22的習知馬達其轉矩漣波為33.7%，而本發明馬達結構的轉矩漣波為10.8%，顯示該複數穿孔22改變磁場分布亦能降低該轉子20與該定子10間的凸極效應，大幅降低馬達運轉時的轉矩漣波。

	習知馬達	本發明
轉矩漣波(%)	33.7%	10.8%

表格2

綜上所述，本發明馬達結構透過將該複數穿孔22設置於該複數磁石孔21與該複數定子組件11間，改變該複數磁石孔21與該複數定子組件11間的磁力線分布與磁通密度，一方面增加磁路磁阻，降低該複數繞線組40與該複數定子組件11所產生的電感值，藉此增加輸入電壓的利用率，提升馬達性能；另一方面降低馬達運轉時的轉矩漣波，改善馬達運轉時產生的振動及噪音問題。

10:定子 11:定子組件 12:齒部 13:槽部 20:轉子 21:磁石孔 21a,21b:磁石孔對 22:穿孔 22a,22b:穿孔對 23:凹槽 30:磁石 31:外側表面 40:繞線組 A:穿孔直徑 D1:第一距離 D2:第二距離 D3:第三距離 L1,L2:中心線 R:轉子最大外徑 W:定子齒寬

圖1：本發明馬達結構的示意圖。圖2：本發明馬達結構中轉子的示意圖。圖3：本發明馬達結構的另一實施例中轉子的示意圖。圖4：本發明馬達結構中中心線的示意圖。圖5：本發明馬達結構中齒寬及第一距離的示意圖。圖6：本發明馬達結構中第二距離的示意圖。圖7：本發明馬達結構中第三距離的示意圖。圖8：本發明馬達結構另一實施例中轉子的示意圖。圖9：本發明馬達結構另一實施例中中心線的示意圖。圖10：習知馬達的磁力線分布示意圖。圖11：本發明馬達結構的磁力線分布示意圖。圖12：本發明馬達結構與習知馬達的輸出扭力與時間之關係圖。

10:定子 11:定子組件 12:齒部 13:槽部 20:轉子 21:磁石孔 22:穿孔 30:磁石 40:繞線組

Claims

一種馬達結構，包含有：一定子，具有複數齒部及複數槽部；一轉子，設置於該定子中，相對於該定子轉動，且該轉子設置有複數磁石孔及複數穿孔，該複數磁石孔及該複數穿孔分別沿該轉子的軸向延伸貫穿該轉子，且呈同心圓排列；複數磁石，分別嵌入該複數磁石孔中；複數繞線組，捲繞於該定子上；其中，該複數穿孔設置於該複數磁石孔與該定子間，且該複數磁石孔、該複數穿孔與該複數磁石數量相同。
如請求項1所述之馬達結構，該些複數穿孔分別係一圓孔。
如請求項1所述之馬達結構，該定子由複數定子組件沿圓形排列組成，且該複數定子組件為T型結構。
如請求項1所述之馬達結構，該複數磁石孔中具有複數組對稱設置的磁石孔對，該複數穿孔中具有複數組對稱設置的穿孔對，且各該複數磁石孔對與該定子間分別對應設置有一組穿孔對，而設置於各該複數磁石孔對中的兩磁石具有一中心線，且各該複數磁石孔對分別沿其各自的中心線相互對稱，且設置於各該複數磁石孔對與該定子間的該穿孔對，沿其對應的該磁石孔對中該兩磁石的該中心線相互對稱。
如請求項1所述之馬達結構，該複數穿孔中具有複數組對稱設置的穿孔對，且各該磁石孔與該定子間分別設置有一組穿孔對，而設置於各該磁石孔中的一磁石具有一中心線，且設置於該磁石孔與該定子間的該穿孔對，沿其對應的該磁石孔中該磁石的該中心線相互對稱。
如請求項4或5所述之馬達結構，該定子的各齒部具有一定子齒寬，沿該中心線對稱設置的該穿孔對間的最短直線距離為一第一距離，該第一距離不小於該定子齒寬的0.7倍，且該第一距離不大於該定子齒寬的1.3倍。
如請求項1所述之馬達結構，該轉子具有一轉子最大外徑，各該穿孔其圓心至該轉子的旋轉中心的最短直線距離為一第二距離，該第二距離不大於該轉子最大外徑，且該第二距離不小於該轉子最大外徑的0.85倍。
如請求項1所述之馬達結構，該轉子的複數磁石分別係一方型磁石，且各該複數磁石最接近與其最近的一穿孔的一表面係一外側表面，自該外側表面延伸且垂直於該磁石外側表面並通過與其最近的該穿孔的圓心後，至該轉子的外徑的最短直線距離為一第三距離；該穿孔具有一穿孔直徑，該穿孔直徑不小於該第三距離的0.1倍，且該穿孔直徑不大於該第三距離的0.7倍。
如請求項1所述之馬達結構，該轉子的外輪廓具有複數凹槽，各該凹槽為一多邊形凹槽或一弧形凹槽。