TWI780639B

TWI780639B - 磁性齒輪及其磁極構件

Info

Publication number: TWI780639B
Application number: TW110110909A
Authority: TW
Inventors: 蔡明祺; 黃孝賢; 江翊華; 黃柏維; 張宗偉; 石政欣
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2022-10-11
Also published as: TW202239116A

Abstract

一種磁性齒輪，包括二圓台狀轉子、一調極磁環及數個繞組，該二圓台狀轉子分別具有一斜側部及一截頂部，該斜側部具有數個磁極，該些磁極在一圓周方向上均勻分佈且極性交替排列，該二圓台狀轉子各自的該些磁極的數量不同，該二圓台狀轉子以各自的該截頂部彼此相對，該二圓台狀轉子能夠相對旋轉，該二圓台狀轉子的該斜側部之間形成一斜側環形空間；該調極磁環設置於該斜側環形空間；該數個繞組均勻設置在該調極磁環上。另，各該磁極可由一磁極構件構成。藉此，使該磁性齒輪可以降低整體體積及提高磁能利用率。

Description

磁性齒輪及其磁極構件

本發明係關於一種非接觸傳動技術，特別是關於一種改良型軸徑向式磁性齒輪及磁極構件。

馬達為一種動力輸出裝置，以具備高轉速低扭矩特性的馬達為例，若要操作在低轉速高扭矩之應用場合，通常會採用機械式減速機構，但有機械磨耗與噪音及體積大等問題。

為瞭解決上述問題，漸受矚目的是採用非接觸式傳動方式的轉速扭矩切換裝置，譬如利用磁鐵傳遞能量的磁性齒輪及其構成的電機構造，習知磁性齒輪包括同心式架構及軸徑向式架構。

舉例而言，軸徑向式架構的磁通路徑較長，易造成漏磁致使磁極耦合強度不足；另一方面，同心式架構的磁通路徑較短，且能順利導入磁場使得不同磁鐵極數耦合，但因調極磁環須固定於內、外轉子之間，在加工製程上需使用雙端抱持方式固定，且需採用軸承及灌膠技術，導致構造較為複雜且同心度較難維持。此外，雖有一些改良裝置被提出，但仍有待改善。

有鑑於此，有必要提供一種有別以往的技術方案，以解決習知技術所存在的問題。

本發明之一目的在於提供一種磁性齒輪，將調磁極環整合於二圓台狀轉子之間，以利降低整體體積及提高磁能利用率。

本發明之次一目的在於提供一種磁極構件，可被配置為圓台狀轉子的磁極，以利製作磁性齒輪。

為達上述之目的，本發明的一方面提供一種磁性齒輪，包括：二圓台狀轉子，分別具有一斜側部及一截頂部，該斜側部具有數個磁極，該些磁極在一圓周方向上均勻分佈且極性交替排列，該二圓台狀轉子各自的該些磁極的數量不同，該二圓台狀轉子以各自的該截頂部彼此相對，該二圓台狀轉子能夠相對旋轉，該二圓台狀轉子的該斜側部之間形成一斜側環形空間；一調極磁環，設置於該斜側環形空間；及數個繞組，均勻設置在該調極磁環上。

在本發明之一實施例中，該調極磁環具有數個芯件，該數個芯件被配置成在該圓周方向上均勻分佈，各該芯件的一剖面形狀具有彼此相對的一短側及一長側，該短側與該長側之間具有二斜邊，該二斜邊朝向該二圓台狀轉子的該斜側部。

在本發明之一實施例中，各該芯件的該短側及該長側分別具有一凹部，各該繞組設置在各該芯件的該凹部。

在本發明之一實施例中，各該圓台狀轉子具有一圓台基體及數個磁極構件，該些磁極構件在該圓周方向上均勻分佈在該圓台基體的一斜側面，該些磁極構件被配置作為各該圓台狀轉子的該些磁極。

在本發明之一實施例中，各該磁極構件包括一導磁體及至少一磁性件，該磁性件設置在該導磁體，該導磁體具有彼此相對的二扇形曲面及數個導孔，該數個導孔在該磁性件周圍貫穿該二扇形曲面中的至少一扇形曲面。

在本發明之一實施例中，該導磁體被配置成具有該些導孔的一立體網狀構造，該磁性件被配置成一板狀磁鐵，該立體網狀構造包覆該板狀磁鐵。

在本發明之一實施例中，該導磁體由導磁金屬材料構成，該導磁金屬材料為鐵基合金。

為達上述之目的，本發明的另一方面提供一種磁極構件，包括：一導磁體，具有彼此相對的二扇形曲面及數個導孔；及至少一磁性件，設置在該導磁體；其中該數個導孔在該磁性件周圍貫穿該二扇形曲面中的至少一扇形曲面。

本發明上述磁極構件可被用於製作上述磁性齒輪，該磁性齒輪通過該二圓台狀轉子的該斜側部之間形成該斜側環形空間，該調極磁環設置在該斜側環形空間，該數個繞組均勻設置在該調極磁環，可縮短磁通路徑與降低漏磁現象、減少整體體積、降低馬達頓轉轉矩、減少磁鐵用量及降低製造成本。相較於習知軸徑向式磁性齒輪，本發明的磁性齒輪可將調磁極環整合於二圓台狀轉子之間，以利降低整體體積及提高磁能利用率，除可增加使用裕度及提升整體性能，更具備容易組裝且無須灌膠等優點，有利於提升非接觸傳動技術能量。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參閱第1及2圖所示，本發明的一方面提供一種磁性齒輪，該磁性齒輪屬於一種改良型軸徑向式磁性齒輪，該磁性齒輪知至少一部分構件可利用積層製造技術實現。以下舉例說明本發明實施例之磁性齒輪的實施態樣，惟不以此為限。

舉例而言，本發明實施例之磁性齒輪包括：二圓台狀轉子1、一調極磁環2及數個繞組3，該調極磁環2整合於該二圓台狀轉子1之間，該數個繞組3繞設在該調極磁環2。

應被理解的是，本文所稱「圓台(circular truncated cone)」，又稱截頂圓錐，意指幾何學中的一種三維形態，貌似一個圓錐被平行於其底面的一個截面(如平面)截去頂部後，在截面與底面之間的類圓錐形體。本文所稱圓台是指正圓台，也就是指正圓錐截出的圓台，該圓台有軸、上底面(譬如截頂部)、下底面、側面(譬如斜側部)及母線。譬如以一直角梯形垂直於其一底邊的一腰為一轉軸，該直角梯形的其餘各邊沿該轉軸旋轉而形成的曲面所圍成的幾何體即為圓台，該轉軸即為圓台的軸，該直角梯形上、下底邊旋轉形成的圓面稱為圓台的上底面、下底面，該直角梯形的另一腰旋轉形成的曲面稱為圓台的側面，該圓台的側面展開圖是一個扇面形狀，該圓台的側面上各個位置相應直角梯形的腰稱為圓台的母線，該圓台的上底面與下底面之間的距離為該圓台的高；譬如《九章算術》記載圓台體積公式：「上下周相乘，又各自乘，並之，以高乘之，三十六而一」，其中將圓周率之值取為三算得圓台體積。

示例地，如第1及2圖所示，該二圓台狀轉子1可利用積層技術(如3D列印)來實現，譬如該二圓台狀轉子1分別具有一斜側部11及一截頂部12，該斜側部11具有數個磁極(如11N及11S)，該些磁極(如11N及11S)在一圓周方向上均勻分佈且極性(N極與S極)交替排列，譬如相鄰二磁極(如11N及11S)之間可有間隙或無縫連接。藉此，該二圓台狀轉子可利用該些磁極產生磁吸力及磁斥力，作為非接觸傳動的磁作用力。

示例地，如第1及2圖所示，該二圓台狀轉子1各自擁有的該些磁極(如11N及11S)的數量不同，譬如該二圓台狀轉子1中的一個可被配置成一少極數轉子1a，該二圓台狀轉子1中的另一個可被配置成一多極數轉子1b，該多極數轉子1b的磁極(如11N及11S)的數量比該少極數轉子1a的磁極(如11N及11S)的數量更多，該二圓台狀轉子1的磁極(如11N及11S)的數量可依實際需求(如速度或轉矩轉換比例)被設計或調整，其係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，不另贅述。藉此，當該二圓台狀轉子中的一個旋轉時，可產生磁場變化，用以帶動該二圓台狀轉子中的一個旋轉，進而產生非接觸傳動的效果。

示例地，如第1及2圖所示，該二圓台狀轉子1以各自的該截頂部12彼此相對，該二圓台狀轉子1能夠相對旋轉，該二圓台狀轉子1的該斜側部11之間形成一斜側環形空間S，譬如由該二圓台狀轉子1的該斜側部11包圍形成兩側傾斜的一環形空間。

示例地，如第1及2圖所示，該調極磁環2被設置於該斜側環形空間S，譬如該調極磁環2可以被配置成與該斜側環形空間S相應的形狀，但不以此為限，該調極磁環2也可以被配置成體積比該斜側環形空間S小的非相應形狀。藉此，可將該調磁極環整合於該二圓台狀轉子之間，以利降低整體佔據體積。

可選地，在一實施例中，如第2圖所示，該調極磁環2具有數個芯件21，譬如該芯件21可由數個電磁鋼片疊成，該數個芯件21被配置成在該圓周方向上均勻分佈，該數個芯件21的數量及間距可依實際需求被設計或調整，與習知同心式架構的磁性齒輪相比較，本發明實施例的磁性齒輪具備容易組裝且無須灌膠等優點。藉此，該調極磁環的芯件可被配置成與該斜側環形空間相應的形狀，用於在該二圓台狀轉子的斜側部之間產生最佳導磁效果。

在一實施例中，如第2圖所示，該芯件21的細部特徵也可被設計，例如該芯件21的一剖面形狀具有彼此相對的一短側及一長側，該短側與該長側之間具有二斜邊(譬如相互鏡向對稱)，該二斜邊朝向該二圓台狀轉子1的該斜側部11。藉此，該調極磁環的芯件可被配置成與該斜側環形空間相應的形狀，用於在該二圓台狀轉子的斜側部之間產生最佳導磁效果。

可選地，在一實施例中，如第2圖所示，各該芯件21的該短側及該長側共同形成一繞設部，各該繞組3設置在各該芯件21的該繞設部；各該芯件21的該短側及該長側還可分別具有一凹部(如21a)，各該繞組3設置在各該芯件21的該凹部，使得該繞組3可被穩固結合在該芯件21上。藉此，該繞組在繞線加工方面較容易實現，且整體機構設計上較為容易。

示例地，如第2圖所示，譬如該數個繞組3可被配置成至少一相線圈，例如同相線圈之間彼此電性連接，不同相線圈之間彼此電性絕緣，其係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，使得該數個繞組3可用於產生不同電磁驅動模式，以便實現預定動力轉換效果。

應被注意的是，如第2圖所示，本發明實施例的磁性齒輪之二轉子均呈圓台狀，該二圓台狀轉子1的該斜側部11具有數個磁極(如11N及11S)，該二圓台狀轉子1的截頂部12彼此相對，該二圓台狀轉子1的斜側部11之間形成該斜側環形空間S，使得該調磁極環2可被整合於該二圓台狀轉子1之間，除可降低整體佔據體積；更重要地，該調磁極環2還可縮短該二圓台狀轉子1的磁極(如11N及11S)之間的磁通路徑。

舉例而言，如第2圖所示，本發明上述實施例的改良型軸徑向式磁性齒輪憑藉該調磁極環2被整合於該二圓台狀轉子1之間，該二圓台狀轉子1由在其投影範圍內部之間的調磁極環2傳導的磁通路徑(如圖所示之向右虛線箭頭)較短，可以減少漏磁情況。

對比地，如第3圖所示，另一種軸徑向式磁性齒輪9具有二平行的輪狀轉子91、一調磁極環92及數個繞組93，該繞組93設置在該調磁極環92，該調磁極環92位於該二輪狀轉子91周圍，該二輪狀轉子91由在其投影範圍外部周圍的調磁極環92傳導的磁通路徑(如圖所示之向上、向右及向下虛線箭頭)較長，漏磁情況較為嚴重。因此，相較於其它軸徑向式磁性齒輪，本發明上述實施例的改良型軸徑向式磁性齒輪可以減少漏磁情況，能夠在有效傳遞轉速與轉矩的同時，進而，可以提升功率密度及提高磁能利用率。

可選地，在一實施例中，如第1及4圖所示，該圓台狀轉子1可被配置成具有一圓台基體13及數個磁極構件4，該些磁極構件4在該圓周方向上均勻分佈在該圓台基體13的一斜側面，使該些磁極構件4被配置作為該圓台狀轉子1的磁極(如11S或11N)；又，該圓台基體13還可設置一軸孔131，用以設置一轉軸(圖未繪示)。藉此，可利用事先製作完成的磁極構件作為模組化磁極，進行磁極組裝、更換或維修等作業，以便縮短作業時間。

可選地，在一實施例中，如第4圖所示，該磁極構件4可被配置成一斜曲式導磁件，例如該磁極構件4包括一導磁體41及至少一磁性件42，該導磁體41可由導磁金屬材料構成，譬如含矽及/或鉻的鐵基合金，該磁性件42可為永久磁鐵(如鐵鈷鎳合金等)，該磁性件42設置在該導磁體41，該導磁體41具有數個導孔43，例如該導磁體41具有彼此相對的二扇形曲面，該數個導孔43在該磁性件42周圍貫穿該二扇形曲面中的至少一扇形曲面，譬如該數個導孔43可分佈於該磁性件42的兩側或四周，且該數個導孔43可沿相同或不同方向延伸，用以輔助導引磁通方向，以利降低漏磁現象。

示例地，如第4圖所示，該導磁體41可被配置成具有該些導孔43的一立體網狀構造，譬如具備諸多孔洞相互連通的多孔性構造，該磁性件42被配置成一板狀磁鐵，該立體網狀構造包覆該板狀磁鐵，該立體網狀構造的結構強度足以穩固該板狀磁鐵且具備上述扇形曲面的外表輪廓。

舉例而言，如第4圖所示，該導磁體41可利用積層製造技術實現，例如採用3D列印技術，其實現方法可參諸如「S. Wu, P. Huang, T. Chang, I. Jiang and M. Tsai, “Application of Magnet Metal 3-D Printing on The Integration of Axial-Flow Impeller Fan Motor Design,” in IEEE Transactions on Magnetic, doi:10.1109/TMAG.2020.3014651」及「Z. Zhang, K. Jhong, C. Cheng, P. Huang, M. Tsai and W. Lee, “Metal 3D printing of synchronous reluctance motor,” 2016 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Taipei, 2016, pp.1125-1128, doi:1109/ICIT.2016.7474912」等文獻，其係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

藉此，由於板狀磁鐵相當容易取得，利用事先充磁完成的板狀磁鐵作為該磁性件，如將數個磁性件適當設置在該導磁體中，配合具備上述扇形曲面外型的導磁體做為固定及導磁功能，可以達到特定磁場分佈與磁通密度，並可降低加工難度及成本。

此外，本發明上述實施例的改良型軸徑向式磁性齒輪在實施過程中，還可因應實際應用的扭矩需求來微調各構件的細部特徵，舉例說明如下，惟不以此為限。

在一實施例中，如第5圖所示，示意本發明上述實施例的改良型軸徑向式磁性齒輪的不同構件的剖面錐度，假設該芯件21的斜邊與一軸線(譬如該軸線與該芯件21的長側重合)之間具有一夾角θ _ST，該二圓台狀轉子1的斜側部11與一軸線之間具有一夾角θ _MT，該圓台基體13的斜側面與一軸線之間具有一夾角θ _RT，其中上述諸多軸線實質平行。為了適應實際切割加工機台的性能，及使氣隙分佈平均，該夾角θ _ST、θ _MT、θ _RT的角度範圍可同為45至48度，如46、47度。如第6圖所示，在上述角度為48度時，本發明上述實施例的改良型軸徑向式磁性齒輪有一局部最大靜態轉矩。藉此，益證該磁性齒輪確實能通過構件形狀來調整轉矩，從而使得該磁性齒輪輸出局部最大靜態轉矩。

在一實施例中，如第7圖示意本發明實施例之磁性齒輪的少極數轉子的磁極投影的展開角度，如第8圖示意本發明實施例之磁性齒輪的多極數轉子的磁極投影的展開角度，如第9圖示意本發明實施例之磁性齒輪的調極磁環的展開角度。其中，該少極數轉子1a的磁極(以11S為例)投影的展開角度為θ ₁，該多極數轉子1b的磁極(以11N為例)投影的展開角度為θ ₂，該調極磁環的展開角度為θ _p。如第10圖所示，顯示該少極數轉子的展開角度變化與少極數轉子、多極數轉子之轉矩的關係曲線T1、T2；如第11圖所示，顯示該多極數轉子的展開角度變化與少極數轉子、多極數轉子之轉矩的關係曲線T1’、T2’；如第12圖所示，顯示調極磁環的展開角度變化與少極數轉子、多極數轉子之轉矩的關係曲線T1’’、T2’’。由圖可知，為了適應實際加工製程，如果該些不同展開角度採用靜態轉矩作為一選擇參數，其參數適用結果可如下表一所示。藉此，益證該磁性齒輪確實能通過構件形狀來調整轉矩，從而使得該磁性齒輪輸出最大靜態轉矩。

表一展開角度參考表

展開角度	較佳範圍(度)	最佳角度(度)
	80~90	85
	10~13	13
	10~20	15

應被理解的是，本發明上述實施例之磁性齒輪及磁極構件還可被配置做為一電機構造(譬如馬達、減速機、轉矩調變機或其相關裝置)的構件，還可因應特殊需求調整構造參數，可縮短磁通路徑與漏磁現象、減少整體體積、降低馬達頓轉轉矩、減少磁鐵用量及降低製造成本，以便適用於電動機具(如各式馬達、工具機台及各式載具(如自行車或汽車等))的動能調整等功能，但不以此為限。

綜上所述，本發明上述磁極構件可被用於製作上述磁性齒輪，該磁性齒輪通過該二圓台狀轉子的該斜側部之間形成該斜側環形空間，該調極磁環設置在該斜側環形空間，該數個繞組均勻設置在該調極磁環，可縮短磁通路徑與降低漏磁現象、減少整體體積、降低馬達頓轉轉矩、減少磁鐵用量及降低製造成本。相較於習知軸徑向式磁性齒輪，本發明的磁性齒輪可將調磁極環整合於二圓台狀轉子之間，以利降低整體體積及提高磁能利用率，除可增加使用裕度及提升整體性能，更具備容易組裝且無須灌膠等優點，有利於提升非接觸傳動技術能量。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1:圓台狀轉子 1a:少極數轉子 1b:多極數轉子 11:斜側部 11N:磁極 11S:磁極 12:截頂部 13:圓台基體 131:軸孔 2:調磁極環 21:芯件 21a:凹部 3:繞組 4:磁極構件 41:導磁體 42:磁性件 43:導孔 9:軸徑向式磁性齒輪 91:輪狀轉子 92:調極磁環 93:繞組 S:斜側環形空間 θ _ST:夾角 θ _MT:夾角 θ _RT:夾角 θ ₁:展開角度 θ ₂:展開角度 θ _p:展開角度 T1:關係曲線 T2:關係曲線 T1’:關係曲線 T2’:關係曲線 T1’’:關係曲線 T2’’:關係曲線

［第1圖］：本發明實施例之磁性齒輪的組合立體圖。［第2圖］：本發明實施例之磁性齒輪的磁通路徑示意圖。［第3圖］：與本發明相關的另一種軸徑向式磁性齒輪的磁通路徑示意圖。［第4圖］：本發明實施例之示例配置成磁極的磁極構件的組合立體圖。［第5圖］：本發明實施例之磁性齒輪的不同構件的剖面錐度示意圖。［第6圖］：本發明實施例之磁性齒輪的錐度與轉矩的關係曲線示意圖。［第7圖］：本發明實施例之磁性齒輪的少極數轉子的磁極投影的展開角度示意圖。［第8圖］：本發明實施例之磁性齒輪的多極數轉子的磁極投影的展開角度示意圖。［第9圖］：本發明實施例之磁性齒輪的調極磁環的展開角度示意圖。［第10圖］：如第7圖所示之少極數轉子的展開角度與不同轉子之轉矩的關係曲線示意圖。［第11圖］：如第8圖所示之多極數轉子的展開角度與不同轉子之轉矩的關係曲線示意圖。［第12圖］：如第9圖所示之磁性齒輪的展開角度與不同轉子之轉矩的關係曲線示意圖。

1:圓台狀轉子 1a:少極數轉子 1b:多極數轉子 11:斜側部 11N:磁極 11S:磁極 12:截頂部 13:圓台基體 2:調磁極環 3:繞組 4:磁極構件

Claims

一種磁性齒輪，包括：二圓台狀轉子，分別具有一斜側部及一截頂部，該斜側部具有數個磁極，該些磁極在一圓周方向上均勻分佈且極性交替排列，該二圓台狀轉子各自的該些磁極的數量不同，該二圓台狀轉子以各自的該截頂部彼此相對，該二圓台狀轉子能夠相對旋轉，該二圓台狀轉子的該斜側部之間形成一斜側環形空間；一調極磁環，設置於該斜側環形空間，該調極磁環具有數個芯件，該數個芯件被配置成在該圓周方向上均勻分佈，各該芯件的一剖面形狀具有彼此相對的一短側及一長側，該短側與該長側之間具有二斜邊，該二斜邊朝向該二圓台狀轉子的該斜側部；及數個繞組，均勻設置在該調極磁環上。
如請求項1所述之磁性齒輪，其中各該芯件的該短側及該長側分別具有一凹部，各該繞組設置在各該芯件的該凹部。
如請求項1所述之磁性齒輪，其中各該圓台狀轉子具有一圓台基體及數個磁極構件，該些磁極構件在該圓周方向上均勻分佈在該圓台基體的一斜側面，該些磁極構件被配置作為各該圓台狀轉子的該些磁極。
如請求項3所述之磁性齒輪，其中各該磁極構件包括一導磁體及至少一磁性件，該磁性件設置在該導磁體，該導磁體具有彼此相對的二扇形曲面及數個導孔，該數個導孔在該磁性件周圍貫穿該二扇形曲面中的至少一扇形曲面。
如請求項4所述之磁性齒輪，其中該導磁體被配置成具有該些導孔的一立體網狀構造，該磁性件被配置成一板狀磁鐵，該立體網狀構造包覆該板狀磁鐵。
如請求項4所述之磁性齒輪，其中該導磁體由導磁金屬材料構成，該導磁金屬材料為鐵基合金。
一種磁極構件，包括：一導磁體，具有彼此相對的二扇形曲面及數個導孔；及至少一磁性件，設置在該導磁體；其中該數個導孔在該磁性件周圍貫穿該二扇形曲面中的至少一扇形曲面。
如請求項7所述之磁極構件，其中該導磁體被配置成具有該些導孔的一立體網狀構造，該磁性件被配置成一板狀磁鐵，該立體網狀構造包覆該板狀磁鐵。
如請求項7所述之磁極構件，其中該導磁體由導磁金屬材料構成，該導磁金屬材料為鐵基合金。