TWI825519B

TWI825519B - 旋轉電機的轉子結構

Info

Publication number: TWI825519B
Application number: TW110145588A
Authority: TW
Inventors: 黃大宸; 何冠德; 林政彥; 黃綉枝
Original assignee: 東元精電股份有限公司
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-12-11
Also published as: CN115733265A; TW202312629A; TWM628052U

Abstract

本發明公開一種旋轉電機的轉子結構，其包括一轉子鐵芯、一軸心件以及多個磁鐵。轉子鐵芯具有一軸向孔、多個氣隙以及多個插入槽。軸向孔開設於轉子鐵芯的中心。多個氣隙與多個插入槽圍繞軸向孔。多個氣隙與多個插入槽相互交錯排列。每一氣隙具有多個邊壁。每一插入槽具有相對的兩槽邊。兩個槽邊之間具有一第一預定寬度。每一插入槽的其中一槽邊與相鄰的氣隙的其中一邊壁之間具有一平均預定距離。平均預定距離不大於第一預定寬度的二分之一。軸心件插設於軸向孔，以使轉子鐵芯連接在軸心件上。多個磁鐵分別設置於多個插入槽中。

Description

旋轉電機的轉子結構

本發明涉及一種旋轉電機的轉子結構，特別是涉及一種減少漏磁效應的旋轉電機的轉子結構。

一般來說，永磁式旋轉電機具有兩種類型，一種是將永久磁鐵黏貼在轉子鐵心的外周表面的表面式永磁式旋轉電機，另一種是將永久磁鐵嵌入轉子鐵心中的內藏式永磁式旋轉電機。而對於將永久磁鐵嵌入轉子鐵心中的永磁式旋轉電機來說，永久磁鐵是以轉子的旋軸心件為中心呈放射狀的排列方式來嵌入轉子鐵心中。這樣的結構雖然能夠增加磁通密度，但是永久磁鐵在靠近旋軸心件的地方會產生漏磁效應，使得永久磁鐵產生的部分磁通會在轉子內部產生磁迴路，造成無效輸出。

現有技術中，為了減少漏磁效應，會在相鄰的永久磁鐵之間且靠近旋軸心件的位置設置一氣隙，並利用該氣隙來阻隔磁通以避免磁迴路的形成。然而，氣隙太小會使減少漏磁產生的功效降低，氣隙太大則會阻隔過多的磁通而影響旋轉電機的整體運作效率。

故，如何通過對永磁式旋轉電機的轉子結構進行適當改良，既能降低永磁式旋轉電機的漏磁效應又不影響旋轉電機的整體運作效率，來克服上述的缺陷，已成為該領域所欲解決的重要課題之一。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種旋轉電機的轉子結構。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種旋轉電機的轉子結構，其包括:一轉子鐵芯、一軸心件以及多個磁鐵。轉子鐵芯具有一軸向孔、多個氣隙以及多個插入槽。軸向孔開設於轉子鐵芯的中心，多個氣隙與多個插入槽圍繞軸向孔，且多個氣隙與多個插入槽相互交錯。每一氣隙具有多個邊壁，每一插入槽具有相對的兩槽邊，兩個槽邊之間具有一第一預定寬度，每一插入槽的其中一槽邊與相鄰的氣隙的其中一邊壁之間具有一平均預定距離，平均預定距離不大於第一預定寬度的二分之一。軸心件插設於軸向孔，以使轉子鐵芯固定在軸心件上。多個磁鐵分別設置於多個插入槽中。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的旋轉電機的轉子結構，其能通過“每一氣隙具有多個邊壁，每一插入槽具有相對的兩槽邊，兩個槽邊之間具有一第一預定寬度，每一插入槽的其中一槽邊與相鄰的氣隙的其中一邊壁之間具有一平均預定距離，平均預定距離不大於第一預定寬度的二分之一”的技術方案，以降低旋轉電機內部的漏磁效應，並且能夠提升有效磁通量(Magnetic Flux)的產生，進而增加旋轉電機的轉矩密度。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“旋轉電機的轉子結構”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件，但這些元件不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

[實施例]

參閱圖1至圖3所示，圖1為本發明的旋轉電機的立體示意圖，圖2為本發明的旋轉電機的轉子結構的立體示意圖，圖3為本發明的旋轉電機的轉子結構的分解示意圖。本發明實施例提供一種旋轉電機Z，例如為一永磁式旋轉電機。舉例來說，旋轉電機Z可為發電機或馬達。旋轉電機Z內部包含一轉子結構M，轉子結構M包括：一轉子鐵芯1、一軸心件2以及多個磁鐵3。轉子鐵芯1具有一軸向孔11、多個氣隙12以及多個插入槽13。軸向孔11開設於轉子鐵芯1的中心，多個氣隙12與多個插入槽13圍繞軸向孔11，且多個氣隙12與多個插入槽13相互交錯排列，也就是說，相鄰的兩個插入槽13之間具有一氣隙12，或者說相鄰的兩個氣隙12之間具有一插入槽13。更具體來說，多個氣隙12是呈輻射狀均勻分布於轉子鐵心1，且多個插入槽13同樣是呈輻射狀均勻分布於轉子鐵心1。軸心件2插設於軸向孔11，而轉子鐵芯1連接且固定在軸心件2上。多個磁鐵3分別設置於多個插入槽13中，並且呈輻射狀均勻分布於轉子鐵心1中。需說明的是，兩個相鄰磁鐵3的磁極方向相反，使得兩個相鄰磁鐵3產生的多條磁力線(即磁束)具有集中的特性。另外，值得一提的是，本發明不以轉子鐵芯1與軸心件2之間的連接方式為限制，轉子鐵芯1與軸心件2之間可以採緊配(tight fit)、鬆配(loose fit)或是干涉配合(interference fit)等方式來連接。

繼續參閱圖3所示，值得一提的是，在本發明中，每一磁鐵3的長度會小於或等於每一氣隙12沿著一第一方向延伸的長度，所述第一方向平行於轉子鐵心1的軸心延伸方向(即平行於X軸)。具體來說，每一磁鐵3的長度會小於或等於每一氣隙12的長度，氣隙12的長度是指氣隙12沿著X軸在轉子鐵心1中延伸的長度。

參閱圖4與圖5所示，圖4為本發明的旋轉電機的轉子結構的轉子鐵芯的前視示意圖，圖5為圖4的V部分的放大示意圖。舉例來說，每一氣隙12的輪廓形狀是呈一六邊形或者六邊以上的多邊形，因此，每一氣隙12具有多個邊壁。每一插入槽13是呈四邊形，每一插入槽13具有相對的兩槽邊13S，兩個槽邊13S之間具有一第一預定寬度W1，每一插入槽13的其中一槽邊13S與相鄰的氣隙12的其中一邊壁之間具有一平均預定距離。進一步來說，當每一氣隙12的輪廓為六邊形時，每一氣隙12具有六個邊壁，該六個邊壁沿順時針方向區分為第一邊壁121、第二邊壁122、第三邊壁123、第四邊壁124、第五邊壁125以及第六邊壁126。其中，第一邊壁121與第四邊壁124相互平行，第二邊壁122與第六邊壁126相對稱，第三邊壁123與第五邊壁125相對稱。

承上述，繼續參閱圖4與圖5所示，每一插入槽13的其中一槽邊13S與相鄰的氣隙12的第三邊壁123或第五邊壁125之間具有一間隔壁，在該間隔壁的三個不同位置分別定義出一第一預定距離H1、一第二預定距離H2及一第三預定距離H3，而第一預定距離H1、第二預定距離H2及第三預定距離H3的平均值即等於該平均預定距離。因此，該平均預定距離與第一預定寬度W1之間具有以下的關係式:

(H1+H2+H3)/3≤(1/2)×W1；

也就是說，該平均預定距離不大於(即小於或等於)第一預定寬度W1的二分之一。當該平均預定距離等於零時，插入槽13與氣隙12相連通。當第一預定距離H1、第二預定距離H2及第三預定距離H3相等時，槽邊13S與第五邊壁125(或第三邊壁123)為相互平行。另外，須說明的是，圖5所示的該間隔壁的三個不同位置僅作為示例說明。本發明不對定義出第一預定距離H1、第二預定距離H2及第三預定距離H3的三個位置加以限制，只要該三個位置是位在槽邊13S與第五邊壁125之間的該間隔區內即可。另外，由於該平均預定距離不大於(即小於或等於)第一預定寬度W1的二分之一，因此從另一角度來說每一插入槽13的其中一槽邊13S與相鄰的氣隙12的第三邊壁123或第五邊壁125之間的最短距離不大於第一預定寬度W1的二分之一。

繼續參閱圖4與圖5所示，轉子鐵芯1還包括多個阻隔槽14，多個阻隔槽14分別連通於插入槽13。舉例來說，每一阻隔槽14的輪廓是呈四邊形，每一阻隔槽14具有一第二預定寬度W2，第二預定寬度W2不大於第一預定寬度W1。在本實施例中，每一氣隙12的第四邊壁124與每一阻隔槽14的底部14B相切於同一圓弧(即圖5上所示的虛線圓弧)，因此，氣隙12的底部(第四邊壁124)相較於插入槽13的底部13B更靠近軸向孔11。須說明的是，雖然氣隙12的底部(第四邊壁124)是向內(朝向軸向孔11的方向)延伸至阻隔槽14的底部14B，但本發明不以為限，在其他實施例中，氣隙12的底部可進一步向內朝著轉子鐵芯1的軸心位置延伸。此外，每一插入槽13在垂直於軸心件2的方向具有一徑向長度R。每一插入槽13的其中一槽邊13S上可定義一對應點P，對應點P沿著一水平線對應到第一邊壁121與第六邊壁126的一相交點或者第一邊壁121與第二邊壁122的另一相交點。舉例來說，如圖5所示，插入槽13右邊的槽邊13S可定義一對應點P，對應點P平行對應於相鄰的氣隙12的第一邊壁121與第六邊壁126的相交點(第一邊壁121與第六邊壁126所夾的邊角點)；或者，插入槽13左邊的槽邊13S也可定義一對應點P，對應點P沿著一水平線對應到相鄰的氣隙12的第一邊壁121與第二邊壁122的相交點(第一邊壁121與第二邊壁122所夾的邊角點)。值得一提的是，對應點P與插入槽13的底部13B之間的距離小於徑向長度R的三分之一。

承上述，阻隔槽14與氣隙12的設計都是為了減少旋轉電機Z內部產生漏磁。然而，本發明通過氣隙12的設置，進一步將氣隙12的底部(第四邊壁124)向內(朝向軸向孔11的方向)朝著轉子鐵芯1的軸心位置延伸，以及將氣隙12向外(遠離軸向孔11的方向)擴展，藉以得到一具有適當尺寸的氣隙12，該具有適當尺寸的氣隙12能夠降低旋轉電機Z內部的漏磁效應，並且能夠提升有效磁通量(Magnetic Flux)的產生，進而增加旋轉電機Z的轉矩密度。

對於旋轉電機Z而言，在設計上需要將多個磁鐵3所產生的磁力線引導至向外(遠離軸向孔11的方向)延伸，並且減少磁力線向內延伸形成無效輸出的磁迴路(這些無效輸出的磁迴路會增加旋轉電機Z的負載損耗)，因此，本發明藉由氣隙12的輪廓形狀設計為六邊形，該六邊形中的兩斜邊(第二邊壁122與第六邊壁126)的設計具有引導磁力線向外延伸的功效。並且，本發明藉由氣隙12的底部(第四邊壁124)向內(朝向軸向孔的方向)延伸至阻隔槽14的底部14B，以進一步阻隔向內延伸的磁力線形成磁迴路。

接著，繼續參閱圖5，以及參閱圖6A至圖6D所示，圖6A至圖6D為本發明的旋轉電機的轉子結構的氣隙輪廓的不同實施型態的示意圖。圖5所示的氣隙12的輪廓形狀同圖6D所示，是呈六邊形且該六邊形的每一邊角都是圓角。然而，上述所舉的例子只是其中一可行的實施例而並非用以限定本發明。在其他實施例中，如圖6A所示，當氣隙12的輪廓形狀為六邊形時，該六邊形的每一邊角為尖角；另外，如圖6A至6C所示，當氣隙12的輪廓形狀為六邊形時，六邊形的其中三個不相鄰的邊(例如第二邊壁122、第四邊壁124、第六邊壁126)可以呈直線狀、內凹弧狀或外凸弧狀。

[實施例的有益效果]

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的旋轉電機的轉子結構，其能通過“每一氣隙12具有多個邊壁，每一插入槽13具有相對的兩槽邊13S，兩個槽邊13S之間具有一第一預定寬度W1，每一插入槽13的其中一槽邊13S與相鄰的氣隙12的其中一邊壁之間具有一平均預定距離，平均預定距離不大於第一預定寬度W1的二分之一”的技術方案，以降低旋轉電機Z內部的漏磁效應，並且能夠提升有效磁通量(Magnetic Flux)的產生，進而增加旋轉電機Z的轉矩密度。

進一步來說，本發明通過氣隙12的設置，將氣隙12的底部(第四邊壁124)向內(朝向軸向孔11的方向)朝著轉子鐵芯1的軸心位置延伸，以及將氣隙12向外(遠離軸向孔11的方向)擴展，藉以得到一具有適當尺寸的氣隙12，該具有適當尺寸的氣隙12能夠降低旋轉電機Z內部的漏磁效應，並且能夠提升有效磁通量(Magnetic Flux)的產生，進而增加旋轉電機Z的轉矩密度。

更進一步來說，對於旋轉電機Z而言，在設計上需要將多個磁鐵所產生的磁力線引導至向外(遠離軸向孔的方向)延伸，並且減少磁力線向內延伸形成無效輸出的磁迴路(這些無效輸出的磁迴路會增加旋轉電機的負載損耗)，因此，本發明藉由氣隙12的輪廓形狀設計為六邊形，該六邊形中的兩斜邊(第二邊壁122與第六邊壁126)的設計具有引導磁力線向外延伸的功效。並且，本發明藉由氣隙12的底部(第四邊壁124)向內(朝向軸向孔的方向)延伸至阻隔槽14的底部14B，以進一步阻隔向內延伸的磁力線形成磁迴路。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

Z:旋轉電機 M:轉子結構 1:轉子鐵芯 11:軸向孔 12:氣隙 121:第一邊壁 122:第二邊壁 123:第三邊壁 124:第四邊壁 125:第五邊壁 126:第六邊壁 13:插入槽 13S:槽邊 13B:插入槽的底部 14:阻隔槽 14B:阻隔槽的底部 W1:第一預定寬度 W2:第二預定寬度 2:軸心件 3:磁鐵 H1:第一預定距離 H2:第二預定距離 H3:第三預定距離 R:徑向長度 P:對應點

圖1為本發明的旋轉電機的立體示意圖。

圖2為本發明的旋轉電機的轉子結構的立體示意圖。

圖3為本發明的旋轉電機的轉子結構的分解示意圖。

圖4為本發明的旋轉電機的轉子結構的轉子鐵芯的前視示意圖。

圖5為圖4的V部分的放大示意圖。

圖6A至圖6D為本發明的旋轉電機的轉子結構的氣隙輪廓的不同實施型態的示意圖。

M:轉子結構

1:轉子鐵芯

11:軸向孔

12:氣隙

13:插入槽

14:阻隔槽

2:軸心件

3:磁鐵

Claims

一種旋轉電機的轉子結構，其包括：一轉子鐵芯，具有一軸向孔、多個氣隙、多個插入槽以及多個阻隔槽，所述軸向孔開設於所述轉子鐵芯的中心，多個所述氣隙與多個所述插入槽圍繞所述軸向孔，且多個所述氣隙與多個所述插入槽相互交錯排列，每一所述氣隙具有多個邊壁，每一所述插入槽具有相對的兩槽邊，兩個所述槽邊之間具有一第一預定寬度，每一所述插入槽的其中一所述槽邊與相鄰的所述氣隙的其中一所述邊壁之間具有一平均預定距離，所述平均預定距離不大於所述第一預定寬度的二分之一，多個所述阻隔槽分別連通於多個所述插入槽，每一所述阻隔槽具有一第二預定寬度，所述第二預定寬度不大於所述第一預定寬度；一軸心件，用以插設於所述軸向孔，以使所述轉子鐵芯連接在所述軸心件上；以及多個磁鐵，分別設置於多個所述插入槽中。
如請求項1所述的旋轉電機的轉子結構，其中，每一所述氣隙的輪廓形狀呈多邊形，且所述多邊形為六邊形或者六邊以上的多邊形。
如請求項2所述的旋轉電機的轉子結構，其中，當每一所述氣隙的輪廓為六邊形時，每一所述氣隙具有六個所述邊壁，沿順時針方向區分為第一邊壁、第二邊壁、第三邊壁、第四邊壁、第五邊壁以及第六邊壁，所述第一邊壁與所述第四邊壁相互平行，所述第二邊壁與所述第六邊壁相對稱，所述第三邊壁與所述第五邊壁相對稱。
如請求項3所述的旋轉電機的轉子結構，其中，每一所述插入槽的其中一所述槽邊與相鄰的所述氣隙的所述第三邊壁或所述第五邊壁之間分別定義出一第一預定距離、一第二預定距離及一第三預定距離，所述第一預定距離、所述第二預定距離及所述第三預定距離的平均值等於所述平均預定距離；其中，當所述平均預定距離等於零時，每一所述插入槽與相鄰的所述氣隙相連通。
如請求項3所述的旋轉電機的轉子結構，其中，每一所述插入槽在垂直於所述軸向孔的方向具有一徑向長度，每一所述插入槽的其中一所述槽邊上定義出一對應點，所述對應點沿一水平線對應到於所述第一邊壁與所述第六邊壁的一相交點或者所述第一邊壁與所述第二邊壁的另一相交點，所述對應點與所述插入槽的底部之間的距離小於所述徑向長度的三分之一。
如請求項2所述的旋轉電機的轉子結構，其中，當所述氣隙的輪廓形狀為六邊形時，所述六邊形的其中三個不相鄰的邊是呈直線狀、內凹弧狀或外凸弧狀。
如請求項2所述的旋轉電機的轉子結構，其中，當所述氣隙的輪廓形狀為六邊形時，所述六邊形的每一邊角為圓角。