TWI836446B - 馬達轉子及其設計方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種馬達轉子，包括：金屬芯，包括複數個金屬元件及中心孔，中心孔貫穿金屬芯，且金屬元件構成轉子金屬面積總和 ；以及複數個磁阻部，環繞中心孔設置，該等磁阻部的每一個包括至少一個磁阻單元，至少一個磁阻單元貫穿金屬芯，且該等磁阻部的每一個中的至少一個磁阻單元構成磁阻單元面積總和 ；其中，磁阻單元面積總和 與轉子金屬面積總和 的總和為轉子有效面積總和，磁阻單元面積總和 與轉子有效面積總和的比值為一磁障比 ，磁障比 的公式為 ，且磁障比 符合以下關係式

Description

馬達轉子及其設計方法
本發明係為一種馬達轉子及其設計方法，特別係指一種磁阻馬達的轉子結構及其設計方法。
磁阻馬達是一種同步電動機，係利用轉子磁阻不均勻而產生的轉矩來進行工作，轉子是由金屬磁性材料以及非金屬磁性材料組成，轉子沒有永久磁鐵，也沒有繞組，是結構最簡單的電機結構之一。
在磁阻馬達的結構中，磁阻單元影響了整個轉子性能，因此是為最重要之結構。然而，磁阻單元結構由多種參數所定義，如長度、角度、位置等，其中各種參數又包括多種不同細部設計參數，每項參數皆互相耦合，且對於馬達輸出特性皆有顯著的影響。因此，磁阻馬達轉子設計的優劣會直接反應在馬達整體效能。
而在現有的馬達轉子結構及設計方法中，多數設計者在設計磁阻電機時需要不斷反覆的設計與驗證，並藉由非常冗長的設計及驗證時間才能得到所設計的馬達轉子結構。
[發明所欲解決的課題] 由上述的先前技術可知，目前馬達轉子的設計流程非常冗長，造成時間成本過高，且亦無法提供一種有效提升馬達效能的馬達轉子結構。因此，需要提供一種全新的馬達轉子結構及其設計方法，使馬達達到最佳性能，並在設計流程中給予關鍵參數的最佳範圍，使設計者能大幅減少設計時間。
[解決課題的技術手段] 一種馬達轉子，包括：一金屬芯，包括複數個金屬元件及一中心孔，該中心孔貫穿該金屬芯，且該等金屬元件構成一轉子金屬面積總和 ；以及複數個磁阻部，環繞該中心孔設置，該等磁阻部的每一個包括至少一個磁阻單元，至少一個該磁阻單元貫穿該金屬芯，且該等磁阻部的每一個包括至少一個磁阻單元，至少一個該磁阻單元貫穿該金屬芯，且該等磁阻部的每一個中的至少一個該磁阻單元構成一磁阻單元面積總和 ；其中，該磁阻單元面積總和 與該轉子金屬面積總和 的總和為一轉子有效面積總和，該磁阻單元面積總和 與該轉子有效面積總和的比值為一磁障比 ，該磁障比 的公式為 ，且該磁障比 符合以下關係式 。
較佳地，該馬達轉子對應於一馬達定子，該馬達定子包括一馬達極數 P，該等磁阻部的每一個包括一中心軸線，該中心軸線連接至該中心孔的一圓心，該等磁阻部的每一個包括複數個該磁阻單元，該等磁阻單元的總數量為K，K為大於1的任一自然數，且在該等磁阻部的每一個中，該等磁阻單元對稱該中心軸線設置，該等磁阻單元彼此之間包括一磁阻單元面積比例公差AP，該磁阻單元面積比例公差AP符合以下關係式 。
較佳地，該馬達轉子包括一直徑R 1，該中心孔包括一直徑R 2，該等磁阻部的每一個包括一中心軸線，該中心軸線連接至該中心孔的一圓心，該等磁阻部的每一個包括複數個該磁阻單元，且在該等磁阻部的每一個中，該等磁阻單元包括最靠近該中心孔的一最近磁阻單元，該中心軸線經過該最近磁阻單元的一最近磁阻單元中心，該最近磁阻單元中心與該圓心之間包括一中心距C，該中心距C包括一中心距係數CD，該中心距C的公式為 ，該中心距係數CD符合以下關係式 。
較佳地，該等磁阻部的每一個包括一中心軸線，該中心軸線連接至該中心孔的一圓心，該等磁阻部的每一個包括複數個該磁阻單元，該等磁阻單元的數量為K，K為任一自然數，且在該等磁阻部的每一個中，該等磁阻單元中第K個磁阻單元包括一第K個磁阻單元末端，第K-1個磁阻單元包括一第K-1個磁阻單元末端，該第K個磁阻單元末端與該第K-1個磁阻單元末端之間的距離為一距離A 1，該中心軸線經過該第K個磁阻單元的一第K個磁阻單元中心，該中心軸線經過該第K-1個磁阻單元的一第K-1個磁阻單元中心，該第K個磁阻單元中心與該第K-1個磁阻單元中心之間的距離為一距離B1，該距離A1與該距離B1相等。
另一方面，本發明亦提供一種馬達轉子的設計方法，包括以下步驟: 計算該馬達轉子中的一轉子金屬面積總和 ；計算該馬達轉子中的一磁阻單元面積總和 ；以及設定該馬達轉子的一磁障比 符合以下關係式 5，其中，該磁障比 的公式為 。
再者，本發明的設計方法進一步包括一以下步驟：設定對應該馬達轉子的一馬達極數 P；設定該馬達轉子中複數個磁阻部的每一個包括複數個磁阻單元，其中，該等磁阻單元的總數量為K，K為大於1的任一自然數；以及設定該等磁阻單元彼此之間包括一磁阻單元面積比例公差AP，該磁阻單元面積比例公差AP符合以下關係式 。
再者，本發明的設計方法進一步包括一以下步驟：設定該馬達轉子中磁阻部的數量為複數個；將該等磁阻部的每一個所包括的磁阻單元的數量設為複數個，其中，該馬達轉子包括一直徑R 1，該馬達轉子的一中心孔包括一直徑R 2；在該等磁阻部的每一個中設定一中心軸線，該中心軸線連接至該馬達轉子的一圓心；在該等磁阻部的每一個中，將該等磁阻單元中最靠近該圓心的設定為一最近磁阻單元；將該中心軸線經過該最近磁阻單元的中心的點設定為一最近磁阻單元中心；設定該最近磁阻單元中心與該圓心之間的一中心距C，該中心距C的公式為 ；以及設定該中心距C的一中心距係數CD，該中心距係數CD符合以下關係式 。
再者，本發明的設計方法進一步包括一以下步驟：設定馬達轉子中磁阻部的數量為複數個；將該等磁阻部的每一個所包括的磁阻單元的總數量設為K，K為任一自然數；在該等磁阻部的每一個中設定一中心軸線，該中心軸線連接至該馬達轉子的一圓心；在該等磁阻部的每一個中，設定該等磁阻單元中第K個磁阻單元包括一第K個磁阻單元末端；在該等磁阻部的每一個中，設定該等磁阻單元中第K-1個磁阻單元包括一第K-1個磁阻單元末端，其中，該第K個磁阻單元末端與該第K-1個磁阻單元末端之間的距離為一距離A K-1；在該等磁阻部的每一個中，設定該中心軸線經過該第K個磁阻單元的中心的點為一第K個磁阻單元中心，該中心軸線經過該第K-1個磁阻單元的中心的點為一第K-1個磁阻單元中心，其中，該第K個磁阻單元中心與該第K-1個磁阻單元中心之間的距離為一距離B K-1；以及設定該距離A K-1等於該距離B K-1，距離A 2等於距離B 2，距離A 1等於距離B 1。
再者，本發明的設計方法進一步包括一以下步驟：設定對應該馬達轉子的一馬達定子包含一馬達極數 P以及一定子槽數 ；設定該馬達定子的每一極所包括的定子槽數量 ，該定子槽數量 的公式為 ；設定該馬達轉子中磁阻部的數量為複數個；以及設定該等磁阻部的每一個中所包括的磁阻單元的數量K符合以下公式 ，其中，K屬於自然數。
較佳地，該馬達轉子的類型為C型轉子、U型轉子、混合式轉子或其他形式轉子的其中之一
[發明功效] 由上述內容可知，本發明提供一種新型的馬達轉子結構以及全新的馬達轉子設計方法。本發明可針對馬達轉子的以下幾點特徵做結構設計並提供對應的設計方法：1.馬達轉子的磁障比；2.馬達轉子中每個磁阻單元彼此之間的磁阻單元面積比例公差；3.馬達轉子中最近軸心磁阻單元中心與馬達轉子圓心之間的中心距；4.馬達轉子中磁阻單元末端間距與磁阻單元中心間距的距離；5.馬達轉子中每一個磁阻部所包括的磁阻單元數量。在針對上述幾個特點進行結構改良並提供相對應的設計方法後，可有效提升馬達單位體積下的輸出功率，有效降低轉矩漣波，降低馬達因轉矩波動造之振動。再者，本發明的設計方法簡單有效，可大幅縮減設計時間，並有效的提高馬達的功率密度及降低轉矩漣波，透過本發明的設計方法及建議值進行細微設計調整，即可使轉子的設計在最短的時間內達到最大效益，進而使馬達轉子及磁阻電機具有最佳性能。
以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
圖1為一示意圖，用以說明本發明一實施例的馬達轉子的結構；圖2為一示意圖，用以說明本發明一實施例的馬達轉子的前視結構；圖3為一示意圖，用以說明本發明一實施例的馬達轉子中一磁阻部的結構。請參照圖1至圖3，在本發明一實施例中，馬達轉子1包括一金屬芯10以及複數個磁阻部20。金屬芯10包括複數個金屬元件101及一中心孔103，中心孔103貫穿金屬芯10，而一旋轉軸30可設置於中心孔103中。磁阻部20環繞中心孔103設置，每一個磁阻部20包括至少一個磁阻單元201，磁阻單元201貫穿金屬芯10，因此磁阻單元201指的是金屬芯10被挖空的部分。其中，金屬芯10可為多個金屬鋼片堆疊而成，且金屬芯10金屬元件101的材質可為鐵、鋼等其他導磁的金屬材質，而金屬鋼片係指矽鋼片、鋼板等軟磁性材料板。
在馬達轉子1中，一個轉子極包括一個磁阻部20，因此圖1及圖2示出的馬達轉子1係包括四個轉子極與四個磁阻部20。應了解的是，轉子極與磁阻部20的數量可因應實際需求而做調整。此外，雖然在圖1及圖2中每個磁阻部20是包括複數個磁阻單元201，且每個磁阻單元201彼此間隔設置，但亦可設置成每個磁阻部20僅包括一個磁阻單元201，因此磁阻單元201的數量可為一個、二個、三個或以上數量。
在本發明一實施例中，金屬元件101構成一轉子金屬面積總和 ，每一個磁阻部20的磁阻單元201構成一磁阻單元面積總和 。以圖3示出的一磁阻部20為例，金屬元件1011、金屬元件1013、金屬元件1015及金屬元件1017的面積加總即為一磁阻部20的轉子金屬面積總和，磁阻單元2011、磁阻單元2013、磁阻單元2015的面積加總即為一磁阻部20的磁阻單元面積總和，而所有磁阻部20中的全部金屬元件101的面積加總即為 ，所有磁阻部20中的全部磁阻單元201的面積加總即為 。磁阻單元面積總和 與轉子金屬面積總和 的總和為一轉子有效面積總和，磁阻單元面積總和 與轉子有效面積總和的比值為一磁障比 ，本發明即是將磁障比 的值給予為一特定範圍，而磁障比 的公式為 ，且本發明的磁障比 需符合以下關係式 。當馬達轉子1中的磁障比 符合關係式 時，會使整個馬達轉子1的轉矩最大化以及轉矩漣波最小化，進而讓馬達轉子1達到最大的效能。
圖4為一示意圖，用以說明本發明一實施例的馬達轉子中磁阻單元面積的結構。請參照圖1、圖2及圖4，在本發明一實施例中，馬達轉子1對應於一馬達定子40(示於圖9中)，馬達定子40包括一馬達極數 P，每一個磁阻部20包括一中心軸線L 1，中心軸線L 1連接至中心孔103的一圓心C 1，每一個磁阻部20包括複數個磁阻單元201，並設定磁阻單元201的總數量為K，K為大於1的任一自然數。以圖4為例，是將每一個磁阻部20中的磁阻單元201數量設定為4個，例如磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027，且在每一個磁阻部20中，磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027是對稱中心軸線L 1設置，且磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027彼此之間包括一磁阻單元面積比例公差AP，磁阻單元面積比例公差AP符合以下關係式 。以圖4中的馬達極數 P為4極、一磁阻部20包括4個磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027為例，磁阻單元面積比例公差AP即為 ，因此 。
詳細而言，磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027的面積比例需由馬達轉子1的周圍到中心孔103的方向依序增大，且比例需成等差數列，意旨最外側的磁阻單元2021的面積最小，而最靠近中心孔103的磁阻單元2027的面積最大。換言之，磁阻單元2027的面積＞磁阻單元2025的面積＞磁阻單元2023的面積＞磁阻單元2021的面積。再者，磁阻單元2021的面積佔一磁阻部20之所有磁阻單元總面積(即磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027的總面積)的比例加上上述的磁阻單元面積比例公差AP即等於磁阻單元2023佔一磁阻部20之所有磁阻單元總面積的比例，其餘磁阻單元2025、磁阻單元2027的面積比例依此類推。此外，在此面積比例結構下，可進行磁阻單元面積比例微調，約 3%，以讓馬達轉子1達到更好的效能。
圖5為一示意圖，用以說明本發明另一實施例的馬達轉子中磁阻單元面積的結構。請參照圖1、圖2及圖5，在本發明另一實施例中，可於磁阻單元201上設置一肋部203，肋部203位於中心軸線L 1上，磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027即是對稱中心軸線L 1及肋部203而設置，設置肋部203可加強馬達轉子1的結構，並增加轉動效果。此外，在設置有肋部203的結構下，磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027彼此之間包括亦可包括上述之磁阻單元面積比例公差AP。
圖6a為一示意圖，用以說明本發明又一實施例的馬達轉子的結構。請參照圖1、2及圖6a，在本發明又一實施例中，是將每一個磁阻部20中的磁阻單元201數量設定為5個，例如磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025、磁阻單元2027及磁阻單元2029，且在每一個磁阻部20中，磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025、磁阻單元2027以及磁阻單元2029是對稱中心軸線L 1設置，且磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025、磁阻單元2027以及磁阻單元2029彼此之間包括磁阻單元面積比例公差AP，磁阻單元面積比例公差AP符合以下關係式 。其中，磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025、磁阻單元2027及磁阻單元2029是U型磁阻單元。
圖6b為一示意圖，用以說明本發明再一實施例的馬達轉子的結構。請參照圖1、圖2及圖6b，在本發明再一實施例中，類似地，每一個磁阻部20中的磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027是對稱中心軸線L 1設置，且亦可在磁阻部20中設置肋部203。其中，磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027是包括導弧角的U型磁阻單元，磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027彼此之間亦包括磁阻單元面積比例公差AP。
圖6c為一示意圖，用以說明本發明再一實施例的馬達轉子的結構。請參照圖1、圖2及圖6c，在本發明再一實施例中，類似地，每一個磁阻部20中的磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027是對稱中心軸線L 1設置。其中，磁阻單元2021、磁阻單元2023以及磁阻單元2025是C型磁阻單元，磁阻單元2027是U型磁阻單元。換言之，磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027是混合型磁阻單元，且磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027彼此之間亦包括磁阻單元面積比例公差AP。
由上述本發明的各種轉子型態可知，對於各種不同磁阻單元形狀或各磁阻部中不同磁阻單元數量的磁阻電機轉子，如形狀為C型轉子、U型轉子或混合型轉子，各磁阻部中磁阻單元數量為兩個、三個、四個、五個或六個等，皆可不透過額外方式(如在磁阻部中加入永磁體)或其他複雜的機構，提高馬達輸出功率密度，降低轉矩漣波，以達到最佳電機性能，進而達到最佳的轉子結構、設計的通用性與製造的便利性之目的。
圖7a為一示意圖，用以說明本發明一實施例的馬達轉子的結構；圖7b為一示意圖，用以說明本發明一實施例的馬達轉子的中心距的結構。請參照圖1、圖2、圖7a及圖7b，在本發明一實施例中，馬達轉子1包括一直徑R 1，中心孔103包括一直徑R 2，每一個磁阻部20包括一中心軸線L 1，中心軸線L 1連接至中心孔103的一圓心C 1，每一個磁阻部20包括複數個磁阻單元，例如磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025以及磁阻單元2027，且在每一個磁阻部20中，複數個磁阻單元中會包括最靠近中心孔103的一最近磁阻單元，以圖7a及圖7b為例，磁阻單元2027即為最近磁阻單元。中心軸線L 1會經過最近磁阻單元的中心，該中心即為磁阻單元2027的一最近磁阻單元中心C 2，最近磁阻單元中心C 2與圓心C 1之間包括一中心距C，中心距C包括一中心距係數CD，中心距C的公式為 ，中心距係數CD符合以下關係式 。其中，中心距係數CD是本發明特別針對轉子馬達1效能最佳化所設計的係數。
值得一提的是，若中心距C以及中心距係數CD符合上述規範，即能夠在保持轉矩的情況下，有效的降低轉矩漣波，以降低馬達因轉矩波動造成之振動。
圖8a為一示意圖，用以說明本發明一實施例的馬達轉子中磁阻單元間距的結構，其中圖8a中是僅示出一組磁阻部20。請參照圖1、圖2及圖8a，在本發明一實施例中，每一個磁阻部20包括一中心軸線L 1，中心軸線L 1連接至中心孔103的一圓心C 1，每一個磁阻部20包括複數個磁阻單元201，磁阻單元201的數量為K，K為任一自然數，且在每一個磁阻部20中，磁阻單元201中第K個磁阻單元包括一第K個磁阻單元末端，第K-1個磁阻單元包括一第K-1個磁阻單元末端，該第K個磁阻單元末端與該第K-1個磁阻單元末端之間的距離為一距離A k-1，中心軸線L 1經過該第K個磁阻單元的一第K個磁阻單元中心，中心軸線L 1經過該第K-1個磁阻單元的一第K-1個磁阻單元中心，該第K個磁阻單元中心與該第K-1個磁阻單元中心之間的距離為一距離B k-1，距離A k-1與距離B k-1相等。在本發明中即是特別將距離A K-1設定成與距離B K-1相等，如此才能使馬達達到最佳效能。
同理，磁阻單元201中第K-1個磁阻單元包括一第K-1個磁阻單元末端，第K-2個磁阻單元包括一第K-2個磁阻單元末端，該第K-1個磁阻單元末端與該第K-2個磁阻單元末端之間的距離為一距離A k-2，中心軸線L 1經過該第K-1個磁阻單元的一第K-1個磁阻單元中心，中心軸線L 1經過該第K-2個磁阻單元的一第K-2個磁阻單元中心，該第K-1個磁阻單元中心與該第K-2個磁阻單元中心之間的距離為一距離B k-2，距離A k-2與距離B k-2相等。在本發明中即是特別將距離A K-2設定成與距離B K-2相等，如此才能使馬達達到最佳效能。
以圖8a為例，磁阻單元的數量K為4，即磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025與磁阻單元2027。第1個磁阻單元2021包括一第1個磁阻單元末端E 1，第2個磁阻單元2023包括一第2個磁阻單元末端E 2，第3個磁阻單元2025包括一第3個磁阻單元末端E 3，第4個磁阻單元2027包括一第4個磁阻單元末端E 4，當磁阻單元的數量K上升時可依此類推，而第4個磁阻單元末端E 4與第3個磁阻單元末端E 3之間的距離為距離A 3，第3個磁阻單元末端E 3與第2個磁阻單元末端E 2之間的距離為距離A 2，第2個磁阻單元末端E 2與第1個磁阻單元末端E 1之間的距離為距離A 1，依此類推。
再者，中心軸線L 1經過第1個磁阻單元2021的一第1個磁阻單元中心C 21，中心軸線L 1經過第2個磁阻單元2023的一第2個磁阻單元中心C 22，中心軸線L 1經過第3個磁阻單元2025的一第3個磁阻單元中心C 23，中心軸線L 1經過第4個磁阻單元2027的一第4個磁阻單元中心C 24，當磁阻單元的數量K上升時可依此類推，而第1個磁阻單元中心C 21與第2個磁阻單元中心C 22之間的距離為一距離B 1，第2個磁阻單元中心C 22與第3個磁阻單元中心C 23之間的距離為一距離B 2，第3個磁阻單元中心C 23與第4個磁阻單元中心C 24之間的距離為一距離B 3，依此類推。換言之，在本發明中，任兩個磁阻單元末端之間的距離與該兩個磁阻單元中心之間的間距相等，即距離A 1等於距離B 1，距離A 2等於距離B 2，距離A 3等於距離B 3，如此可讓馬達轉子1的轉動效能最佳化，而距離A 1、距離B 1、距離A 2、距離B 2、距離A 3、距離B 3即是相鄰磁阻單元的間距。
此外，如圖8a所示，當磁阻單元為U型磁阻單元時，每個磁阻單元會包括複數個轉折角θ，轉折角θ介於100度到150度之間，以使馬達轉子1達到最佳效能。
圖8b為一示意圖，用以說明本發明另一實施例的馬達轉子中磁阻單元間距的結構，其中圖8b中是僅示出一組磁阻部20。請參照圖8b，在本發明另一實施例中，磁阻單元的數量K為3，即磁阻單元2021、磁阻單元2023及磁阻單元2025，且該些磁阻單元為C型磁阻單元。而在C型磁阻單元中，同樣包括第1個磁阻單元末端E 1、第2個磁阻單元末端E 2、第3個磁阻單元末端E 3、第1個磁阻單元中心C 21、第2個磁阻單元中心C 22及第3個磁阻單元中心C 23，且磁阻單元末端之間的距離A 1與磁阻單元中心之間的間距B 1相等；磁阻單元末端之間的距離A 2與磁阻單元中心之間的間距B 2相等。
圖8c為一示意圖，用以說明本發明又一實施例的馬達轉子中磁阻單元間距的結構，其中圖8c中是僅示出一組磁阻部20。請參照圖8c，在本發明另一實施例中，磁阻單元的數量K為4，即磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025及磁阻單元2027，且磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025為C型磁阻單元，磁阻單元2027為U型磁阻單元，因此該些磁阻單元為混和型磁阻單元。而在混合型磁阻單元中，同樣包括第1個磁阻單元末端E 1、第2個磁阻單元末端E 2、第3個磁阻單元末端E 3、第4個磁阻單元末端E 4、第1個磁阻單元中心C 21、第2個磁阻單元中心C 22、第3個磁阻單元中心C 23及第4個磁阻單元中心C 24，且磁阻單元末端之間的距離A 1與磁阻單元中心之間的間距B 1相等；磁阻單元末端之間的距離A 2與磁阻單元中心之間的間距B 2相等；磁阻單元末端之間的距離A 3與磁阻單元中心之間的間距B 3相等。
因此，由上述說明可知，任兩個磁阻單元末端之間的距離與該兩個磁阻單元中心之間的間距相等的特性亦可適用於C型磁阻單元、U型磁阻單元、混合型磁阻單元或其他類型的磁阻單元。
圖9為一示意圖，用以說明本發明一實施例的馬達轉子及馬達定子的結構，其中圖9中僅示出一半的馬達轉子及馬達定子結構。請參照圖1及圖9，在本發明一實施例中，磁阻馬達包含馬達轉子10及馬達定子40，馬達定子40中包括複數個定子槽401及複數個馬達極數 P，定子槽401的數量為 ，而每一馬達極數 P中含有一 數量的定子槽401， 數量為定子槽401的數量除以馬達極數 P，公式為 。此外，馬達轉子1中亦包括複數個磁阻部20，而每一磁阻部20包括複數個磁阻單元，例如磁阻單元2021、磁阻單元2023、磁阻單元2025、磁阻單元2027，在此實施例中係將一磁阻部20所包含的磁阻單元總數量定為數量K，且數量K符合以下公式 ，其中，K屬於自然數，如此即可讓每一個磁阻部20包括最佳數量的磁阻單元，並讓馬達轉子1性能最佳化。
另一方面，馬達轉子1中的每一轉子極也包括複數個等效轉子節點，等效轉子節點的總數量為 。該等效轉子節點為磁阻單元末端可選擇之位置點，且可分為真實節點 與虛擬節點 ，真實節點 為磁阻單元末端選用的位置點，磁阻即於兩個真實節點 中延伸形成。虛擬節點 為未被選用的節點位置，而當馬達轉子1旋轉時，因齒槽效應等原因造成轉矩的波動產生。其中，為了最小化轉矩波動，等效轉子節點的總數量 與節點間夾角 需符合以下關係式： 以及 。
由上述說明可知，本發明的馬達轉子的結構特徵包括以下幾大特點：1.馬達轉子中的磁障比特性；2.馬達轉子中每個磁阻單元彼此之間的磁阻單元面積比例公差；3. 馬達轉子中最近磁阻單元中心與馬達轉子圓心之間的中心距；4.馬達轉子中磁阻單元末端間距與磁阻單元中心間距的距離特性。本發明的馬達轉子結構可提高馬達功率密度，並有效降低轉矩漣波，以降低馬達因轉矩波動造成之振動。
圖10為一流程圖，用以說明本發明一實施例的馬達轉子的設計方法。請參照圖1、圖2、圖3及圖10，在本發明一實施例中亦提供一種馬達轉子的設計方法，包括以下步驟：步驟S10：計算馬達轉子1中的一轉子金屬面積總和 ，轉子金屬面積總和即為金屬元件101的面積加總；步驟S20：計算馬達轉子1中的一磁阻單元面積總和 ，磁阻單元面積總和即為磁阻單元201的面積總和；以及步驟S30：設定馬達轉子1的一磁障比 符合以下關係式 ，其中，磁障比 的公式為 。
圖11為一流程圖，用以說明本發明另一實施例的馬達轉子的設計方法。請參照圖1、圖2及圖11，在本發明另一實施例中，設計方法進一步包括以下步驟：步驟S101：設定對應馬達轉子1的一馬達極數 P；步驟S103：設定馬達轉子1中每一個磁阻部20包括複數個磁阻單元201，其中，磁阻單元201的總數量為K，K為大於1的任一自然數；以及步驟S105：設定磁阻單元201彼此之間包括一磁阻單元面積比例公差AP，磁阻單元面積比例公差AP符合以下關係式 。
圖12為一流程圖，用以說明本發明又一實施例的馬達轉子的設計方法。請參照圖1、圖2、圖7a、圖7b及圖12，在本發明又一實施例中，設計方法進一步包括以下步驟：步驟S201：設定馬達轉子1中磁阻部20的數量為複數個，其中，馬達轉子1包括一直徑R 1，馬達轉子1的一中心孔103包括一直徑R 2；步驟S203：將每一磁阻部20的磁阻單元201的總數量設為K，K為任一自然數；步驟S205：在每一個磁阻部20中設定一中心軸線L 1，中心軸線L 1連接至馬達轉子1的一圓心C 1；步驟S207：在每一個磁阻部20中，將磁阻單元中最靠近圓心C 1的設定為一最近磁阻單元，例如圖7b中示出的磁阻單元2027即為最近磁阻單元；步驟S209：將中心軸線L 1經過最近磁阻單元的中心的點設定為一最近磁阻單元中心C 2；步驟S211：設定最近磁阻單元中心C 2與圓心C 1之間的一中心距C，中心距C的公式為 ；以及步驟S213：設定中心距C的一中心距係數CD，中心距係數CD符合以下關係式 。
圖13為一流程圖，用以說明本發明再一實施例的馬達轉子的設計方法。請參照圖1、圖2、圖8a至圖8c及圖13，在本發明再一實施例中，設計方法進一步包括以下步驟：步驟S301：設定馬達轉子1中磁阻部20的數量為複數個；步驟S303：將每一磁阻部20的磁阻單元201的總數量為K，K為任一自然數；步驟S305：在每一個磁阻部20中設定一中心軸線L 1，中心軸線L 1連接至馬達轉子1的一圓心C 1；步驟S307：在每一個磁阻部20中，設定磁阻單元中第K個磁阻單元包括一第K個磁阻單元末端，例如在圖8a中，K等於4，因此可設定第1個磁阻單元2021、第2個磁阻單元2023、第3個磁阻單元2025及第4個磁阻單元2027；步驟S309：在每一個磁阻部20中，設定磁阻單元中第K-1個磁阻單元包括一第K-1個磁阻單元末端，例如在圖8a中，第1個磁阻單元2021包括第1個磁阻單元末端E 1，第2個磁阻單元2023包括第2個磁阻單元末端E 2，依此類推，其中，該第K個磁阻單元末端與該第K-1個磁阻單元末端之間的距離為一距離A K-1，例如第1個磁阻單元末端E 1與第2個磁阻單元末端E 2之間的距離為距離A 1，第2個磁阻單元末端E 2與第3個磁阻單元末端E 3之間的距離為距離A 2，依此類推；步驟S311：在每一個磁阻部20中，設定中心軸線L 1經過該第K個磁阻單元的中心的點為一第K個磁阻單元中心，中心軸線L 1經過該第K-1個磁阻單元的中心的點為一第K-1個磁阻單元中心，例如中心軸線L 1經過第1個磁阻單元的中心的點為一第1個磁阻單元中心C 21，中心軸線L 1經過第2個磁阻單元的中心的點為一第2個磁阻單元中心C 22，依此類推，其中，該第K個磁阻單元中心與該第K-1個磁阻單元中心之間的距離為一距離B K-1，例如第1個磁阻單元中心C 21與第2個磁阻單元中心C 22之間的距離為一距離B 1，第2個磁阻單元中心C 22與第3個磁阻單元中心C 23之間的距離為一距離B 2，依此類推；以及步驟S313：設定距離A 1等於距離B 1，距離A 2等於距離B 2，距離A K-1等於距離B K-1。
圖14為一流程圖，用以說明本發明再一實施例的馬達轉子的設計方法。請參照圖1、圖2、圖9及圖14，在本發明再一實施例中，設計方法進一步包括以下步驟：步驟S401：設定對應馬達轉子1的一馬達定子40的一馬達極數 P以及一定子槽數 ，定子槽數 即為定子槽401的數量；步驟S403：設定馬達定子40的每一極所包括的定子槽數量 ，定子槽數量 的公式為 ；步驟S405：設定馬達轉子1中磁阻部20的數量為複數個；步驟S407：設定每一個磁阻部20中所包括的磁阻單元201的數量K符合以下公式 ，其中，K屬於自然數。
由上述設計方法可知，本發明的設計方法包括以下幾大主題：1.馬達轉子的磁障比；2.馬達轉子中每個磁阻單元彼此之間的磁阻單元面積比例公差；3.馬達轉子中最近磁阻單元中心與馬達轉子圓心之間的中心距；4.馬達轉子中磁阻單元末端間距與磁阻單元中心間距的距離關係；5.馬達轉子中每一個磁阻部所包括的磁阻單元數量。在實施本發明的設計方法時，可單獨針對上述其中之一的主題進行設計，如此即可將馬達轉子的效能提升，亦可將複數個主題應用在一起，使馬達轉子達到最佳效能。再者，本發明的設計方法簡單有效，可大幅縮減設計時間，且本發明的設計方法可有效的提高馬達的功率密度及降低轉矩漣波，再透過本發明所述的設計參數進行細微調整，即可使轉子的優化設計在最短的時間內達到最大效益，進而使磁阻電機有最佳性能。此外，本發明的馬達轉子的設計方法適用的馬達轉子類型可為C型轉子、U型轉子、混合式轉子或其他形式轉子的其中之一者。
1:馬達轉子 10:金屬芯 101:金屬元件 103:中心孔 1011、1013、1015、1017:金屬元件 20:磁阻部 201:磁阻單元 203:肋部 2011、2013、2015:磁阻單元 2021、2023、2025、2027、2029:磁阻單元 30:旋轉軸 40:馬達定子 401:定子槽 L 1：中心軸線 C:中心距 C 1:圓心 C 2：最近磁阻單元中心 C 21:第1個磁阻單元中心 C 22:第2個磁阻單元中心 C 23:第3個磁阻單元中心 C 24:第4個磁阻單元中心 E 1:第1個磁阻單元末端 E 2:第2個磁阻單元末端 E 3:第3個磁阻單元末端 E 4:第4個磁阻單元末端 A 1、A 2、A 3、B 1、B 2、B 3:距離 R 1、R 2:直徑 θ:轉折角 :真實節點 :虛擬節點 S10-S30:步驟 S101-S105:步驟 S201-S213:步驟 S301-S313:步驟 S401-S407:步驟
本領域中具有通常知識者在參照附圖閱讀下方的詳細說明後，可以對本發明的各種態樣以及其具體的特徵與優點有更良好的了解，其中，該些附圖包括： 圖1係本發明一實施例的U型馬達轉子的結構示意圖。 圖2係本發明一實施例的U型馬達轉子的前視結構示意圖。 圖3係本發明一實施例的C型馬達轉子中一磁阻部的結構示意圖。 圖4係本發明一實施例的U型馬達轉子中磁阻單元面積的結構示意圖。 圖5係本發明另一實施例的U型馬達轉子中磁阻單元面積的結構示意圖。 圖6a係本發明又一實施例的U型馬達轉子的結構示意圖。 圖6b係本發明再一實施例的U型馬達轉子的結構示意圖。 圖6c係本發明再一實施例的混合型馬達轉子的結構示意圖。 圖7a係本發明一實施例的U型馬達轉子的結構示意圖。 圖7b係本發明一實施例的U型馬達轉子的中心距的結構示意圖。 圖8a係本發明一實施例的U型馬達轉子中磁阻單元間距的結構示意圖。 圖8b係本發明另一實施例的C型馬達轉子中磁阻單元間距的結構示意圖。 圖8c本發明又一實施例的混合型馬達轉子中磁阻單元間距的結構示意圖。 圖9係本發明一實施例的U型馬達轉子及馬達定子的結構示意圖。 圖10係本發明一實施例的馬達轉子的設計方法的流程圖。 圖11係本發明另一實施例的馬達轉子的設計方法的流程圖。 圖12係本發明又一實施例的馬達轉子的設計方法的流程圖。 圖13係本發明再一實施例的馬達轉子的設計方法的流程圖。 圖14係本發明再一實施例的馬達轉子的設計方法的流程圖。
1:馬達轉子
10:金屬芯
101:金屬元件
103:中心孔
201:磁阻單元
30:旋轉軸

Claims (8)

  1. 一種馬達轉子，包括：一金屬芯，包括複數個金屬元件及一中心孔，該中心孔貫穿該金屬芯，且該等金屬元件構成一轉子金屬面積總和(ΣA metal )；以及複數個磁阻部，環繞該中心孔設置，該等磁阻部的每一個包括至少一個磁阻單元，至少一個該磁阻單元貫穿該金屬芯，且該等磁阻部的每一個中的至少一個該磁阻單元構成一磁阻單元面積總和(ΣA air )；其中，該磁阻單元面積總和(ΣA air )與該轉子金屬面積總和(ΣA metal )的總和為一轉子有效面積總和，該磁阻單元面積總和(ΣA air )與該轉子有效面積總和的比值為一磁障比(K A )，該磁障比(K A )的公式為
    Figure 111119757-A0305-02-0019-1
    ，且該磁障比(K A )符合以下關係式0.25
    Figure 111119757-A0305-02-0019-10
    K A
    Figure 111119757-A0305-02-0019-11
    0.5，其中，該馬達轉子對應於一馬達定子，該馬達定子包括一馬達極數(P)，該等磁阻部的每一個包括一中心軸線，該中心軸線連接至該中心孔的一圓心，該等磁阻部的每一個包括複數個該磁阻單元，該等磁阻單元的總數量為K，K為大於1的任一自然數，且在該等磁阻部的每一個中，該等磁阻單元對稱該中心軸線設置，該等磁阻單元彼此之間包括一磁阻單元面積比例公差(AP)，該磁阻單元面積比例公差(AP)符合以下關係式
    Figure 111119757-A0305-02-0019-3
    。
  2. 如請求項1之馬達轉子，其中，該馬達轉子包括一直徑(R1)，該中心孔包括一直徑(R2)，該等磁阻部的每一個包括一中心軸線，該中心軸線連接至該中心孔的一圓心，該等磁阻部的每一個包括複數個該磁阻單元，且在該等磁阻部的每一個中，該等磁阻單元包括最靠近該中心孔的一最近磁阻單元，該中心軸線經過該最近磁阻單元的一最近磁阻單元中心，該最近磁阻單元中心 與該圓心之間包括一中心距(C)，該中心距(C)包括一中心距係數(CD)，該中心距(C)的公式為
    Figure 111119757-A0305-02-0020-4
    ，該中心距係數(CD)符合以下關係式0.15
    Figure 111119757-A0305-02-0020-12
    CD
    Figure 111119757-A0305-02-0020-13
    0.3。
  3. 如請求項1之馬達轉子，其中，該等磁阻部的每一個包括一中心軸線，該中心軸線連接至該中心孔的一圓心，該等磁阻部的每一個包括複數個該磁阻單元，該等磁阻單元的數量為K，K為任一自然數，且在該等磁阻部的每一個中，該等磁阻單元中第K個磁阻單元包括一第K個磁阻單元末端，第K-1個磁阻單元包括一第K-1個磁阻單元末端，該第K個磁阻單元末端與該第K-1個磁阻單元末端之間的距離為一距離(AK-1)，該中心軸線經過該第K個磁阻單元的一第K個磁阻單元中心，該中心軸線經過該第K-1個磁阻單元的一第K-1個磁阻單元中心，該第K個磁阻單元中心與該第K-1個磁阻單元中心之間的距離為一距離(BK-1)，該距離(AK-1)與該距離(BK-1)相等。
  4. 一種馬達轉子的設計方法，包括以下步驟：計算該馬達轉子中的一轉子金屬面積總和(ΣA metal )；計算該馬達轉子中的一磁阻單元面積總和(ΣA air )；設定該馬達轉子的一磁障比(K A )符合以下關係式0.25
    Figure 111119757-A0305-02-0020-14
    K A
    Figure 111119757-A0305-02-0020-15
    0.5，其中，該磁障比(K A )的公式為
    Figure 111119757-A0305-02-0020-5
    ；設定對應該馬達轉子的一馬達極數(P)；設定該馬達轉子中複數個磁阻部的每一個包括複數個磁阻單元，其中，該等磁阻單元的總數量設為K，K為大於1的任一自然數；以及設定該等磁阻單元彼此之間包括一磁阻單元面積比例公差(AP)，該磁阻單元面積比例公差(AP)符合以下關係式
    Figure 111119757-A0305-02-0020-6
    。
  5. 如請求項4之設計方法，進一步包括以下步驟：設定馬達轉子中磁阻部的數量為複數個； 將該等磁阻部的每一個所包括的磁阻單元的數量設為複數個，其中，該馬達轉子包括一直徑(R1)，該馬達轉子的一中心孔包括一直徑(R2)；在該等磁阻部的每一個中設定一中心軸線，該中心軸線連接至該馬達轉子的一圓心；在該等磁阻部的每一個中，將該等磁阻單元中最靠近該圓心的設定為一最近磁阻單元；將該中心軸線經過該最近磁阻單元的中心的點設定為一最近磁阻單元中心；設定該最近磁阻單元中心與該圓心之間的一中心距(C)，該中心距(C)的公式為
    Figure 111119757-A0305-02-0021-7
    ；以及設定該中心距(C)的一中心距係數(CD)，該中心距係數(CD)符合以下關係式0.15
    Figure 111119757-A0305-02-0021-16
    CD
    Figure 111119757-A0305-02-0021-17
    0.3。
  6. 如請求項4之設計方法，進一步包括以下步驟：設定馬達轉子中磁阻部的數量為複數個；將該等磁阻部的每一個所包括的磁阻單元的總數量設為K，K為任一自然數；在該等磁阻部的每一個中設定一中心軸線，該中心軸線連接至該馬達轉子的一圓心；在該等磁阻部的每一個中，設定該等磁阻單元中第K個磁阻單元包括一第K個磁阻單元末端；在該等磁阻部的每一個中，設定該等磁阻單元中第K-1個磁阻單元包括一第K-1個磁阻單元末端，其中，該第K個磁阻單元末端與該第K-1個磁阻單元末端之間的距離為一距離(AK-1)；在該等磁阻部的每一個中，設定該中心軸線經過該第K個磁阻單元的中心的點為一第K個磁阻單元中心，該中心軸線經過該第K-1個磁阻單元的中心的點 為一第K-1個磁阻單元中心，其中，該第K個磁阻單元中心與該第K-1個磁阻單元中心之間的距離為一距離(BK-1)；以及設定該距離(AK-1)等於該距離(BK-1)。
  7. 如請求項4之設計方法，進一步包括以下步驟：設定對應該馬達轉子的一馬達定子的一馬達極數(P)以及一定子槽數(N s )；設定該馬達定子的每一極所包括的定子槽數量(n PPS )，該定子槽數量(n PPS )的公式為
    Figure 111119757-A0305-02-0022-8
    ；設定該馬達轉子中的磁阻部的數量為複數個；以及設定該等磁阻部的每一個中所包括的磁阻單元的數量(K)符合以下公式
    Figure 111119757-A0305-02-0022-9
    ，其中，K屬於自然數。
  8. 如請求項4之設計方法，其中，該馬達轉子的類型為C型轉子、U型轉子或混合式轉子的其中之一。
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