TWM566946U - 具有最適槽數配置之馬達 - Google Patents

Abstract

一種無刷馬達裝置，包含：電源供應裝置，以提供該運作所需之電力；控制裝置，耦合該電源供應裝置，以控制該無刷馬達裝置的運作；驅動電路，耦合該控制裝置，接收控制命令以驅動該無刷馬達裝置；馬達模組，耦合該驅動電路，以輸出扭矩，該馬達模組包含定子其具有複數個槽，其槽之數量為2與3之公倍數。

Description

具有最適槽數配置之馬達

本新型涉及一種馬達，更詳而言之，為一種具有槽與極最適配置之馬達，以提升馬達效率。

馬達自從19世紀新型以來，一直是工業自動化的心臟。各式馬達的種類，其工作原理、特性、應用，乃至於使用的材料均不相同。一般的馬達分類係直流馬達，分為：串激式、並激式、分散式與永磁式直流馬達；交流馬達，分為：同步式、感應式；步進馬達，分為：同步式與磁阻式；其它，如：超音波馬達、磁阻馬達等等，而其中若以是否具碳刷構造來分類，又可分為有刷式或無刷式馬達，其中無刷式馬達包含有永磁式交流馬達與感應式直流馬達。

以永磁式無刷馬達舉例，因為轉動時毋需使用碳刷或滑環作為輸入電流的換相器，因此結構上較有刷馬達簡單，亦不若有刷馬達因電刷磨損而須經常性的更換或保養，有刷馬達長期使用若缺乏保養，於高溫環境下，碳粉有爆炸的危險，因此永磁式無刷馬達對工業自動化較為有利。

請參閱圖一，現時一般無刷馬達，係由轉子(101)，設置於轉子內之磁鐵磁極、定子A(102A)-定子F(102F)、印刷電路板所組成，驅動電路模組與感測模組則位於該印刷電路板之上，轉子(101)為一永久磁鐵或感應線圈所構成，可為突極型或圓筒型(圖一中為突極型)；定子(102A-102F)係為線圈繞組所構成，並由驅動電路模組所控制線圈之電流，如圖一A，當時間為T1時，電流由定子(102E)進入，並從定子(102B)流出時，由安培右手定則形成N-S的磁極，並將轉子逆時針方向推進；如圖一B，當時間為T2時，電流由定子(102F)進入， 並從定子(102C)流出，再度形成N-S之磁極持續推動轉子，以帶動無刷馬達轉動。

然而，無刷馬達之轉子於運轉中會產生頓轉扭矩(Cogging Torque)，導致其產生震動，當震動之頻率大於一定值，則會以噪音的形式表現，對無刷馬達性能影響尤大，若將該種無刷馬達應用於硬碟機或光碟機驅動、機器人技術、電動車輛等精密應用，或是室內空調與除濕機時，如能在設計階段便將頓轉扭矩加入考慮因素，則除可降低震動噪音外，亦可使無刷馬達發揮應有的性能。

以一無刷馬達而言，其轉子部分包含永久磁鐵與鐵芯；定子部分包含了鐵芯和線圈，成為一個繞組，置於槽中，該繞組可依照無刷馬達基於應用轉速範圍與所對應輸出扭矩大小的不同而為一三相繞組或六相繞組。頓轉扭矩係為馬達於運轉時，因永久磁鐵與含有定子的槽間之位置相對變化，而產生不同的磁阻扭矩變化，此扭矩變化即為頓轉扭矩的成因。此外，頓轉扭矩之成因，尚包含電流於輸入時調整無刷馬達運轉時的脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWN)，其於電流輸入切換之間因為反電動勢而產生。目前電動載具，尤其是電動車所使用的直流馬達多為永磁馬達，因其具有高效率及多極結構之低轉速高轉距之使用。然而，習知之永磁馬達之極數與槽數因無適當之搭配，造成習知之永磁馬達於一開始運轉時之頓轉轉矩相當高。然而，一般傳統馬達在低轉速並無法輸出高動力。

根據本新型內容之優化頓轉扭矩的無刷馬達裝置之架構，包含：電源供應裝置，以提供該無刷馬達裝置運作所需之電力；控制裝置，耦合電源供應裝置，運用所提供的電力，以控制該無刷馬達裝置的運作；驅動電路，耦合控制裝置，接收控制命令以選擇驅動無刷馬達裝置；馬達模組，耦合驅動電路，以調整無刷馬達裝置輸出扭矩的大小，該馬達模組包含定子，其具有複數個槽，該複數個槽之數量為2與3之公倍數；感測裝置，耦合控制裝置與無刷馬達裝置，將無刷馬達裝置實際的功率輸出或運轉狀況回傳於控制裝置。

根據本新型之內容，本新型之馬達，包含：一定子，其具有複數個槽；一轉子，定子將該轉子環狀包圍，並設置複數個極於其上，其中該定子具有M個槽，M為2與3公倍數，且M大於等於18，小於等於52；一輸出轉軸模組，以將輸出扭矩輸出。

根據本新型實施例之一態樣，該定子之槽數為18、24、30、36、48與52槽。

根據本新型實施例之一態樣，該轉子之極數為20-26極。

根據本新型實施例之一態樣，該定子之槽數為2與3之公倍數。

根據本新型實施例之一態樣，該定子之槽之數數最佳範圍為18-52。

根據本新型實施例之一態樣，該馬達模組之輸出扭矩正比於槽數。

根據本新型實施例之一態樣，該馬達模組之輸出扭矩正比於極數。

以上所述係用以說明本新型之目的、技術手段以及其可達成之功效，相關領域內熟悉此技術之人可以經由以下實施例之示範與伴隨之圖式說明及申請專利範圍更清楚明瞭本新型。

210‧‧‧定子

220‧‧‧極

230‧‧‧轉子

231‧‧‧弧形磁石

232‧‧‧圓形鐵圈

310‧‧‧槽

320‧‧‧齒輪模組

330‧‧‧轉軸模組

400‧‧‧無刷馬達裝置

410‧‧‧控制裝置

420‧‧‧驅動電路

430‧‧‧馬達模組

440‧‧‧感測裝置

450‧‧‧電源供應裝置

211‧‧‧齒部

圖一係為顯示無刷馬達之運作原理。

圖一A係為轉子由定子(102E)往定子(102F)方向旋轉之過程。

圖一B係為轉子由定子(102F)往定子(102A)方向旋轉之過程。

圖二A係為顯示本新型馬達模組極與槽配置之一態樣。

圖二B係為顯示本新型馬達模組實施之一態樣。

圖三係為本新型馬達模組之立體圖。

圖四係為無刷馬達裝置之架構圖。

本新型將以較佳之實施例及觀點加以詳細敘述。下列描述提供本新型特定的施行細節，俾使閱者徹底瞭解這些實施例之實行方式。然該領域之熟習技藝者須瞭解本新型亦可在不具備這些細節之條件下實行。此外，本新型亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本新型之精神下進行各種不同的修飾或變更。本新型將以較佳實施例及觀點加以敘述，此類敘述係解釋本新型之結構，僅用以說明而非用以限制本新型之申請專利範圍。

根據本新型實施之一觀點，無刷馬達裝置(400)之輸出扭矩係根據定子(210)與轉子(230)間的磁場變化量所產生，可寫為下式：

上述各式中T為無刷馬達裝置(400)之輸出扭矩，W為該無刷馬達裝置(400)輸出扭矩之能量，T_cog為頓轉扭矩，γ為定子(210)的槽數，α為極(220)與槽(310)數量的最小公倍數，θ為轉子(230)之角位移。上述各式為本新型實施例中計算頓轉 扭矩之方式，並不以此為限制。

一般的無刷直流馬達包含一具有多個繞線組之單一定子，多組繞線線圈之繞組電性連接於一馬達稱為一個相或相繞組。典型的直流無刷馬達具有三相繞組，對於在一具固定繞線匝數或體積以及有限制最大驅動電壓的情形下，三相馬達繞組其操作特性為具有高扭距低轉速，為了能改進馬達之操作特性，實現轉子轉速和扭矩的調整，調節馬達的速度和扭矩輸出，本新型提出一種槽、極配置之無刷馬達裝置(400)。

一無刷直流或永磁馬達包括轉子、定子及驅動電路。轉子有複數個磁極。定子包括複數個成對設置的定子繞組，所述的每一個定子繞組由複數個串聯的定子子繞組所組成，分別設有用於電源連接的抽頭且所有定子繞組有相同的定子子繞組，所述相同的定子子繞組抽頭電性的連接一起。

請參閱圖三，本新型提出一種優化頓轉扭矩的無刷馬達模組(430)，包含：一定子(210)，個別置於該馬達(430)之槽(310)中；一轉子(230)，由定子(210)將該轉子(230)環狀包圍，並設置複數個極(220)於其上，該極(220)與槽(310)之數量配置關係為槽(310)數正比於槽(310)數與極(220)數的最大公因數；一轉軸模組(330)，中心設有一開口，耦接該轉子(230)，以傳遞一輸出扭矩；以及，一齒輪模組(320)，置於該轉軸模組(330)之上，以輸出該輸出扭矩。

轉子(230)與定子(210)氣隙間之磁通量分佈密度在理想為一均勻分佈的狀態，雖然實際上，馬達模組(430)之磁通量分佈密度並不均勻，例如：槽(310)中為容納定子(210)，其上設有一開口以使線圈得以進出，而該開口的邊際效應則會使磁通密度於開口處產生不均勻，或者，基於馬達模組於實際組裝時，因為組裝公差而與其在設計時造成差異。本新型解決的配置為使用數量較多的極(220)與槽(310)之配置，可使磁通量密度分佈接近理想值，降低頓轉扭矩，以提高無刷馬達裝置(400)之輸出扭矩。

請參考圖二A與圖二B，根據本新型實施例之一態樣，其係顯 示馬達模組(430)之設計，轉子(230)包含有複數個弧形磁石(231)固定於圓形鐵圈(232)上，定子(210)轉子(230)包圍於其中，且弧形磁石(231)係由永久磁鐵構成，其材料可為銣鐵硼。由於馬達模組(430)的轉子(230)與定子(210)的齒部(211)與槽(310)比例會影響頓轉轉矩的振幅大小，一般於馬達設計時會考慮槽(310)與極(220)的數量配置，然而，極(220)與槽(310)之配置並非可以任意提高數量，較佳之設計是使其搭配使其最小公倍數越大越佳，且槽(310)被極(220)除之值接近於1，如此得以使頓轉轉矩的振幅小。本新型之一實施例中的馬達轉子極(220)數與槽(310)數搭配為技術特點之一，基於前述設計依據，以一具有三相或六之馬達繞組法互相接線。

根據本新型實施例之一態樣，馬達模組(430)具有一定子(210)與一轉子(230)，定子(210)設置有複數個槽(310)，相鄰兩個槽(310)之間具有一齒部(211)。以24個齒部(211)作為一例子，其分別纏繞有一線圈於其上；轉子(230)包含有複數個弧形磁石(231)固定於圓形鐵圈(232)上。

根據本新型實施例之另一態樣，前述之一具有三或六相之馬達繞組方式除了可應用於一具有18、24、30、36、48、52槽(310)之定子(210)的無刷馬達裝置(400)，並具有26極(220)之轉子(230)外，亦可以應用於一具有20、22、或28極(220)轉子(230)的馬達模組(430)。

基於本案新型人之反覆實驗發現扭矩正比與槽(310)數與極(220)數，且槽(310)/極(220)最小公倍數越大越好，此外，最好槽(310)數是2與3公倍數。本案新型人亦藉由實驗與觀察到槽(310)數小於18不利於低轉速之控制；而大與52的槽(310)數不利於適當尺寸之馬達槽(310)與齒(211)上繞線。是以，較佳槽(310)數配置為18、24、30、36、48、52；更佳為18、24、30、36槽(310)設計，配上轉子極(220)數為20-26個，較佳為轉子之極數為22。

請參閱圖四，根據本新型內容之無刷馬達裝置(400)，包含：電源供應裝置(450)，以提供該無刷馬達裝置(400)運作所需之電力；控制裝置(410)，耦合電源供應裝置(450)，運用所提供的電力，以控制該無刷馬達裝置(400)的運 作；驅動電路(420)，耦合控制裝置(410)，接收控制命令以選擇驅動無刷馬達裝置(400)；馬達模組(430)，耦合驅動電路(420)，以調整馬達模組(430)輸出扭矩的大小；感測裝置(440)，耦合控制裝置(410)與馬達模組(430)，將馬達模組(300)實際的功率輸出或運轉狀況回傳於控制裝置(410)。其中上述之驅動電路(420)與該控制裝置(410)可為整合之單一積體電路，或是為個別獨立之積體電路。

根據本新型之一觀點，該無刷馬達裝置(400)不限於直流無刷馬達、交流同步馬達、交流感應馬達、伺服馬達、永磁同步馬達等等。

Claims (7)

1. 一種具有最適槽數配置之馬達，包含：一定子；一轉子，該定子將該轉子包圍於其中，並具有N個極，N為自然數，並可為26或28；其中該定子具有M個槽，M為2與3公倍數，且M大於等於18，小於等於52；以及M被N除之的值趨近於1。
2. 如請求項1所述之具有最適槽數配置之馬達，其中該槽數量為30、36或48個。
3. 如請求項2所述之具有最適槽數配置之馬達，其中該槽數量為48個。
4. 一種具有最適槽數配置之馬達，包含：一定子，其具有複數個槽，該複數個槽之數量為18-52；以及，一轉子，其具有複數個極，該定子將該轉子包圍於其中，其中該複數個極的數量為26或28個，且該複數個槽之數量被極數除之的值趨近於1。
5. 如請求項4所述之具有最適槽數配置之馬達，其中該複數個極與該複數個槽之數量配置關係為該複數個槽之個數正比於該複數個槽與該複數個極的最大公因數。
6. 如請求項5所述之具有最適槽數配置之馬達，其中該槽數為2與3公倍數。
7. 如請求項7所述之具有最適槽數配置之馬達，其中該槽之數量為30、36或48個。