TW201713009A - 磁通切換式永磁馬達 - Google Patents

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李正隆
莊子賢
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奈美電子股份有限公司
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Abstract

本發明係揭露一種磁通切換式永磁馬達，其包含馬達定子及馬達轉子。馬達定子具有十二定子齒極，定子齒極中插設永久磁鐵，定子齒極之一面的磁性與相鄰之定子齒極之一面的磁性相同。馬達轉子具有複數個轉子極。其中，馬達定子及馬達轉子符合特定條件。

Description

磁通切換式永磁馬達
本發明是有關於一種馬達，特別是有關於一種磁通切換式永磁馬達。
時下高效率的馬達中，俗稱為同步磁阻馬達，已有ABB公司出廠上市各機種產品。這種馬達完全不需要磁鐵卻具有相當高的效率，可達IE4的工業規範，不過達到90%效率的最低馬達容量也需要7.5KW以上，這對於功率在1KW以內的中小容量馬達產品之節能，似乎助益並不大。
ABB公司持續發展更具效能的「永磁輔助同步磁阻馬達｣，這種馬達並不需要稀釷類的永久磁鐵，卻具有極高的效率，可達到IE5的水平規範。然而在許多自動化或極需提升續航力的電動載具領域，經常面臨著低速轉矩不足且效率仍然有待加強的問題，在既有的高效率馬達中，似乎很難找到這類馬達。
反觀，另一款相當另類的馬達設計概念卻異軍突起，其源自「切換式磁阻馬達」的定轉子結構設計，近年來更結合了「雙凸極永磁馬達」的優越特性。
承上所述，該馬達保留着「切換式磁阻馬達」以及「雙凸極永磁馬達」優越的性能，其轉部可不存在任何永久磁鐵，形狀結構類似於「切換式磁阻馬達」的轉子，故於相當惡劣的工作環境，譬如工作於攝氏600度時，不需耽憂轉子會有故障或永久磁鐵會消磁的問題。又由於其擷取「雙凸極永磁馬達」的優點，具備了「傳統永磁同步馬達」優異的特性外，定部中內置的永久磁鐵亦易於散熱，定部中永久磁鐵消磁的問題也可間接排除。
然，其雖具備上述之優點，該馬達的特性及設計卻仍停留在學術探研，距離產業界可應用的目標仍存在着一道鴻溝，而無法據以實行。
有鑑於上述習知之問題，本發明的目的在於提供一種磁通切換式永磁馬達，用以解決習知技術中所面臨之問題。
基於上述目的，本發明係提供一種磁通切換式永磁馬達，其包含馬達定子及馬達轉子。馬達定子具有十二定子齒極，各定子齒極中插設永久磁鐵，各定子齒極之一面與相鄰之定子齒極對應之一面所對應永久磁鐵之磁性相同，相鄰之二定子齒極間距有齒槽。馬達轉子具有複數個轉子極。其中，馬達定子與馬達轉子係符合下列條件式：；；；；；；以及； 其中，bm 為永久磁鐵之厚度，bt 為不包含永久磁鐵之定子齒極之1/2寬度，bs 為齒槽之寬度，bi 為定子齒極之定子軛之厚度，bp 為轉子極之寬度，bh 為轉子極之高度，Rsi 為馬達定子之內徑，Rso 為馬達定子之外徑，S為馬達定子之內外徑比，Ts 為定子齒極之齒槽節距，Ns 係為該齒槽數，Rr 係為該馬達轉子之徑長，Rro 係為該馬達轉子之外徑Rri 係為該馬達轉子之內徑。
較佳地，各定子齒極可以定子軛連結，各定子軛分別對應齒槽。
較佳地，永久磁鐵對應定子軛之部分可以非導磁性材料替換。
較佳地，馬達定子與馬達轉子之間可具有氣隙。
較佳地，氣隙之寬度可為馬達定子之內徑減掉馬達轉子之外徑。
承上所述，本發明之磁通切換式永磁馬達藉由12個定子齒極及10個轉子極，並於定子齒極中插入永久磁鐵的結構設計，使得本發明之磁通切換式永磁馬達可簡化習知馬達之繁雜設計，且可有效降低習知馬達之頓轉矩及轉矩漣波。
為利瞭解本發明之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合圖式，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。
本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明或可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。
請參閱第1至3圖；第1圖係為本發明之磁通切換式永磁馬達之結構示意圖；第2圖係為本發明之磁通切換式永磁馬達之單一模組示意圖；第3圖係為本發明之磁通切換式永磁馬達之轉子極之徑長與位置之函數關係示意圖。如圖所示，本發明之磁通切換式永磁馬達，其包含馬達定子110及馬達轉子120。其中，馬達定子110係環繞馬達轉子120。
續言之，馬達定子110具有十二個定子齒極111，每一個定子齒極111中插設永久磁鐵130，各定子齒極111之一面與相鄰之定子齒極111對應之一面所對應永久磁鐵130之磁性相同，相鄰之二定子齒極111間距有齒槽112。馬達轉子120具有複數個轉子極121。其中，定子齒極111可由矽鋼片製成。
其中，馬達定子110與馬達轉子120符合下列條件式：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7) 其中，上述之bm 為永久磁鐵之厚度，bt 為不包含永久磁鐵之定子齒極之1/2寬度，bs 為齒槽之寬度，bi 為定子齒極之定子軛之厚度，bp 為轉子極之寬度，bh 為轉子極之高度，Rsi 為馬達定子之內徑，Rso 為馬達定子之外徑，S為馬達定子之內外徑比，Ts 為定子齒極之齒槽節距，Ns 係為該齒槽數，Rr 係為該馬達轉子之徑長，Rro 係為該馬達轉子之外徑Rri 係為該馬達轉子之內徑。
如第1圖所示，定子齒極111與定子齒極111之間除了具有齒槽112之外，更具有定子軛113，各定子軛113便分別對應齒槽112，且連結相鄰的定子齒極111。
更進一步地，如第2圖所示，永久磁鐵對應定子軛之部分131可以非導磁性材料替換，永久磁鐵對應定子軛之部分131的厚度不可大於定子軛113之厚度。
此外，馬達定子110與馬達轉子120之間可具有氣隙；氣隙之寬度可為馬達定子110之內徑減掉馬達轉子120之外徑。
復請參閱第1圖，各定子齒極111具有線圈纏繞，12個定子齒極111分為A、B、C三相，每相包含4個定子齒極111，而線圈亦對應具有三相，各相線圈纏繞對應相之4個定子齒極111，而該相定子齒極111之線圈可相互串聯或並聯；較佳地，高壓時可採用串聯方式，低壓則採用並聯方式，並可視需求變更線圈匝數。
更詳細地說，依據條件式(1)至(5)之設計所製成的磁通切換式永磁馬達已具有優異的效率及高電磁轉矩，然，其所呈現出來的頓轉矩及轉矩漣波仍然不可忽視；進而，為使其具有等同於表面型永磁同步馬達低頓轉矩及低轉矩漣波的特性，轉子極之寬度及高度則需要重新設計。
其中，由一個定子槽所包圍的面積As 可以推出條件式(8)：(8)
相電阻Ra 亦可推導得出如條件式(9)：(9)
其中，m 代表磁通切換式永磁馬達的相數；代表磁通切換式永磁馬達每相線圈旋繞的圈數；為銅的電阻率；為佔槽率(slot packing factor) ；為磁通切換式永磁馬達的軸長；為磁通切換式永磁馬達端線(ending-winding)之長度，如條件式(10)所示：(10)
而磁通切換式永磁馬達之轉矩可推出條件式(11)：(11)
其中，代表轉子極之極數；為轉子d軸方向之磁鐵磁通連結大小，其如條件式(12)式所示：(12)
其中，為定子矽鋼材料之最大磁通密度。
如第2圖所示，先以條件式(4)及(5)所示之轉子極之寬度及高度設計為基礎，再依循轉子極位置角度，配合條件式(6)對轉子極徑長作修弧動作，以改變氣隙磁通，進而達到降低頓轉矩及轉矩漣波之目的。
而，當轉子極位置由零度至360度改變時，如第3圖所示，轉子極位置為零度，轉子徑長為轉子極外徑，對應第3圖中徑長為+1單位的長度；而轉子極位置為180度，為轉子極內徑，對應第3圖中徑長為-1單位的長度；而馬達轉子之平均徑長則對應第3圖中徑長為0單位的長度。
承上所述，本發明之磁通切換式永磁馬達藉由12個定子齒極，並於定子齒極中插入永久磁鐵的結構，以及對轉子極進行修弧之設計，使得本發明之磁通切換式永磁馬達可簡化習知馬達之繁雜設計，且可有效降低習知馬達之頓轉矩及轉矩漣波。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
110‧‧‧馬達定子
111‧‧‧定子齒極
112‧‧‧齒槽
113‧‧‧定子軛
120‧‧‧馬達轉子
121‧‧‧轉子極
130‧‧‧永久磁鐵
131‧‧‧永久磁鐵對應定子軛之部分
第1圖係為本發明之磁通切換式永磁馬達之結構示意圖。 第2圖係為本發明之磁通切換式永磁馬達之單一模組示意圖。 第3圖係為本發明之磁通切換式永磁馬達之轉子極之徑長與位置之函數關係示意圖。
110‧‧‧馬達定子
111‧‧‧定子齒極
112‧‧‧齒槽
113‧‧‧定子軛
120‧‧‧馬達轉子
121‧‧‧轉子極
130‧‧‧永久磁鐵

Claims (5)

  1. 一種磁通切換式永磁馬達，其包含： 一馬達定子，係具有十二定子齒極，各該定子齒極中插設一永久磁鐵，各該定子齒極之一面與相鄰之該定子齒極對應之一面所對應該永久磁鐵之磁性相同，相鄰之二該定子齒極間距有一齒槽；以及 一馬達轉子，係具有複數個轉子極； 其中，該馬達定子與該馬達轉子係符合下列條件式：；；；；；；以及； 其中，bm 係為該永久磁鐵之厚度，bt 係為不包含該永久磁鐵之該定子齒極之1/2寬度，bs 係為該齒槽之寬度，bi 係為該定子齒極之一定子軛之厚度，bp 係為該轉子極之寬度，bh 係為該轉子極之高度，Rsi 係為該馬達定子之內徑，Rso 係為該馬達定子之外徑，S係為該馬達定子之內外徑比，Ts 係為該定子齒極之齒槽節距，Ns 係為該齒槽數，Rr 係為該馬達轉子之徑長，Rro 係為該馬達轉子之外徑Rri 係為該馬達轉子之內徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁通切換式永磁馬達，其中各該定子齒極係以該定子軛連結，各該定子軛係分別對應該齒槽。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之磁通切換式永磁馬達，其中該永久磁鐵對應該定子軛之部分係以非導磁性材料替換。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁通切換式永磁馬達，其中該馬達定子與該馬達轉子之間係具有一氣隙。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之磁通切換式永磁馬達，其中該氣隙之寬度係為該馬達定子之內徑減掉該馬達轉子之外徑。
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