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TWI710198B - 馬達之轉子組件 - Google Patents

馬達之轉子組件 Download PDF

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TWI710198B
TWI710198B TW109112611A TW109112611A TWI710198B TW I710198 B TWI710198 B TW I710198B TW 109112611 A TW109112611 A TW 109112611A TW 109112611 A TW109112611 A TW 109112611A TW I710198 B TWI710198 B TW I710198B
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Taiwan
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rotor assembly
arc
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width value
air gap
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TW109112611A
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English (en)
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TW202105887A (zh
Inventor
施建仲
陳翔竣
蕭翔云
楊家祥
Original Assignee
台達電子工業股份有限公司
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Publication date
Application filed by 台達電子工業股份有限公司 filed Critical 台達電子工業股份有限公司
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Publication of TW202105887A publication Critical patent/TW202105887A/zh

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Abstract

一種馬達之轉子組件，組配對應定子組件。轉子組件與定子組件具有最小氣隙寬度值。轉子組件包括複數個磁石、本體部、複數個磁石容置槽與複數個削弧部。複數個磁石容置槽相對本體部的軸心而環設於本體部並貫穿本體部，容置所對應之磁石。磁石容置槽具有一容置槽寬度值。複數個削弧部於空間上相對複數個磁石容置槽。每一削弧部與所對應之磁石容置槽之幾何對稱中心之間具有一削弧深度值。削弧深度值大於倍率常數乘容置槽寬度值後減去2倍的最小氣隙寬度值之總和，且削弧深度值小於倍率常數乘容置槽寬度值後加上2倍的最小氣隙寬度值之總和。

Description

馬達之轉子組件
本案係關於一種馬達，尤指一種馬達之轉子組件。
一般而言，永磁電機(Permanent magnetic electric machine)或稱永磁馬達(Permanent magnetic motor)之結構係包括轉子(Rotor)及定子(Stator)，定子係設有繞組，轉子係設有永久型磁鐵，且轉子可透過例如複數個矽鋼片之轉子疊片堆疊而構成。其中，藉由定子與轉子之間產生之磁力相互作用，從而使轉子進行轉動。
為了提昇馬達效率或效能，必須提升單位電流所能產生的扭力比值，該值或稱為轉矩常數（Torque Constant, KT），該值常用以評估馬達的效率或效能。當馬達具有較大的轉矩常數KT，在相同的扭力需求下則僅需要較低的電流，故可有效降低銅線損耗，達到提升效率之功效。
傳統永磁馬達多採用花瓣型轉子(Flower-petal-shaped rotor)的設計，其在轉子之靠近外徑處開設多個槽孔以整理磁束，達到提升馬達扭矩或者降低頓轉扭矩之效果。然而，在設計花瓣型轉子時，為確保在優化轉矩漣波(Torque ripple)條件下仍可保持輸出轉矩(Output torque)性能(亦即，保持較大的轉矩)，需要在削弧深度(Arc depth)、磁石(Magnet)擺放位置以及肋部(Rib)尺寸上取得平衡。而依靠模擬分析軟體進行設計時，往往又因為變動的因子數量極多，需要耗費極長的時間來求取設計值以於多方面表現平衡，而且，轉子尺寸參數彼此關係相互影響，也造成計算最佳轉子尺寸的難度提高。
有鑑於此，實有必要提供一種馬達之轉子組件，以解決習知技術所面臨之問題。
本案之目的在於提供一種馬達之轉子組件。透過轉子組件之最佳化設計，可有效抑制馬達轉矩漣波，使轉矩漣波值降至10%以下，以利於最大輸出轉矩區間內獲致最小的轉矩漣波，進而改善馬達中磁鐵漏磁通(leak flux/flux leakage)以及氣隙磁通分佈/密度(air-gap flux distribution/density)的相互影響，達到提升馬達效率之功效。
本案之另一目的在於提供一種馬達之轉子組件。藉由轉子組件的最佳化設計，除了可抑制轉矩漣波外，同時可確保轉子組件提供最佳輸出轉矩性能。而馬達輸出轉矩能力之改善，更有助於縮短轉子組件中磁部件積厚，並使輸入電流值下降，進而提昇馬達輸出轉矩(output torque of motor)之抗退磁性(anti-demagnetization)的耐受性(endurance)，達到提升馬達效率及降低成本之功效。
本案之再一目在於提供一種馬達之轉子組件。藉由最佳化轉子組件的尺寸及參數，更可簡化設計的困難度，同時加速產品開發的速度。
為達前述目的，本案提供一種馬達之轉子組件，組配對應馬達之一定子組件。轉子組件與定子組件具有一最小氣隙寬度值。轉子組件包括複數個磁石、本體部、複數個磁石容置槽以及複數個削弧部。本體部具有軸心以及外周緣。複數個磁石容置槽於空間上相對容置複數個磁石。複數個磁石容置槽相對本體部之軸心而環設於本體部並貫穿本體部，其中磁石容置槽自軸心向外延伸的方向具有一容置槽寬度值。複數個削弧部鄰設於本體部的外周緣，於空間上相對複數個磁石容置槽。複數個削弧部中之每一個與所對應之磁石容置槽之一幾何對稱中心之間共同形成一削弧深度值，削弧部與所對應之磁石容置槽之一端之間形成一削弧間隔值，其中削弧深度值大於一倍率常數乘容置槽寬度值後減去2倍的最小氣隙寬度值之總和，且削弧深度值小於倍率常數乘容置槽寬度值後加上2倍的最小氣隙寬度值之總和。其中削弧間隔值大於0.5倍的最小氣隙寬度值，且削弧間隔值小於2倍的最小氣隙寬度值。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用於限制本案。
請參考第1圖至第5圖。其中第1圖係揭示本案較佳實施例之馬達之截面圖。第2圖係揭示第1圖中區域A1的放大圖。第3圖係揭示本案較佳實施例之轉子組件之立體結構圖。第4圖係揭示本案較佳實施例之轉子組件之本體部之上視圖。第5圖係揭示第4圖中區域A2的放大圖。於本實施例中，馬達1至少包括有一轉子組件10以及一定子組件20。其中轉子組件10與定子組件20之組合係採外定子、內轉子之方式完成。於本實施例中，定子組件20具有一中空部21以及對應環繞於其複數個齒部之複數個繞組22，而轉子組件10設置於定子組件20之中空部21內。其中馬達1之轉子組件10與定子組件20之間，組配形成一最小氣隙寬度值g。較佳者，最小氣隙寬度值g介於0.25mm至1.0mm，但本案並不以此為限。於本實施例中，轉子組件10包括有複數個磁石11、一本體部12、複數個磁石容置槽15以及複數個削弧部14。本體部12可例如由複數個以矽鋼材料所製成轉子疊片相互堆疊所構成，形成一疊積厚度H。於本實施例中，本體部12具有一軸心C以及一外周緣12a。複數個磁石11、複數個磁石容置槽15以及複數個削弧部14沿轉子10的軸心C方向上的高度，可例如等於本體部12的疊積厚度H。疊積厚度H可視實際應用需求調變，本案不以此為限，且不再贅述。於本實施例中，轉子組件10可例如包括一轉動軸13，貫穿本體部12之中空部12b(參見第3圖)。其中本體部12的軸心C對準轉動軸13之中心(未標示)，架構為轉子組件10之旋轉中心，轉動軸13驅動轉子組件10以軸心C為中心轉動，本體部12的軸心C亦為馬達1之旋轉中心。於本實施例中，轉子組件10具有一轉子外徑長度R1，即本體部12的軸心C至轉子組件10的外周緣12a的半徑距離。定子組件20具有一定子外徑長度R2，即本體部12的軸心C至定子組件20的外周緣23的半徑距離。於本實施例中，其中轉子外徑長度R1相對於定子外徑長度R2的比例範圍介於60%至70%。
另外，於本實施例中，複數個磁石容置槽15於空間上相對容置複數個磁石11。複數個磁石容置槽15相對軸心C環設於本體部12並貫穿本體部12，且鄰近於外周緣12a，其中複數個磁石容置槽15中之每一個組配容置所對應之磁石11，且磁石容置槽15自軸心C向外延伸的一方向(即朝向本體部12之周緣12a的垂直方向上)具有一容置槽寬度值T，其中容置槽寬度值T等於或略大於磁石11之厚度，以使磁石11可穩固地嵌設於所對應之磁石容置槽15且不致於轉子組件10轉動時脫離。較佳者，容置槽寬度值T小於15倍的最小氣隙寬度值g，但本案並不以此為限。換言之，複數個磁石容置槽15分別於各自的槽內容置對應的複數個磁石11。磁石11可例如是一長條形柱狀永久磁體，然本案並不以此為限。於本實施例中，複數個磁石容置槽15之數量係相對於複數個磁石11之數量，亦即兩者之數量相同，例如均為8個。其中每一磁石容置槽15組配容置所對應之磁石11，亦即8個磁石容置槽15與所對應且容置之8個磁石11，係以本體部12的軸心C為中心分別對應約45度之圓心角對稱，且為一對一地分佈及配置，但並不以此為限。於其他實施例中，前述複數個磁石容置槽15之數量與複數個磁石11之數量，可例如是4、6、10、12。換言之，本案複數個磁石容置槽15之數量與複數個磁石11之數量可表示為2N個，其中N為整數，且N大於等於2。藉此，轉子組件10可提供2N極數的設計，於此便不再贅述。此外，磁石容置槽15亦可一對多地容置磁石11，但並不以此為限。
於本實施例中，複數個削弧部14鄰設於本體部12的外周緣12a，於空間上相對複數個磁石容置槽15。值得注意的是，複數個削弧部14中之每一個與所對應之磁石容置槽15之一幾何對稱中心之間共同形成一削弧深度值Pd，削弧部14與所對應之磁石容置槽15之一端之間形成一削弧間隔值D。於本實施例中，削弧深度值Pd大於一倍率常數K1乘容置槽寬度值T後減去2倍的最小氣隙寬度值g之總和，且削弧深度值Pd小於倍率常數K1乘容置槽寬度值T後加上2倍的最小氣隙寬度值g之總和。其關係可如下式(1)所示：
Figure 02_image001
(1)
於本實施例中，倍率常數K1大於0且小於0.25。此外，削弧間隔值D則大於0.5倍的最小氣隙寬度值g，且削弧間隔值D小於2倍的最小氣隙寬度值g。其關係可如下式(2)所示：
Figure 02_image003
(2)
表1係模擬不同削弧深度值Pd所得之轉矩漣波，其中倍率常數K1固定為0.145，最小氣隙寬度值g固定為0.7mm： 表1
削弧深度值Pd(mm) 轉矩漣波 [%]
K1×T+2g 11.21
K1×T+g 8.45
K1×T+0.5g 5.81
K1×T-0.5g 9.68
K1×T-1g 16.33
K1×T-2g 22.54
第6圖係揭示不同削弧深度值相對轉矩漣波之關係圖。當轉子組件10設計之削弧深度值Pd介於式(1)的範圍時，即磁削弧深度值Pd大於一倍率常數K1乘容置槽寬度值T後減去2倍的最小氣隙寬度值g之總和，且削弧深度值Pd小於倍率常數K1乘容置槽寬度值T後加上2倍的最小氣隙寬度值g之總和。削弧間隔值D大於0.5倍的最小氣隙寬度值g，且削弧間隔值D小於2倍的最小氣隙寬度值g，則馬達1性能可於最大輸出轉矩區間內，同時獲致最小的轉矩漣波。藉此，馬達1輸出轉矩之抗退磁性的耐受性可獲得提昇，進而達到提升馬達1效率之功效。
再請參閱第4圖及第5圖。於本實施例中，複數個磁石容置槽15之每一個於兩端設置一延伸槽16，且每二個延伸槽16連通相對的磁石容置槽15。其中延伸槽16與相對的磁石容置槽15之間具有一連通長度M。於本實施例中，連通長度M為容置槽寬度值T的0.6倍至0.8倍。藉此，於利用延伸槽16的設置改善轉矩漣波時，亦可確保磁石11可穩固地嵌設於所對應之磁石容置槽15且不致脫離。其關係可如下式(3)所示：
Figure 02_image005
(3)
另外，於本實施例中，複數個削弧部14中之每一個於兩端分別包括一延伸部17，且複數個延伸部17中之每一個沿本體部12的外周緣12a延伸，且於空間上分別相對於所對應的延伸槽16。延伸部17具有一寬度B，寬度B可約略與削弧間隔值D相同，即大於0.5倍的最小氣隙寬度值g，且小於2倍的最小氣隙寬度值g。延伸槽16之一內周緣16a至少部份平行於相對應的延伸部17。於本實施例中，延伸槽16之內周緣16a與相對的磁石容置槽15內之磁石11具有一間隔寬度值S，如第2圖所示。其中間隔寬度值S為容置槽寬度值T的0.3倍至0.5倍。其關係可如下式(4)所示：
Figure 02_image007
(4)
再請參閱第1圖至第5圖。於本實施例中，任兩相鄰的削弧部14之間具有一凹陷部18，且凹陷部18與定子組件20的內環壁21a之間具有一最大氣隙寬度值G。於本實施中，最大氣隙寬度值G為最小氣隙寬度值g的3倍至5倍。藉此，馬達1之轉子組件10可達最佳化之設計，磁鐵漏磁通以及氣隙磁通分佈/密度的相互影響可獲得改善，進而達到提升馬達效率之功效。此外，最佳化轉子組件10的尺寸及參數，更可簡化設計的困難度，同時加速產品開發的速度。
第7圖係揭示習知未削弧之馬達的轉速相對轉矩之功效圖。第8圖係揭示本案較佳實施例之馬達的轉速相對轉矩之功效圖。比較第7圖與第8圖之結果可知，本案較佳實施例之馬達1，藉由最佳化轉子組件10的尺寸及參數，可於高轉速中維持轉矩值，有效抑制轉矩漣波的影響。此外，第7圖中點E代表習知未削弧之馬達1於轉速達2,508 rpm時，轉矩為17.7 N・m，相對效率值為79.0%。第8圖中點F代表本案較佳實施例之馬達1於轉速達2508 rpm時，轉矩為17.8 N・m，相對效率值為86.2%。相較於習知未削弧之馬達的同點效率，本案較佳實施例之馬達1更提昇相對效率9%以上，且未損耗馬達1的輸出轉矩。
另一方面，需說明的是，透過前述轉子組件10之最佳化設計，除了可抑制轉矩漣波，以確保轉子組件10提供最佳輸出轉矩性能外，更有助於縮短轉子組件10中磁部件積厚。表2係比較前述習知未削弧之馬達以及本案較佳實施例之馬達於相同輸出轉矩性能下的差異。 表2
馬達規格 習知未削弧之馬達 本案較佳實施例之馬達 差異
疊積厚度H (mm) 25 19.8 -20.8%
轉矩漣波(%) (Torque ripple) 28.57 5.81 -79.6%
同點效率 79 86.2 +9.11%
由表2可知，相較於習知未削弧之馬達，本案較佳實施例之馬達1除了可抑制轉矩漣波(減少79.6%)，確保轉子組件10提供最佳輸出轉矩性能(增加9.11%)外，更有助於縮短轉子組件10中之疊積厚度H，即縮短轉子組件10的磁部件積厚約21%，使輸入電流值下降，進而提昇馬達輸出轉矩(output torque of motor)之抗退磁性(anti-demagnetization)的耐受性(endurance)，達到提升馬達效率及降低成本之功效。
綜上所述，本案提供一種轉子組件及其適用之馬達。透過轉子組件之最佳化設計，可有效抑制轉矩漣波，使轉矩漣波值降至10%以下，以利於最大輸出轉矩區間內獲致最小的轉矩漣波，進而改善馬達中磁鐵漏磁通(leak flux/flux leakage)以及氣隙磁通分佈/密度(air-gap flux distribution/density)的相互影響，達到提升馬達效率之功效。再者，藉由轉子組件的最佳化設計，除了可抑制轉矩漣波外，同時可確保轉子組件提供最佳輸出轉矩性能。而馬達輸出轉矩能力之改善，更有助於縮短轉子組件中磁部件積厚，並使輸入電流值下降，進而提昇馬達輸出轉矩(output torque of motor)之抗退磁性(anti-demagnetization)的耐受性(endurance)，達到提升馬達效率及降低成本之功效。此外，藉由最佳化轉子組件的尺寸及參數，更可簡化設計的困難度，同時加速產品開發的速度。
本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1:馬達 10:轉子組件 11:磁石 12:本體部 13:轉動軸 12b:中空部 14:削弧部 12a:外周緣 15:磁石容置槽 16:延伸槽 16a:內周緣 17:延伸部 18:凹陷部 20:定子組件 21:中空部 21:內環壁 22:繞組 23:外周緣 A1、A2:區域 B:寬度 C:軸心 D:削弧間隔值 E、F:點 g:最小氣隙寬度值 G:最大氣隙寬度值 H:疊積厚度 K1:倍率常數 M:連通長度 Pd:削弧深度值 R1:轉子外徑長度 R2:定子外徑長度 S:間隔寬度值 T:容置槽寬度值
第1圖係揭示本案較佳實施例之馬達之截面圖。 第2圖係揭示第1圖中區域A1的放大圖。 第3圖係揭示本案較佳實施例之轉子組件之立體結構圖。 第4圖係揭示本案較佳實施例之轉子組件之本體部之上視圖。 第5圖係揭示第4圖中區域A2的放大圖。 第6圖係揭示不同削弧深度值相對轉矩漣波之關係圖。 第7圖係揭示習知未削弧之馬達的轉速相對轉矩之功效圖。 第8圖係揭示本案較佳實施例之馬達的轉速相對轉矩之功效圖。
1:馬達
10:轉子組件
11:磁石
12:本體部
13:轉動軸
14:削弧部
12a:外周緣
15:磁石容置槽
16:延伸槽
17:延伸部
18:凹陷部
20:定子組件
21:中空部
21a:內環壁
22:繞組
23:外周緣
A1:區域
C:軸心
g:最小氣隙寬度值
G:最大氣隙寬度值
R1:轉子外徑長度
R2:定子外徑長度

Claims (10)

  1. 一種馬達之轉子組件，組配對應一馬達之一定子組件，該轉子組件與該定子組件之間具有一最小氣隙寬度值，並包括： 複數個磁石； 一本體部，具有一軸心以及一外周緣； 複數個磁石容置槽，於空間上相對容置該複數個磁石，該複數個磁石容置槽相對該軸心環設於該本體部並貫穿該本體部，其中該磁石容置槽自該本體部之該軸心向外延伸的一方向具有一容置槽寬度值；以及 複數個削弧部，鄰設於該本體部的該外周緣，於空間上相對該複數個磁石容置槽，其中該複數個削弧部中之每一個與所對應之該磁石容置槽之一幾何對稱中心之間共同形成一削弧深度值，該削弧部與所對應之該磁石容置槽之一端之間形成一削弧間隔值， 其中該削弧深度值大於一倍率常數乘該容置槽寬度值後減去2倍的該最小氣隙寬度值之總和，且該削弧深度值小於該倍率常數乘該容置槽寬度值後加上2倍的該最小氣隙寬度值之總和， 其中該削弧間隔值大於0.5倍的該最小氣隙寬度值，且該削弧間隔值小於2倍的該最小氣隙寬度值。
  2. 如請求項1所述馬達之轉子組件，其中該轉子組件具有一轉子外徑長度，且該定子組件具有一定子外徑長度，其中該轉子外徑長度相對於該定子外徑長度的比例範圍介於60%至70%。
  3. 如請求項1所述馬達之轉子組件，其中該倍率常數大於0且小於0.25。
  4. 如請求項1所述馬達之轉子組件，其中該複數個磁石容置槽中之每一個於兩端分別設置一個延伸槽，且每二個該延伸槽連通相對的該磁石容置槽。
  5. 如請求項4所述馬達之轉子組件，其中該延伸槽與相對的該磁石容置槽之間具有一連通長度，且該連通長度為該容置槽寬度值的0.6倍至0.8倍。
  6. 如請求項4所述馬達之轉子組件，其中該複數個削弧部中之每一個於兩端分別包括一延伸部，且該複數個延伸部中之每一個沿該本體部的該外周緣延伸，且於空間上分別相對於所對應的該延伸槽。
  7. 如請求項6所述馬達之轉子組件，其中該延伸槽之一內周緣至少部份平行於相對應的該延伸部。
  8. 如請求項7所述馬達之轉子組件，其中該延伸槽之該內周緣與相對的該磁石容置槽內之該磁石具有一間隔寬度值，其中該間隔寬度值為該容置槽寬度值的0.3倍至0.5倍。
  9. 如請求項1所述馬達之轉子組件，其中任兩相鄰的該削弧部之間具有一凹陷部，且該凹陷部與該定子組件之間具有一最大氣隙寬度值，其中該最大氣隙寬度值為該最小氣隙寬度值的3倍至5倍。
  10. 如請求項1所述馬達之轉子組件，其中該複數個磁石容置槽與該複數個磁石之數量相同，該數量為2N，其中N為整數，且N大於等於2。
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