專利名稱：旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于電動機或發(fā)電機的永久磁石結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種旋轉(zhuǎn)電機
頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)電機為了提升效率、增加功率密度及減少相對體積，因此采用永久磁石作為 定磁場來源，隨著新工藝及材質(zhì)的演進，符合市場價格的高磁能積永久磁石遂大量應(yīng)用于 旋轉(zhuǎn)電機的開發(fā)。 當(dāng)采用永久磁石作為定磁場來源，于無載轉(zhuǎn)動時，整個旋轉(zhuǎn)電機的磁路特性完全 受到該定磁場主宰，旋轉(zhuǎn)時的磁路等效磁阻會產(chǎn)生相對于旋轉(zhuǎn)角度的周期性變化，例如由 對應(yīng)齒部間齒槽開口造成的效應(yīng)。此種磁阻對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)角度的變化率會產(chǎn)生一種磁阻轉(zhuǎn) 矩成分，有時又稱為止動轉(zhuǎn)矩，并正比于氣隙等效磁通平方倍。即永久磁石定磁場為了對 正鐵心磁路的最小等效磁阻下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩， 一般稱之為頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩或齒槽扭矩(cogging torgue)。 當(dāng)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不明顯大于頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時，會產(chǎn)生不需要的輸出轉(zhuǎn)矩漣波，且會造成振 動及噪音，并影響控制上的精度，于極低速運轉(zhuǎn)時特別顯著。旋轉(zhuǎn)電機的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生一 般可采以下關(guān)系式表示，
c。s 2 f W式中T^為頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、小為氣隙等效磁通、R^為磁路等效磁阻及e為旋轉(zhuǎn)角度。
磁路等效磁阻的變化一般可以表示成相對于旋轉(zhuǎn)角度的周期性函數(shù)。相對地，頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩成 分為磁路等效磁阻對旋轉(zhuǎn)角度的微分。因此，頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩也可以表示成相對于旋轉(zhuǎn)角度下具 有正負(fù)對稱的周期性函數(shù)，有時以傅力葉級數(shù)表示之。 因此，若要降低頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的輸出量，大致有兩個方法可以考慮。第一個方法是減少
氣隙等效磁通的大小。頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的輸出量與氣隙等效磁通大小的平方成正比，但是氣隙等 效磁通的大小也直接正比于一般所需的有效電磁轉(zhuǎn)矩輸出，所以若為了降低頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩而減 少氣隙等效磁通，也會同時減少電磁轉(zhuǎn)矩，故一般并不采用此方向。 第二個方法是減少磁路等效磁阻相對于旋轉(zhuǎn)角度的變化率，只要該磁路等效磁阻 于旋轉(zhuǎn)過程中維持定值，即變化率為零的話，理想上便可完全沒有頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩成分產(chǎn)生。為了 減少磁路等效磁阻相對于旋轉(zhuǎn)角度變化率的相關(guān)設(shè)計，通?？梢员M量避免對所需的有效電 磁轉(zhuǎn)矩輸出及其它旋轉(zhuǎn)電機特性的負(fù)面影響，故一般采用此方向。 產(chǎn)生磁路等效磁阻變化的原因有很多，主要為容納繞線而產(chǎn)生的電樞鐵心齒槽結(jié)
構(gòu)及磁極鐵心相互旋轉(zhuǎn)下，產(chǎn)生磁通路徑更動，相對造成磁路等效磁阻的變化，包含磁極對
應(yīng)齒部的轉(zhuǎn)換過程、齒槽開口造成的空氣氣隙磁阻、磁路設(shè)計上的磁通密度改變及磁飽和
現(xiàn)象等，均會直接或間接產(chǎn)生磁路等效磁阻變化，而造成頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。 為了消除磁路等效磁阻變化，有多種現(xiàn)有采用的方式。包含斜齒槽或斜磁極的使
3用，將電樞齒槽、永久磁石磁極其中擇一以軸向距離連續(xù)旋轉(zhuǎn)一特定角度，或采用分段式的 旋轉(zhuǎn)，使軸向的磁阻變化產(chǎn)生相位差，互補以減少總合成磁阻的變化，相對降低總合成頓轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)矩。此種軸向連續(xù)或分段旋轉(zhuǎn)的方式，其缺點是會增加組裝及檢驗上的相對成本及時程。
尚可采用特殊的槽極比降低頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，通常槽數(shù)及磁極數(shù)的最大公約數(shù)越小及最 小公倍數(shù)越大時，可以獲得越小的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。但于特殊槽極比的要求下，有時需搭配特定且 有限制的繞線方式，甚至有時會產(chǎn)生不必要的徑向力，例如8極9槽的旋轉(zhuǎn)電機，其槽極比 即會造成徑向力，一方面對轉(zhuǎn)軸軸承造成徑向負(fù)擔(dān)，另一方面還會進而產(chǎn)生振動及噪音，不 適用于低振動及低噪音的特定應(yīng)用。 另外，也有采用具有多個磁極鐵心數(shù)或是多個電樞鐵心數(shù)的旋轉(zhuǎn)電機組合，利用 多個的磁極鐵心或多個的電樞鐵心結(jié)構(gòu)相互作用，同時產(chǎn)生的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩具有相同大小，卻 剛好差180度電氣角或是特定的相位差，于旋轉(zhuǎn)過程中剛好可達到相互抵消的效果，但是 較適用于真正需要多個磁極鐵心數(shù)或是多個電樞鐵心數(shù)的旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計，否則會增加結(jié)構(gòu) 復(fù)雜度，增加制造、組裝及檢驗上的相對成本及時程。 —般也很常采用的是改變相鄰氣隙面的電樞鐵心齒靴表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)，亦或改變 相鄰氣隙面的磁極表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即降低氣隙周圍的總等效磁阻變化。例如，可于齒靴表 面增加凹槽、放大表面弧線、齒靴內(nèi)部增加不同導(dǎo)磁率的材質(zhì)等，亦或是改變表面貼磁式磁 石弧度、磁極內(nèi)部增加不同導(dǎo)磁率的材質(zhì)等，均可達到抑制總等效磁阻的變化，然而上述配 置在制造時均有不便。 因此，要如何立即適用于一般生產(chǎn)流程而不需要特定對應(yīng)的特殊工藝、產(chǎn)生額外 的成本及時程，并且具備結(jié)構(gòu)簡單，不顯著影響結(jié)構(gòu)強度及輸出特性而將頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化 為非常重要的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的互補式永
久磁石結(jié)構(gòu)，適用于一般生產(chǎn)流程而不需要特定對應(yīng)的特殊工藝。 本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)，包含 —磁極鐵心，其呈圓柱狀且圓周上平均環(huán)設(shè)有偶數(shù)個弧狀磁極組，各磁極組由一
第一永久磁石單元及一第二永久磁石單元組成； —電樞鐵心，呈環(huán)狀且設(shè)有多個槽，該電樞鐵心的槽數(shù)與磁極鐵心的磁極數(shù)比值 為3/2 ; 其中，該第一永久磁石單元與該第二永久磁石單元對稱設(shè)置以產(chǎn)生兩組波形相位 差為180度電氣角的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并由調(diào)整第一永久磁石單元與第二永久磁石單元的面積形 狀以使得兩組頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩互補而抵消。 以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)電機磁極鐵心的磁極結(jié)構(gòu)立體圖；
圖2為現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)電機部分軸向結(jié)構(gòu)的剖面圖；
圖3為現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)電機永久磁石徑向結(jié)構(gòu)的示意4
圖4A為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機磁極鐵心的磁極結(jié)構(gòu)的立體圖； 圖4B為本發(fā)明的磁極鐵心另一實施例示意圖； 圖5為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機部分軸向結(jié)構(gòu)的剖面圖； 圖6為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機永久磁石徑向結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖7為本發(fā)明第一實施例的磁石單元的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩-展開后電氣角的比較圖； 圖8為本發(fā)明第一實施例與現(xiàn)有技術(shù)的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩-展開后電氣角的比較圖； 圖9為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機磁極鐵心的磁極結(jié)構(gòu)的立體圖，其顯示第二實施例； 圖10為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機部分軸向結(jié)構(gòu)的剖面圖，其顯示第二實施例； 圖11為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機永久磁石徑向結(jié)構(gòu)的示意圖，其顯示第二實施例； 圖12為本發(fā)明第二實施例的磁石單元的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩_展開后電氣角的比較圖；以及 圖13為本發(fā)明第二實施例與現(xiàn)有技術(shù)的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩-展開后電氣角的比較圖。 其中，附圖標(biāo)記 Al-展開角 A2-展開角 A3-展開角 A4-展開角 A5-展開角 A6-展開角 Bl-電樞鐵心 B2-磁極鐵心 B21-凹槽 B3-永久磁石集合 B3'-磁極組 B31-第一永久磁石單元 B32-第二永久磁石單元 Cl-磁極中心線 Dl-積厚 D2-積厚 D3-積厚 D4-積厚 Ll-參考線 L2-參考線 S-槽
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述 請參見圖1，該圖為現(xiàn)有磁極設(shè)計的立體圖。磁極鐵心B2呈圓柱狀且圓周上平均 環(huán)設(shè)有若干弧狀永久磁石集合B3，各磁極于參考線Ll、 L2間的永久磁石集合B3對稱于磁 極中心線Cl，且分別于磁極中心線Cl、參考線Ll間展開角Al，于磁極中心線Cl、參考線L2
5間展開角A2，且兩展開角Al = A2，如圖2所示。展開角Al的對應(yīng)積厚為Dl，展開角A2的 對應(yīng)積厚為D2，因此該永久磁石集合B3的總對應(yīng)積厚為(Dl+D2)，如圖3所示。于此現(xiàn)有 技術(shù)中，需由調(diào)整展開角Al、展開角A2以獲得其所需的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩特性。
本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)則如圖4A所示，其適 用于電動機、發(fā)電機或其它應(yīng)用。該旋轉(zhuǎn)電機包含一個磁極鐵心B2及一個電樞鐵心B1。磁 極鐵心B2呈圓柱狀且圓周上平均環(huán)設(shè)有偶數(shù)個弧狀磁極組B3'，各磁極組B3'由位于第一 組參考線L3、L4間的第一永久磁石單元B31及位于第二組參考線L5、L6間的第二永久磁石 單元B32組成，如圖5所示；電樞鐵心B1具有多個的槽S。槽S的數(shù)量(槽數(shù))與磁極鐵心 B2的磁極數(shù)比值為3/2的分?jǐn)?shù)比。此外，磁極鐵心B2除了前述的圓柱狀之外，還可以如圖 4B所示的結(jié)構(gòu)。在圖4B中，磁極鐵心B2上具有偶數(shù)個凹槽B21，以分別提供容置該偶數(shù)個 弧狀磁極組B3'。 位于第一組參考線L3、L4間的第一永久磁石單元集合B31對稱于磁極中心線Cl， 且于磁極中心線Cl、參考線L3間展開角A3，于磁極中心線Cl、參考線L4間展開另一角度 A4，且展開角A3 二展開角A4。該第一永久磁石單元集合B31的總展開角(A3+A4) < (360 度/槽數(shù)S)且搭配對應(yīng)積厚D3，如圖5及圖6所示。 位于第二組參考線L5、L6間的第二永久磁石單元集合B32對稱于磁極中心線Cl， 且于磁極中心線Cl、參考線L5間展開角A5，于磁極中心線Cl、參考線L6間展開另一角度 A6，且展開角A5 =展開角A6。該第二永久磁石單元集合B32的總展開角(A5+A6) > (360 度/槽數(shù)S)且搭配對應(yīng)積厚D4，如圖5及圖6所示。 第一永久磁石單元集合B31的總展開角(A3+A4) < (360度/槽數(shù)S)及第二永久 磁石單元集合B32的總展開角(A5+A6) > (360度/槽數(shù)S)可決定出兩組波形相近、相位剛 好差180度電氣角的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。再者，經(jīng)由選定適當(dāng)?shù)牡谝挥谰么攀瘑卧螧31的對應(yīng)積 厚D3及第二永久磁石單元集合B32的對應(yīng)積厚D4，可使兩組頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的大小相同。故該互 補式永久磁石結(jié)構(gòu)可令兩組頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩相互抵消，結(jié)果使總合成頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達到最小化，如圖7 所示，其以現(xiàn)有技術(shù)所產(chǎn)生的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩進行標(biāo)么化比較，縱軸為標(biāo)么化的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大小、橫 軸為旋轉(zhuǎn)角度以電氣角180度展開。 將上述配置具體實施例為8極12槽的旋轉(zhuǎn)電機，第一永久磁石單元集合B31展開 角(A3+A4)為27. 6度、第二永久磁石單元集合B32展開角(A5+A6)為35度，且選定對應(yīng)的 第一永久磁石單元集合B31的積厚D3等于第二永久磁石單元集合B32的積厚D4即可；于 此種配置中的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)可令兩組頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩相互抵消，結(jié)果使總合成頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達 到最小化。 再將現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明實施例一所產(chǎn)生的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩進行標(biāo)么化比較，如圖8所 示，其中縱軸為標(biāo)么化的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大小、橫軸為旋轉(zhuǎn)角度以電氣角180度展開。在本發(fā)明實 施例一的配置下，相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩峰對峰值能減少約80%的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 輸出量，達到旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的目的。 本發(fā)明另一實施例為8極12槽的旋轉(zhuǎn)電機，其配置是依據(jù)前述實施例，如圖9至 圖ll所示。類似第一實施例，第二實施例的第一及第二永久磁石單元集合B31、B32所形成 的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)，如圖9所示，然而與第一實施例不同之處在于第一及第二永久磁 石單元集合B31 、B32的寬度與長度有所變化。第一永久磁石單元集合B31展開角為(A3+A4)
6為23度、第二永久磁石單元集合B32展開角為(A5+A6)為43度，如圖10所示；且選定對應(yīng) 的第一永久磁石單元集合B31的積厚D3大于第二永久磁石單元集合B32的積厚D4，如圖 ll所示。 第二實施例的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)可令兩組頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩相互抵消，結(jié)果使總合成頓 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達到最小化，如圖12所示，其以現(xiàn)有技術(shù)所產(chǎn)生的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩進行標(biāo)么化比較，縱軸 為標(biāo)么化的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大小、橫軸為旋轉(zhuǎn)角度以電氣角180度展開。 再將現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明第二實施例所產(chǎn)生的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩進行標(biāo)么化比較，如圖13 所示，其中縱軸為標(biāo)么化的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大小、橫軸為旋轉(zhuǎn)角度以電氣角180度展開。依據(jù)本發(fā) 明第二實施例的配置，本發(fā)明的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩峰對峰值相較于現(xiàn)有技術(shù)能減少約70%的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩輸出量，達到旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的目的。 由上可知，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)可立即適用
于現(xiàn)今的一般生產(chǎn)流程，其適用于電動機或發(fā)電機，不需對應(yīng)特定的特殊工藝，因此不會耗
費額外成本及時程，且具備結(jié)構(gòu)簡單、不顯著影響結(jié)構(gòu)強度與輸出特性的特性。 當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟
悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變
形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
一種旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含有一磁極鐵心，其呈圓柱狀且圓周上平均環(huán)設(shè)有偶數(shù)個弧狀磁極組，各磁極組由一第一永久磁石單元及一第二永久磁石單元組成；以及一電樞鐵心，呈環(huán)狀且設(shè)有多個槽，該電樞鐵心的槽數(shù)與磁極鐵心的磁極數(shù)比值為3/2；其中，該第一永久磁石單元與該第二永久磁石單元對稱設(shè)置，以產(chǎn)生兩組波形相位差為180度電氣角的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并由調(diào)整第一永久磁石單元與第二永久磁石單元的面積形狀，進而可以使得兩組頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生互補作用而相互抵消。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)，其特征在 于，第一永久磁石單元的中心線相同于磁極組的中心線，且該第一永久磁石單元具有一第 一展開角，該第一展開角小于360度除以槽數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)，其特征在 于，第二永久磁石單元的中心線相同于磁極組的中心線，且該第二永久磁石單元具有一第 二展開角，該第二展開角大于360度除以槽數(shù)。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)電機頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最小化的互補式永久磁石結(jié)構(gòu)，包含一磁極鐵心，其呈圓柱狀且圓周上平均環(huán)設(shè)有偶數(shù)個弧狀磁極組，各磁極組由一第一永久磁石單元及一第二永久磁石單元組成；一電樞鐵心，呈環(huán)狀且設(shè)有多個槽，該電樞鐵心的槽數(shù)與磁極鐵心的磁極數(shù)比值為3/2；其中，該第一永久磁石單元與該第二永久磁石單元對稱設(shè)置以產(chǎn)生兩組于電氣角上互補的頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
文檔編號H02K15/03GK101771301SQ200810189119
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者洪士偉 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院