TW201601420A - 旋轉電機 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種可減低製造成本的霍爾貝克排列勵磁的旋轉電機；該旋轉電機是包含垂直於該旋轉軸的斷面形狀為長方形的永久磁鐵各自以環狀排列的雙層霍爾貝克排列勵磁的旋轉電機；其中，長方形斷面的永久磁鐵是以個別的等角度間隔排列成環狀；且在鄰接的磁石間產生楔形的縫隙填補材料插入此縫隙是理想的，填補材料是由非磁性、非導電性材料所組成的。就能以低成本製造出回轉機。垂直於該旋轉軸的斷面形狀為長方形的永久磁鐵能降低製造出旋轉電機的成本。另外，像這樣使用永久磁鐵，因為會降低磁石的使用量，也能節省資源。還有，介於在鄰接的永久磁鐵間的材料，也能方便決定永久磁鐵的位置，具備在回轉軸垂直的斷面。

Description

旋轉電機

本發明與無鐵芯馬達、無鐵芯發電機等的旋轉電機相關，具體而言，是與使用霍爾貝克排列環狀配置的永久磁鐵的旋轉電機相關。

一般的馬達、發電機，是使用永久磁鐵N極與S極交錯排列，而這樣的排列會使磁鐵排列的表側與裏側，兩側皆產生磁場，無法有效利用磁場。因此，為了提升馬達、發電機的磁場，提出了使用稱為「霍爾貝克排列」的磁鐵排列構造。

由於霍爾貝克排列(Halbach)是以永久磁鐵90度逐次旋轉排列而成，磁場在磁鐵排列的一側減弱，另一側磁場增強，因此可以使永久磁鐵排列的單邊磁場較強。因此，如圖10所示為日本特開2009-201343號專利，提出了在分別以霍爾貝克排列的兩列永久磁鐵(雙層霍爾貝克排列)之中配置電樞繞阻的永久磁鐵旋轉電機。

一般使用雙層霍爾貝克排列永久磁鐵的旋轉電機，即無鐵芯馬達、無鐵芯發電機，為了使勵磁系統構成環狀，如圖10所示一般使用梯形斷面的永久磁鐵。然而，梯形斷面的永久磁鐵相較於長方形斷面價位較高，而產生製作旋轉電機需要大量成本的問題。

因此根據上述問題，本發明的目的在於，計劃減少製造成本且能夠簡單的製造具備霍爾貝克排列勵磁系統的旋轉電機。

為達前述目的，本發明提供一種旋轉電機，包含一轉子與一定子，該轉子安裝於一旋轉軸上，該轉子包含構成雙層霍爾貝克排列的二永久磁鐵排列，該定子包含一線圈排列，二該永久磁鐵排列及該線圈排列8分別排列為環狀，各該永久磁鐵排列包含複數間隔排列的永久磁鐵，各該永久磁鐵垂直於該旋轉軸的斷面形狀為長方形。

本發明透過垂直於旋轉軸的斷面為長方型的永久磁鐵，以霍爾貝克排列成環狀的勵磁系統構成旋轉電機。由於將長方形斷面的永久磁鐵環狀排列，在兩相鄰磁鐵之間，必然產生楔型的間隙，所以需要在間隙中插入部材。而這個部材的夠成材料雖然沒有特別限定，但建議使用非磁性材料，非磁性、非導電性材料更好。

本發明的旋轉電機，使用了霍爾貝克排列勵磁系統的構成部材、長方形斷面的永久磁鐵。長方形斷面的永久磁鐵，可以大量生產、廉價的供應，與使用梯形斷面的情況相比，可以大幅降低成本。因此，本發明與使用梯形斷面永久磁鐵的一般品相比，可以低成本的製造旋轉電機。又因為永久磁鐵可以低成本購入，而可以低價格提供少量多種類的旋轉電機。並且因為使用了長方形斷面的永久磁鐵，磁鐵的斷面積減少，磁鐵用量減少，而達到省資源化的效果。

由於本發明是以垂直旋轉軸之斷面為長方形的永久磁鐵，霍爾貝克排列環狀構成，相鄰磁鐵間產生楔形間隙，並在間隙中置入間隙部材。由於如同上述在間隙中置入間隙部材，使得永久磁鐵的位置更容易決 定，進而提生勵磁系統的製作性。又因位在相鄰磁鐵間的間隙置入間隙部材，可以防止永久磁鐵的搖晃，而提升勵磁系統的強度，因此將梯形斷面的永久磁鐵替換成長方形斷面，旋轉電機的強度與製作性都不會受到損害。

另外，永久磁鐵作為勵磁系統使用的情況，通常永久磁鐵與高磁性材料接觸的形式被使用，因此在以長方形斷面的永久磁鐵構成環狀勵磁系統的情況，在磁鐵間的間隙中置入高磁性材料，容易使主磁力線的磁阻抗下降，而在雙層霍爾貝克排列勵磁系統，置入比導磁率接近1的材料，間隙中的磁力線將不會減少。

《本發明》

1‧‧‧旋轉電機(永久磁鐵旋轉電機)

3‧‧‧轉子

4‧‧‧永久磁鐵排列(內側磁鐵排列)

5‧‧‧永久磁鐵排列(外側磁鐵排列)

7‧‧‧定子

8‧‧‧線圈排列

41‧‧‧永久磁鐵

43‧‧‧間隙部材

51‧‧‧永久磁鐵

53‧‧‧間隙部材

圖1 表示本發明的旋轉電機的徑方向概略斷面圖。(垂直旋轉電機旋轉軸方向的斷面圖)

圖2 表示單層勵磁系統旋轉電機的軸方向斷面圖，延(圖1)V-V線方向的概略斷面圖。

圖3 表示多層勵磁系統旋轉電機的軸方向斷面圖。

圖4 表示實施例1的測定結果圖，且是顯示間隙部材為空氣，且永久磁鐵為長方形斷面於第一層中央圓周方向的磁力線密度。

圖5 表示實施例1的測定結果圖，且是顯示間隙部材為空氣，且永久磁鐵為長方形斷面於第三層中央圓周方向的磁力線密度。

圖6 表示實施例2的測定結果圖，且是顯示間隙部材為鐵，且永久磁鐵為長方形斷面於第一層中央圓周方向的磁力線密度。

圖7 表示實施例2的測定結果圖，且是顯示間隙部材為鐵，且永久磁鐵 為長方形斷面於第三層中央圓周方向的磁力線密度。

圖8 表示比較例的測定結果圖，且是顯示永久磁鐵為梯形斷面於第一層中央圓周方向的磁力線密度。

圖9 表示比較例的測定結果圖，且是顯示梯形斷面的永久磁鐵，第三層中央圓周方向的磁力線密度。

圖10 表示一般旋轉電機的徑方向斷面圖。(垂直旋轉電機旋轉軸方向的斷面圖)

為使貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如後：本發明是關於使用霍爾貝克排列永久磁鐵的無鐵芯馬達、無鐵芯發電機等的旋轉電機，以下根據圖1及圖2，對本發明相關的旋轉電機實施形態進行說明。

一種旋轉電機1，包含一轉子3與一定子7，該轉子3安裝於一旋轉軸上，使該旋轉軸進行旋轉便可構成發電機。該轉子3包含構成雙層霍爾貝克排列的二永久磁鐵排列4、5；該定子7包含一線圈排列8；其中，二該永久磁鐵排列4、5分別構成環狀，該線圈排列8也構成環狀，該永久磁鐵排列4設置於永久磁鐵排列5的內側，且二該永久磁鐵排列4、5以及該線圈排列8以同心圓狀排列。

而構成雙層霍爾貝克排列勵磁系統的永久磁鐵排列4、5，如圖1所示，各自以永久磁鐵沿圓周方向90度逐次旋轉，以霍爾貝克排列成環狀。永久磁鐵排列4與永久磁鐵排列5有相同的磁鐵數量。該永久磁鐵排列4 包含複數永久磁鐵41，平行於磁化方向的斷面(垂直於旋轉電機之旋轉軸的斷面)形狀為長方形，該永久磁鐵排列5包含複數永久磁鐵51，各該永久磁鐵51也同樣是長方形斷面。

將這種長方形斷面同形狀的永久磁鐵41，以等角度間隔環狀排列，兩相鄰永久磁鐵41之間會有楔形的間隙。在此間隙之中，填入了間隙部材43。同樣的在相鄰的永久磁鐵51之間，也一樣存在著楔形的間隙，此間隙中，填入了楔形的間隙部材53。

此外，本發明在長方形斷面磁鐵間的間隙中，也可能採用不填入間隙部材而是空氣的情況。但如同上述使用間隙部材較為理想。間隙部材43、53的材料沒有特別的限制，例如鋁等等的非磁性材料即可，樹脂等等的非磁性、非導電性材料較為理想。

將間隙部材填入永久磁鐵之間間隙的方法沒有特別的限定，只要在旋轉電機的完成狀態時，永久磁鐵間的間隙有間隙部材填入，任何方法都可能採用。例如，將永久磁鐵以環狀排列之後，在相鄰永久磁鐵的間隙中插入間隙部材(與磁鐵分離的部材)，或者是先以等角度間隔配置固定間隙部材，再將永久磁鐵插入也可以。

上述沿永久磁鐵排列4的永久磁鐵41之內徑方向磁化的永久磁鐵的磁化方向，及沿永久磁鐵排列5的永久磁鐵51之內徑方向磁化的永久磁鐵的磁化方向，皆和其他配置在同一個半徑上的相同。此外，沿永久磁鐵排列4的永久磁鐵41之圓周方向磁化的永久磁鐵的磁化方向，與永久磁鐵排列5的永久磁鐵51之圓周方向磁化的永久磁鐵的磁化方向，皆和其他配置在同一個半徑上的相反。

由於內側的永久磁鐵排列4，為永久磁鐵41的磁極沿圓周方向逐次約90度迴轉形成環狀排列，環狀排列的內側磁場變弱，外側的磁場隨著內側磁場弱化的量相對增強，使永久磁鐵排列4的外側能產生強烈的磁場。又由於外側的永久磁鐵排列5，為永久磁鐵51的磁極沿圓周方向逐次約90度迴轉形成環狀排列，環狀排列的外側磁場變弱，內側的磁場隨著外側磁場弱化的量相對增強，使永久磁鐵排列5的內側能產生強烈的磁場。

由於這樣構成永久磁鐵排列4、5，兩磁鐵排列4、5間的空間之磁場變強，另一方面，永久磁鐵排列4的內側與永久磁鐵排列5的外側，幾乎不會產生磁漏現象。然後，由於在永久磁鐵排列4、5間以同心圓狀配置線圈排列8，使能產生高電壓。由於配置了線圈排列8的領域之磁場變強，在構成線圈排列的線圈中不使用鐵芯，也變得能產生高電壓。由於沒有使用鐵芯，可以不用齒槽。

此外，上述的實施型態僅為其中一例，記錄於專利申請範圍的本發明，包含有多樣的變形例。舉例來說，本發明的適用範圍，不限於圖2所示的單層勵磁系統，如圖3所示的多層勵磁系統之旋轉電機也適用於本發明。另外，具備有複數段這樣的單層勵磁系統或多層勵磁系統，多段式勵磁系統的旋轉電機也適用於本發明。

(實施例1)

使用有如圖1所示之長方形斷面的永久磁鐵，將環狀雙層霍爾貝克勵磁系統如圖3構成3層。在永久磁鐵間的楔型間隙中不插入任何物品，使空氣介於之間。第一層，第三層的間隔中央的圓周方向磁力線密度以圖4、5表示。

(實施例2)

使用有如圖1所示之長方形斷面的永久磁鐵，將環狀雙層霍爾貝克勵磁系統如圖3構成3層。永久磁鐵間的楔型間隙中，插入能埋入楔型間隙的鐵。第一層，第三層的間隔中央的圓周方向磁力線密度以圖6、7表示。

(比較例)

使用有如圖10所示之梯型斷面的永久磁鐵，將環狀雙層霍爾貝克勵磁系統如圖3構成3層。第一層及第三層的間隔中央的圓周方向磁力線密度以圖8、9表示。

(評價)

從圖4~圖9的結果來看很明顯的，使用垂直於旋轉軸之斷面為長方形的永久磁鐵排列成雙層霍爾貝克排列的情況，若每個磁鐵的視角約為5度，可以得知就算在磁鐵間的空隙插入非磁性、非導電性的材料，勵磁系統間隙中央的磁力線密度至多減少3%左右。又磁力線密度的分布為漂亮的正弦波，永久磁鐵斷面形狀改變造成的差異是不被允許的。

一方面，在長方形斷面永久磁鐵之間的楔形間隙插入鐵，由於在磁路上減少磁阻抗，期待磁力線密度的增加，但是實際上，由於勵磁系統間隔中的磁力線集中在鐵塊上，而導致磁力線密度的下降。

如同上述，垂直旋轉軸的斷面為長方形的永久磁鐵構成雙層霍爾貝克排列的勵磁系統時，若預先在間隙的位置設置非磁性、非導電性材料並且固定，勵磁系統組裝時，永久磁鐵的位置就變得容易決定。又因為使用非磁性、非導電性材料，隨著勵磁系統間隔中磁力線密度的減少可 以迴避，電樞線圈造成磁力線變動而形成的渦電流亦不會發生。因此，亦可避免裝置的能源效率下降。

1‧‧‧旋轉電機

4‧‧‧永久磁鐵排列

5‧‧‧永久磁鐵排列

8‧‧‧線圈排列

41‧‧‧永久磁鐵

43‧‧‧間隙部材

51‧‧‧永久磁鐵

53‧‧‧間隙部材

Claims (4)

1. 一種旋轉電機，包含一轉子與一定子，該轉子安裝於一旋轉軸上，該轉子包含構成雙層霍爾貝克排列的二永久磁鐵排列，該定子包含一線圈排列，二該永久磁鐵排列及該線圈排列分別排列為環狀，各該永久磁鐵排列包含複數間隔排列的永久磁鐵，各該永久磁鐵垂直於該旋轉軸的斷面形狀為長方形。
2. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉電機，其中，鄰接的永久磁鐵間具有一間隙，該間隙內容置一間隙部材。
3. 如申請專利範圍第2項所述的旋轉電機，其中，該間隙部材為非磁性材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述的旋轉電機，其中，二該永久磁鐵排列及該線圈排列以同心圓狀排列，而該間隙及該間隙部材為楔形結構。