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TWI408868B - 旋轉電機頓轉轉矩最小化之互補式永久磁石結構 - Google Patents

旋轉電機頓轉轉矩最小化之互補式永久磁石結構 Download PDF

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TWI408868B
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Description

旋轉電機頓轉轉矩最小化之互補式永久磁石結構
本發明係為一種適用於電動機或發電機之永久磁石結構，尤其是有關於一種旋轉電機頓轉轉矩最小化之互補式永久磁石結構。
旋轉電機為了提升效率、增加功率密度及減少相對體積，因此採用永久磁石作為定磁場來源，隨著新製程及材質的演進，符合市場價格之高磁能積永久磁石遂大量應用於旋轉電機之開發。
當採用永久磁石作為定磁場來源，於無載轉動時，整個旋轉電機之磁路特性完全受到該定磁場主宰，旋轉時之磁路等效磁阻會產生相對於旋轉角度的周期性變化，例如由對應齒部間齒槽開口造成的效應。此種磁阻對應於旋轉角度的變化率會產生一種磁阻轉矩成分，有時又稱為止動轉矩，並正比於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之最小等效磁阻下所產生的轉矩，一般稱之為頓轉轉矩。
當驅動轉矩不明顯大於頓轉轉矩時，會產生不需要的輸出轉矩漣波，且會造成振動及噪音，並影響控制上的精度，於極低速運轉時特別顯著。旋轉電機之頓轉轉矩的產生一般可採以下關係式表示，
式中T cog 為頓轉轉矩、Φ 為氣隙等效磁通、R mag 為磁路等效磁阻及θ為旋轉角度。磁路等效磁阻的變化一般可以表示成相對於旋轉角度的周期性函數。相對地，頓轉轉矩成分為磁路等效磁阻對旋轉角度的微分。因此，頓轉轉矩也可以表示成相對於旋轉角度下具有正負對稱的周期性函數，有時以傅力葉級數表示之。
因此，若要降低頓轉轉矩的輸出量，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。頓轉轉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於一般所需之有效電磁轉矩輸出，所以若為了降低頓轉轉矩而減少氣隙等效磁通，也會同時減少電磁轉矩，故一般並不採用此方向。
第二個方法是減少磁路等效磁阻相對於旋轉角度的變化率，只要該磁路等效磁阻於旋轉過程中維持定值，即變化率為零的話，理想上便可完全沒有頓轉轉矩成分產生。為了減少磁路等效磁阻相對於旋轉角度變化率的相關設計，通常可以盡量避免對所需之有效電磁轉矩輸出及其他旋轉電機特性的負面影響，故一般採用此方向。
產生磁路等效磁阻變化的原因有很多，主要為容納繞線而產生的電樞鐵心齒槽結構及磁極鐵心相互旋轉下，產生磁通路徑更動，相對造成磁路等效磁阻的變化，包含磁極對應齒部的轉換過程、齒槽開口造成的空氣氣隙磁阻、磁路設計上的磁通密度改變及磁飽和現象等，均會直接或間接產生磁路等效磁阻變化，而造成頓轉轉矩的產生。
為了消除磁路等效磁阻變化，有多種習知採用的方式。包含斜齒槽或斜磁極的使用，將電樞齒槽、永久磁石磁極其中擇一以軸向距離連續旋轉一特定角度，或採用分段式的旋轉，使軸向的磁阻變化產生相位差，互補以減少總合成磁阻的變化，相對降低總合成頓轉轉矩。此種軸向連續或分段旋轉的方式，其缺點是會增加組裝及檢驗上的相對成本及時程。
尚可採用特殊的槽極比降低頓轉轉矩，通常槽數及磁極數之最大公約數越小及最小公倍數越大時，可以獲得越小的頓轉轉矩。但於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，甚至有時會產生不必要的徑向力，例如8極9槽的旋轉電機，其槽極比即會造成徑向力，一方面對轉軸軸承造成徑向負擔，另一方面還會進而產生振動及噪音，不適用於低振動及低噪音的特定應用。
另外，也有採用具有多個磁極鐵心數或是多個電樞鐵心數的旋轉電機組合，利用多個的磁極鐵心或多個的電樞鐵心結構相互作用，同時產生之頓轉轉矩具有相同大小，卻剛好差180度電氣角或是特定的相位差，於旋轉過程中剛好可達到相互抵消的效果，但是較適用於真正需要多個磁極鐵心數或是多個電樞鐵心數的旋轉電機設計，否則會增加結構複雜度，增加製造、組裝及檢驗上的相對成本及時程。
一般也很常採用的是改變相鄰氣隙面的電樞鐵心齒靴表面或內部結構，亦或改變相鄰氣隙面的磁極表面或內部結構，即降低氣隙周圍的總等效磁阻變化。例如，可於齒靴表面增加凹槽、放大表面弧線、齒靴內部增加不同導磁率之材質等，亦或是改變表面貼磁式磁石弧度、磁極內部增加不同導磁率之材質等，均可達到抑制總等效磁阻的變化，然而上述配置在製造時均有不便。
因此，要如何立即適用於一般生產流程而不需要特定對應的特殊製程、產生額外的成本及時程，並且具備結構簡單，不顯著影響結構強度及輸出特性而將頓轉轉矩最小化係為非常重要之課題。
本發明係提供一種旋轉電機頓轉轉矩最小化之互補式永久磁石結構，包含：一磁極鐵心，其係呈圓柱狀且圓周上平均環設有偶數個弧狀磁極組，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，係呈環狀且設有複數個槽，該電樞鐵心之槽數與磁極鐵心之磁極數比值係為3/2；其中，該第一永久磁石單元與該第二永久磁石單元係對稱設置以產生兩組波形相位差為180度電氣角之頓轉轉矩，並藉由調整第一永久磁石單元與第二永久磁石單元之面積形狀以使得兩組頓轉轉矩互補而抵消。
為使　貴審查委員對於本發明之結構和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如後。
請參見圖一，該圖係為習知磁極設計之立體圖。磁極鐵心B2係呈圓柱狀且圓周上平均環設有若干弧狀永久磁石集合B3，各磁極於參考線L1、L2間之永久磁石集合B3係對稱於磁極中心線C1，且分別於磁極中心線C1、參考線L1間展開角A1，於磁極中心線C1、參考線L2間展開角A2，且兩展開角A1=A2，如圖二所示。展開角A1之對應積厚為D1，展開角A2之對應積厚為D2，因此該永久磁石集合B3之總對應積厚為(D1+D2)，如圖三所示。於此習知技術中，需藉由調整展開角A1、展開角A2以獲得其所需之頓轉轉矩特性。
本發明之旋轉電機頓轉轉矩最小化之互補式永久磁石結構則如圖四A所示，其係適用於電動機、發電機或其他應用。該旋轉電機包含一個磁極鐵心B2及一個電樞鐵心B1。磁極鐵心B2係呈圓柱狀且圓周上平均環設有偶數個弧狀磁極組B3’，各磁極組B3’由位於第一組參考線L3、L4間之第一永久磁石單元B31及位於第二組參考線L5、L6間之第二永久磁石單元B32組成，如圖五所示；電樞鐵心B1具有複數個的槽S。槽S之數量(槽數)與磁極鐵心B2之磁極數比值為3/2之分數比。此外，磁極鐵心B2除了前述之圓柱狀之外，更可以如圖四B所示之結構。在圖四B中，磁極鐵心B2上具有偶數個凹槽B21，以分別提供容置該偶數個弧狀磁極組B3’。
位於第一組參考線L3、L4間之第一永久磁石單元集合B31對稱於磁極中心線C1，且於磁極中心線C1、參考線L3間展開角A3，於磁極中心線C1、參考線L4間展開另一角度A4，且展開角A3=展開角A4。該第一永久磁石單元集合B31之總展開角(A3+A4)<(360度/槽數S)且搭配對應積厚D3，如圖五及圖六所示。
位於第二組參考線L5、L6間之第二永久磁石單元集合B32對稱於磁極中心線C1，且於磁極中心線C1、參考線L5間展開角A5，於磁極中心線C1、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之總展開角(A5+A6)>(360度/槽數S)且搭配對應積厚D4，如圖五及圖六所示。
第一永久磁石單元集合B31之總展開角(A3+A4)<(360度/槽數S)及第二永久磁石單元集合B32之總展開角(A5+A6)>(360度/槽數S)可決定出兩組波形相近、相位剛好差180度電氣角之頓轉轉矩。再者，經由選定適當的第一永久磁石單元集合B31之對應積厚D3及第二永久磁石單元集合B32之對應積厚D4，可使兩組頓轉轉矩的大小相同。故該互補式永久磁石結構可令兩組頓轉轉矩相互抵消，結果使總合成頓轉轉矩達到最小化，如圖七所示，其以習知技術所產生的頓轉轉矩進行標么化比較，縱軸為標么化的頓轉轉矩大小、橫軸為旋轉角度以電氣角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，且選定對應的第一永久磁石單元集合B31之積厚D3等於第二永久磁石單元集合B32之積厚D4即可；於此種配置中之互補式永久磁石結構可令兩組頓轉轉矩相互抵消，結果使總合成頓轉轉矩達到最小化。
再將習知技術與本發明實施例一所產生之頓轉轉矩進行標么化比較，如圖八所示，其中縱軸為標么化的頓轉轉矩大小、橫軸為旋轉角度以電氣角180度展開。在本發明實施例一之配置下，相較於習知技術，本發明之頓轉轉矩峰對峰值能減少約80%之頓轉轉矩輸出量，達到旋轉電機頓轉轉矩最小化之目的。
本發明另一實施例為8極12槽的旋轉電機，其配置係依據前述實施例，如圖九至圖十一所示。類似第一實施例，第二實施例之第一及第二永久磁石單元集合B31、B32所形成之互補式永久磁石結構，如圖九所示，然而與第一實施例不同之處在於第一及第二永久磁石單元集合B31、B32之寬度與長度係有所變化。第一永久磁石單元集合B31展開角為(A3+A4)為23度、第二永久磁石單元集合B32展開角為(A5+A6)為43度，如圖十所示；且選定對應的第一永久磁石單元集合B31之積厚D3大於第二永久磁石單元集合B32之積厚D4，如圖十一所示。
第二實施例之互補式永久磁石結構可令兩組頓轉轉矩相互抵消，結果使總合成頓轉轉矩達到最小化，如圖十二所示，其以習知技術例所產生的頓轉轉矩進行標么化比較，縱軸為標么化的頓轉轉矩大小、橫軸為旋轉角度以電氣角180度展開。
再將習知技術與本發明第二實施例所產生之頓轉轉矩進行標么化比較，如圖十三所示，其中縱軸為標么化的頓轉轉矩大小、橫軸為旋轉角度以電氣角180度展開。依據本發明第二實施例之配置，本發明之頓轉轉矩峰對峰值相較於習知技術能減少約70%之頓轉轉矩輸出量，達到旋轉電機頓轉轉矩最小化之目的。
由上可知，本發明之旋轉電機頓轉轉矩最小化之互補式永久磁石結構係可立即適用於現今的一般生產流程，其適用於電動機或發電機，不需對應特定的特殊製程，因此不會耗費額外成本及時程，且具備結構簡單、不顯著影響結構強度與輸出特性之特性，合應獲得專利以使相關產業之從業人員能據以利用來促進產業發展。
唯以上所述者，僅為本發明之最佳實施態樣爾，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
A1．．．展開角
A2．．．展開角
A3．．．展開角
A4．．．展開角
A5．．．展開角
A6．．．展開角
B1．．．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
C1．．．磁極中心線
D1．．．積厚
D2．．．積厚
D3．．．積厚
D4．．．積厚
L1．．．參考線
L2．．．參考線
S．．．槽
圖一係為習知技術之旋轉電機磁極鐵心的磁極結構立體圖；
圖二係為習知技術之旋轉電機部分軸向結構之剖面圖；
圖三係為習知技術之旋轉電機永久磁石徑向結構之示意圖；
圖四A係為本發明之旋轉電機磁極鐵心之磁極結構之立體圖；
圖四B係為本發明之磁極鐵心另一實施例示意圖。
圖五係為本發明之旋轉電機部分軸向結構之剖面圖；
圖六係為本發明之旋轉電機永久磁石徑向結構之示意圖；
圖七係為本發明第一實施例之磁石單元的頓轉轉矩-展開後電氣角之比較圖；
圖八為本發明第一實施例與習知技術的頓轉轉矩-展開後電氣角之比較圖；
圖九係為本發明之旋轉電機磁極鐵心之磁極結構之立體圖，其係顯示第二實施例；
圖十係為本發明之旋轉電機部分軸向結構之剖面圖，其係顯示第二實施例；
圖十一係為本發明之旋轉電機永久磁石徑向結構之示意圖，其係顯示第二實施例；
圖十二係為本發明第二實施例之磁石單元的頓轉轉矩-展開後電氣角之比較圖；以及
圖十三為本發明第二實施例與習知技術的頓轉轉矩-展開後電氣角之比較圖。
B2‧‧‧磁極鐵心
B3’‧‧‧磁極組
B31‧‧‧第一永久磁石單元
B32‧‧‧第二永久磁石單元

Claims (3)

  1. 一種旋轉電機頓轉轉矩最小化之互補式永久磁石結構，其包含有：一磁極鐵心B2，其係呈圓柱狀且圓周上平均環設有偶數個弧狀磁極組B3’，各磁極組B3’由一第一永久磁石單元B31及一第二永久磁石單元B32組成；以及一電樞鐵心B1，係呈環狀且設有複數個槽，該電樞鐵心B1之槽數與該磁極鐵心B2之磁極數比值係為3/2；其中，該第一永久磁石單元B31之總展開角(A3+A4)<(360度/槽數S)及該第二永久磁石單元B32之總展開角(A5+A6)>(360度/槽數S)可決定出兩組波形相近、相位剛好差180度電氣角之頓轉轉矩，經由選定適當的第一永久磁石單元集合B31之對應積厚D3及第二永久磁石單元集合B32之對應積厚D4，可使兩組頓轉轉矩的大小相同，故該互補式永久磁石結構可令兩組頓轉轉矩相互抵消，結果使總合成頓轉轉矩達到最小化。
  2. 如申請專利範圍第1項之旋轉電機頓轉轉矩最小化之互補式永久磁石結構，其中第一永久磁石單元B31之中心線係相同於磁極組B3’之中心線C1，且該第一永久磁石單元具有一第一展開角(A3+A4)，該第一展開角(A3+A4)係小於(360度除以槽數)。
  3. 如申請專利範圍第1項之旋轉電機頓轉轉矩最小化之互補式永久磁石結構，其中第二永久磁石單元B32之中心 線係相同於磁極組B3’之中心線C1，且該第二永久磁石單元B31具有一第二展開角(A5+A6)，該第二展開角(A5+A6)係大於(360度除以槽數)。
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