TWI613878B - 永磁式轉子與永磁式轉動構件 - Google Patents
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Abstract
一種永磁式轉子包含一轉子鐵心、多個永久磁鐵及一非磁性外固定環。轉子鐵心具導磁性，並具有一外表面及自外表面向內凹陷之多個鳩尾槽。這些永久磁鐵分別卡合於這些鳩尾槽。非磁性外固定環套設於轉子鐵心，並將這些永久磁鐵環繞於內。其中，非磁性外固定環不具導磁性。
Description
本發明係關於一種轉子轉動構件，特別是一種永磁式轉子永磁式轉動構件。
在高速永久磁鐵馬達領域中，常見的挑戰為轉子在高速旋轉所形成的離心力會迫使永久磁鐵沿轉軸的徑向向外甩。因此，如何確保轉子在高速旋轉時磁鐵能保持固定於轉子鐵心上，則成為此領域研發人員的努力目標。
永久磁鐵馬達或交流發電機使用兩方法以將磁鐵固定至轉子軸。第一方法為表面安裝，其中黏著劑被用以將磁鐵黏結至轉子軸的表面。第二方法為內藏法，將磁鐵藏在轉子鐵心內，以藉由轉子鐵心固定在轉子軸上。
然而，對於表面安裝法來說，由於黏著劑的強度有限，轉速所產生的離心力超過黏著劑的黏著力時，受黏著劑黏著的磁鐵則有可能脫離。因此，對於表面安裝法來說，安裝有磁鐵的永久磁鐵馬達或交流發電機的速度及功率將受到限制。對於內藏法來說，因轉子鐵心具導磁性，故必需將轉子鐵心位於永久磁鐵外圍之部分薄化，以避免減損馬達之效率。但轉子鐵心之外壁變薄卻會降低結構強度，導致永久磁鐵有被甩出的風險。因此上述兩種方法皆無法有效確保高速永久磁鐵馬達的組裝可靠度。
本發明在於提供一種永磁式轉子與永磁式轉動構件，藉以改善表面安裝法與內藏法皆無法兼顧高速轉動下之永久磁鐵馬達的組裝可靠度與馬達效率的問題。
本發明之一實施例所揭露之永磁式轉子包含一轉子鐵心、多個永久磁鐵及一非磁性外固定環。轉子鐵心具導磁性，並具有一外表面及自外表面向內凹陷之多個鳩尾槽。這些永久磁鐵分別卡合於這些鳩尾槽。非磁性外固定環套設於轉子鐵心，並將這些永久磁鐵環繞於內。其中，非磁性外固定環不具導磁性。
本發明之一實施例所揭露之永磁式轉動構件，包含一轉軸、至少一個永磁式轉子及一定子。至少一個永磁式轉子套設於轉軸，並包含一轉子鐵心、多個永久磁鐵及一非磁性外固定環。轉子鐵心具導磁性，並具有一外表面及自外表面向內凹陷之多個鳩尾槽。這些永久磁鐵分別卡合於這些鳩尾槽。非磁性外固定環套設於轉子鐵心，並將這些永久磁鐵環繞於內。非磁性外固定環不具導磁性。定子環繞永磁式轉子與轉軸。
根據上述實施例之永磁式轉子與永磁式轉動構件，永久磁鐵透過轉子鐵心之鳩尾槽與非磁性外固定環雙重防護來固定於轉子鐵心上，有助於避免永磁式轉子在高速轉動時發生永久磁鐵撞擊定子的問題。
此外，因非磁性外固定環不具導磁性，故不用擔心非磁性外固定環的厚度增加會影響永久磁鐵與定子線圈有交鏈的磁力線迴路數量，進而能夠兼顧馬達效率與組裝可靠度。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
請參閱圖1至圖4。圖1為根據本發明第一實施例所述之永磁式轉動構件的立體示意圖。圖2為圖1之分解示意圖。圖3為圖2之永磁式轉子的分解示意圖。圖4為圖1之剖面示意圖。
本實施例之永磁式轉動構件1包含一轉軸10、一永磁式轉子20及一定子30。永磁式轉子20適用於高速旋轉的裝置，此處所謂之高速例如為每分鐘30000轉以上。永磁式轉子20套設於轉軸10，以令永磁式轉子20和轉軸10一併轉動。定子30例如固定於馬達殼體(未繪示)，並將永磁式轉子20與轉軸10圍繞於內。本實施例之永磁式轉子20的數量為多個，但並不以此為限，在其他實施例中，永磁式轉子20的數量也可以僅為單個。
永磁式轉子20包含一轉子鐵心100、多個永久磁鐵200及一非磁性外固定環300。
轉子鐵心100具導磁性，其材料例如為鐵、鈷、鎳等合金。轉子鐵心100具有一中心軸線A、一外表面110及自外表面110向內凹陷之多個鳩尾槽120。每一鳩尾槽120具有相對的二槽側面121。兩槽側面121的間距隨遠離中心軸線A而遞減。
這些永久磁鐵200分別緊配地卡合於這些鳩尾槽120，其用意在於可使得這些永久磁鐵200受到二槽側面121的壓迫而貼附於轉子鐵心100。因此，當永磁式轉子20在高速旋轉時，永久磁鐵200可受鳩尾槽121之拘束而可避免朝轉子鐵心100之徑向位移，即可避免永久磁鐵200脫離轉子鐵心100。如此一來，即可避免永久磁鐵200撞擊外圍之定子30而造成馬達損壞的狀況發生。
上述之永久磁鐵200與鳩尾槽120的數量各為四個，但並不以此為限，在其他實施例中，永久磁鐵200與鳩尾槽120的數量也可以為三個或五個以上。惟，永久磁鐵200與鳩尾槽120的數量越多則永久磁鐵200鳩尾槽120的組裝可靠度越高。
雖然上述提及鳩尾槽120可避免朝轉子鐵心100之徑向位移，但光靠轉子鐵心100的鳩尾槽120仍無法完全避免永久磁鐵200撞擊外圍之定子30的狀況發生。其原因在於，永磁式轉子20在高速旋轉時，存放永久磁鐵200之鳩尾槽120，會因離心力過大而造成永久磁鐵200的二側變形或斷裂。或是，轉子鐵心100亦有可能受離心力影響而產生變形。因此，當永磁式轉子20高速轉動時，永久磁鐵200亦有可能自鳩尾槽120脫出。
因此，在本實施例中，更額外透過非磁性外固定環300緊配套設於轉子鐵心100，以令非磁性外固定環300扮演第二道防護關卡。詳細來說，非磁性外固定環300不具導磁性，其材料例如為鈦合金。非磁性外固定環300套設於轉子鐵心100，並將這些永久磁鐵200環繞於內。
此外，如圖4所示，非磁性外固定環300具有一內徑Di，轉子鐵心100具有一外徑Do，且內徑Di小於外徑Do，使非磁性外固定環300緊配套設於轉子鐵心100。其中，內徑Di例如比外徑Do小0.35毫米，並可透過組裝治具(未繪示)將非磁性外固定環300套設於轉子鐵心100上。當永久磁鐵200可能自鳩尾槽脫出時，仍可藉由非磁性外固定環300來將永久磁鐵200限制於鳩尾槽120內。其中，在本實施例中，內徑Di與外徑Do的差值為0.35毫米，但並不以此為限，在其他實施例中，內徑Di與外徑Do的差值可為介於0.25至0.45毫米之任一值。
再者，永久磁鐵200具有遠離轉子鐵心100之中心軸線A的一外側面210。外表面110至中心軸線A的距離D1大於外側面至中心軸線A的距離D2，以減少非磁性外固定環300與轉子鐵心100的接觸面積，進而讓非磁性外固定環更易套設於轉子鐵心。其中，距離D1與距離D2之差異例如為0.1~0.2毫米。
在本實施例中，因非磁性外固定環300不具導磁性，故不用擔心非磁性外固定環300的厚度太厚會減少永久磁鐵200與定子線圈有交鏈的磁力線迴路數量。如此一來，將可依結構強度需求來加厚非磁性外固定環300，進而防止永磁式轉子在高速旋轉時，永久磁鐵200會脫離鳩尾槽120撞擊非磁性外固定環300。
請參閱圖5與圖6，圖5為採用圖1之永磁式轉子的磁力線迴路示意圖。圖6為採用永久磁鐵直接嵌設於轉子鐵心之轉子的磁力線迴路示意圖。
如圖5所示，採用本實施例之，因非磁性外固定環300不具導磁性，使得磁力線由永久磁鐵200發出跑到定子30內部再回到永久磁鐵200原始位置，形成多個永久磁鐵200與定子線圈有交鏈的磁力線迴路L1。
相較之下，如圖6所示，若把本實施例之永磁式轉子20改為用習知之轉子20’(永久磁鐵嵌設於轉子鐵心的態樣)，也就是說，具導磁性之轉子鐵心有部分介於永久磁鐵與定子之間。因，轉子鐵心具導磁性，故永久磁鐵與定子線圈間大部分變成無交鏈的磁力線迴路L2。因此，永久磁鐵與定子線圈間有交鏈的磁力線迴路L1數量則大幅下降。
請參閱圖7，圖7為採用圖1之永磁式轉子與採用習知技術之永久磁鐵嵌設於轉子鐵心之效率曲線比較圖。
從圖7中可知，採用本實施例之永磁式轉子20的馬達的效率值可達93%至96%。但採用習知技術之永久磁鐵嵌設於轉子鐵心的馬達的效率值僅可達到77%至84%。因此，不難發現採用本實施例之永磁式轉子20可大幅提升馬達的效率值。
根據上述實施例之永磁式轉子與永磁式轉動構件，永久磁透過轉子鐵心之鳩尾槽與非磁性外固定環雙重防護來固定於轉子鐵心上，有助於避免永磁式轉子在高速轉動時發生永久磁鐵撞擊定子的問題。
此外，因非磁性外固定環不具導磁性，故不用擔心非磁性外固定環的厚度增加會影響永久磁鐵與定子線圈有交鏈的磁力線迴路數量，進而能夠兼顧馬達效率與組裝可靠度。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧永磁式轉動構件
10‧‧‧轉軸
20‧‧‧永磁式轉子
30‧‧‧定子
100‧‧‧轉子鐵心
110‧‧‧外表面
120‧‧‧鳩尾槽
121‧‧‧槽側面
200‧‧‧永久磁鐵
210‧‧‧外側面
300‧‧‧非磁性外固定環
A‧‧‧中心軸線
L1、L2‧‧‧磁力線迴路
Do‧‧‧外徑
Di‧‧‧內徑
D1、D2‧‧‧距離
10‧‧‧轉軸
20‧‧‧永磁式轉子
30‧‧‧定子
100‧‧‧轉子鐵心
110‧‧‧外表面
120‧‧‧鳩尾槽
121‧‧‧槽側面
200‧‧‧永久磁鐵
210‧‧‧外側面
300‧‧‧非磁性外固定環
A‧‧‧中心軸線
L1、L2‧‧‧磁力線迴路
Do‧‧‧外徑
Di‧‧‧內徑
D1、D2‧‧‧距離
圖1為根據本發明第一實施例所述之轉軸、永磁式轉子與定子相組的立體示意圖。 圖2為圖1之分解示意圖。 圖3為圖2之永磁式轉子的分解示意圖。 圖4為圖1之剖面示意圖。 圖5為採用圖1之永磁式轉子的磁力線迴路示意圖。 圖6為採用永久磁鐵直接嵌設於轉子鐵心之轉子的磁力線迴路示意圖。 圖7為採用圖1之永磁式轉子與採用習知技術之永久磁鐵嵌設於轉子鐵心之效率曲線比較圖。
Claims (10)
- 一種永磁式轉子，包含：一轉子鐵心，該轉子鐵心具導磁性，並具有一外表面及自該外表面向內凹陷之多個鳩尾槽；多個永久磁鐵，分別卡合於該些鳩尾槽；以及一非磁性外固定環，套設於該轉子鐵心，並將該些永久磁鐵環繞於內，該非磁性外固定環不具導磁性；其中，該轉子鐵心具有一中心軸線，該永久磁鐵具有遠離該轉子鐵心之該中心軸線的一外側面，該外表面至該中心軸線的距離大於該外側面至該中心軸線的距離。
- 如請求項1所述之永磁式轉子，其中該非磁性外固定環具有一內徑，該轉子鐵心具有一外徑，且該內徑小於該外徑。
- 如請求項2所述之永磁式轉子，其中該內徑與該外徑的差值介於0.25至0.45毫米。
- 如請求項1所述之永磁式轉子，其中該外表面至該中心軸線與該外側面至該中心軸線的距離差介於0.1至0.2毫米。
- 如請求項1所述之永磁式轉子，其中該些永久磁鐵分別緊配地裝設於該些鳩尾槽。
- 如請求項1所述之永磁式轉子，其中該轉子鐵心具有一中心軸線，該鳩尾槽具有相對的兩槽側面，該兩槽側面的間距隨遠離該中心軸線而遞減。
- 如請求項1所述之永磁式轉子，其中該非磁性外固定環的 材料為鈦合金。
- 如請求項1所述之永磁式轉子，其中該些永久磁鐵的數量為至少三個。
- 一種永磁式轉動構件，包含：一轉軸；至少一個永磁式轉子，套設於該轉軸，包含：一轉子鐵心，該轉子鐵心具導磁性，並具有一外表面及自該外表面向內凹陷之多個鳩尾槽；多個永久磁鐵，分別卡合於該些鳩尾槽；以及一非磁性外固定環，套設於該轉子鐵心，並將該些永久磁鐵環繞於內，該非磁性外固定環不具導磁性，該轉子鐵心具有一中心軸線，該永久磁鐵具有遠離該轉子鐵心之該中心軸線的一外側面，該外表面至該中心軸線的距離大於該外側面至該中心軸線的距離；以及一定子，環繞該永磁式轉子與該轉軸。
- 如請求項9所述之永磁式轉動構件，其中該至少一個永磁式轉子的數量為複數個，該定子環繞該些永磁式轉子與該轉軸。
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