TWI630777B - 軸向磁通電機 - Google Patents

Abstract

一種軸向磁通電機，包含模組化定子組件、轉子組件，以及多個隔離元件。模組化定子組件包含多個定子單體，定子單體包一磁芯以及至少一繞組。磁芯包含有第一板體、第二板體，及連接第一板體與第二板體的側壁，繞組設置在磁芯上。定子單體組合成為模組化定子組件，將定子組件模組化的設計可以提升佔槽率以及提供較佳的馬達頓轉矩。隔離元件則是設置於磁芯之間。轉子組件設置於模組化定子組件內，且包含間隔排列的第一磁性體與第二磁性體，第一磁性體與第二磁性體之磁力線分別通過磁芯的側壁而構成方向相異的C型磁通迴路，進而提升功率密度。

Description

軸向磁通電機

本發明是關於一種磁通電機，特別是關於一種軸向磁通電機。

馬達是一種常見的旋轉電機。馬達在結構上可分成定子、轉子、設置在定子上的繞組，以及轉子上的磁性體。馬達藉由輸入電流產生交變磁場，將電能轉為機械能。

現行馬達依照磁力線(磁通)方向分類，可分為徑向磁通馬達與軸向磁通馬達二種形式，兩者分別在製造工藝上各有亟欲改進的部分。舉例而言，傳統的徑向磁通電機之氣隙對馬達特性影響較大，磁性體的形狀較為複雜，故製作工藝難度較高，其電機長度亦長於軸向磁通電機的電機長度。而另一方面，傳統的軸向磁通電機中，在將線圈繞在磁芯上時需要在磁芯的靴部之間預留足夠的間隙供繞線設備通過，且繞線設備的繞線角度亦會受到限制，因此導致線圈的佔槽率較低。

因此，如何降低馬達生產以及組裝的困難度，便成為一個重要的課題。

本發明之一實施方式提供一種軸向磁通電機，包含一模組化定子組件、複數個隔離元件以及一轉子組件。模組化定子組件包含複數個定子單體，其中每一定子單體包含一第一磁芯、一第二磁芯、一第一繞組與一第二繞組。第一繞組設置於第一磁芯中，第二繞組設置於第二磁芯中。第一磁芯包含第一板體與第一側壁，第一板體之一端與第一側壁之一端連接，使第一磁芯的截面形狀呈L形。第二磁芯包含第二板體與第二側壁，第二板體之一端與第二側壁之一端連接，使第二磁芯的截面形狀呈L形， 第一側壁的另一端與第二側壁的另一端實體接觸。隔離元件設置於相鄰的第一磁芯之間以及相鄰的第二磁芯之間。轉子組件設置在第一磁芯跟第二磁芯之間，其中轉子組件包含間隔設置的複數個第一磁性體與複數個第二磁性體，第一磁性體與第二磁性體之磁力線分別通過第一側壁與第二側壁而構成方向相異的C型磁通迴路。

於一或多個實施例中，C型磁通迴路包含第一磁性體的磁力線與第二磁性體的磁力線，其中第一磁性體的磁力線由第一磁性體的上表面出發，依序通過第一繞組、第一板體、第一側壁、第二側壁、第二板體以及第二繞組回到第一磁性體的下表面，以及第二磁性體的磁力線由第二磁性體的下表面出發，依序通過第二繞組、第二板體、第二側壁、第一側壁、第一板體以及第一繞組回到第二磁性體的上表面。

於一或多個實施例中，第一繞組與第二繞組分別包含線圈架以及線圈，其中線圈架固定於第一板體或該第二板體後，線圈再繞設於線圈架上。第一磁芯與第二磁芯包含齒部與靴部，齒部設置於第一板體或第二板體上，用以定位線圈架。靴部與齒部卡合。

於一或多個實施例中，第一繞組與第二繞組分別包含線圈架以及線圈。第一磁芯與第二磁芯分別包含齒部與靴部，齒部設置於第一板體或第二板體上。線圈繞設於線圈架後，線圈架為可分離地組合於齒部，靴部與齒部卡合以固定線圈架。

本發明之另一實施方式提供了一種軸向磁通電機，包含一模組化定子組件、複數個隔離元件以及一轉子組件。模組化定子組件包含複數個定子單體，每一定子單體包含一磁芯與設置於磁芯內的至少一繞組，其中磁芯包含一第一板體、一第二板體，以及連接第一板體與第二板體之一側壁，第一板體實質上平行於第二板體。隔離元件設置於磁芯之間。轉子組件設置於模組化定子組件內，轉子組件包含間隔設置的複數個第一磁性體與複數個第二磁性體，第一磁性體與第二磁性體之磁力線分別通過側壁而構成方向相異的C型磁通迴路。

於一或多個實施例中，C型磁通迴路包含第一磁性體的磁力線與第二磁性體的磁力線，其中第一磁性體的磁力線由第一磁性體的上表面出發，依序經由第一板體、側壁以及第二板體回到第一磁性體的下表面，第二磁性體的磁力線由第二磁性體的下表面出發，依序經由第二板體、側壁以及第一板體回到第二磁性體的上表面。

於一或多個實施例中，繞組包含線圈架以及線圈，線圈架固定於第一板體或第二板體後，線圈再繞設於線圈架上。磁芯包含齒部與靴部，齒部設置於第一板體或第二板體上，用以定位線圈架。靴部與齒部卡合。

於一或多個實施例中，繞組包含線圈架以及線圈。磁芯包含齒部與靴部，齒部設置於第一板體或第二板體。線圈繞設於線圈架後，線圈架為可分離地組合於齒部，靴部用以與齒部卡合而固定線圈架。

本發明提供了一種軸向磁通電機，此軸向磁通電機中的定子組件透過模組化的設計而分割成多個定子單體，使得在進行繞線作業時，線圈為在個別的定子單體上分開繞線，而後再將定子單體排列合在一起，如此一來，不須在磁芯的靴部之間預留繞線設備的作業空間，且繞線設備的角度亦不再受限，進而提升繞組的佔槽率。同時，將定子組件模組化之後，磁芯中的靴部面積較大，可以提供較佳的馬達頓轉矩特性。除此之外，於部分實施例中，定子單體中的繞組為可分離式地組裝於磁芯上，換言之，繞組可先繞設在線圈架上，而後再將線圈架與定子單體中的齒部卡合，因此可以讓繞組的組裝更為容易。此軸向磁通電機的磁通迴路會通過磁芯的側壁，故從截面觀之呈C型，此種C型磁通迴路的設計可以具有良好的功率密度。

請同時參照第1圖與第2圖，其分別為本發明之軸向磁通電機一實施例的立體視圖以及拆解圖。軸向磁通電機100包含有模組化定子組件200以及轉子組件300。模組化定子組件200是由多個定子單體210所構成，轉子組件300設置於模組化定子組件200內，且可相對於模組化定子組件200旋轉。

模組化定子組件200中的每一個定子單體210大致上具有相同的形狀與尺寸，本實施例中的定子單體210的形狀從上視視角觀之近似於楔形，而多個定子單體210組合成環形的定子結構。於一實施例中，每一個定子單體210包含有第一磁芯220、設置於第一磁芯220上之第一繞組230、第二磁芯240，以及設置於第二磁芯240上之第二繞組250。轉子組件300則是配置在第一繞組230與第二繞組250之間。

第一磁芯220的截面形狀呈L形，第二磁芯240的截面形狀呈L形，而當第一磁芯220與第二磁芯240組合時，第一磁芯220的一端實體接觸第二磁芯240的一端，使得第一磁芯220與第二磁芯240組合後的截面形狀呈C形。於一實施例中，第一磁芯220包含有第一板體222以及第一側壁224，第一板體222之一端與第一側壁224之一端連接，使第一磁芯220的截面形狀呈L形。第二磁芯240包含有第二板體242以及第二側壁244，第二板體242之一端與第二側壁244之一端連接，使第二磁芯240的截面形狀呈L形。而第一側壁224之另一端與第二側壁244之另一端實體連接，使得第一磁芯220與第二磁芯240組合後的截面形狀呈C形。於一實施例中，第一磁芯220的第一板體222大致上平行於第二磁芯240的第二板體242。

第一磁芯220與第二磁芯240的材料為軟磁複合材(soft magnetic composite，SMC)，如鐵粉芯、鐵氧體、磁性玻璃、合金薄片等。於一實施例中，第一磁芯220為一體成形地製作而成，第二磁芯240亦為一體成形地製作而成。於第一磁芯220中，第一板體222與第一側壁224的厚度可為相同或是不同。於第二磁芯240中，第二板體242與第二側壁244的厚度可為相同或是不同。

模組化定子組件200更包含有多個隔離元件260，隔離元件260設置於定子單體210之間，用以隔離相鄰的定子單體210。隔離元件260的材料為非導磁材料，如塑膠、膠體、泡棉等。於一實施例中，隔離元件260可配置在第一磁芯220以及第二磁芯240的側表面，使相鄰的定子單體210彼此之間不直接接觸。

轉子組件300設置在第一磁芯220與第二磁芯240之間。轉子組件300包含有間隔排列的多個第一磁性體310以及第二磁性體320。第一磁性體310與第二磁性體320的可為實質上相同但是磁力線方向相反的永磁體。舉例而言，若是第一磁性體310為N極朝向第一磁芯220，S極朝向第二磁芯240，則與其相鄰的第二磁性體320為S極朝向第一磁芯220，N極朝向第二磁芯240。換言之，第一磁性體310與第二磁性體320所組成的轉子組件300是N極與S極交替排列的磁性體配置。

模組化定子組件200中之定子單體210的個數可以相同或是不同於轉子組件300中第一磁性體310與第二磁性體320的對數。定子單體210的個數(相當於繞組的槽數)與第一磁性體310與第二磁性體320的對數可決定軸向磁通電機100的槽極比與繞組的電氣角。於一實施例中，模組化定子組件200中之定子單體210的個數為12個，相當於定子槽數為12個，而轉子組件300中之第一磁性體310與第二磁性體320共10個，磁極數為5對，每一個繞組的電氣角為150度。

參照第3圖，其為本發明之軸向磁通電機一實施例之磁通迴路的示意圖。為了清楚表示本實施例之特徵，第3圖中僅繪示單一一個定子單體210，其餘的定子單體210予以隱藏而未繪示，合先敘明。

於一實施例中，第一磁芯220與第二磁芯240的截面形狀為L形，因此，當第一磁芯220與第二磁芯240組裝在一起，使得第一磁芯220的一端與第二磁芯240的一端實體接觸之後，第一磁芯220與第二磁芯240構成完整的磁通迴路。

具體而言，以第一磁性體310為例，其為N極朝向第一磁芯220，S極朝向第二磁芯240，第一磁性體310的磁力線從第一磁性體310的上表面出發，依序通過第一繞組230第一板體222、第一側壁224、第二側壁244、第二板體242、第二繞組250後，回到第一磁性體310的下表面。反之，若是第二磁性體320，則其磁力線方向便會是從第二磁性體320的下表面出發，依序通過第二繞組250、第二板體242、第二側壁244、第一側壁224、第一板體222以及第一繞組230後，回到第二磁性體320的上表面。

綜上所述，軸向磁通電機100中第一磁芯220與第二磁芯240相連構成C型的磁芯。又由於相鄰的第一磁芯220與第二磁芯240之間藉由隔離元件260隔離，因此，每個定子單體210中第一磁性體310及/或第二磁性體320的磁力線會順著所在之第一磁芯220與第二磁芯240導引，而讓第一磁性體310與第二磁性體320的磁力線分別通過磁芯的側壁而構成方向相反的C型磁通迴路。

不同於傳統的軸向磁通電機，由於傳統的軸向電機不具有側壁以及隔離元件，故傳統的軸向磁通電機中，每一磁性體的磁力線在鄰近於磁性體的上表面或下表面處是與徑向垂直，而使磁力線通過相鄰的磁性體後回到所述之磁性體。而本發明之軸向磁通電機中由於具有側壁以及隔離元件。故每一磁性體的磁力線在鄰近於磁性體的上表面或下表面處(即第一板體222與第二板體242近處)是與徑向平行，每一磁性體的磁力線是通過磁芯的側壁(即通過第一側壁224與第二側壁244)後回到所述的磁性體，而不會通過相鄰的磁性體，故此種C型磁通迴路設計可以提升軸向磁通電機100的功率密度。

參照第4圖，其為本發明之軸向磁通電機一實施例之繞組的拆解圖。軸向磁通電機100將定子組件模組化而分割為多個定子單體，於部分實施例中，定子單體中的繞組為可分離式地組裝於磁芯上。繞組可為前述之第一繞組230或是第二繞組250，磁芯可為前述之第一磁芯220或是第二磁芯240，為了便於說明，本實施例中以第二繞組250與第二磁芯240的組裝進行說明，但是此結構亦可視為第一繞組230與第一磁芯220倒置的結果，故第一繞組230與第一磁芯220的組裝在此便不再贅述。

於一實施例中，第二磁芯240包含第二板體242、第二側壁244以及設置於第二板體242之齒部246。第二繞組250包含有線圈架252以及線圈254。於一實施例中，線圈254為導體材料，如為漆包線圈或是金屬線匣。待線圈254組裝於線圈架252後，再將線圈架252與第二磁芯240上之齒部246卡合定位。第二磁芯240可更選擇性地包含有靴部248，靴部248可在線圈架252定位之後與齒部246卡合，以將線圈架252與其上之線圈254固定在第二磁芯240上。

而在其他的實施例中，繞組的線圈架可以直接固定在磁芯的板體上，如線圈架252可以透過黏膠黏合或是焊接等接合作業直接固定在第二板體242上，線圈254再透過繞線作業設置線圈架252上，此時，齒部246之作用之一在於在接合作業的時候定位線圈架252，靴部248之作用之一在於將線圈254固定在靴部與第二板體242之間。

綜上所述，軸向磁通電機中的定子組件透過模組化的設計而分割成多個定子單體，使得在進行繞線作業時，線圈為在個別的第一磁芯與第二磁芯上分開繞線，而後再將第一磁芯與第二磁芯組合成定子單體，並將定子單體排列合在一起成為模組化定子組件。如此一來，不須在磁芯的靴部之間預留繞線設備的作業空間，且繞線設備的繞線角度亦不再受限，進而提升繞組的佔槽率。除此之外，在將定子組件模組化之後，靴部的面積可以隨之增加，進而提供較佳的馬達頓轉矩特性。除此之外，於部分實施例中，定子單體中的繞組為可分離式地組裝於磁芯上，換言之，線圈可先繞設在線圈架上，而後再將線圈架與定子單體中的齒部卡合，因此可以讓線圈的組裝更為容易。藉由模組化組裝方式，可以讓繞組組裝的過程更為便利，提升軸向磁通電機的組裝效率，並提供較佳的佔槽率與馬達頓轉矩特性。

參照第5圖，其為本發明之軸向磁通電機又一實施例的剖面圖。於一實施例中，軸向磁通電機400包含有模組化定子組件500以及轉子組件600，模組化定子組件500包含有多個定子單體502以及設置於定子單體502之間的隔離元件520。本實施例之軸向磁通電機400與前述實施例之主要差別在於，每個定子單體502包含有一磁芯510，磁芯510包含有實質上相互平行的第一板體512與第二板體514、以及連接第一板體512與第二板體514的側壁516，且第一板體512、第二板體514以及側壁516為一體成形的軟磁複合結構。

轉子組件600中包含有間隔排列的第一磁性體610與第二磁性體620。於一實施例中，轉子組件600的數量為一個，轉子組件600的兩側分別配置有繞組530。磁芯510包含有齒部518以及靴部519，繞組530包含有線圈架534以及設置於線圈架534上之線圈532，線圈架534為可分離式地組合於齒部518，而後靴部519再與齒部518組合以固定繞組530。於其他的實施例中，線圈架534可以直接固定在第一板體512或第二板體514上，而後再進行繞線作業將線圈532設置在線圈架534上。於其他的實施例中，轉子組件600與繞組530的比例以及排列方式可以按照不同的需求變更，如配置兩層的轉子組件600在繞組530之間亦可。

如前所述，側壁516連通第一板體512與第二板體514，使得第一板體512、側壁516與第二板體514可構成完整的C型磁通迴路，而轉子組件600中之第一磁性體610與第二磁性體620的磁力線通過C型的磁通迴路。舉例而言，第一磁性體610的磁力線由第一磁性體610的上表面出發，依序經由繞組530、第一板體512、側壁516、第二板體514以及繞組530回到第一磁性體610的下表面。第二磁性體620的磁力線由第二磁性體620的下表面出發，依序經由繞組530、第二板體514、側壁516、第一板體512以及繞組530回到第二磁性體620的上表面。此種模組化定子組件500的設計可以提升組裝效率以及提供較佳的佔槽率與馬達頓轉矩特性，而C型磁通迴路的設計可以提升軸向磁通電機400的功率密度。

綜上所述，本發明提供了一種軸向磁通電機，此軸向磁通電機中的定子組件透過模組化的設計而分割成多個定子單體，使得在進行繞線作業時，線圈為在個別的定子單體上分開繞線，而後再將定子單體排列合在一起，如此一來，不須在磁芯的靴部之間預留繞線設備的作業空間，且繞線設備的角度也不再受限，因此可以提升線圈的佔槽率。除此之外，藉由將定子組件模組化的設計，使得靴部的面積可以增加，進而提供較佳的馬達頓轉矩特性。於部分實施例中，定子單體中的繞組為可分離式地組裝於磁芯上，換言之，繞組可先繞設在線圈架上，而後再將線圈架與定子單體中的齒部卡合，因此可以讓繞組的組裝更為容易。此軸向磁通電機的磁通迴路會通過磁芯的側壁，故從截面觀之呈C型，此種C型磁通迴路的設計可以具有良好的功率密度。

雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、400‧‧‧軸向磁通電機
200、500‧‧‧模組化定子組件
210、502‧‧‧定子單體
220‧‧‧第一磁芯
222‧‧‧第一板體
224‧‧‧第一側壁
230‧‧‧第一繞組
240‧‧‧第二磁芯
242‧‧‧第二板體
244‧‧‧第二側壁
246‧‧‧齒部
248‧‧‧靴部
250‧‧‧第二繞組
252、534‧‧‧線圈架
254、532‧‧‧線圈
260、520‧‧‧隔離元件
300、600‧‧‧轉子組件
310、610‧‧‧第一磁性體
320、620‧‧‧第二磁性體
510‧‧‧磁芯
512‧‧‧第一板體
514‧‧‧第二板體
516‧‧‧側壁
518‧‧‧齒部
519‧‧‧靴部
530‧‧‧繞組

閱讀以下詳細敘述並搭配對應之圖式，可了解本揭露之多個態樣。應注意，根據業界中的標準做法，多個特徵並非按比例繪製。事實上，多個特徵之尺寸可任意增加或減少以利於討論的清晰性。 第1圖為本發明之軸向磁通電機一實施例的立體視圖。 第2圖為本發明之軸向磁通電機一實施例的拆解圖。 第3圖為本發明之軸向磁通電機一實施例之磁通迴路的示意圖。 第4圖為本發明之軸向磁通電機一實施例之繞組的拆解圖。 第5圖為本發明之軸向磁通電機又一實施例的剖面圖。

Claims (10)

1. 一種軸向磁通電機，包含： 一模組化定子組件，包含複數個定子單體，其中每一該些定子單體包含： 一第一磁芯，包含一第一板體與一第一側壁，其中該第一板體之一端與該第一側壁之一端連接，使該第一磁芯的截面形狀呈L形； 一第一繞組，設置於該第一磁芯中； 一第二磁芯，包含一第二板體與一第二側壁，其中該第二板體之一端與該第二側壁之一端連接，使該第二磁芯的截面形狀呈L形，其中該第一側壁的另一端與該第二側壁的另一端實體接觸；以及 一第二繞組，設置於該第二磁芯中； 複數個隔離元件，設置以隔離相鄰的該些第一磁芯與相鄰的該些第二磁芯；以及 一轉子組件，設置在該第一磁芯跟該第二磁芯之間，其中該轉子組件包含間隔設置的複數個第一磁性體與複數個第二磁性體，該些第一磁性體與該些第二磁性體之磁力線分別通過該第一側壁與該第二側壁而構成方向相異的複數個C型磁通迴路。
2. 如請求項1所述之軸向磁通電機，其中該些C型磁通迴路包含該些第一磁性體的磁力線與該些第二磁性體的磁力線，其中： 該些第一磁性體的磁力線由該些第一磁性體的上表面出發，依序通過該第一繞組、該第一板體、該第一側壁、該第二側壁、該第二板體、以及該第二繞組回到該些第一磁性體的下表面；以及 該些第二磁性體的磁力線由該些第二磁性體的下表面出發，依序通過該第二繞組、該第二板體、該第二側壁、該第一側壁、該第一板體、以及該第一繞組後回到該些第二磁性體的上表面。
3. 如請求項1所述之軸向磁通電機，其中該第一繞組與該第二繞組分別包含： 一線圈架，固定於該第一板體或該第二板體；以及 一線圈，其中該線圈架固定於該第一板體或該第二板體後，該線圈再繞設於該線圈架上。
4. 如請求項3所述之軸向磁通電機，其中該第一磁芯與該第二磁芯分別包含： 一齒部，設置於該第一板體或該第二板體上，用以定位該線圈架；以及 一靴部，與該齒部卡合。
5. 如請求項1所述之軸向磁通電機，其中該第一繞組與該第二繞組分別包含一線圈架以及一線圈，其中該第一磁芯與該第二磁芯分別包含： 一齒部，設置於該第一板體或該第二板體上，其中該線圈繞設於該線圈架後，該線圈架為可分離地組合於該齒部；以及 一靴部，與該齒部卡合以固定該線圈架。
6. 一種軸向磁通電機，包含： 一模組化定子組件，包含複數個定子單體，每一該些定子單體包含： 一磁芯，包含一第一板體、一第二板體，以及連接該第一板體與該第二板體之一側壁，該第一板體實質上平行於該第二板體；以及 至少一繞組，設置於該磁芯內； 複數個隔離元件，設置於該些磁芯之間；以及 一轉子組件，設置於該模組化定子組件內，其中該轉子組件包含間隔設置的複數個第一磁性體與複數個第二磁性體，該些第一磁性體與該些第二磁性體之磁力線分別通過該側壁而構成方向相異的複數個C型磁通迴路。
7. 如請求項6所述之軸向磁通電機，其中該些C型磁通迴路包含該些第一磁性體的磁力線與該些第二磁性體的磁力線，其中： 該些第一磁性體的磁力線由該些第一磁性體的上表面出發，依序經由該第一板體、該側壁以及該第二板體回到該些第一磁性體的下表面；以及 該些第二磁性體的磁力線由該些第二磁性體的下表面出發，依序經由該第二板體、該側壁以及該第一板體回到該些第二磁性體的上表面。
8. 如請求項6所述之軸向磁通電機，其中該繞組包含： 一線圈架，固定於該第一板體或該第二板體；以及 一線圈，其中該線圈架固定於該第一板體或該第二板體後，該線圈再繞設於該線圈架上。
9. 如請求項8所述之軸向磁通電機，其中該磁芯包含： 一齒部，設置於該第一板體或是該第二板體上，用以定位該線圈架；以及 一靴部，與該齒部卡合。
10. 如請求項6所述之軸向磁通電機，其中該繞組包含一線圈架以及一線圈，其中該磁芯包含： 一齒部，設置於該第一板體或是該第二板體上，其中該線圈繞設於該線圈架後，該線圈架為可分離地組合於該齒部；以及 一靴部，與該齒部卡合以固定該線圈架。