TWI770903B - 具有定子齒部削弧結構之定子齒 - Google Patents

具有定子齒部削弧結構之定子齒 Download PDF

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Abstract

一種具有定子齒部削弧結構之定子齒包含一弧形定子軛部以及一定子齒部。弧形定子軛部係以一軸心為圓心沿一弧線延伸。定子齒部包含一齒本體段以及二靴型結構。齒本體段係自弧形定子軛部沿一向心軸線延伸出一具有一第一曲率半徑之第一弧形內緣。二靴型結構係分別對稱於向心軸線而自齒本體段之兩側凸伸出，並分別具有一第二弧形內緣與一內緣端點，二第二弧形內緣係分別自第一弧形內緣之兩端延伸至二內緣端點，且第二弧形內緣具有一大於第一曲率半徑之第二曲率半徑。

Description

具有定子齒部削弧結構之定子齒
本發明係關於一種定子齒，尤其是指一種具有定子齒部削弧結構之定子齒。
一般來說，常見的馬達依據構造的不同，大致上可以分為同步馬達、感應馬達、可逆馬達、步進馬達、伺服馬達與線性馬達等類別，其中又以同步馬達具有恆速、起動轉矩小、轉速穩定與效率高等優點，進而於自動化生產機具、冷凍空調或動力機具等領域。
承上所述，同步馬達主要是提供交流電至定子的線圈，進而產生磁場來使轉子旋轉，而轉子旋轉的速度會與交流電的頻率相同；其中，在轉子設有永久磁鐵的同步馬達通稱為永磁同步馬達，而設於定子齒部的線圈在通電時會產生磁場而與設於轉子的永久磁鐵之磁場互相作用，當線圈之磁極與永久磁鐵之磁極對應到時，兩者的磁吸力為最大，然而當轉子繼續轉動而使兩者之磁極錯開時，兩者的磁吸引力反而會抵抗轉子的轉動，進而造成影響轉子轉動的頓轉轉矩(Cogging Torque)。
請參閱第一圖與第二圖，第一圖係顯示現有技術之永磁馬達定子的平面示意圖；第二圖係顯示現有技術之定子齒的平面示意圖。如第一圖與第二圖所示，一種永磁馬達定子PA100是由複數個定子齒PA1互相拼接所組成，而每個定子齒PA1分別包含一軛部PA11與一齒部PA12，且齒部PA12還具有一弧形內緣PA121。
在實務運用上，定子齒PA1會纏繞有線圈來通電產生磁場，永磁馬達定子PA100之間則會設有轉子(圖未示)，而為了使纏繞於定子齒PA1的線圈所產生的磁場與設置於轉子之永久磁石的磁場可以最大化的互相作用，通常永磁馬達定子PA100與轉子之間的間隙會極小化，也因此當定子齒PA1上之線圈的磁極與轉子之磁石的磁極彼此為相異磁性時，會產生抵抗轉子轉動斥力，進而使轉子發生頓轉轉矩、反電動勢總斜坡失真或轉矩漣波等現象。
為了改善永磁同步馬達在運轉時所產生的頓轉轉矩、反電動勢總斜坡失真或轉矩漣波等現象，現有的改善方式主要有定子斜槽、轉子分段、轉子外徑削弧或磁石削弧等；其中，定子斜槽或轉子分段等方式雖然可以改善頓轉轉矩的問題，但其製造方式較為複雜，且會降低感應電動勢的基礎波幅，進而造成輸出功率與輸出轉矩皆降低的問題，因此現有技術中仍以磁石削弧的方式最為常見，磁石削弧的原理是以原本轉子圓心平行位移一個距離作為削弧圓心，並以此削弧圓心至 轉子外徑的距離畫一個圓，進而將超出圓的磁石削掉。
承上所述，磁石削弧雖然可以達到降低頓轉轉矩與漣波的功效，但磁石削弧的過程會使得磁石的兩端越來越薄，使得磁石抗退磁能力降低，甚至有可能因此導致磁石消磁，進而使馬達無法正常運作。
有鑒於在先前技術中，現有的永磁同步馬達為了改善頓轉轉矩、反電動勢總斜坡失真或轉矩漣波等現象而磁石削弧之方式進行改善時，往往會因為磁石的兩端過薄而引發退磁的問題；緣此，本發明的主要目的在於提供一種具有定子齒部削弧結構之定子齒，可以讓磁石不需削弧也能達到降低頓轉轉矩與漣波的功效。
本發明為解決先前技術之問題，所採用的必要技術手段是提供一種具有定子齒部削弧結構之定子齒，包含一弧形定子軛部以及一定子齒部。
弧形定子軛部係以一軸心為圓心沿一弧線延伸。定子齒部包含一齒本體段以及二靴型結構。齒本體段係一體成型地自弧形定子軛部沿一穿過軸心之向心軸線延伸所形成，並具有一第一弧形內緣，第一弧形內緣具有一第一曲率中心與一第一曲率半徑，向心軸線係穿過第一弧形內緣之一第一弧緣中心點與第一曲率中心。
二靴型結構係分別對稱於向心軸線而自齒本體段之兩側凸伸出，且二靴型結構各具有一第二弧 形內緣與一內緣端點，二靴型結構之第二弧形內緣係分別自第一弧形內緣之兩端延伸至二靴型結構之內緣端點，二靴型結構之第二弧形內緣具有一大於第一曲率半徑之第二曲率半徑。
其中，第一曲率中心與二靴型結構之內緣端點分別相距有一第一距離，第一距離係大於第一曲率半徑。
在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，二靴型結構更分別具有一凸伸起點，第一曲率中心與二靴型結構之凸伸起點分別相距有一第二距離，第二距離係大於第一距離。
在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，二第二弧形內緣皆重疊於一弧形基準線，且弧形基準線與向心軸線相交於一第二弧緣中心點，第二弧緣中心點與第一弧緣中心點相距有一削弧深度，第二弧緣中心點與第一曲率中心之間具有一外延距離，外延距離與削弧深度之合等於第一曲率半徑。較佳者，該弧形基準線與該弧線共圓心。此外，該外延距離係大於該削弧深度。
在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，該第一弧形內緣更具有二第一弧緣端點，該二靴型結構之該第二弧形內緣係分別自該二第一弧緣端點延伸至該二靴型結構之該內緣端點。較佳者，該二第一弧緣端點分別延伸至該第一曲率中心所圍構出之夾角係介於80度至120度之間。
如上所述，由於本發明之具有定子齒部削弧結構之定子齒主要是在定子齒部設有一第一弧形內緣與二第二弧形內緣，而由於第一弧形內緣的第一曲率半徑小於第二弧形內緣的第二曲率半徑，因此會使得定子齒部因為第一弧形內緣設置於二第二弧形內緣中間而呈現出朝定子齒部內凹陷的定子齒部削弧結構，藉此，透過二第二弧形內緣維持與轉子之間極近的距離，轉子與定子之間的仍能產生極大的磁通量，而第一弧形內緣的設置則可以有效降低轉子磁極與定子磁極之間相吸所造成的轉動抗力，進而有效的降低頓轉轉矩與漣波的產生。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
PA100:永磁馬達定子
PA1:定子齒
PA11:軛部
PA12:齒部
PA121:弧形內緣
100a:定子
100:具有定子齒部削弧結構之定子齒
1:弧形定子軛部
2:定子齒部
21:齒本體段
211:第一弧形內緣
2111:第一弧緣中心點
2112,2113:第一弧緣端點
22,23:靴型結構
221,231:第二弧形內緣
222,232:內緣端點
223,233:凸伸起點
d1:第一距離
d2:第二距離
d3:削弧深度
d4:外延距離
X:向心軸線
CC:第一曲率中心
R:第一曲率半徑
R':第二曲率半徑
XC:軸心
AL1:弧線
AL2:弧形基準線
AL2C:第二弧緣中心點
TC:曲線
IC:曲線
第一圖係顯示現有技術之永磁馬達定子的平面示意圖；第二圖係顯示現有技術之定子齒的平面示意圖；第三圖係顯示具有定子齒部削弧結構之定子齒的平面示意圖；第四圖係顯示利用多個本發明之定子齒所組成之定子的平面示意圖；第五圖係顯示具有定子齒部削弧結構之定子齒的平面示意圖；以及第六圖係顯示利用本發明之具有定子齒部削弧結構之定子齒所製成之永磁馬達與利用先前技術之定子齒所製成 之永磁馬達在運轉時所量測到的力矩變化曲線示意圖。
請參閱第三圖，第三圖係顯示具有定子齒部削弧結構之定子齒的平面示意圖。如第三圖所示，一種具有定子齒部削弧結構之定子齒100包含一弧形定子軛部1以及一定子齒部2。
弧形定子軛部1係沿一弧線AL1延伸。定子齒部2包含一齒本體段21以及二靴型結構22與23。齒本體段21係一體成型地自弧形定子軛部1沿一向心軸線X延伸所形成，並具有一第一弧形內緣211，第一弧形內緣211具有一第一曲率中心CC與一第一曲率半徑R，向心軸線X係穿過第一弧形內緣211之一第一弧緣中心點2111與第一曲率中心CC。此外，第一弧形內緣211還具有二第一弧緣端點2112與2113，而第一弧緣中心點2111是位於二第一弧緣端點2112與2113之中心。
請繼續參閱第四圖，第四圖係顯示利用多個本發明之定子齒所組成之定子的平面示意圖。如第三圖與第四圖所示，將複數個具有定子齒部削弧結構之定子齒100互相拚接可形成一定子100a，而上述之向心軸線X是穿過定子100a之一軸心XC，意即弧線AL1是以軸心XC為圓心而環繞延伸。
請繼續參閱第五圖，第五圖係顯示具有定子齒部削弧結構之定子齒的平面示意圖。如第三圖至第五圖所示，二靴型結構22與23係分別對稱於向心軸線X 而自齒本體段21之兩側凸伸出，意即二靴型結構22與23是以向心軸線X為鏡面呈現左右對稱之結構。
其中，以靴型結構22為例，靴型結構22具有一第二弧形內緣221、一內緣端點222與一凸伸起點223。第二弧形內緣221係自第一弧形內緣211之第一弧緣端點2112延伸至內緣端點222，而凸伸起點223是靴型結構22與齒本體段21之連接處。相似地，靴型結構23同樣具有一第二弧形內緣231、一內緣端點232與一凸伸起點233。第二弧形內緣231係自第一弧緣端點2113延伸至內緣端點232，而凸伸起點233是靴型結構23與齒本體段21之連接處。
此外，二靴型結構22與23之第二弧形內緣221與231具有一大於第一曲率半徑R之第二曲率半徑R'，且第二弧形內緣221與231之第二曲率中心(圖未標示)在本實施例中是與軸心XC重疊。
請繼續參閱第三圖與第五圖，如第三圖與第五圖所示，第二弧形內緣221與231皆重疊於一弧形基準線AL2，且弧形基準線AL2與向心軸線X相交於一第二弧緣中心點AL2C，第二弧緣中心點AL2C與第一弧緣中心點2111相距有一削弧深度d3，而第二弧緣中心點AL2C與第一曲率中心CC之間具有一外延距離d4，外延距離d4與削弧深度d3之合等於第一曲率半徑R。此外，弧形基準線AL2與弧線AL1在本實施例中為共圓心。
承上所述，第一曲率中心CC與二靴型結構22與23之內緣端點222與232分別相距有一大於第一曲 率半徑R之第一距離d1(圖中僅標示一個)。此外，第一曲率中心CC與二靴型結構22與23之凸伸起點223與233分別相距有一大於第一距離d1之第二距離d2(圖中僅標示一個)。
請繼續參閱第六圖，第六圖係顯示利用本發明之具有定子齒部削弧結構之定子齒所製成之永磁馬達與利用先前技術之定子齒所製成之永磁馬達在運轉時所量測到的力矩變化曲線示意圖。
如第一圖至第六圖所示，利用先前技術之定子齒PA1製成永磁馬達定子PA100後，再利用永磁馬達定子PA100所製成之永磁馬達(圖未示)，其力矩變化的曲線為一曲線TC；而利用本發明之具有定子齒部削弧結構之定子齒100製成定子100a之後，再利用定子100a所製成之永磁馬達(圖未示)，其力矩變化的曲線為一曲線IC。
由上述之曲線TC與曲線IC可知，利用本發明所提供之具有定子齒部削弧結構之定子齒100製成之永磁馬達，在運轉時的力矩變化幅度明顯小於利用先前技術之定子齒PA1所製成的永磁馬達之力矩變化幅度，相對的表示了頓轉轉矩與漣波降低，因此本發明之具有定子齒部削弧結構之定子齒100確實能有效地降低頓轉轉矩與漣波的功效。
綜上所述，本發明之具有定子齒部削弧結構之定子齒主要是在定子齒部設有一第一弧形內緣與二第二弧形內緣，而由於第一弧形內緣的第一曲率半徑小 於第二弧形內緣的第二曲率半徑，因此會使得定子齒部因為第一弧形內緣設置於二第二弧形內緣中間而呈現出朝定子齒部內凹陷的定子齒部削弧結構，藉此，透過二第二弧形內緣維持與轉子之間極近的距離，轉子與定子之間的仍能產生極大的磁通量，而第一弧形內緣的設置則可以有效降低轉子磁極與定子磁極之間相吸所造成的轉動抗力，進而有效的降低頓轉轉矩與漣波的產生。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
100:具有定子齒部削弧結構之定子齒
1:弧形定子軛部
2:定子齒部
21:齒本體段
211:第一弧形內緣
2111:第一弧緣中心點
2112,2113第一弧緣端點
22,23:靴型結構
221,231:第二弧形內緣
222,232:內緣端點
223,233:凸伸起點
X:向心軸線
CC:第一曲率中心
R:第一曲率半徑
AL1:弧線

Claims (7)

  1. 一種具有定子齒部削弧結構之定子齒，包含：一弧形定子軛部，係以一軸心為圓心沿一弧線延伸；以及一定子齒部，包含：一齒本體段，係一體成型地自該弧形定子軛部沿一穿過該軸心之向心軸線延伸所形成，並具有一第一弧形內緣，該第一弧形內緣具有一第一曲率中心與一第一曲率半徑，該向心軸線係穿過該第一弧形內緣之一第一弧緣中心點與該第一曲率中心；以及二靴型結構，係分別對稱於該向心軸線而自該齒本體段之兩側凸伸出，且每一該二靴型結構具有一第二弧形內緣與一內緣端點，該二靴型結構之該第二弧形內緣係分別自該第一弧形內緣之兩端延伸至該二靴型結構之該內緣端點，該二靴型結構之該第二弧形內緣具有一大於該第一曲率半徑之第二曲率半徑；其中，該第一曲率中心與該二靴型結構之該內緣端點分別相距有一第一距離，該第一距離係大於該第一曲率半徑。
  2. 如請求項1所述之具有定子齒部削弧結構之定子齒，其中，每一該二靴型結構更具有一凸伸起點，該第一曲率中心與該二靴型結構之該凸伸起點分別相距有一第二距離，該第二距離係大於該第一距離。
  3. 如請求項1所述之具有定子齒部削弧結構之定子齒，其中，該二第二弧形內緣皆重疊於一弧形基準線，且該弧形基準線與該向心軸線相交於一第二弧緣中心點，該第二弧緣中心點與該第一弧緣中心點相距有一削弧深度，該第二弧緣中心點與該第一曲率中心之間具有一外延距離，該外延距離與該削弧深度之合等於該第一曲率半徑。
  4. 如請求項3所述之具有定子齒部削弧結構之定子齒，其中，該弧形基準線與該弧線共圓心。
  5. 如請求項3所述之具有定子齒部削弧結構之定子齒，其中，該外延距離係大於該削弧深度。
  6. 如請求項1所述之具有定子齒部削弧結構之定子齒，其中，該第一弧形內緣更具有二第一弧緣端點，該二靴型結構之該第二弧形內緣係分別自該二第一弧緣端點延伸至該二靴型結構之該內緣端點。
  7. 如請求項6所述之具有定子齒部削弧結構之定子齒，其中，該二第一弧緣端點分別延伸至該第一曲率中心所圍構出之夾角係介於80度至120度之間。
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