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TW201328136A - 永磁裝置 - Google Patents

永磁裝置 Download PDF

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TW201328136A
TW201328136A TW100148399A TW100148399A TW201328136A TW 201328136 A TW201328136 A TW 201328136A TW 100148399 A TW100148399 A TW 100148399A TW 100148399 A TW100148399 A TW 100148399A TW 201328136 A TW201328136 A TW 201328136A
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TW
Taiwan
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magnetic
permanent magnet
magnet device
grooves
disposed
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TW100148399A
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English (en)
Inventor
Ray-Lee Lin
Lung-Shing Lin
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Univ Nat Cheng Kung
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K53/00Alleged dynamo-electric perpetua mobilia
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Abstract

一種永磁裝置包括一轉子結構以及一定子結構。轉子結構具有一第一導磁元件及複數第一磁性元件,第一導磁元件的外周緣具有間隔設置的複數凹槽,該等第一磁性元件係分別對應設置於該等凹槽內。定子結構係設置於轉子結構之外周緣,並具有複數第二磁性元件環設於轉子結構。本發明亦揭露另一種永磁裝置。

Description

永磁裝置
本發明係關於一種永磁裝置,特別關於一種定子與轉子均具有永久磁鐵之永磁裝置。
按,習知技術中,如美國專利公告號第4151431號所示,霍華德強森(Howard R. Johnson)提出了一種旋轉式及線性式永磁電機的結構,該永磁電機係藉由定子之永久磁鐵與轉子之永久磁鐵之間的相吸與相斥的力量來推動轉子轉動或移動。由於永磁電機之永久磁鐵的磁力有限,因此,近幾年已有相當多的研究人員投入研究開發新的永久磁鐵材料,使永久磁鐵的體積及重量可更小,而其磁力可更強,進而可使永磁電機具有體積更小、重量更輕及轉矩更大的優點,以可將永磁電機應用於日常生活的各個領域中。
然而,霍華德強森提出之旋轉式永磁電機中,會因定子的永久磁鐵與轉子之永久磁鐵不同的相對位置,而有頓轉扭矩(cogging torque)的疑慮存在,亦即永磁電機輸出轉矩的變化太大,而使永磁電機有頓轉的現象。其中,頓轉的現象不僅會使永磁電機產生抖動與噪音,更會直接使永磁電機的壽命降低。另外,霍華德強森提出之線性式永磁電機也因結構設計的緣故而使永磁電機輸出的推力較小。
因此,如何提供一種旋轉式永磁裝置,可降低頓轉扭矩及延長使用壽命,更可具有較高的輸出轉矩及結構強度,已成為重要課題之一。
另外,如何提供一種線性式永磁裝置,可提高其輸出推力,已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題,本發明之目的為提供一種可降低頓轉扭矩及延長使用壽命,更可具有較高的輸出轉矩及結構強度之永磁裝置。
有鑑於上述課題,本發明之另一目的為提供一種可提高輸出推力之永磁裝置。
為達上述目的,依據本發明之一種永磁裝置包括一轉子結構以及一定子結構。轉子結構具有一第一導磁元件及複數第一磁性元件,第一導磁元件的外周緣具有間隔設置的複數凹槽,該等第一磁性元件係分別對應設置於該等凹槽內。定子結構係設置於轉子結構之外周緣,並具有複數第二磁性元件環設於轉子結構。
在一實施例中,該等第一磁性元件係分別以嵌合、卡合、黏合或其組合方式設置於該等凹槽內。
在一實施例中,該等第一磁性元件係分別緊密地與該等凹槽貼合。
在一實施例中,永磁裝置更包括一轉軸,其係穿設於第一導磁元件。
在一實施例中,定子結構更具有一第二導磁元件環設於轉子結構,該等第二磁性元件係設置於第二導磁元件。
在一實施例中,該等第二磁性元件係分別以嵌合、卡合、黏合或其組合方式設置於第二導磁元件。
為達上述目的,依據本發明之一種永磁裝置包括一定子結構以及一轉子結構。定子結構具有一第一導磁元件、複數第一磁性元件及複數第二導磁元件,該等第一磁性元件間隔設置於第一導磁元件之一側,並形成間隔設置的複數凹槽,該等第二導磁元件分別對應設置於該等凹槽內。轉子結構具有至少一第二磁性元件與定子結構相對而設。
在一實施例中,該等第二導磁元件係分別以嵌合、卡合、黏合或其組合方式設置於該等凹槽內。
在一實施例中,該等第二導磁元件係分別緊密地貼合於該等凹槽。
在一實施例中,第一導磁元件及該等第二導磁元件係為一體成型。
承上所述,因依據本發明旋轉式永磁裝置之轉子結構的第一導磁元件的外周緣具有間隔設置的複數凹槽,且該等第一磁性元件係分別對應設置於該等凹槽內。藉此,使兩第一磁性元件之間產生的磁通密度較高,因此,與習知霍華德強森之旋轉式永磁電機相較,可使轉子結構之第一磁性元件與定子結構之第二磁性元件的磁極相對時,所產生的吸力及斥力較大,故可產生較大的淨力來推動轉子結構轉動,使永磁裝置具有較大的輸出轉矩。另外,也由於轉子結構的兩個第一磁性元件之間有第一導磁元件,因此,與習知霍華德強森之旋轉式永磁電機相較,轉子結構的結構強度較強,進而可延長永磁裝置的使用壽命。
此外,因依據本發明線性式永磁裝置之定子結構的該等第一磁性元件間隔設置於第一導磁元件之一側,並形成間隔設置的複數凹槽,且該等第二導磁元件分別對應設置於該等凹槽內。藉此,使定子結構之兩第一磁性元件之間產生的磁通密度較高,因此,與習知霍華德強森之線性式永磁電機相較,可使定子結構之第一磁性元件與轉子結構之第二磁性元件的磁極相對時,所產生的吸力及斥力較大,故永磁裝置可輸出的淨力比習知霍華德強森之線性式永磁電機大,因此,永磁裝置具有較大的輸出推力。
以下將參照相關圖式,說明依本發明較佳實施例之一種永磁裝置,其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請參照圖1所示,其為本發明較佳實施例之一種永磁裝置1的剖視示意圖。先說明的是,本實施例之永磁裝置1係為一旋轉式永磁電機。
永磁裝置1係包括一轉子結構11以及一定子結構12。定子結構12係圍設於轉子結構11之外周緣,並與轉子結構11之間具有氣隙。其中,轉子結構11具有一第一導磁元件111及複數第一磁性元件112,而第一導磁元件111的外周緣具有間隔設置的複數凹槽G。
請先參照圖2A及圖2B所示,其分別為本發明不同態樣之第一導磁元件111的立體示意圖。
如圖2A所示,第一導磁元件111係為一中空的圓柱體,且其外周緣具有間隔設置的複數凹槽G,且凹槽G兩側形成的凸齒實質上可與圓柱體的縱深方向平行;或者,第一導磁元件111也可如圖2B所示,凹槽G兩側形成的凸齒可傾斜一個角度。於此,第一導磁元件111的形狀不限定為圖2A或圖2B的態樣,且凸齒傾斜的角度也不限定為圖2B的角度。
另外,請再參照圖1所示,第一磁性元件112係分別對應設置於該等凹槽G內。於此,第一磁性元件112靠近定子結構12之磁極係為N極,而另一端的磁極係為S極。當然也可為相反。其中,第一磁性元件112可例如分別以嵌合、卡合、黏合或其組合方式設置於該等凹槽G內,且該等第一磁性元件112係分別緊密地與該等凹槽G貼合。於此,緊密地貼合的意思是表示,第一磁性元件112與凹槽G之間是沒有任何氣隙存在。換言之,第一磁性元件112可以嵌合、或卡合、或黏合等方式設置,也可以嵌合加上黏合、或卡合加上黏合方式設置,且第一磁性元件112係緊密地貼合於凹槽G內,以將該等第一磁性元件112分別固設於該等凹槽G內,因此,與習知之旋轉式永磁電機相較,可加強轉子結構11的結構強度。
其中,本實施例之第一磁性元件112及凹槽G的數量分別為12個,因此,如圖1所示,一個第一磁性元件112及一個凹槽G與第一導磁元件111之中心O所夾的角度θ係為30度(360/12)。
定子結構12係設置於轉子結構11之周緣,並具有複數第二磁性元件121環設於轉子結構11。在本實施例中,如圖1所示,第二磁性元件121的數量係為3,且類似為弦月形狀。其中,第二磁性元件121一端的磁極係為N極,而另一端的磁極係為S極,當然磁極可相反。另外,第二磁性元件121的長度係可大於兩個第一磁性元件112加上至少一個第一導磁元件111的寬度。
值得一提的是,本發明之旋轉式永磁裝置1並不限定第一磁性元件112的數量一定為12,第二磁性元件121的數量一定為3。在其它的實施態樣中,其數量可為不同。另外,若第一磁性元件112的數量減少時,則第二磁性元件121的寬度則需增加,依照此原則也可改變第一磁性元件112的數量。
定子結構12更可具有一第二導磁元件122環設於轉子結構11,且該等第二磁性元件121係設置於第二導磁元件122內。其中,第二磁性元件121係平均設置於第二導磁元件122而環設於轉子結構11,且係分別以嵌合、卡合、黏合或其組合方式設置於第二導磁元件122內。於此,係以嵌合為例。
其中,第一磁性元件112及第二磁性元件121係分別為永久磁石。第一導磁元件111及第二導磁元件122分別具有高的相對導磁係數(relative permeability,或稱相對導磁率),且相對導磁係數可為數千至數萬之間。另外,第一導磁元件111及第二導磁元件122例如可為軟磁複合材料(soft magnetic composite,SMC),其材料可選自純鐵、鎳、鈷金屬、鐵鎳合金、鐵鎳鉬合金、鐵鋁合金、鐵基非晶合金、鐵基奈米晶合金、軟磁鐵氧體經過粉碎後製成的粉末及其組合。
另外,永磁裝置1更可包括一轉軸13,轉軸13係穿設於轉子結構11之第一導磁元件111。因此,當轉子結構11之該等第一磁性元件112與定子結構12之該等第二磁性元件121因磁極的相吸及相斥的力量而產生推力,以推動轉子結構11轉動時,可同時帶動轉軸13轉動。此外,永磁裝置1更可包括一底座14,底座14係可承載定子結構12。
請參照圖3所示,其為本發明之旋轉式永磁裝置1與習知霍華德強森之旋轉式永磁電機輸出轉矩的比較示意圖。其中,圖3的橫座標為圖1之角度θ,於此,係顯示60度的夾角(即兩個第一磁性元件112與兩個凹槽G與中心O所形成之角度),而縱座標係為永磁裝置(電機)之輸出轉矩,其單位為牛頓-毫米(Nt-mm)。另外,圖3顯示之圓形符號代表本發明之永磁裝置1的輸出轉矩(即兩第一磁性元件112之間有第一導磁元件111),而方形符號代表習知霍華德強森之旋轉式永磁電機的輸出轉矩(即兩轉子磁鐵之間為氣隙)。
由圖3可明顯看出,本發明旋轉式永磁裝置1之轉子結構11的兩第一磁性元件112之間為第一導磁元件111時,在不同角度下,其輸出轉矩不僅比習知霍華德強森之旋轉式永磁電機大很多,而且,輸出轉矩的變化也相對較小。因此,永磁裝置1因輸出轉矩的變化較小,故可降低頓轉扭矩及延長使用壽命。另外,永磁裝置1也具有較高的輸出轉矩,且永磁裝置1之轉子結構也具有較高的結構強度。
承上,因霍華德強森之旋轉式永磁電機的兩個轉子永久磁鐵之間係為氣隙,而空氣的相對導磁係數為1,因此,兩個轉子永久磁鐵之間產生的磁通密度較低,以至於當轉子永久磁鐵與定子永久磁鐵的磁極相對時,所產生的吸力及斥力較小。然而,因本發明之旋轉式永磁裝置1在轉子結構11的兩個第一磁性元件112之間不是氣隙,而是第一導磁元件111,且第一導磁元件111具有高的相對導磁係數,故兩個第一磁性元件112之間產生的磁通密度較高,因此,可使第一磁性元件112與第二磁性元件121的磁極相對時,所產生的吸力及斥力較大,故可產生較大的淨力來推動轉子結構11轉動,使永磁裝置1具有較大的輸出轉矩。另外,也由於轉子結構11的兩個第一磁性元件112之間有第一導磁元件111,因此,與習知相較,轉子結構11的結構強度較強,進而可延長永磁裝置1的使用壽命。
另外,請參照圖4A所示,其為本發明較佳實施例之另一永磁裝置2的示意圖。先說明的是,本實施例之永磁裝置2係為一線性式永磁電機。
永磁裝置2包括一轉子結構21及一定子結構22,且轉子結構21係與定子結構22相對而設。
定子結構22具有一第一導磁元件221、複數第一磁性元件222及複數第二導磁元件223,而該等第一磁性元件222係間隔設置於第一導磁元件221靠近於轉子結構21之一側,並形成間隔設置的複數凹槽G,且該等第二導磁元件223係分別對應設置於該等凹槽G內。其中,第一導磁元件221及該等第二導磁元件223可為一體成型或為兩個獨立元件,於此係以兩個獨立元件為例。第一導磁元件221及該等第二導磁元件223為兩個獨立的元件時,則第二導磁元件223可例如分別以嵌合、卡合、黏合或其組合方式設置於該等凹槽G內,且第二導磁元件223可分別緊密貼合於該等凹槽G內。緊密貼合的意思如上所述,於此不再贅述。另外,第一磁性元件222靠近定子結構21之磁極係為N極,而另一端的磁極係為S極。當然也可為相反。
轉子結構21具有至少一第二磁性元件211,且第二磁性元件211係與定子結構22相對而設。於此,圖4A係顯示為一個第二磁性元件211,當然,也可設置複數個第二磁性元件211(例如3個)與定子結構22相對。此外,第一磁性元件222及第二磁性元件211的其它特徵可參照上述之第一磁性元件112及第二磁性元件121,於此不再贅述。另外,第一導磁元件221及第二導磁元件223的技術特徵可參照上述第一導磁元件111及第二導磁元件122,於此,亦不再贅述。
另外,第一磁性元件222之磁極與第二磁性元件211之磁極可產生相吸及相斥的力量,且藉由第二導磁元件223設置於兩第一磁性元件222之間可使兩第一磁性元件222之間產生的磁通密度較高。
另外,請參照圖4B所示,其為本發明之線性式永磁裝置2的移動示意圖。藉由第一磁性元件222之磁極與第二磁性元件211之磁極可產生相吸及相斥的力量,藉此,可使轉子結構21產生移動的淨力F,並使轉子結構21水平移動一距離D。
請參照圖5所示,其為永磁裝置2與習知霍華德強森之線性式永磁電機輸出淨力的比較示意圖。其中,圖5之的橫座標為轉子結構移動的水平距離(cm),而縱座標係為永磁裝置(電機)輸出的淨力F,其單位為牛頓(Nt)。另外,圖5顯示之圓形符號代表本發明之永磁裝置2輸出的淨力F(即兩第一磁性元件222之間具有第二導磁元件223),而方形符號代表習知霍華德強森之線性式永磁電機輸出的淨力F(即兩定子磁鐵之間為氣隙)。
由圖5可明顯看出,本發明之線性式永磁裝置2之定子結構21的兩第一磁性元件222之間為第二導磁元件223時,兩第一磁性元件222之間產生的磁通密度較高,因此,可使第一磁性元件222與第二磁性元件211的磁極相對時,所產生的吸力及斥力較大,故永磁裝置2輸出的淨力F比習知霍華德強森之線性式永磁電機大,因此,永磁裝置2可具有較大的輸出淨力。
綜上所述,因依據本發明旋轉式永磁裝置之轉子結構的第一導磁元件的外周緣具有間隔設置的複數凹槽,且該等第一磁性元件係分別對應設置於該等凹槽內。藉此,使兩第一磁性元件之間產生的磁通密度較高,因此,與習知霍華德強森之旋轉式永磁電機相較,可使轉子結構之第一磁性元件與定子結構之第二磁性元件的磁極相對時,所產生的吸力及斥力較大,故可產生較大的淨力來推動轉子結構轉動,使永磁裝置具有較大的輸出轉矩。另外,也由於轉子結構的兩個第一磁性元件之間有第一導磁元件,因此,與習知霍華德強森之旋轉式永磁電機相較,轉子結構的結構強度較強,進而可延長永磁裝置的使用壽命。
此外,因依據本發明線性式永磁裝置之定子結構的該等第一磁性元件間隔設置於第一導磁元件之一側,並形成間隔設置的複數凹槽,且該等第二導磁元件分別對應設置於該等凹槽內。藉此,使定子結構之兩第一磁性元件之間產生的磁通密度較高,因此,與習知霍華德強森之線性式永磁電機相較,可使定子結構之第一磁性元件與轉子結構之第二磁性元件的磁極相對時,所產生的吸力及斥力較大,故永磁裝置可輸出的淨力比習知霍華德強森之線性式永磁電機大,因此,永磁裝置具有較大的輸出推力。
以上所述僅為舉例性,而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇,而對其進行之等效修改或變更,均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、2...永磁裝置
11、21...轉子結構
111、221...第一導磁元件
112、222...第一磁性元件
12、22...定子結構
121、211...第二磁性元件
122、223...第二導磁元件
13...轉軸
14...底座
D...距離
F...淨力
G...凹槽
N、S...磁極
O...中心
θ...角度
圖1為本發明較佳實施例之一種永磁裝置的剖視示意圖;
圖2A及圖2B分別為本發明不同態樣之第一導磁元件的立體示意圖;
圖3為本發明之旋轉式永磁裝置與習知霍華德強森之旋轉式永磁電機輸出轉矩的比較示意圖;
圖4A為本發明較佳實施例之另一永磁裝置的示意圖;
圖4B為本發明之線性式永磁裝置的移動示意圖;以及
圖5為本發明另一永磁裝置與習知霍華德強森之線性式永磁電機輸出淨力的比較示意圖。
1...永磁裝置
11...轉子結構
111...第一導磁元件
112...第一磁性元件
12...定子結構
121...第二磁性元件
122...第二導磁元件
13...轉軸
14...底座
G...凹槽
N、S...磁極
O...中心
θ...角度

Claims (10)

  1. 一種永磁裝置,包括:一轉子結構,具有一第一導磁元件及複數第一磁性元件,該第一導磁元件的外周緣具有間隔設置的複數凹槽,該等第一磁性元件係分別對應設置於該等凹槽內;以及一定子結構,係設置於該轉子結構之外周緣,並具有複數第二磁性元件環設於該轉子結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之永磁裝置,其中該等第一磁性元件係分別以嵌合、卡合、黏合或其組合方式設置於該等凹槽內。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之永磁裝置,其中該等第一磁性元件係分別緊密地與該等凹槽貼合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之永磁裝置,更包括:一轉軸,穿設於該第一導磁元件。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之永磁裝置,其中該定子結構更具有一第二導磁元件環設於該轉子結構,該等第二磁性元件係設置於該第二導磁元件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之永磁裝置,其中該等第二磁性元件係分別以嵌合、卡合、黏合或其組合方式設置於該第二導磁元件。
  7. 一種永磁裝置,包括:一定子結構,具有一第一導磁元件、複數第一磁性元件及複數第二導磁元件,該等第一磁性元件間隔設置於該第一導磁元件之一側,並形成間隔設置的複數凹槽,該等第二導磁元件分別對應設置於該等凹槽內;以及一轉子結構,具有至少一第二磁性元件與該定子結構相對而設。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之永磁裝置,其中該等第二導磁元件係分別以嵌合、卡合、黏合或其組合方式設置於該等凹槽內。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之永磁裝置,其中該等第二導磁元件係分別緊密地貼合於該等凹槽。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之永磁裝置,其中該第一導磁元件及該等第二導磁元件係為一體成型。
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