TWI385899B - 永磁式電機之轉子結構及其製造方法 - Google Patents

Description

永磁式電機之轉子結構及其製造方法

本發明係為一種永磁式電機之轉子結構及其製造方法，特別是關於具有由單一種低導磁材料以一體成型方式形成之結合件的轉子結構。

一般而言，習用之永磁式電機的轉子均具有一轉軸及一磁鐵件，其中該磁鐵件係設置於該轉軸之徑向外表面並具有數個磁極，且該數個磁極係朝向該永磁式電機之定子的數個線圈。藉此，當該數個線圈導入數個電流而產生交變磁場時，即可利用該交變磁場與該磁鐵件之磁極之間的相斥或相吸磁力而達到轉動該轉子之目的。然而，由於此種習用轉子構造之磁極所產生的磁力線在該轉子與定子之間的分佈狀態並不均勻，故而在該轉子進行轉動時極易產生大的頓轉轉矩[Cogging Torque]，而此頓轉轉矩將導致此種永磁式電機容易在運轉時產生震動及噪音。此外，由於該磁力線所形成的封閉磁路係通過該轉軸，故該轉軸必須選用具有高導磁特性之材料；惟，由於一般具有高導磁特性之材料均為一導電材料，因此在該轉軸通過該磁力線時，該轉軸將在與該磁力線垂直的切面上形成電流迴路而產生熱能損耗，此即所謂之「渦流損[Eddy Current loss]」。

關於存在上述習用之永磁式電機的大頓轉轉矩及渦流損等缺點，已有數種習知方法針對此種永磁式電機的轉子進行改良，以達到提高效能、降低運轉噪音並延長使用壽命等目的。例如：以相互絕緣的矽鋼片沿該轉軸之軸向堆疊形成該轉軸通過該磁鐵件的部位，進而降低在該轉軸內所形成的渦流損。另，如美國專利第6,703,746號名為「內藏式永磁轉子[Interior Permanent Magnet Rotor]」的發明，其係於一轉子中預先設置數個磁力線路徑，且在該磁力線路徑處形成數個溝槽，以便將一高磁能材料填充於該溝槽接近該定子外周面的位置，並將一低磁能材料填充於該溝槽之其餘空間內，隨後再對該轉子進行充磁，藉此即可規劃該轉子內的磁力線路徑，使其不通過該轉子之轉軸。其中，該高、低磁能材料係以液態形式填充入該溝槽之後再固化，以利於製造該定子並避免該定子表面因具有槽隙而產生過於不均勻的磁場分佈狀態，進而同時達到降低頓轉轉矩及渦流損之功效。然而，上述二種解決方式均使該轉子的結構過於複雜，導致該轉子必須以極為繁瑣之程序及方式進行製造，造成不易量產及製程冗長等缺點。基於上述原因，有必要進一步改良上述的習用之永磁式電機的轉子結構。

本發明之主要目的係提供一種永磁式電機之轉子結構，該轉子結構係可降低成本且易於組裝及量產。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段及藉由該技術手段所能達到之功效包含有：一種永磁式電機之轉子結構，其包含一永久磁環及一結合件，該永久磁環具有一通道沿該永久磁環之軸向延伸，而該結合件固定於該永久磁環，且該結合件係由具有低導磁性之材料製成。其中，該永久磁環具有偶數個磁極，且該磁極所形成之磁力線的路徑係形成一哈爾巴赫陣列。藉此，以該具有低導磁性之材料所製成之芯部及該形成哈爾巴赫陣列之永久磁環可達到簡化製程、降低結構複雜度及製造成本等功效。

所述之轉子結構的結合件係以一體成型的方式製成，藉以更進一步簡化製程並降低結構複雜度。

此外，本發明之永磁式電機之轉子結構之製造方法包含：將一充磁機對數個磁鐵進行充磁，使各該磁鐵分別成為一N極磁鐵、一極間磁鐵或一S極磁鐵；將各該磁鐵以一N極磁鐵及一S極磁鐵之間共同夾設至少一極間磁鐵的方式結合，以形成具有哈爾巴赫陣列的一永久磁環；以一低導磁材料製成一結合件，並將該永久磁環固定於該結合件。藉此，即可利用簡易之製程構成具有上述功效之轉子結構。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，於下文將例舉較佳實施例並配合所附圖式作詳細說明，惟其並非用以限定本發明。

請參照第1及2圖所示，其係分別為本發明第一實施例之永磁式電機之轉子結構的組合及分解立體圖。本發明第一實施例之轉子結構包含一永久磁環1及一結合件2，其中該永久磁環1係以一可充磁之磁能材料[Magnetic Energy Material]經過一充磁製程後構成，即該磁能材料係可選自任何可構成磁性物質之材料，其中該永久磁環1由環繞一通道11之數個磁鐵12所構成，且該通道11及磁鐵12係分別沿該永久磁環1之軸向延伸；該結合件2在本第一實施例中係為一轉軸，且該轉軸具有一芯部21及二端部22，該芯部21係穿設固定於該永久磁環1的通道11，而該二端部22則分別形成該轉子結構在軸向上之二端。藉此，本發明之第一實施例的轉子結構可應用於任何習用之內轉子式的永磁式電機，其中該永久磁環1係供與該徑向永磁式電機之一定子[未繪示]進行感應，而該結合件2之端部22則供該轉子結構可轉動的結合於該徑向永磁式電機的殼體[未繪示]。

請參照第3a及3b圖所示，其係分別為本發明第一實施例之永久磁環1的實際內部磁路及理想內部磁路示意圖。該永久磁環1具有偶數個磁極，且該永久磁環1之磁極係欲形成如第3b圖所示之磁力線a之路徑，以構成一內轉子式的哈爾巴赫陣列[Halbach Array]，其中該永久磁環1較佳係如第3a及3b圖所示具有四個磁極。在形成該永久磁環1之製程中，係以一充磁機各別對該數個磁鐵12進行充磁，使各該磁鐵12依其內部磁場方向成為一N極磁鐵121、一極間磁鐵122或一S極磁鐵123，再將各該磁鐵12以一N極磁鐵121及一S極磁鐵123之間共同夾設至少一極間磁鐵122的方式結合形成具有前述之內轉子式哈爾巴赫陣列的永久磁環1。詳言之，各該N極磁鐵121之內部磁場方向係由該永久磁環1之徑向內表面朝該永久磁環1之徑向外表面延伸，並於該徑向外表面形成永久磁環1之一N極；各該極間磁鐵122之內部磁場方向則由該S極磁鐵123朝該N極磁鐵121延伸；各該S極磁鐵123之內部磁場方向則由該永久磁環1之徑向外表面朝該永久磁環1之徑向內表面延伸，並於該徑向外表面形成永久磁環1之一S極。藉此，當結合各該磁鐵12形成該永久磁環1時，該永久磁環1的內部磁場方向即可近似如第3b圖所示具有磁力線a之路徑的內轉子式的哈爾巴赫陣列。此種形式分佈之磁力線a不僅可大幅提高該永久磁環1之磁極在該永久磁環1之外周面所形成的磁通密度，而使通過該永磁式電機之定子線圈的磁通量增加，並可大幅降低在該永久磁環1之通道11內所形成的磁力線。此外，本發明之轉子結構的永久磁環1亦可有效降低頓轉轉矩，因而減少在運轉時所產生的震動及噪音。

另一方面，因本發明之永久磁環1的磁力線a之路徑係規劃呈所述之內轉子式的哈爾巴赫陣列，故該結合件2的芯部21可選用具有低導磁性之材料製成，甚至該結合件2整體均由該種具有低導磁性之材料利用一體成形的方式構成。更詳言之，該結合件2可由具有極佳之剛性的不銹鋼以一體成形的方式製成，藉以使本發明之轉子結構具有結構及製程簡化且結構強度及使用壽命增加之功效，同時亦可降低製造成本；此外，該結合件2亦可由耐高溫、耐磨性佳且具高強度之非金屬材料構成，例如工程塑膠中的PEEK、POM或PA6/66等，以便以射出成形方式製造該結合件2，進而再簡化其製程。

請參照第4圖所示，其係為本發明第二實施例之永磁式電機之轉子結構的分解立體圖。相較於本發明之第一實施例，本實施例中之永久磁環1’亦具有一通道11’沿該永久磁環1’之軸向延伸，惟其內部磁場方向所近似者係為形成如第5b圖所示之外轉子式的哈爾巴赫陣列之磁力線b之路徑。此外，本實施例中之結合件2’係為一輪轂，該輪轂具有一環牆部23及一軸部24，且該永久磁環1’的外周面係固定結合於該環牆部23之內周面，而該軸部24則伸入該永久磁鐵環1’之通道11’，且該軸部24與形成該通道11’之內周面之間形成一容置空間。藉此，本發明之第二實施例的轉子結構可應用於任何習用之外轉子式的徑向永磁式電機，其中該永久磁環1’及該軸部24之間的容置空間係供容置該徑向永磁式電機之一定子[未繪示]，且該結合件2’之軸部24係供該轉子結構可轉動的結合於該徑向永磁式電機的殼體[未繪示]。此外，該永久磁環1’亦由沿其軸向延伸之數個磁鐵12’所構成。

請再參照第5a及5b圖所示，在形成該永久磁環1’之製程中，除了以該充磁機各別對該數個磁鐵12’進行充磁之後，使該磁鐵12’所形成之N極磁鐵121’、極間磁鐵122’及S極磁鐵123’可共同組成該外轉子式哈爾巴赫陣列的永久磁環1’[即該N極磁鐵121’具有一N極形成於該永久磁環1’之通道11’的壁面；而該S極磁鐵123’則具有一S極形成於該永久磁環1’之通道11’的壁面]，其他步驟均與製造本發明之第一實施例之永久磁環1的步驟相同。藉此，當結合各該磁鐵12’形成該永久磁環1’時，該永久磁環1’的內部磁場方向即可近似如第5b圖所示具有磁力線b之路徑的外轉子式的哈爾巴赫陣列，而此種形式分佈之磁力線b不僅可有效增加該永久磁環1’之磁極在該永久磁環1’之通道11’內所形成的磁通密度，並可大幅降低在該永久磁環1’之外周面所形成的磁力線，進而使該結合件2’的環牆部23可選用前述之具有低導磁性之材料製成，且甚至該結合件2’整體均可由該種具有低導磁性之材料利用一體成形的方式構成。

綜上所述，相較於習用之永磁式電機之轉子結構具有大頓轉轉矩及渦流損，或者存在結構及製造程序複雜等缺點，因為本發明之永久磁環1、1’係具有外轉子式或內轉子式之哈爾巴赫陣列形式的磁力線a、b，使該轉子結構可提供較大之磁通密度並降低頓轉轉矩，且更由於該永久磁環1、1’之磁力線a、b的分布方式而使該結合件2、2’之芯部21或環牆部23可利用該低導磁材料構成，進而有效降低該芯部21或環牆部23內之渦流損及磁滯損，甚至可選用非金屬材質製造該結合件2、2’，以達到免除該二能量損耗、降低製造成本及簡化製程等目的。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，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之內，當可作各種更動與修改，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。

1．．．永久磁環

1’．．．永久磁環

11．．．通道

11’．．．通道

12．．．磁鐵

12’．．．磁鐵

121．．．N極磁鐵

121’．．．N極磁鐵

122．．．極間磁鐵

122’．．．極間磁鐵

123．．．S極磁鐵

123’．．．S極磁鐵

2．．．結合件

2’．．．結合件

21．．．芯部

22．．．端部

23．．．環牆部

24．．．軸部

第1圖：本發明第一實施例之永磁式電機之轉子結構的組合立體圖。

第2圖：本發明第一實施例之永磁式電機之轉子結構的分解立體圖。

第3a圖：本發明第一實施例之永磁式電機之轉子結構的永久磁環之內部磁路示意圖。

第3b圖：本發明第一實施例之永磁式電機之轉子結構的永久磁環之理想內部磁路示意圖。

第4圖：本發明第二實施例之永磁式電機之轉子結構的分解立體圖。

第5a圖：本發明第二實施例之永磁式電機之轉子結構的永久磁環之內部磁路示意圖。

第5b圖：本發明第二實施例之永磁式電機之轉子結構的永久磁環之理想內部磁路示意圖。

1．．．永久磁環

11．．．通道

2．．．轉軸

21．．．芯部

22．．．端部

Claims (8)

1. 一種永磁式電機之轉子結構，其包含：一永久磁環，其具有一通道沿該永久磁環之軸向延伸；一結合件，其結合固定該永久磁環，且該結合件係由具有低導磁性之材料製成；其中，該永久磁環具有偶數個磁極，且該磁極所形成之磁力線的路徑係形成一哈爾巴赫陣列。
2. 依申請專利範圍第1項所述之永磁式電機之轉子結構，其中該永久磁環包含數個磁鐵，該數個磁鐵係分別沿該永久磁環之軸向延伸。
3. 依申請專利範圍第1項所述之永磁式電機之轉子結構，其中該結合件係由該具有低導磁性之材料以一體成型方式製成。
4. 依申請專利範圍第1項所述之永磁式電機之轉子結構，其中該結合件具有一芯部，該芯部穿設固定於該永久磁環之通道，且該磁極所形成之磁力線的路徑所形成的哈爾巴赫陣列係為一內轉子式的哈爾巴赫陣列。
5. 依申請專利範圍第1項所述之永磁式電機之轉子結構，其中該結合件具有一環牆部，該永久磁環的外周面固定結合於該環牆部之內周面，且該磁極所形成之磁力線的路徑所形成的哈爾巴赫陣列係為一外轉子式的哈爾巴赫陣列。
6. 依申請專利範圍第1項所述之永磁式電機之轉子結構，其中該具有低導磁性之材料為不銹鋼。
7. 依申請專利範圍第1項所述之永磁式電機之轉子結構，其中該具有低導磁性之材料為非金屬材料。
8. 一種永磁式電機之轉子結構之製造方法，其包含：以一充磁機對數個磁鐵進行充磁，使各該磁鐵分別成為一N極磁鐵、一極間磁鐵或一S極磁鐵；將各該磁鐵以一N極磁鐵及一S極磁鐵之間共同夾設至少一極間磁鐵的方式結合，以形成具有哈爾巴赫陣列的一永久磁環；及以一低導磁材料製成一結合件，並將該永久磁環固定於該結合件。