TWI439010B - 運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構 - Google Patents

Description

運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構

本提案係關於一種運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，特別是使用方向性矽鋼材料的分段式導磁結構。

面對全球石化能源日益短缺之殘酷現實，各主要工業國對於能源開發與運用管制上係格外的重視。以家電領域為例，約40%以上的家庭總耗電力係使用於室內空調、冰箱、熱泵熱水系統及風扇。以工商業領域為例，約有70%以上的耗電係應用於空氣壓縮機、真空泵、水泵、傳動機、中央空調、送排風機、冷凍冷藏機及熱泵等電動機設備。因此，改善各種電動機設備的使用方法及整體電動機設備的使用效率，為目前各國皆積極進行節能減碳的重要方向。

因此，若能夠提升電動機設備的馬達效益，便能夠大幅的節省電能的耗費。為了提升電動機設備的馬達效益，於是便有應用高磁能積之稀土永久磁石的高效率永磁馬達問市，使用稀土永久磁石的永磁馬達比起一般的馬達具有較低的能源損耗率。然而，因幾乎97%的稀土永久磁石之產能為來自中國大陸，使得稀土材料由於供需失衡而導致價格飆漲，連帶的也波及永磁馬達之應用以及牽動永磁馬達所驅動之電機產品或設備之價格。

有鑑於此，國際間主要發展高效率節能設備與產品之廠商對於稀土永久磁石的運用便產生了隱憂。因此，如何尋找取代稀土永久磁石之應用的替代技術，便已是目前各家電機產品之廠商所欲解決的問題。

本提案在於提供一種運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，藉以提升旋轉電機裝置的運轉效率，以達較佳之節能與經濟效益。

本提案所揭露運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其包含一轉子模組及一定子模組。轉子模組包含一轉子軛部構件及多個轉子齒部構件。轉子軛部構件之材質為非方向性矽鋼材料。轉子齒部構件之材質為方向性矽鋼材料。這些轉子齒部構件環繞設置於轉子軛部構件上，且沿著轉子軛部構件的一旋轉徑向延伸。定子模組包含多個定子軛部構件及多個定子齒部構件。這些定子軛部構件之材質為方向性矽鋼材料，且這些定子軛部構件係沿著轉子軛部構件的一旋轉方向而環繞轉子模組設置。這些定子齒部構件之材質為方向性矽鋼材料，且這些定子齒部構件係分別位於相鄰的二定子軛部構件之間而環繞轉子模組設置。這些定子齒部構件係沿著旋轉徑向而朝轉子模組延伸，並對應於這些轉子齒部構件。

根據上述本提案所揭露之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，係將轉子模組拆分成轉子軛部結構及轉子齒部構件，將定子模組拆分成定子軛部構件及定子齒部構件。並且，轉子軛部構件使用非方向性矽鋼材料，而轉子齒部構件、定子軛部構件及定子齒部構件則使用方向性矽鋼材料。如此的結構配置與材料選用，在不採用高磁能積之稀土永久磁石的情況下，即可令分段式導磁結構具有低矯頑磁力與低鐵損之特性，以提升馬達運轉效率。

有關本提案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

請參照「第1圖」，「第1圖」係為根據本提案一實施例之分段式導磁結構的結構示意圖，「第2圖」係為根據本提案一實施例之分段式導磁結構的結構分解示意圖，「第3圖」係為根據本提案一實施例之分段式導磁結構的結構平面示意圖。

本提案所揭露之分段式導磁結構可適用於一般旋轉電機裝置，圖式中的分段式導磁結構10為運用於一般的馬達結構，以提升馬達的運轉效率之應用案例。分段式導磁結構10包含一轉子模組100及一定子模組200。其中，轉子模組100包含一轉子軛部構件110以及多個轉子齒部構件120。轉子軛部構件110可連接有一轉軸130，轉子軛部構件110可沿著轉軸130的軸心方向旋轉。其中，轉子軛部構件110之材質為非方向性/等向性(Non-oriented/Isotropic)矽鋼材料。此外，轉子齒部構件120的材質為方向性(Grain-oriented/Anisotropic)矽鋼材料，該些轉子部齒構件120係環繞設置於轉子軛部構件110上，且轉子齒部構件120沿著轉子軛部構件110的一旋轉徑向而朝外延伸。其中，每一轉子齒部構件120更可搭配線圈而產生磁力，使得轉子模組100可具有多個磁極對。

本實施例之定子模組200包含多個定子軛部構件210與多個定子齒部構件220。定子軛部構件210之材質為方向性矽鋼材料，且這些定子軛部構件210係沿著轉子軛部構件110的一旋轉方向而環繞轉子模組100設置。此外，定子齒部構件220之材質為方向性矽鋼材料，這些定子齒部構件220係分別位於相鄰的二定子軛部構件210之間而環繞轉子模組100設置。並且，這些定子齒部構件220係沿著轉子軛部構件110的旋轉徑向而朝轉子模組100延伸。定子齒部構件220並對應於轉子齒部構件120。更詳細來說，相鄰的二定子軛部構件210係分別連接於對應的定子齒部構件220之相對兩側，使得對應的定子齒部構件220位於相鄰的二定子軛部構件210之間。同樣地，相鄰的二定子齒部構件220係分別連接於對應的定子軛部構件210之相對兩側，使得對應的定子軛部構件210位於相鄰的二定子齒部構件220之間。意即，這些定子齒部構件220與這些定子軛部構件210之間係彼此交錯配置。其中，每一定子齒部構件220更可搭配線圈而產生磁力，使得定子模組200可具有多個對應於轉子模組100之轉子齒部構件120的磁極對。如此一來，藉由適當的電流控制，可令定子模組200產生與轉子模組100相對應的磁極對，使得轉子模組100可相對定子模組200旋轉。由於馬達運轉的控制方法並非本提案之重點，故此便不再多做贅述。

其中，上述的方向性矽鋼材料其係具有特定的結晶排列方向，且方向性矽鋼材料沿著其結晶排列方向係具有優越的導磁性，因此方向性矽鋼材料較一般傳統非方向性矽鋼材料可具有低矯頑磁力(Coercivity)與低鐵損(Core loss)的特性。更進一步來說，方向性矽鋼材料的結晶排列方向係與其於壓延(calendaring)製程時的壓延方向一致。因此，當磁力線通過方向性矽鋼材料時，若磁力線與方向性矽鋼材料的壓延(calendaring)方向為一方向，則磁力線通過方向性矽鋼材料所產生的鐵損將遠低於磁力線通過傳統非方向性矽鋼材料所產生的鐵損。相反地，當磁力線通過方向性矽鋼材料時，若磁力線與方向性矽鋼材料的壓延方向若是接近垂直，則磁力線通過方向性矽鋼材料所產生的鐵損將高於磁力線通過傳統非方向性矽鋼材料所產生的鐵損。進一步來說，若磁力線與方向性矽鋼材料的壓延方向越是趨於一致，則磁力線通過方向性矽鋼材料的鐵損越低。

因此，若適當得宜的選用轉子齒部構件120、定子齒部構件220及定子軛部構件210所使用的方向性矽鋼材料之壓延方向，將可使本提案之分段式導磁結構10具有優越的低矯頑磁力與低鐵損之功效。

請繼續參照「第2圖」及「第3圖」並同時搭配「第4A圖」至「第4C圖」。在本實施例或是其他實施例當中，轉子軛部構件110係包含多個相互堆疊的非方向性矽鋼片，轉子齒部構件120係包含多個相互堆疊的方向性矽鋼片，定子軛部構件210係包含多個相互堆疊的方向性矽鋼片，定子齒部構件220係包含多個相互堆疊的方向性矽鋼片，如「第2圖」所示。

其中，轉子齒部構件120的每一方相向性矽鋼片的壓延方向A與轉子齒部構件120沿著旋轉徑向延伸的長邊124之夾角θ1係小於或等於15度，如「第4A圖」所示。定子軛部構件210的每一方相向性矽鋼片的壓延方向B與定子軛部構件210沿著旋轉方向延伸的長邊214之夾角θ2係小於或等於15度，如「第4B圖」所示。定子齒部構件220的每一方相向性矽鋼片的壓延方向C與轉定子齒部構件220沿著旋轉徑向延伸的長邊224之夾角θ3係小於或等於15度，如「第4C圖」所示。由於磁力線S係沿著轉子軛部構件110的旋轉方向通過定子軛部構件210，並沿著轉子軛部構件110的旋轉徑向通過轉子齒部構件120及定子齒部構件220，如「第3圖」所示。因此，藉由上述轉子齒部構件120、定子軛部構件210及定子齒部構件220之方相向性矽鋼片的壓延方向之配置，可使磁力線S與轉子齒部構件120的方相向性矽鋼片之壓延方向A、定子軛部構件210的方相向性矽鋼片之壓延方向B及定子齒部構件220的方相向性矽鋼片之壓延方向C之夾角控制在小於或等於15度內。如此一來，可令磁力線S通過轉子齒部構件120、定子軛部構件210及定子齒部構件220時，轉子齒部構件120、定子軛部構件210及定子齒部構件220的單位鐵損值可小於1.5W/kg以下。相較於一般採非方向性矽鋼片馬達的單位鐵損值高達2.5~13W/kg以上，本實施例之分段式導磁結構10確實可藉由降低鐵損，以提升馬達的運轉效率。並且，由於本實施例之分段式導磁結構並無需採用高磁能積之稀土永久磁石，其運轉效率即可逼近高效率永磁馬達的水準，因此也可大幅節省產品成本。

此外，在本實施例或其他實施例當中，轉子軛部構件110具有多個凸出結構111，每一轉子齒部構件120的相對兩側係分別具有一凹陷結構122，凸出結構111嵌合於凹陷結構122，令轉子軛部構件110與轉子齒部構件120產生自鉚結合。

此外，在本實施例或其他實施例當中，每一定子軛部構件210的相對兩側分別具有一凸出結構211，每一定子齒部構件220的相對兩側係分別具有一凹陷結構222，凸出結構211嵌合於凹陷結構222，令定子軛部構件210與定子齒部構件220相互鉚合。

需注意的是，上述轉子軛部構件110與轉子齒部構件120的結合手段以及定子軛部構件210與定子齒部構件220的結合手段係藉由結構間的嵌合緊配關係來達成，如此可降低接合介面所產生的鐵損問題。

此外，轉子軛部構件110所包含的多個非方向性矽鋼片係可藉由兩鉚合點113而鉚合在一塊，轉子齒部構件120所包含的多個方向性矽鋼片係可藉由兩鉚合點123而鉚合在一塊，定子軛部構件210所包含的多個方向性矽鋼片係可藉由兩鉚合點213而鉚合在一塊，定子齒部構件220所包含的多個方向性矽鋼片係可藉由兩鉚合點223而鉚合在一塊。藉由上述的鉚合固定方式，可大幅地簡化結合手段，以提升量產性。

更進一步來說，本提案的分段式導磁結構10於實際生產組裝時，係可將轉子軛部構件110的非方向性矽鋼片、轉子齒部構件120的方向性矽鋼片、定子軛部構件210的方向性矽鋼片以及定子齒部構件220的方向性矽鋼片依續排列，再藉由治具將凹陷結構與凸出結構相鉚合在一起，以完成一單位層的分段式導磁結構10。接著，依序將每一單位層的分段式導磁結構10相堆疊，直到堆疊至期望的厚度後，再藉由治具將每一單位層的分段式導磁結構10相鉚合，以完成組裝。需注意的是，上述的組裝手法僅為其中一種可行的組裝方式，而非用以限定本提案，熟悉此項技藝者可根據實際需求調整組裝順序及方法。

請接著參照「第5圖」，「第5圖」係為根據本提案另一實施例之分段式導磁結構的結構平面示意圖。由於本實施例與「第3圖」之實施例相似，因此僅針對差異處加以說明。

在本實施例中，轉子軛部構件110具有多個凹陷結構112，每一轉子齒部構件120的相對兩側係分別具有一凸出結構121，凸出結構121嵌合於凹陷結構112，令轉子軛部構件110與轉子齒部構件120相互結合。

此外，每一定子軛部構件210的相對兩側分別具有一凹陷結構212，每一定子齒部構件220的相對兩側係分別具有一凸出結構221，凸出結構221鉚合於凹陷結構212，令定子軛部構件210與定子齒部構件220相互結合。

請接著參照「第6圖」，「第6圖」係為根據本提案另一實施例之分段式導磁結構的結構平面示意圖。由於本實施例與「第3圖」之實施例相似，因此僅針對差異處加以說明。

在本實施例中，轉子軛部構件110具有多個凹陷結構112與凸出結構111，每一轉子齒部構件120的相對兩側係分別具有一凸出結構121及一凹陷結構122，凸出結構121嵌合於凹陷結構112，凸出結構111嵌合於凹陷結構122，令轉子軛部構件110與轉子齒部構件120相互結合。

此外，每一定子軛部構件210的相對兩側分別具有一凹陷結構212及一凸出結構211，每一定子齒部構件220的相對兩側係分別具有一凸出結構221及一凹陷結構222，凸出結構221嵌合於凹陷結構212，凸出結構211嵌合於凹陷結構222，令定子軛部構件210與定子齒部構件220相互結合。

根據上述實施例之分段式導磁結構，係將轉子模組拆分成轉子軛部構件及轉子齒部構件，將定子模組拆分成定子軛部構件及定子齒部構件。並且，轉子軛部構件使用非方向性矽鋼材料，而轉子齒部構件、定子軛部構件及定子齒部構件則使用方向性矽鋼材料。如此的結構配置與材料選用，在不採用高磁能積之稀土永久磁石的情況下，即可令分段式導磁結構具有低矯頑磁力與低鐵損之特性，以提升運用此分段式導磁結構的馬達運轉效率。

並且，利用轉子齒部構件的每一方相向性矽鋼片的壓延方向與其沿著旋轉徑向延伸的長邊之夾角小於或等於15度，定子軛部構件的每一方相向性矽鋼片的壓延方向與其沿著旋轉方向延伸的長邊之夾角小於或等於15度，以及定子齒部構件的每一方向性矽鋼片的壓延方向與其沿著旋轉徑向延伸的長邊之夾角小於或等於15度之設計，可將分段式導磁結構的單位鐵損值降低至1.5W/kg以下，以提升旋轉電機裝置之運轉效率。

雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案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。

10．．．分段式導磁結構

100．．．轉子模組

110．．．轉子軛部構件

111．．．凸出結構

112．．．凹陷結構

113．．．鉚合點

120．．．轉子齒部構件

121．．．凸出結構

122．．．凹陷結構

123．．．鉚合點

124．．．長邊

130．．．轉軸

200‧‧‧定子模組

210‧‧‧定子軛部構件

211‧‧‧凸出結構

212‧‧‧凹陷結構

213‧‧‧鉚合點

214‧‧‧長邊

220‧‧‧定子齒部構件

221‧‧‧凸出結構

222‧‧‧凹陷結構

223‧‧‧鉚合點

224‧‧‧長邊

第1圖係為根據本提案一實施例之分段式導磁結構的結構示意圖。

第2圖係為根據本提案一實施例之分段式導磁結構的結構分解示意圖。

第3圖係為根據本提案一實施例之分段式導磁結構的結構平面示意圖。

第4A圖至第4C圖係為第3圖的局部結構放大圖。

第5圖係為根據本提案另一實施例之分段式導磁結構的結構平面示意圖。

第6圖係為根據本提案另一實施例之分段式導磁結構的結構平面示意圖。

10．．．分段式導磁結構

100．．．轉子模組

110．．．轉子軛部構件

111．．．凸出結構

113．．．鉚合點

120．．．轉子齒部構件

122．．．凹陷結構

123．．．鉚合點

124．．．長邊

130．．．轉軸

200．．．定子模組

210．．．定子軛部構件

211．．．凸出結構

213．．．鉚合點

214．．．長邊

220．．．定子齒部構件

222．．．凹陷結構

223．．．鉚合點

224．．．長邊

Claims (12)

1. 一種運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其包含：一轉子模組，其包含：一轉子軛部構件，其材質為非方向性矽鋼材料；以及多個轉子齒部構件，其材質為方向性矽鋼材料，該些轉子齒部構件環繞設置於該轉子軛部件上，且沿著該轉子軛部構件的一旋轉徑向延伸，每一該轉子齒部構件係包含多個相互堆疊的方向性矽鋼片，且每一該方向性矽鋼片的壓延方向與該轉子齒部構件沿著該旋轉徑向延伸的長邊之夾角係小於或等於15度；以及一定子模組，其包含：多個定子軛部構件，其材質為方向性矽鋼材料，該些定子軛部構件係沿著該轉子軛部構件的一旋轉方向而環繞該轉子模組設置；以及多個定子齒部構件，其材質為方向性矽鋼材料，該些定子齒部構件係分別位於相鄰的二該定子軛部構件之間而環繞該轉子模組設置，且該些定子齒部構件係沿著該旋轉徑向而朝該轉子模組延伸，並對應於該些轉子齒部構件。
2. 如請求項1所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其中該轉子軛部構件係包含多個相互堆疊的非方向性矽鋼片。
3. 如請求項2所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其中該些非方向性矽鋼片係以鉚合的方式結合。
4. 如請求項1所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其中該些方向性矽鋼片係以鉚合的方式結合。
5. 如請求項1所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其中每一該定子軛部構件係包含多個相互堆疊的方向性矽鋼片，且每一該方向性矽鋼片的壓延方向與該定子軛部構件沿著該旋轉方向延伸的長邊之夾角係小於或等於15度。
6. 如請求項5所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其中該些方向性矽鋼片係以鉚合的方式結合。
7. 如請求項1所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其中每一該定子齒部構件係包含多個相互堆疊的方向性矽鋼片，且每一該方向性矽鋼片的壓延方向與該定子齒部構件沿著該旋轉徑向延伸的長邊之夾角係小於或等於15度。
8. 如請求項7所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其中該些方向性矽鋼片係以鉚合的方式結合。
9. 如請求項1所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其中該轉子軛部構件具有一凸出結構，至少其中一該轉子齒部構件具有一凹陷結構，該凸出結構嵌合於該凹陷結構，令該轉子軛部構件與該轉子齒部構件相結合。
10. 如請求項1所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其中，至少其中一該定子軛部構件具有一凸出結構，至少其中一該定子齒部構件具有一凹陷結構，該凸出結構嵌合於該凹陷結構，令該定子軛部構件與該定子齒部構件相互結合。
11. 如請求項1所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其 中該轉子軛部構件具有一凹陷結構，至少其中一該轉子齒部構件具有一凸出結構，該凸出結構嵌合於該凹陷結構，令該轉子軛部構件與該轉子齒部構件相互結合。
12. 如請求項1所述之運用於旋轉電機裝置之分段式導磁結構，其中，至少其中一該定子軛部構件具有一凹陷結構，至少其中一該定子齒部構件具有一凸出結構，該凸出結構嵌合於該凹陷結構，令該定子軛部構件與該定子齒部構件相互結合。