旋转电机顿转转矩最小化的互补式永久磁石结构 【技术领域】
本发明涉及一种适用于电动机或发电机的永久磁石结构，尤其涉及一种旋转电机顿转转矩最小化的互补式永久磁石结构。
背景技术
旋转电机为了提升效率、增加功率密度及减少相对体积，因此采用永久磁石作为定磁场来源，随着新工艺及材质的演进，符合市场价格的高磁能积永久磁石遂大量应用于旋转电机的开发。
当采用永久磁石作为定磁场来源，于无载转动时，整个旋转电机的磁路特性完全受到该定磁场主宰，旋转时的磁路等效磁阻会产生相对于旋转角度的周期性变化，例如由对应齿部间齿槽开口造成的效应。此种磁阻对应于旋转角度的变化率会产生一种磁阻转矩成分，有时又称为止动转矩，并正比于气隙等效磁通平方倍。即永久磁石定磁场为了对正铁心磁路的最小等效磁阻下所产生的转矩，一般称之为顿转转矩或齿槽扭矩(cogging torgue)。
当驱动转矩不明显大于顿转转矩时，会产生不需要的输出转矩涟波，且会造成振动及噪音，并影响控制上的精度，于极低速运转时特别显着。旋转电机的顿转转矩的产生一般可采以下关系式表示，
Tcog=-12φ2dRmagdθ]]>
式中Tcog为顿转转矩、φ为气隙等效磁通、Rmag为磁路等效磁阻及θ为旋转角度。磁路等效磁阻的变化一般可以表示成相对于旋转角度的周期性函数。相对地，顿转转矩成分为磁路等效磁阻对旋转角度的微分。因此，顿转转矩也可以表示成相对于旋转角度下具有正负对称的周期性函数，有时以傅力叶级数表示之。
因此，若要降低顿转转矩的输出量，大致有两个方法可以考虑。第一个方法是减少气隙等效磁通的大小。顿转转矩的输出量与气隙等效磁通大小的平方成正比，但是气隙等效磁通的大小也直接正比于一般所需的有效电磁转矩输出，所以若为了降低顿转转矩而减少气隙等效磁通，也会同时减少电磁转矩，故一般并不采用此方向。
第二个方法是减少磁路等效磁阻相对于旋转角度的变化率，只要该磁路等效磁阻于旋转过程中维持定值，即变化率为零的话，理想上便可完全没有顿转转矩成分产生。为了减少磁路等效磁阻相对于旋转角度变化率的相关设计，通常可以尽量避免对所需的有效电磁转矩输出及其它旋转电机特性的负面影响，故一般采用此方向。
产生磁路等效磁阻变化的原因有很多，主要为容纳绕线而产生的电枢铁心齿槽结构及磁极铁心相互旋转下，产生磁通路径更动，相对造成磁路等效磁阻的变化，包含磁极对应齿部的转换过程、齿槽开口造成的空气气隙磁阻、磁路设计上的磁通密度改变及磁饱和现象等，均会直接或间接产生磁路等效磁阻变化，而造成顿转转矩的产生。
为了消除磁路等效磁阻变化，有多种现有采用的方式。包含斜齿槽或斜磁极的使用，将电枢齿槽、永久磁石磁极其中择一以轴向距离连续旋转一特定角度，或采用分段式的旋转，使轴向的磁阻变化产生相位差，互补以减少总合成磁阻的变化，相对降低总合成顿转转矩。此种轴向连续或分段旋转的方式，其缺点是会增加组装及检验上的相对成本及时程。
尚可采用特殊的槽极比降低顿转转矩，通常槽数及磁极数的最大公约数越小及最小公倍数越大时，可以获得越小的顿转转矩。但于特殊槽极比的要求下，有时需搭配特定且有限制的绕线方式，甚至有时会产生不必要的径向力，例如8极9槽的旋转电机，其槽极比即会造成径向力，一方面对转轴轴承造成径向负担，另一方面还会进而产生振动及噪音，不适用于低振动及低噪音的特定应用。
另外，也有采用具有多个磁极铁心数或是多个电枢铁心数的旋转电机组合，利用多个的磁极铁心或多个的电枢铁心结构相互作用，同时产生的顿转转矩具有相同大小，却刚好差180度电气角或是特定的相位差，于旋转过程中刚好可达到相互抵消的效果，但是较适用于真正需要多个磁极铁心数或是多个电枢铁心数地旋转电机设计，否则会增加结构复杂度，增加制造、组装及检验上的相对成本及时程。
一般也很常采用的是改变相邻气隙面的电枢铁心齿靴表面或内部结构，亦或改变相邻气隙面的磁极表面或内部结构，即降低气隙周围的总等效磁阻变化。例如，可于齿靴表面增加凹槽、放大表面弧线、齿靴内部增加不同导磁率的材质等，亦或是改变表面贴磁式磁石弧度、磁极内部增加不同导磁率的材质等，均可达到抑制总等效磁阻的变化，然而上述配置在制造时均有不便。
因此，要如何立即适用于一般生产流程而不需要特定对应的特殊工艺、产生额外的成本及时程，并且具备结构简单，不显着影响结构强度及输出特性而将顿转转矩最小化为非常重要的课题。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种旋转电机顿转转矩最小化的互补式永久磁石结构，适用于一般生产流程而不需要特定对应的特殊工艺。
本发明提供的旋转电机顿转转矩最小化的互补式永久磁石结构，包含：
一磁极铁心，其呈圆柱状且圆周上平均环设有偶数个弧状磁极组，各磁极组由一第一永久磁石单元及一第二永久磁石单元组成；
一电枢铁心，呈环状且设有多个槽，该电枢铁心的槽数与磁极铁心的磁极数比值为3/2；
其中，该第一永久磁石单元与该第二永久磁石单元对称设置以产生两组波形相位差为180度电气角的顿转转矩，并由调整第一永久磁石单元与第二永久磁石单元的面积形状以使得两组顿转转矩互补而抵消。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【附图说明】
图1为现有技术的旋转电机磁极铁心的磁极结构立体图；
图2为现有技术的旋转电机部分轴向结构的剖面图；
图3为现有技术的旋转电机永久磁石径向结构的示意图；
图4A为本发明的旋转电机磁极铁心的磁极结构的立体图；
图4B为本发明的磁极铁心另一实施例示意图；
图5为本发明的旋转电机部分轴向结构的剖面图；
图6为本发明的旋转电机永久磁石径向结构的示意图；
图7为本发明第一实施例的磁石单元的顿转转矩-展开后电气角的比较图；
图8为本发明第一实施例与现有技术的顿转转矩-展开后电气角的比较图；
图9为本发明的旋转电机磁极铁心的磁极结构的立体图，其显示第二实施例；
图10为本发明的旋转电机部分轴向结构的剖面图，其显示第二实施例；
图11为本发明的旋转电机永久磁石径向结构的示意图，其显示第二实施例；
图12为本发明第二实施例的磁石单元的顿转转矩-展开后电气角的比较图；以及
图13为本发明第二实施例与现有技术的顿转转矩-展开后电气角的比较图。
其中，附图标记
A1-展开角
A2-展开角
A3-展开角
A4-展开角
A5-展开角
A6-展开角
B1-电枢铁心
B2-磁极铁心
B21-凹槽
B3-永久磁石集合
B3’-磁极组
B31-第一永久磁石单元
B32-第二永久磁石单元
C1-磁极中心线
D1-积厚
D2-积厚
D3-积厚
D4-积厚
L1-参考线
L2-参考线
S-槽
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参见图1，该图为现有磁极设计的立体图。磁极铁心B2呈圆柱状且圆周上平均环设有若干弧状永久磁石集合B3，各磁极于参考线L1、L2间的永久磁石集合B3对称于磁极中心线C1，且分别于磁极中心线C1、参考线L1间展开角A1，于磁极中心线C1、参考线L2间展开角A2，且两展开角A1＝A2，如图2所示。展开角A1的对应积厚为D1，展开角A2的对应积厚为D2，因此该永久磁石集合B3的总对应积厚为(D1+D2)，如图3所示。于此现有技术中，需由调整展开角A1、展开角A2以获得其所需的顿转转矩特性。
本发明的旋转电机顿转转矩最小化的互补式永久磁石结构则如图4A所示，其适用于电动机、发电机或其它应用。该旋转电机包含一个磁极铁心B2及一个电枢铁心B1。磁极铁心B2呈圆柱状且圆周上平均环设有偶数个弧状磁极组B3’，各磁极组B3’由位于第一组参考线L3、L4间的第一永久磁石单元B31及位于第二组参考线L5、L6间的第二永久磁石单元B32组成，如图5所示；电枢铁心B1具有多个的槽S。槽S的数量(槽数)与磁极铁心B2的磁极数比值为3/2的分数比。此外，磁极铁心B2除了前述的圆柱状之外，还可以如图4B所示的结构。在图4B中，磁极铁心B2上具有偶数个凹槽B21，以分别提供容置该偶数个弧状磁极组B3’。
位于第一组参考线L3、L4间的第一永久磁石单元集合B31对称于磁极中心线C1，且于磁极中心线C1、参考线L3间展开角A3，于磁极中心线C1、参考线L4间展开另一角度A4，且展开角A3＝展开角A4。该第一永久磁石单元集合B31的总展开角(A3+A4)＜(360度/槽数S)且搭配对应积厚D3，如图5及图6所示。
位于第二组参考线L5、L6间的第二永久磁石单元集合B32对称于磁极中心线C1，且于磁极中心线C1、参考线L5间展开角A5，于磁极中心线C1、参考线L6间展开另一角度A6，且展开角A5＝展开角A6。该第二永久磁石单元集合B32的总展开角(A5+A6)＞(360度/槽数S)且搭配对应积厚D4，如图5及图6所示。
第一永久磁石单元集合B31的总展开角(A3+A4)＜(360度/槽数S)及第二永久磁石单元集合B32的总展开角(A5+A6)＞(360度/槽数S)可决定出两组波形相近、相位刚好差180度电气角的顿转转矩。再者，经由选定适当的第一永久磁石单元集合B31的对应积厚D3及第二永久磁石单元集合B32的对应积厚D4，可使两组顿转转矩的大小相同。故该互补式永久磁石结构可令两组顿转转矩相互抵消，结果使总合成顿转转矩达到最小化，如图7所示，其以现有技术所产生的顿转转矩进行标么化比较，纵轴为标么化的顿转转矩大小、横轴为旋转角度以电气角180度展开。
将上述配置具体实施例为8极12槽的旋转电机，第一永久磁石单元集合B31展开角(A3+A4)为27.6度、第二永久磁石单元集合B32展开角(A5+A6)为35度，且选定对应的第一永久磁石单元集合B31的积厚D3等于第二永久磁石单元集合B32的积厚D4即可；于此种配置中的互补式永久磁石结构可令两组顿转转矩相互抵消，结果使总合成顿转转矩达到最小化。
再将现有技术与本发明实施例一所产生的顿转转矩进行标么化比较，如图8所示，其中纵轴为标么化的顿转转矩大小、横轴为旋转角度以电气角180度展开。在本发明实施例一的配置下，相较于现有技术，本发明的顿转转矩峰对峰值能减少约80％的顿转转矩输出量，达到旋转电机顿转转矩最小化的目的。
本发明另一实施例为8极12槽的旋转电机，其配置是依据前述实施例，如图9至图11所示。类似第一实施例，第二实施例的第一及第二永久磁石单元集合B31、B32所形成的互补式永久磁石结构，如图9所示，然而与第一实施例不同之处在于第一及第二永久磁石单元集合B31、B32的宽度与长度有所变化。第一永久磁石单元集合B31展开角为(A3+A4)为23度、第二永久磁石单元集合B32展开角为(A5+A6)为43度，如图10所示；且选定对应的第一永久磁石单元集合B31的积厚D3大于第二永久磁石单元集合B32的积厚D4，如图11所示。
第二实施例的互补式永久磁石结构可令两组顿转转矩相互抵消，结果使总合成顿转转矩达到最小化，如图12所示，其以现有技术所产生的顿转转矩进行标么化比较，纵轴为标么化的顿转转矩大小、横轴为旋转角度以电气角180度展开。
再将现有技术与本发明第二实施例所产生的顿转转矩进行标么化比较，如图13所示，其中纵轴为标么化的顿转转矩大小、横轴为旋转角度以电气角180度展开。依据本发明第二实施例的配置，本发明的顿转转矩峰对峰值相较于现有技术能减少约70％的顿转转矩输出量，达到旋转电机顿转转矩最小化的目的。
由上可知，本发明的旋转电机顿转转矩最小化的互补式永久磁石结构可立即适用于现今的一般生产流程，其适用于电动机或发电机，不需对应特定的特殊工艺，因此不会耗费额外成本及时程，且具备结构简单、不显着影响结构强度与输出特性的特性。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。