多層微結構磁鐵的製作方法

2023-12-04 15:29:51 2

專利名稱：多層微結構磁鐵的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁鐵，特別是涉及一種於材料層結構上布有微結構磁鐵的多層微結構磁鐵。
背景技術：
傳統馬達設計中，轉子上所布置的永磁磁鐵為單層磁鐵或有用多層結構，而磁鐵的幾何構形多為單純的塊狀體。為了輸出高功率密度永磁馬達普遍使用高磁化永磁，但高磁化永磁一般價格較高，但低價磁鐵用低稀土以節省成本，然而磁力大幅縮減。現有美國專利US7847461，如圖1所示，該技術教導多層磁鐵的馬達技術，其中定子31，定子的齒部39，定子線圈37，內置式的轉子34，定子鐵心片32，定子的槽33，並以於兩定子的齒部39間用於放置定子線圈37。馬達轉子34，轉子芯心35，氣隙41位於定子鐵心片32及轉子芯心35之間，而轉子芯心35內部具有多個洞穴結構以為置放永磁磁鐵36，轉子軸38,該永磁磁鐵36結構如圖2所不,磁鐵40、磁鐵42、磁鐵44及磁鐵46為永磁磁鐵36的多層結構，磁鐵40為磁化最強的磁鐵，和氣隙41有最遠的距離，磁鐵46具有最強的抗去磁化(抗溫)功能，整體而言，磁鐵40、磁鐵42、磁鐵44及磁鐵46依序從磁化最強至最弱，且依序由抗去磁(抗溫)能力最弱至最強，以不同磁鐵的布置可以防止退磁，降低磁鐵成本，但無法有效增強磁場。現有美國專利US7847461，如圖3所示，繞組22，轉子14，磁障29，定子12。通過置入馬達轉子內部的磁化線圈來對馬達內部的磁鐵進行有效率的磁化過程。現有美國專利US2006/0103251，如圖4所示，轉子I，轉子鐵芯2，槽3，其中置放N極永磁10及S極永磁11。轉子軸20，阻尼繞組4。通過，磁鐵的置放角度可以提高有效的使用磁場。

發明內容
本發明的目的在於提供一種多層微結構磁鐵，使用單一或多層的材料層結構並於其表面或內部形成微結構磁鐵。通過微結構磁鐵表面幾何結構和分布的變化，達到增強磁場的強度，及相對減少磁鐵稀土材料的使用，同時並增加馬達或發電機的磁場能量。為達上述目的，本發明提供一種多層微結構磁鐵，包括材料層結構，以及微結構磁鐵。該材料層結構，使用單層或多層相同或相異材料的組合方式，以產生不同的磁場強度；該材料層結構位於馬達或發電機中的該轉子及該定子的其中一者上，不同材料層結構組合以及該材料層結構的幾何結構改變，可以改變並增強轉子和定子之間的磁場磁通量及磁場倉tfi。本發明多層微結構磁鐵中，該微結構磁鐵細部組成具有多種形狀的變化，且其分布的形態也可以為多種形式。該微結構磁鐵的幾何形狀可以任意微調，且不同的微結構磁鐵於該材料層結構中會有某種分布形態，即微結構磁鐵和微結構磁鐵之間的距離，視需求而有不同的值。通過以上的結構，可以微調多層微結構磁鐵所產生的相應波形及其次頻的內容。該微結構磁鐵應可用於馬達或發電機中的該轉子及該定子的其中一者上，由於轉子徑向旋轉，產生相對電壓電流是弦波狀態，所以本發明的微結構磁鐵所產生的磁場的波形可以接近某些目標波型，如正弦波(sinusoidal)、階梯形的波形。在馬達應用時，可以視定子電流的磁動勢(magnetic motive force, mmf)波形,來決定該多層微結構磁鐵所產生的目標波形；若兩種波形的形狀或其次頻的內容相近，則磁場的使用效率可以提高；而去除沒有用的次頻，也因此相應磁鐵或高稀土的使用量可以減少。由於微結構磁鐵本身具有磁場，所以該微結構磁鐵形狀的變化，及其分布的形態，可以改變磁通量的大小及磁場能量的分布。基頻磁場是馬達主要用於產生扭力的主磁場，一般仍會伴隨著更高階的次頻(harmonics)磁場。改變微結構磁鐵形狀的變化及其分布的形態,將主要產生基頻磁場的微結構磁鐵增多或增厚，再將產生高階的次頻磁場的微結構磁鐵減少或減薄，可以達到改變增加磁場能量及增強馬達扭力的效果，相對的在磁鐵材料上，可以減少稀土材料的使用。此外，本發明可以交互組合不同層該材料層結構，以及微結構磁鐵幾何結構和分布改變，來達到增強相對應磁場能量，以及減少磁鐵稀土材料的最佳化。本發明的多層微結構磁鐵，可以用於一能量轉換裝置上，該能量轉換裝置是一徑向磁通馬達、一軸向磁通馬達、一線性馬達或一發電機。在一實施例中，本發明提供一種多層微結構磁鐵，包括:一材料層結構；以及一微結構磁鐵，其形成於該材料層結構的一表面或內層，該微結構磁鐵具有由不同磁場大小所構成的一磁場分布。
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在另一實施例中，本發明提供一種多層微結構磁鐵，包括:一微結構磁鐵，其形成於一轉子及一定子的其中一者上，該微結構磁鐵具有由不同磁場大小所構成的一磁場分布。在另一實施例中，本發明提供一種多層微結構磁鐵，包括:多層材料層結構，其形成於一轉子及一定子的其中一者上，該多層材料層結構具有由不同磁場大小所構成的一磁場分布。


圖1為現有馬達定子及轉子的示意圖；
圖2為現有轉子永磁磁鐵分層 圖3為現有轉子磁化線圈的示意圖；
圖4為現有馬達內置式磁鐵的示意圖；
圖5為本發明具有表面微結構磁鐵的不意圖；
圖6為本發明兩極磁鐵布置的不意圖；
圖7A為本發明氣隙磁場能量頻譜圖；
圖7B為本發明氣隙磁場能量頻譜圖；
圖7C為本發明區域磁場方向與堆疊方向平行的示意圖；
圖7D為本發明區域磁場方向與堆疊方向同向的示意圖；
圖8為本發明具有微結構磁鐵的轉子的示意圖；
圖9為本發明具有微結構磁鐵的轉子的另一示意 圖10為一般徑向磁化和具有表面微結構磁鐵場能量比較圖
圖11為一般徑向磁化和具有表面微結構磁鐵磁場能量比較圖；圖12為本發明多層微結構磁鐵組成，其具有正弦波(sinusoidal)形狀的示意圖；圖13為本發明具有正弦(sinusoidal)形狀微結構磁鐵的轉子示意圖；圖14為一般徑向磁化和具有正弦(sinusoidal)形狀磁鐵磁場能量比較圖；圖15A與圖15B分別為本發明多層微結構磁鐵組成，且有表面微結構磁鐵的示意圖；圖16為本發明正弦(sinusoidal)材料層結構與微結構磁鐵表面的磁場能量比較圖；圖17為本發明多層磁鐵，其具有中層微結構磁鐵的示意圖；圖18為本發明多層磁鐵，其具有嵌入式微結構磁鐵的示意圖；圖19為本發明5層材料層結構的轉子磁鐵的示意圖；圖20為本發明5層材料層結構變化的磁場能量比較圖；圖21A為本發明5層材料層結構的轉子磁鐵的示意圖；圖21B為本發明4層材料層結構組成，且有一層表面微結構磁鐵的示意圖；圖22為本發明5層(5mm)材料層結構變化的磁場能量比較圖；圖23為本發明3層(3mm)銣鐵硼與兩層(2mm)銣鐵硼加脈衝調變(PWM)微結構磁鐵的磁場能量比較圖；圖24為本發明3層(3mm)材料層結構變化的磁場能量比較25為本發明3層(3mm)材料層結構變化的磁場能量比較26為本發明3層(3mm)材料層結構變化的磁場能量比較27圖本發明3層(3mm)材料層結構變化的磁場能量比較28為本發明3層(3mm)材料層結構變化的磁場能量比較29為本發明本發明周期排列微結構磁鐵的示意圖；圖30為本發明周期排列微結構磁鐵的磁場能量比較圖。主要元件符號說明I 轉子 rotor2 轉子鐵蕊 rotor core3 槽 slot4 阻尼繞組 damper windingsION 極永磁 N-pole permanent magnetsIlS 極永磁 S-pole permanent magnets12 定子 stator14 轉子 rotor20 轉子軸 rotary shaft22 繞組 windings29 磁障 barrier31 定子 stator32 定子鐵心片 stator lamination
33 槽 slot34 轉子 rotor35 轉子蕊心 rotor core36 永磁磁鐵 permanent magnet37 線圈 coil38 轉子軸 rotary shaft39 齒部 teeth40 磁鐵 magnet41 氣隙 gap42 磁鐵44 磁鐵46 磁鐵100微結構磁鐵101材料層結構110 轉子120微結構磁鐵130 定子150材料層結構160微結構磁鐵200 轉子201微結構磁鐵202微結構磁鐵210多層微結構磁鐵211材料層結構212材料層結構220 氣隙230 定子310多層微結構磁鐵311材料層結構312微結構磁鐵410微結構磁鐵610材料層結構620材料層結構630材料層結構640材料層結構650材料層結構710材料層結構720微結構磁鐵8101mm材料層結構
8201mm材料層結構8301mm材料層結構8401mm材料層結構8501mm材料層結構9101mm材料層結構9201mm材料層結構9301mm材料層結構9401mm材料層結構9501mm材料層結構951微結構磁鐵952微結構磁鐵953微結構磁鐵960微結構磁鐵2000 定子22OO 氣隙2300 轉子3100多層微結構磁鐵3110材料層結構3120材料層結構
具體實施例方式本發明提供一種多層微結構磁鐵，如圖5所示一實施例，其中基層的材料層結構101上有微結構磁鐵100。在本實施例中，該材料層結構101的材質為磁鐵，其材質與微結構磁鐵100的材質可以為同材質磁鐵，也可為不同材質磁鐵。在此實施例中,微結構磁鐵100中的磁鐵細部分布可以為脈衝寬度調變(pulse width modulation, PWM)方式,通過所組成微結構磁鐵的長度及其和鄰近微結構磁鐵的距離的控制，以類似脈衝寬度調變周期比例(dutyratio)的方式，可以產生基頻的空間磁場分布，而基頻磁場為馬達主要用於產生扭力的主磁場，一般仍會伴隨著更高階的次頻磁場。如圖6所示，其為一般能量轉換裝置，如馬達或發電機的兩極磁鐵的布置。能量轉換裝置內包含有轉子200，微結構磁鐵120以及定子230。微結構磁鐵120分為上、下兩個部分。如圖7C所示，說明多層材料層結構的堆疊方向，該材料層結構，設置於一磁化區域內，該磁化區域所具有的主要磁鐵磁化方向M與該材料層結構的多層結構的堆疊方向S夾角接近90度；以馬達為例，該多層材料層結構堆疊的磁化區域內，主要磁鐵磁化方向M為徑向，徑向指向馬達軸心，多層材料層結構的堆疊方向S沿轉子表面堆疊,與徑向垂直成90度。如圖7D所示，說明的多層材料結構的堆疊方向，該材料層結構，設置於一磁化區域內，該磁化區域所具有的主要磁鐵磁化方向M與該材料層結構的多層結構的堆疊方向S夾角接近O度；以馬達為例，該多層材料層結構堆疊的磁化區域內，主要磁鐵磁化方向M為徑向，徑向指向馬達軸心，多層材料層結構的堆疊方向S沿轉子表面向徑向堆疊，與徑向平7TT成O度。以上兩種多層材料結構的堆疊方向皆可以產生兩極磁場，為了確認磁場中基頻的強度，將沿氣隙圓周的磁場密度做計算，結果顯示於圖7A，圖7B的頻譜圖。分析結果顯示，徑向磁化的基頻磁場強度比固定90度磁化強度略強。其中，徑向磁化是主要磁鐵磁化方向M為徑向，與多層材料層結構的堆疊方向S的夾角是O度；90度磁化是主要磁鐵磁化方向M為徑向，與多層材料層結構的堆疊方向S的夾角是90度。圖中縱軸表磁場能量密度,橫軸表極數，縱軸由左至右，第一個峰值是兩極，第二個峰值是六極，第三個峰值是十極，第一個谷值是四極，第二個谷值是八極，如圖7B所示是第一個峰值是兩極的放大顯示圖。圖8所示是另一較佳實施例，轉子200，材料層結構150，微微結構磁鐵160，定子230，而微結構磁鐵160的部分組成為較小的銣鐵硼(NdFeB)的磁鐵，且微結構磁鐵160分布類似於脈衝寬度調變(PWM)的分布，即微結構磁鐵160集中於中央區域較寬，而漸漸於側邊縮短。如圖9所示，其中w為微結構磁鐵的弧度，h為微結構磁鐵的高度，d為兩個微結構磁鐵202、201間的距離，轉子200 ;於中央區域w較長，d較小，而於靠近側邊時w較短且d較長，如圖中，微結構磁鐵201的w大於微結構磁鐵202的W，如此，有類似脈衝寬度調變(PWM)的結構。一般而言，w、h、d可以任意調變以得到不同的磁場波形，甚至微結構磁鐵層的磁鐵可為任意形狀。脈衝寬度調變(PWM)的調變方式，可以得到相應正弦(sinusoidal)的波形。本發明另一實施例，於微結構磁鐵中，如上述脈衝寬度調變結構中每兩個小微結構磁鐵間的空間為空氣，但也可由別種磁鐵材質所填充。如圖10所不，為(I) 一般有徑向磁化磁鐵,無微結構磁鐵及(2)具有表面Imm微結構磁鐵的磁場強度比較分析結果，其中(I)及(2) 二種磁鐵皆具有5mm的總厚度。結果:(一)、氣隙2極磁場密度:具有微結構磁鐵(2)比一般有徑向磁化磁鐵(I)增加2.5%,(二)、所用的磁鐵總量:具有微結構磁鐵⑵比一般有徑向磁化磁鐵(I)少10%，圖10中橫軸表空間頻率，橫軸第一峰值表兩極，縱軸表磁場能量密度，圖不有微結構磁鐵與無微結構磁鐵在兩極馬達的應用比較。如圖8所示另一種實施例，其中的磁鐵可以由不同的磁鐵材料所組成，例如，表面層微結構磁鐵160由銣鐵硼(NdFeB)的高磁化磁鐵所組成，而基層材料層結構150由陶質(ceramic)磁鐵所組成。如圖11所示，本發明一實施例中，保留表面Imm銣鐵硼(NdFeB)的微結構磁鐵，而其4mm底層材料層結構用氧化鐵(Ferrite)磁鐵替代銣鐵硼(NdFeB)材料層結構,並做磁場強度分析。總厚度為5mm，由⑴表面Imm銣鐵硼(NdFeB)的微結構磁鐵加上底層材料層結構4mm氧化鐵(Ferrite)磁鐵,與(2) 5mm徑向磁化磁鐵作磁場能量密度比較。結果顯示(一)、磁場能量密度:(I)較(2)原徑向磁化磁鐵所產生減弱18%，( 二)、所用的磁鐵總量:(I)中銣鐵硼(NdFeB)的使用量比(2)減少90%。本發明實施例中，如圖11所示的分析結果顯示:(一)、用表面微結構磁鐵可以用更少的稀土磁鐵但卻可以增強氣隙的基頻磁場能量密度。(二)、用不同的材料層結構的磁鐵組合，雖可能降低磁場密度至1(Γ20%，然而卻減少90%左右的稀土磁鐵使用量的效用。如圖12所示為另一實施例， 轉子200多層結構磁鐵210含材料層結構211及材料層結構212 二層磁鐵，氣隙220，定子230。其中，多層結構磁鐵210與氣隙220相接的外表面第二面形狀為一弧形，例如是正弦(sinusoidal)的形狀，而其內的二層磁鐵也為弧形，轉子200上有一層材料層結構211，材料層結構211的一面接轉子200，另一相對面接材料層結構212，材料層結構211、212間以弧形面第一面相接，材料層結構212與氣隙230相接的外表面第二面，是弧形表面如圖12所示。本實施例的特徵在於，(一)、多層材料層結構的堆疊結構，各層堆疊結構之間以弧形面相接，(二)、多層材料層結構堆疊結構的最外層，其中最外層的表面是弧面。於本實施例中該二層磁鐵為不同磁鐵材質，例如，材料層結構211為陶質(ceramic)磁鐵材料層結構212為銣鐵硼(NdFeB)磁鐵。本發明該材料層結構表面是弧面，成正弦波(sinusoidal)形狀，以產生相應的磁場分布；該材料層結構內部堆疊層之間，是以弧面的形狀相接，以產生相應的磁場分布。如圖13所示另一實施例，轉子200，正弦形狀的微結構磁鐵410，氣隙220，定子230。為了比較，微結構磁鐵410和定子230的最近氣隙220仍保持Imm的距離。如圖14所示，為(I) 一般徑向磁化和(2)具有正弦形狀材料層結構磁鐵，所產生氣隙磁場能量密度的比較；其中結果:(一)、具有正弦(sinusoidal)形狀材料層結構磁鐵比一般徑向磁化的磁場能量密度增加15%，(二)、稀土使用量:具有正弦形狀材料層結構磁鐵卻比一般徑向磁化磁鐵減少50%左右。如圖15A所示為另一實施例，轉子200，多層微結構磁鐵310含材料層結構311及微結構磁鐵312 二層磁鐵,氣隙220,定子230。其中，多層微結構310的表面形狀為一弧形，例如是正弦的形狀，而其內，材料層結構的材料層結構311及微結構磁鐵312 二層磁鐵也為弧形，其中材料層結構的磁鐵311 —面接轉子200，材料層結構的材料層結構311的另一面第三面接微結構磁鐵312,第三面是弧形表面,而表面層微結構磁鐵312具有微結構磁鐵，例如微結構磁鐵312，可以是脈衝寬度調變(PWM)的布置形式，並與第三面成弧形表面相接，所以整個具有微結構磁鐵的微結構磁鐵312同時以(I)脈衝寬度調變以及(2)弧形表面相接的雙重方式布置在材料層結構的材料層結構311的第三面上。本發明該材料層結構表面是弧面，成正弦波(sinusoidal)形狀,該微結構磁鐵分布在該材料層結構表面的弧面上，以產生相應的磁場分布。如圖15B所示為另一實施例，轉子2300，多層微結構磁鐵3100含材料層結構3110及微結構磁鐵3120 二層磁鐵，氣隙2200，定子2000。其中，多層微結構3100的表面形狀為一弧形，例如是正弦的形狀，而其內，材料層結構的材料層結構3110及微結構磁鐵3120 二層磁鐵也為弧形，其中材料層結構的磁鐵3110 —面接定子2000，材料層結構的材料層結構3110的另一面第五面接微結構磁鐵3120,第五面是弧形表面,而表面層微結構磁鐵3120具有微結構磁鐵，例如微結構磁鐵3120，可以是脈衝寬度調變(PWM)的布置形式，並與第五面成弧形表面相接，所以整個具有微結構磁鐵的微結構磁鐵3120同時以(I)脈衝寬度調變以及(2)弧形表面相接的雙重方式布置在材料層結構的材料層結構3110的第五面上。本發明該材料層結構表面是弧面，成正弦波(sinusoidal)形狀，該微結構磁鐵分布在該材料層結構表面的弧面上，以產生相應的磁場分布。如圖16所示，為⑴與⑵兩種結構所產生氣隙磁場能量密度的比較:⑴材料層結構磁鐵的弧狀正弦表面做微結構，其微結構組成的磁鐵大致上以脈衝寬度調變(PWM)的形式分布，(2)僅有材料層結構磁鐵的弧狀正弦表面，而無脈衝寬度調變(PWM)的微結構磁鐵。結果顯示:(一)、氣隙磁場密度(I)比(2)可以增加9%，( 二 )、稀土磁鐵用量(I)比(2)卻可以減少10%。若和一般徑向磁鐵比較,氣隙磁場密度增加25%,而稀土磁鐵使用量減少55%，效果更佳。如圖17所示的本發明另一實施例，轉子200，材料層結構610，材料層結構620，材料層結構630/或該位置是空間氣隙，微結構磁鐵層640，材料層結構650，氣隙670，定子680。其中磁鐵640為微結構磁鐵層,其布置可以產生一種相應磁場波形,例如用脈衝寬度調變(PWM)的布置。於另一種布置中，材料層結構中的材料層結構610或材料層結構620，材料層結構650等可以用導磁材料取代。如圖18所示，為本發明另一實施例，轉子200，材料層結構710，微結構磁鐵720，氣隙220，定子230。其中，材料層結構710具有凹槽，使微結構磁鐵720能以嵌入(dovetail)的方式接續其上，而微結構磁鐵720本體可以是完全嵌入該該材料層結構710，或該微結構磁鐵720本體可以是一部分嵌入該材料層結構710,另一部分位於該材料層結構710表面上，或該微結構磁鐵本體可以是完全位於該材料層結構710的表面。所要說明的是該材料層結構的表面或內部具有多個凹槽，該微結構磁鐵還具有多個磁鐵，每一個磁鐵嵌入於每個凹槽內。該微結構磁鐵高於、等於、或低於該材料層結構凹槽的深度。如圖19所示，為本發明另一實施例，是以5層材料層結構作比較，轉子200，Imm材料層結構810，Imm材料層結構820，Imm材料層結構830，Imm材料層結構840，Imm材料層結構850，氣隙220，定子230，其中5層材料層的總厚度為5mm，轉子上磁鐵的材料厚度決定氣隙的磁場能量密度。本實施例，是利用不同的厚度來決定一最佳層數的磁鐵，即以最少層數，然而卻也有相當強的磁場能量密度；本發明材料層結構的多層結構，各層的材料為永磁，導磁或不導磁材料。如圖20所示，為分析中的五層材料層結構的能量密度比較，⑴由五層皆為銣鐵硼(NdFeB)JP 5mm銣鐵硼(NdFeB);再由靠近轉子的地方逐漸用鐵(iron)取代銣鐵硼NdFeB,如⑵Imm鐵(iron)加上4mm銣鐵硼(NdFeB)，圖中以Imm鐵(iron) +4mm銣鐵硼(NdFeB)表示，(3) 2mm鐵(iron)加上銣鐵硼(NdFeB),圖中以2mm鐵(iron)+銣鐵硼(NdFeB), (4) 3mm 鐵(iron)加上 2mm 銣鐵硼(NdFeB)，圖中以 3mm 鐵(iron) +2mm 銣鐵硼(NdFeB)表示，(5) 4mm 鐵(iron)加上 Imm 銣鐵硼(NdFeB),圖中以 4mm 鐵(iron)+Imm 銣鐵硼(NdFeB)表示。其中磁場能量比較，圖中縱軸表磁場能量，橫軸表空間頻率，縱軸第一個高峰點表兩極，縱軸第二個高峰點表六極，縱軸第三個高峰點表十極，第一個谷值是四極，第二個谷值是八極，由圖20可知具有3mm厚度的銣鐵硼(NdFeB)可以得到相當強的磁場密度，並用材料層結構3mm厚度的銣鐵硼(NdFeB)作為以下實施例的比較基準。如圖21A所示，本發明另一實施例，由5層材料層結構中，交互改變其中的材料以及組合微結構磁鐵，產生不同的磁場密度，轉子200，氣隙220，定子230，其中5層材料層結構的總厚度為5mm，改變其中一層材料層結構為微結構磁鐵，如圖21B所示本發明另一實施例，其中轉子200, Imm材料層結構910，Imm材料層結構920, Imm材料層結構930, Imm材料層結構940,上述Imm材料層950改為微結構磁鐵,有微結構磁鐵951,微結構磁鐵952,微結構磁鐵953等,分布在材料層結構Imm材料層結構940上。如圖22所示，本發明另一實施例，由5層材料層結構中，找到3層(3_)或4層(4mm)銣鐵硼(NdFeB)，所具有的磁場能量密度接近；但由3層以下的材料層結構如Imm銣鐵硼NdFeB+3mm(iron)+lmm銣鐵硼(NdFeB)組合，共2mm銣鐵硼(NdFeB),很明顯的，磁場能量密度下降；但其他4組合至少共3mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構，磁場能量密度較高且接近。例如圖中(I) 4mm銣鐵硼NdFeB,共4mm銣鐵硼NdFeB材料層結構，圖中以4mm表示。
(2)3mm銣鐵硼NdFeB材料層結構，共3mm銣鐵硼NdFeB,圖中以3mm表示。(3) Imm銣鐵硼(NdFeB)加上2mm鐵(iron)再加上2mm銣鐵硼(NdFeB),共3mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構，圖中以lmm+2mm(iron)+2mm表不。(4) Imm銣鐵硼NdFeB加上Imm鐵(iron)加上Imm銣鐵硼NdFeB加上Imm鐵(iron)加上Imm銣鐵硼(NdFeB),共3mm銣鐵硼NdFeB材料層結構，圖中以 1 mm+1 mm(iron) +1 mm+1 mm 鐵(iron)+1mm 表不n上述圖22的實施例結果，下述實施例均採用3層材料層結構及微結構磁鐵作為比較。如圖23所示的本發明另一實施例，磁場能量密度比較(l)2mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構加上脈衝寬度調變(pulse width modulation, PWM)的微結構磁鐵，圖中以2mm+PWM表示。(2) 3mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構，圖中以3mm表示。由此結果可以看出，2mm NdFeB+lmm微結構磁鐵不但省下約15%的稀土,磁場能能量密度增加。如圖24所示另一實施例，這裡比較一個不同的結構，將2mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構加上脈衝寬度調變PWM的一層銣鐵硼(NdFeB)材料層結構用鐵(iron)取代，變成Imm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構加上脈衝寬度調變PWM的微結構磁鐵，如圖中的
(l)2mm+PWM與(2) lmm+PWM，其中⑴⑵之間磁場密度變化相當小，但⑵可比⑴節省大部分的稀土。如圖25所示另一實施例，還將有一層氧化鐵(Ferrite)磁鐵材料層結構取代鐵(iron)材料層結構來做比較，即圖不Imm Ferrite+lmm NdFeB+PWM表為Imm氧化鐵(Ferrite)材料層結構加上Imm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構加上脈衝寬度調變PWM的微結構磁鐵，磁場能量密度不如原先用的鐵(iron)層，即lmm+PWM表為Imm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構加上脈衝寬度調變(PWM)的微結構磁鐵。如圖26所示另一實施例，將3mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構和Imm氧化鐵(Ferrite)材料層結構+2mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構比較，如圖中，發現Imm氧化鐵(Ferrite)材料層結構加上2mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構的磁場密度會約略減少。如圖27所示另一實施例,將Imm氧化鐵(Ferrite)材料層結構+2mmNdFeB材料層結構的一層Imm NdFeB材料層結構改為有脈衝寬度調變(PWM)的微結構磁鐵，成為Imm氧化鐵(Ferrite)材料層結構+Imm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構+脈衝寬度調變(PWM)的微結構磁鐵,結果磁場密度幾乎和3mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構產生的相同，如此可以省下55%的稀土。但若用2mm氧化鐵(Ferrite)材料層結構取代銣鐵硼(NdFeB),成為2mm氧化鐵(Ferrite)材料層結構+Imm有脈衝寬度調變(PWM)的微結構磁鐵，則磁場密度顯著減少。如圖28所示另一實施例，由圖26中材料層結構氧化鐵(ferrite)材料層結構改為鋁鎳鈷(AlNiCo)材料層結構，由(l)3mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構。(2) Imm鋁鎳鈷(AlNiCo)材料層結構+Imm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構+脈衝寬度調變(PWM)的微結構磁鐵。(3) 2mm鋁鎳鈷(AlNiCo)材料層結構+Imm脈衝寬度調變(PWM)的微結構磁鐵。(4) 2mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構+脈衝寬度調變(PWM)的微結構磁鐵。(I)⑵(3)⑷作比較，結果與圖26相類似。如圖29所示另一實施例，將微結構磁鐵，作周期性(period)排列，且大小一致。圖中可表為2mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構+周期性(period)排列的微結構磁鐵。其中轉子200，氣隙220，定子230，Imm材料層結構910，Imm材料層結構920，Imm材料層結構930，Imm材料層結構940,周期性(period)排列微結構磁鐵960。如圖30所示的如圖29的磁場能量比較，(I) 2mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構+周期性(period)排列的微結構磁鐵,如圖中period。(2)2mm銣鐵硼(NdFeB)材料層結構+脈衝寬度調變PWM的微結構磁鐵，如圖中2mm+PWM。如圖所示，PWM微結構磁鐵的磁場能量比周期(period)微結構磁鐵的磁場能量大。雖然前面實施例，說明多層微結構磁鐵設置在轉子上，但熟悉此項技術之人士，可以根據本發明的精神，如同圖15B所示，將多層微結構磁鐵設置在定子上。以上結合實施例揭露了本發明，然而其並非用以限定本發明，任何熟悉此技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，可做各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍，應以附上的權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種多層微結構磁鐵,包括: 材料層結構；以及 微結構磁鐵，其形成於該材料層結構的一表面或內層，該微結構磁鐵具有由不同磁場大小所構成的一磁場分布。
2.如權利要求1所述的多層微結構磁鐵，該材料層結構為一單層結構或者是多層結構。
3.如權利要求2所述的多層微結構磁鐵，該材料層結構的多層結構，各層的材料為永磁、導磁或不導磁材料。
4.如權利要求1所述的多層微結構磁鐵，其設置於一磁化區域內，該磁化區域所具有的主要磁鐵磁化方向與該材料層結構的多層結構的堆疊方向夾角接近90度。
5.如權利要求1所述的多層微結構磁鐵，其設置於一磁化區域內，該磁化區域所具有的主要磁鐵磁化方向與該材料層結構的多層結構的堆疊方向夾角接近O度。
6.如權利要求1所述的多層微結構磁鐵，該微結構磁鐵通過脈衝寬度調變(pulsewidth modulation, PWM)的形式，以產生相應的磁場分布。
7.如權利要求1所述的多層微結構磁鐵，該材料層結構表面是弧面，成正弦波(sinusoidal)形狀,該微結構磁鐵分布在該材料層結構表面的弧面上，以產生相應的磁場分布。
8.如權利要求1所述的多層微結構磁鐵，該材料層結構內部堆疊層之間，是以弧面的形狀相接，以產生相應的磁場分布。
9.如權利要求1所述的多層微結構磁鐵，該材料層結構的表面或內部具有多個凹槽，該微結構磁鐵還具有多個磁鐵，每一個磁鐵嵌入於每個凹槽內。
10.如權利要求9所述的多層微結構磁鐵,該微結構磁鐵高於、等於、或低於該材料層結構凹槽的深度。
11.如權利要求1所述的多層微結構磁鐵，其形成於一能量轉換裝置的一轉子及一定子的其中一者上。
12.如權利要求11所述的多層微結構磁鐵，該能量轉換裝置是徑向磁通馬達、軸向磁通馬達、線性馬達或發電機。
13.—種多層微結構磁鐵,包括: 微結構磁鐵，其形成於一轉子及一定子的其中一者上，該微結構磁鐵具有由不同磁場大小所構成的一磁場分布。
14.如權利要求13所述的多層微結構磁鐵，該微結構磁鐵通過脈衝寬度調變(pulsewidth modulation, PWM)的形式，以產生相應的磁場分布。
15.如權利要求13所述的多層微結構磁鐵，該微結構磁鐵表面是弧面，成正弦波(sinusoidal)形狀，以產生相應的磁場分布。
16.如權利要求13所述的多層微結構磁鐵，其形成於一能量轉換裝置的該轉子及該定子的其中一者上。
17.如權利要求16所述的多層微結構磁鐵，該能量轉換裝置是徑向磁通馬達、軸向磁通馬達、線性馬達或發電機。
18.—種多層微結構磁鐵, 包括:多層材料層結構，其形成於一轉子及一定子的其中一者上，該多層材料層結構具有由不同磁場大小所構成的一磁場分布。
19.如權利要求18所述的多層微結構磁鐵，該材料層結構是多層結構，各層的材料為永磁，導磁或不導磁材料。
20.如權利要求18所述的多層微結構磁鐵，其設置於一磁化區域內，該磁化區域所具有的主要磁鐵磁化方向與該材料層結構的多層結構的堆疊方向夾角接近90度。
21.如權利要求18所述的多層微結構磁鐵，其設置於一磁化區域內，該磁化區域所具有的主要磁鐵磁化方向與該材料層結構的多層結構的堆疊方向夾角接近O度。
22.如權利要求18所述的多層微結構磁鐵，該材料層結構表面是弧面，成正弦波(sinusoidal)形狀，以產生相應的磁場分布。
23.如權利要求18所述的多層微結構磁鐵，該材料層結構內部堆疊層之間，以弧面的形狀相接，以產生相應的磁場分布。
24.如權利要求18所述的多層微結構磁鐵，其形成於一能量轉換裝置的該轉子及該定子的其中一者上。
25.如權利要求24所述的多層微結構磁鐵，該能量轉換裝置是徑向磁通馬達、軸向磁通馬達、線性馬達或發 電機。
全文摘要
本發明公開一種多層微結構磁鐵，其使用單層或多層材料層結構為基本結構，並在該材料層結構表面或內部，結合微結構磁鐵，以形成一多層微結構磁鐵。通過該微結構磁鐵所具有的幾何結構及其分布改變，以及加上材料層結構材料及幾何結構改變，可以加強磁場能量，進而省去不必要的稀土磁鐵使用。在另一實施例中，利用該多層微結構磁鐵於能量轉換裝置，例如馬達及發電機，可以相對增加其磁場能量。
文檔編號H02K1/06GK103138416SQ201210162330
公開日2013年6月5日 申請日期2012年5月23日 優先權日2011年12月2日
發明者彭明燦, 陽毅平, 簡士翔 申請人:財團法人工業技術研究院