TW201417457A

TW201417457A - 捲繞式定子芯結構

Info

Publication number: TW201417457A
Application number: TW101138645A
Authority: TW
Inventors: Cheng-Hsuan Lin; Wen-Yang Peng; han-ping Yang; Jung-Kang Peng
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-05-01
Also published as: US8981615B2; CN103779978A; TWI459688B; CN103779978B; US20140111059A1

Abstract

一種捲繞式定子芯結構，係由一薄片捲繞而成，薄片具有一長度，薄片包含一第一齒列及一第二齒列，第一齒列由一第一側邊以及複數第一齒構成，複數第一齒陣列於第一側邊，第一齒列具有一第一槽數比，每一第一齒相對於連接第一側邊之一端具有一第一齒端部，第二齒列由一第二側邊及複數第二齒構成，複數第二齒陣列於第二側邊，第二齒列具有一第二槽數比，第二槽數比與第一槽數比相同，每一第二齒相對於連接第二側邊之一端具有一第二齒端部，每一第一齒相對應於一第二齒，相對應之第一齒與第二齒端部係以第一齒端部與第二齒端部相連接。

Description

捲繞式定子芯結構

本揭露係有關於一種捲繞式定子芯結構，尤指一種可同時捲繞成型二個定子之定子芯結構。

軸向磁通電機基本設計概念被提出已超過一百年，其中具有導磁材料作為定子芯的軸向磁通電機，具有較高的氣隙磁通密度，容易實現高扭力密度，可以作為大扭力直驅的傳動應用。但是以最普及的電磁鋼片(矽鋼片)實現軸向磁通電機的定子芯結構，一直存在不易量產製造的技術瓶頸，主要關鍵在於利用帶狀矽鋼片，一邊沖壓加工使齒、齒槽成型，一邊收捲，必須兼顧齒與齒節距不斷變化的控制，以及收捲時必須將屬於同一齒或齒槽的上下層電磁鋼片做良好定位，以確保齒槽真直度，如此一來，繞於齒槽內的銅線才能確保一定的佔槽率，且才能利於預先繞製好的線圈順利套入齒槽內。

此外，具有捲繞定子芯的永磁軸向磁通馬達，為了降低頓動(cogging)，以及做為發電機應用時，降低諧波比率，通常希望齒頂部的輪廓可以做調整，類似磁鐵表面輪廓的調整，以調整氣隙磁通密度分佈，使反電動勢波形接近弦波或降低諧波。現有軸向磁通定子芯捲繞成型製程未考慮這些齒頂表面輪廓調整的製程，且通常必須在齒槽特徵沖切除料過程中，保持一部份單邊的連續材料，待捲繞完成後，再以後製工序去(磨)除多餘的邊料，造成材料損耗之外，額外加工所耗的能量與工時也是這種製程方法量產的瓶頸，如何「降低廢料、減少工序、增加生產速率且兼顧多樣性的齒(頂)部結構特徵」，成為目前高扭力直驅軸向磁通馬達推動實用量產化亟待克服的技術主題。

此外，為充份利用薄形馬達有限的空間及提昇運轉效率，定子用電磁鋼片的設計與製程為關鍵組件之一；成本上，電磁鋼片與銅線皆為馬達主要材料，二者相加所佔成本約40%以上，如何在定子開發前設計上即考量到運轉效率與成本，為一大課題。馬達能耗在定子芯組件主要的損失分別為鐵損與雜散損，其同時與電磁鋼材料特性、外觀尺寸及製程精度有關。傳統轉子與定子為塊體鋼加工所得，後續演進為矽鋼片疊層法，但上述兩者加工過程中耗能高、耗材料高且僅能單次製造，新式技術為延伸疊層法，採連續式沖壓矽鋼片並捲繞為定子盤。目前為歐、美、日等大廠新技術且已應用在徑向磁通馬達上，軸向磁通式馬達之定子盤亦改採用此連續疊層法，各層之間的密實度會影響雜散損與噪音，因此捲繞定子芯如何在收捲過程兼顧對位與收捲緊度成為此元件加工的重要指標。

此外，採用高級矽鋼片、降低厚度、提高加工精度及最佳化設計電磁鋼片為有效對策。但鐵損低的矽鋼片之單價高，傳統加工法耗能高且耗材料也高，目前的作法是採用沖壓並捲繞方式；此外，矽鋼片厚度減低雖有助於降低損耗，但沖壓過程中亦常因強度不足而發生齒部翹曲等變形問題，目前的作法是在齒頂平邊處增加一條料帶做為連接固定點，但仍有材料損耗與後製加工的問題，導致成本增加。目前的作法是採取齒與槽相互交錯的方式沖製，可有效解決上述問題，但齒與槽的外型，特別是齒與槽的比例(槽開口率)則會受齒與槽交錯設計的有限空間而有所受限。

此外，捲繞製作的定子盤常因對位問題而導致製程失敗增加報廢料比例，也增加了生產製作時間，甚至導致不良率增加。邊沖邊捲的工序，可以降低沖床噸數，減少沖壓製程的能損，但是沖頭沖切的次數，在一個定子芯完成的工序上，與傳統一次性沖切多個齒槽的作法相較，沖頭損耗率較高。

本揭露提出一種捲繞式定子芯結構，可同時捲繞成型二個定子。

於一實施例中，本揭露提出一種捲繞式定子芯結構，係由一薄片捲繞而成，薄片具有一長度，薄片包含一第一齒列及一第二齒列，第一齒列由一第一側邊以及複數第一齒構成，複數第一齒陣列於第一側邊，第一齒列具有一第一槽數比，每一第一齒相對於連接第一側邊之一端具有一第一齒端部，第二齒列由一第二側邊及複數第二齒構成，複數第二齒陣列於第二側邊，第二齒列具有一第二槽數比，第二槽數比與第一槽數比相同，每一第二齒相對於連接第二側邊之一端具有一第二齒端部，每一第一齒相對應於一第二齒，相對應之第一齒與第二齒端部係以第一齒端部與第二齒端部相連接。

以下將參照隨附之圖式來描述本揭露為達成目的所使用的技術手段，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，以利貴審查委員瞭解，但本案之技術手段並不限於所列舉圖式。

請參閱第一圖及第二圖所示構成本揭露之捲繞式定子芯結構之薄片之一實施例結構，該薄片100係具有一長度之電磁鋼片，該薄片100之長度方向係平行於一第一方向F1，該薄片100包含一第一齒列10以及一第二齒列20。

該第一齒列10係由一第一側邊11以及複數第一齒12構成，該第一側邊11呈長條狀，該第一側邊11之長度方向係平行於該第一方向F1，該複數第一齒12係陣列於該第一側邊11，每一第一齒12具有一第一齒寬W1，於相鄰二第一齒12之間形成一齒槽13，該第一齒列10具有一第一槽數比，每一第一齒12相對於連接第一側邊11之一端具有一第一齒端部121。該第二齒列20係由一第二側邊21以及複數第二齒22構成，該第二側邊21呈長條狀，該第二側邊21之長度方向係平行於該第一方向F1，亦即第一側邊11與第二側邊21相互平行，該複數第二齒22係陣列於該第二側邊21，每一第二齒22具有一第二齒寬W2，於相鄰二第一齒22之間形成一齒槽23，該第二齒列20具有一第二槽數比，每一第二齒22相對於連接第二側邊21之一端具有一第二齒端部221。該第一齒列10之第一槽數比與該第二齒列20之第二槽數比相同，因此，每一第一齒 12可相對應於一第二齒22，相對應之第一齒12與第二齒22係以第一齒端部121與第二齒端部221相連接。於本實施例中，第一齒列10與第二齒列20係對稱設置，亦即，第一齒寬W1與第二齒寬W2相同。

於每一相連接之第一齒端部121與第二齒端部221之間設有一連結結構30，該連結結構30係由複數第一透空部31構成，該複數第一透空部31係平行於薄片100之長度方向(亦即第一方向F1)陣列。於每一相連接之第一齒端部121與第二齒端部221之間設有一壓線32，該壓線32之長度方向係平行於該薄片100之長度方向(亦即第一方向F1)，且壓線32係貫穿每一第一透空部31之中心。於本實施例中，該第一透空部31呈矩形，除此之外，請參閱第三圖及第四圖所示實施例，該第一透空部31A、31B之形狀不同，但大致都呈現菱形，同樣地，於第一齒端部121與第二齒端部221之間設有一壓線32，該壓線32貫穿每一第一透空部31A、31B之中心。上述第一透空部31、31A、31B之形狀都是以壓線32為中心之對稱形狀，但可依實際需要設計為不對稱形狀。

請參閱第一圖、第二圖、第五圖及第六圖所示，於該薄片100設有複數定位結構40，每一定位結構40包括一第二透空部41以及一舌片42，第二透空部41係完全或部份貫穿薄片100，於本實施例中，第二透空部41係完全貫穿薄片100，舌片42係位於第二透空部41內。舌片42具有相對之一連接側421以及一懸空側422，舌片42係以連接側421連接於薄片100，舌片42之懸空側422係突出於薄片100之其中一面(圖示該薄片100之底面)之外，使得舌片42與薄片100之間形成一夾角θ。於本實施例中，第二透空部41與舌片42都呈矩形，除此之外，也可以設置為其他形狀，請參閱第七圖至第九圖所示不同實施例結構。如第七圖所示定位結構40A，其第二透空部41A與舌片42A呈五角形。如第八圖所示定位結構40B，其第二透空部41B呈矩形，其舌片42B呈五角形。如第九圖所示定位結構40C，其第二透空部41C呈矩形，其舌片42C呈圓弧形。上述定位結構40、40A、40B、40C的形狀充分說明，使用者可依所需設置定位結構的形狀，沒有一定限制。

關於上述第一齒列10、第二齒列20、連結結構30(30A、30B)、定位結構40(40~40C)於薄片100形成之方式沒有限制，例如可採用沖壓成型，其中，壓線32係沖壓形成不致貫穿該薄片100之壓痕，舌片42係沖壓彎折，其他結構則以沖斷方式成型。

請參閱第十圖所示，說明如何將薄片100捲繞形成捲繞式定子芯結構。該薄片100通過二夾輪1、2之間，薄片100係捲繞圍繞於一軸體3外，第六圖所示之舌片42之懸空側422係突出於薄片100朝向軸體3之一面，藉由軸體3轉動，可始薄片100層層捲繞於軸體3外圍。請參閱第十一圖所示，該捲繞之薄片100之相鄰二層之相對應位置，分別具有一定位結構40，內層A(圖示之下層)經一旋轉力彎曲成圓弧狀，使得內層A(圖示之下層)之第二透空部41略微被撐開，位於外層B(圖示之上層)因受到一張力影響並經軸體3之旋轉力而逐漸貼近內層A，即內外層的連接區域，位於外層B(圖示之上層)之定位結構40之舌片42可伸入位於內層A(圖示之下層)之定位結構40之第二透空部41內，由於軸體3之旋轉力持續作用，外層B的舌片42可緊密頂抵於內層A之第二透空部41，如第十二圖所示，藉此可使層層薄片緊密貼合，不致產生任何間隙、縫隙或空隙，無需施加壓力即可使層與層之間相互貼合及定位。至於薄片100的最內層與最外層處可以一設置於軸體3一側之雷射裝置4施以雷射銲接，或以黏膠黏合做永久固定。也可依實際所需，於捲繞薄片100的過程中，對薄片100其他不同部位施以焊接或黏合。

請參閱十三圖所示一種捲繞式定子芯結構之具體實施例結構，其係由類似第一圖所示薄片100之薄片捲繞而成，由於薄片於捲繞後可以層層緊密貼合，因此可以形成如第十三圖之圓環塊狀之定子雛型200。而後再利用拉或扭或切割等外力，將該定子雛型200由中央部位分開，即可形成如第十四圖所示之兩個具有相同幾何特徵之定子210，該定子210都具有呈扇形之齒部211，其係可藉由不同的齒寬設計而得出，如第十五圖所示實施例，該薄片100A係一連續可變間距雙列鏡射齒對齒對稱型結構構形設計，該薄片100A由左端至右端對稱設有寬度漸寬之第三齒寬W3、第四齒寬W4、第五齒寬W5。將該薄片100A以第十圖所示之方式捲繞之後，即可形成第十三圖所示定子雛型200。第一圖及第十五圖實施例說明，本揭露所形成之定子之齒形，係可經由薄片之齒寬設計而變化，不限於單一形狀。

由於本揭露於薄片之第一齒列與第二齒列之齒端部之間設有連結結構(如第二圖所示連結結構30)，當捲繞薄片並且以外力分開形成兩組具有相同幾何特徵之定子後，會於該兩個定子之相對面的齒端部會形成細齒結構，請參閱第十六圖所示，定子310之齒部311具有細齒312，細齒312朝向轉子400，可用以調整定子310與轉子400間的氣隙磁通密度分佈。亦即，本揭露之連接結構不僅用以連接二齒列之齒端部，同時也可調整氣隙磁通密度分佈。至於細齒312之尺寸並沒有一定限制，其係根據齒寬以及第一透空部(請參閱第二圖至第五圖之第一透空部31、31A、31B)之型態而具有同設計。

請參閱第十七圖所示，該薄片100B包含一第一齒列10B以及一第二齒列20B。該第一齒列10B係由一第一側邊11B以及複數第一齒12B構成，於相鄰二第一齒12B之間形成一齒槽13B，該第一齒列10B具有一第一槽數比。該第二齒列20B係由一第二側邊21B以及複數第二齒22B構成，於相鄰二第一齒22B之間形成一齒槽23B，該第二齒列20B具有一第二槽數比。該第一齒列10B之第一槽數比與該第二齒列20B之第二槽數比相同，因此，每一第一齒12B可相對應於一第二齒22B。於每一相連接之第一齒12B與第二齒22B之間設有一連結結構30B。每一第一齒12B具有一第一齒寬W1B，每一第二齒22B具有一第二齒寬W2B，第一齒寬W1B大於第二齒寬W2B。當捲繞薄片100B形成定子雛型(可參閱第十三圖所示定子雛型200之態樣)，再以外力於連結結構30B處將第一齒列10B與第二齒列20B分離，可形成二個定子110B、120B，如第十八圖所示，該定子110B、120B具有不同的第一齒寬W1B及第二齒寬W2B。第一圖實施例以及本實施例說明，本揭露所提供之捲繞式定子芯結構之薄片，其第一齒列與第二齒列可設置為對稱或不對稱結構，只要第一齒列之槽數比與第二齒列之槽數比相同，第一齒與第二齒可一一對應連接，即可於捲繞薄片後分離成為二個定子。

惟以上所述者，僅為本揭露之實施例而已，當不能以之限定本揭露所實施之範圍。即大凡依本揭露申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本揭露專利涵蓋之範圍內，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1、2‧‧‧夾輪

3‧‧‧軸體

4‧‧‧雷射裝置

100、100A、100B‧‧‧薄片

10、10B‧‧‧第一齒列

11、11B‧‧‧第一側邊

12、12B‧‧‧第一齒

121‧‧‧第一齒端部

13、13B‧‧‧齒槽

20、20B‧‧‧第二齒列

21、21B‧‧‧第二側邊

22、22B‧‧‧第二齒

221‧‧‧第二齒端部

23、23B‧‧‧齒槽

30、30B‧‧‧連結結構

31、31A、31B‧‧‧第一透空部

32‧‧‧壓線

40‧‧‧定位結構

41‧‧‧第二透空部

42‧‧‧舌片

421‧‧‧連接側

422‧‧‧懸空側

40、40A、40B、40C‧‧‧定位結構

200‧‧‧定子雛型

110B、120B、210、310‧‧‧定子

211、311‧‧‧齒部

312‧‧‧細齒

400‧‧‧轉子

A‧‧‧內層

B‧‧‧外層

F2‧‧‧第一方向

W1、W1B‧‧‧第一齒寬

W2、W2B‧‧‧第二齒寬

W3‧‧‧第三齒寬

W4‧‧‧第四齒寬

W5‧‧‧第五齒寬

θ‧‧‧夾角

第一圖係本揭露之薄片之一實施例之立體結構示意圖。

第二圖係第一圖實施例之局部放大結構示意圖。

第三圖係及第四圖係本揭露之連結結構之不同實施例結構示意圖。

第五圖係本揭露之定位結構之放大結構示意圖。

第六圖係第五圖之A-A剖面結構示意圖。

第七圖至第九圖係本揭露之定位結構之不同實施例結構示意圖。

第十圖係本揭露捲繞薄片之系統示意圖。

第十一圖係及第十二圖係本揭露相鄰二層薄片之定位結構相互卡合之結構示意圖。

第十三圖係本揭露之定子雛型之一實施例之之立體結構示意圖。

第十四圖係將第十三圖定子雛型分離為二個定子之立體結構示意圖。

第十五圖係構成第十三圖之定子雛型之一實施例之結構示意圖。

第十六圖係本揭露定子實施例與轉子相對關係之結構示意圖。

第十七圖係本揭露之薄片另一實施例之結構示意圖。

第十八圖係第十七圖實施例分為二定子之結構示意圖。

100‧‧‧薄片

10‧‧‧第一齒列

11‧‧‧第一側邊

12‧‧‧第一齒

20‧‧‧第二齒列

21‧‧‧第二側邊

22‧‧‧第二齒

30‧‧‧連結結構

40‧‧‧定位結構

F1‧‧‧第一方向

Claims

一種捲繞式定子芯結構，其係由一薄片捲繞而成，該薄片包含有：一第一齒列，其係由一第一側邊以及陣列於該第一側邊之複數第一齒構成，該第一齒列具有一第一槽數比；以及一第二齒列，其係由一第二側邊以及陣列於該第二側邊之複數第二齒構成，該第二齒列具有一第二槽數比，每一該第一齒相對應連接於一該第二齒。
如申請專利範圍第1項所述之捲繞式定子芯結構，其中，每一相連接之該第一齒端部與該第二齒端部之間設有一連結結構，該連結結構係由複數第一透空部構成，該複數第一透空部係平行該薄片之長度方向陣列。
如申請專利範圍第2項所述之捲繞式定子芯結構，其中，每一相連接之該第一齒端部與該第二齒端部之間設有一壓線，該壓線之長度方向係平行於該薄片之長度方向，該壓線係貫穿每一該第一透空部之中心。
如申請專利範圍第3項所述之捲繞式定子芯結構，其中，該第一透空部之形狀係以該壓線為中心之對稱形狀。
如申請專利範圍第1項所述之捲繞式定子芯結構，其中，每一該第一齒具有一第一齒寬，每一該第二齒具有一第二齒寬，該第一齒寬與該第二齒寬相同或不同。
如申請專利範圍第1項所述之捲繞式定子芯結構，其中該薄片設有複數定位結構，每一該定位結構包括：一第二透空部，係貫穿該薄片；以及一舌片，係設於該第二透空部內，該舌片具有相對之一連接側以及一懸空側，該舌片係以該連接側連接於該薄片，該舌片之該懸空側係突出於該薄片之其中一面之外，該舌片與該薄片之間形成一夾角。
如申請專利範圍第6項所述之捲繞式定子芯結構，其中，該捲繞之該薄片之相鄰二層之相對應位置，分別設有至少一該定位結構，相對應之該二定位結構中，其中之一該定位結構之該舌片係伸入另一該定位結構之該第二透空部內。
如申請專利範圍第7項所述之捲繞式定子芯結構，其中，該薄片係以一軸體為中心層層捲繞於該軸體外，該舌片之該懸空側係突出於該薄片朝向該軸體之一面。
如申請專利範圍第1項所述之捲繞式定子芯結構，其中，該薄片係一電磁鋼片。