TWI291277B - Electrical machine and method for producing an electrical machine - Google Patents

Description

1291277 • 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於電機機械之核心、—種電機機 械、-種用於製造電機機械之核心之方法及 電機機械之方法。 、裊& 【先前技術】 、當今之電機機械大部分都具有由層狀軟磁薄片或由軟磁 製成之核心，該軟磁粉末經壓縮成該核心之所要形狀 擊&密度且接著經熱處理。然而，自磁性上觀點來看，可能 t難以製造一具有最佳幾何形狀之核心，或可能很難以製 一,有藉由使用層狀軟磁薄片而在三維上改變之幾何 形狀的核心。即使軟磁粉末之使用使製造一具有在三維上 改變之幾何形狀的核心成為可能，有時亦不可能製造一具 有最佳幾何形狀之核心。因此，可能很難以製造具有高: 率山度（,¾即’用機械之體積除所產生之功率）之電機機械， 且，因而配備有該核心之該等機械可能不完全如其原先一 樣有效。 【發明内容】 本發明之目的係提供上文所提及之問題的解決方法。 此係藉由如請求項丨之電機機械及如請求項丨丨之用於製 造電機機械的方法來達成。 詳言之，根據本發明之一態樣，一電機機械包含：一核 心其包括一軟磁材料本體；配置在該核心之至少一部分 周圍的至少一繞組；及一磁通量截面積放大元件，其大體 101677-960216.doc 1291277 上填補該至少一繞組虚續妨 亥核心之該本體之至少一 的空間，該磁通量截面藉- 曰 μ 面積放大70件包括軟磁粉末與埶塑性 塑料的複合物，該複合物係經射出成形。 — 根據本發明之另一態樣，1 L L +：, , _ " 用於製造一包含軟磁 小 省方法包含以下動作··將至 乂 一、兀組配置在該軟磁材料本 “口- 何料體之至少一部分周圍；將該 軟磁材料本體及該至少一繞組 牡模具之杈穴中；及 字軟磁粉末與熱塑性塑料的複合物注入該模具之模穴令。 上述電機機械及上述方法可有利之處在於：其可使該電 機機械之在先前技術電機機械中並不有助於功率產生的體 積傳導磁通量，且，因而有助於功率產生。因此，有可能 達成一具有增加之功率密度的電機機械。另外，將磁通量 面積放大元件藉由射出成形而配置在該本體之該齒狀物 上。以此方式可有利之處在於：其可促進該磁通量面積放 大元件配置在該齒狀物上’且其可促進非起作用空間（意 即’具有極低磁導率之空氣的體積）之填補。 藉由射出成形，如上文所描述之複合物亦有可能以與形 成磁通I截面積放大元件之步驟相同的步驟形成且與藉由 相同材料形成功能特徵。以此方式之效應在於可促進或加 速製造。 本發明之另一適用性範疇將自下文所給出之詳細描述中 變得顯而易見。然而，應暸解到，詳細描述及特殊實例雖 然指示本發明之較佳實施例，但是其僅係以說明之方式终 出’因為在本發明之精神及範疇内的各種變化與修改自此 101677-960216.doc 1291277 詳細描述中對於熟悉此項技術者將變得顯而易見。 【實施方式】 圖la_c中展示一具有齒狀物丨6的先前技術層狀定子核心 1〇。如在該圖中可見，藉由使用層狀軟磁薄片12來建構核 心的人受薄片12的層化結構所限制，而不可自由及輕易地 在二維上改變形狀。熟悉此項技術者熟悉層狀核心的製造。 ' 圖2a-C中展示一由軟磁粉末製成的先前技術定子核心 20。在某些情況下，由於與用於將軟磁粉末壓縮成所要設 片之工具有關的限制，因此很難完全達成所要之核心形 狀。根據圖2a-c之實例，該定子核心包括齒狀物22，且用 於壓縮該軟磁粉末之工具的限制在齒狀物22中導致幾何不 連續性24,如圖2c中可見。圖2a_c中所呈現之結果僅展示一 實例，工具的限制可導致其他不利形狀。很少需要此等不 連、’、貝丨生24或不利开^狀。核心或齒狀物22的某些幾何形狀或 形狀很難在不會產生不連續性24(如圖2c中所示之該等不 φ 連縯性）的情況下來製造。不連續性24具有以下效應：與無 不連續性24之對應齒狀物相比，該齒狀物之較小截面積能 夠引導磁通量。與一不具有此等不連續性的定子相比，且 因而與一包括不具有此等不連續性之定子的機械相比，以 此方式可導致較無效的定子/轉子及機械。另一或額外效應 可在於··功率密度變得低於對應機械之功率密度，在該對 應機械中，核心不具有此等不連續性。功率密度經定義為 用機械之體積除所產生之功率。熟悉此項技術者熟悉自軟 磁粉末製造核心。 101677-960216.doc Ϊ291277 妙下文將關於電馬達或發電機之定子核心來描述本發明。 、而對於熟悉此項技術者而言，可很明顯將此等教示應 用至任何核心類型(例如，定子核心、轉子核心、線性馬達 之移動核心、線性馬達之定子核心等等）及任何電機機械⑽ 如方疋轉式馬達、旋轉式產生器、線性馬it、線性產生器 等等）上。 圖中展不根據本發明之一實施例的定子核心ι〇〇。磁 通里截面積放大元件1〇1、1〇2經配置在層狀定子本體ι〇3 上該本體可為如結合圖“^而描述之先前技術層狀定子核 ^或粗略成形之層狀本體，該粗略成形之層狀本體與最終 的形狀相Μ，充* _基本結構，該核心係自該基本結 構發展而來。磁通量截面積放大元件101、1〇2係由軟磁粉 末與黏合劑的複合物製成，如以下將描述。該複合物可被 射出成形至定子本體103上，如以下亦將描述。磁通量截面 積放大το件1〇1、1〇2之複合物之磁導率大於空氣的磁導 率，且與無磁通量截面積放大元件101、102之情況相比， 具有磁通量截面積放大元件1〇1、1〇2之核心形成更大的截 面積（關於電機機械運行時之磁通量的方向）。因此，用於磁 通量之路徑中的面積或體積（其在先前技術中僅包括空 氣，意即，低磁導率）現在可有助於核心的磁導，且藉此啟 用一具有較大功率密度的電機機械。另外，藉由將核心之 特殊部分的形狀模塑為更有效之形狀（例如，如圖扑义中清 晰展示之齒狀物1〇8之尖端106的形狀），可將磁通量截面積 放大兀件102用於製造更有效之核心。與圖中所示之定 101677-960216.doc 1291277 子之小正方形尖端相比，圖3b-c中之齒狀物1〇8之尖端l〇6 的形狀改良了定子與轉子之間的磁相互作用，因為其為該 磁相互作用提供較大的磁通量截面積。另外，該磁通量截 面積放大元件可藉由提供一熱傳遞路徑增加來自核心之繞 組的熱傳遞。若磁通量截面積放大元件1〇1之化合物經選擇 成使得其傳導熱比傳導空氣更好，則此可被達成。與先前 技術核心的較小接觸面積相比，磁通量截面積放大元件1 〇 i 亦可提供一與繞組相接觸之增加熱傳導表面。 可將繞組112提供在如圖3a-f中之最終核心的齒狀物周 圍，意即，在磁通量截面積放大元件1〇1已配置在定子本體 103上之後，或在磁通量截面積放大元件ι〇1的應用之前。 藉由向梭心及繞組提供複合物，意即，在該等繞組已配置 在该核心上之後’磁通量截面積放大元件之截面積可填補 低磁導率的額外潛在空間，且可進一步增強熱傳遞。 圖4a-b中展示一不同於圖3 a-f之實施例的實施例，不同之 處在於：其將本體103曝露在齒狀物ι〇8的尖端1〇6處。此係 藉由不使該本體之若干部分的末端表面12〇覆蓋有軟磁粉 末與樹脂的複合物來達成，該等部分係齒狀物1〇8的基本結 構。 圖5a-f中展示核心200之另一實施例，其中核心2〇〇係基於 一由軟磁粉末製成的本體202。本體202可為如結合圖2a-c 而描述之由軟磁粉末製成的先前技術定子核心或粗略成形 之軟磁粉末本體，該粗略成形之軟磁粉末本體與最終核心 的形狀相似且充當一基本結構，核心200係自該基本結構發 101677-960216.doc -10- 1291277 展而來。除了如結合圖2c所描述來配置磁通量截面積放大 元件204之外，可將磁通量截面積放大元件2〇4用於填補本 體中或核心中的不連續性206，且，因而增加一具有不連續 性206之核心中磁通量路徑的截面積，且因此增加包括磁通 量截面積放大元件204在内之截面的磁導。另外，以此方 式’可填補本體或核心的不連續性206，從而在不當的不連 續性之位置處導致連續表面。在圖5 a-f之實施例中，不連續 性206位於齒狀物208中，如圖5d中所示，且該等不連續性 係藉由磁通量截面積放大元件204來有效地填補。結合圖 3a-f而論述之增加熱傳遞的優點亦可應用於此實施例。 在某些應用中，可能有利的是為已壓縮之軟磁粉末核心 提供如以上所描述之由軟磁粉末與黏合劑之複合物製成的 二維特徵’即使有可能自壓縮軟磁粉末製造此等三維特 徵。該三維特徵可（例如）為齒狀物2〇8的一齒狀物尖端。 可在如圖5a-f中之最終核心之齒狀物2〇8的周圍或在磁通 量截面積放大元件204的應用之前提供繞組212。 根據一實施例，用於磁通量截面積放大元件的複合物包 括軟磁粉末及黏合劑。該軟磁粉末及該黏合劑的量及性質 待選擇成使得該複合物之磁導率至少大於空氣的磁導率 (μ〇) ’且使得達成由待使用核心之特殊應用所需的結構強 度。在某些應用中，可能有利的是選擇軟磁粉末及黏合劑 的量及性質，使得複合物可能射出成形。射出成形的優點 可在於：使製造複雜且小公差的3D結構成為可能；使藉由 將不傳導磁通量的體積重新組態為傳導磁通量的體積來有 101677-960216.doc -11- 1291277 效利用電機機械的體積成為可能；射出成形特徵係機械地 穩固而無需任何補充工作。 需要獲得儘可能高的磁導率，然而，結構強度的需求及 關於可能射出成形之複合物的需求可限制該磁導率。

所使用之黏合劑的量係由在特殊應用中達成核心之所需 結構強度所需的及/或使有可能射出成形所需的量來判 定。用於複合物（其可用於感應成形）之軟磁粉末與熱塑性黏 合劑之間的關係可為大約83_95重量百分比（w.p·)的軟磁粉 末與大約5-17 w.p·的熱塑性塑料。在一實施例中，大約9〇_95 w.p·的軟磁粉末係較佳的，以使複合物之磁效能最優化。 車人磁知末可（例如）為包括鐵、鎳、銘或此等材料之任何組 合之粒子的粉末。X，其可為鈷鐵合金、鈷鎳合金、鎳鐵 合金或始錄鐵合金的粉末。_等粒子可基本上為球形、不 規則形或以薄片形狀。另外，該等粒子可經塗佈或非塗佈。 即使使用非塗佈之粒子，亦可將複合物㈣電絕緣物。 黏合劑可為熱塑性材料或熱固性材料。在核心價格很重 要時或在核心材料係可再循環時，熱塑性材料可能係有利 的1由加熱核心且允許排盡熱塑性塑料可將核心材料再 循壤。在組分強度很重要時，熱固性材料可能係有利的。 吾人已知個別群之許多代表。自熱塑性材料群，可選擇 下Μ材料+之n組合··聚醯胺、含硫聚合物（例如， 卿）等等，關於另外的熱塑性材料，參看了』c咖， ngton s Dictionary of Plastics 3:d Ed5 ISBN 1-56676-090-9, 1993。自熱固性材料群，可選擇環氧樹脂，為選擇 101677-960216.doc -12- 1291277 另外熱塑性材料，參看s.h· Goodman，Handb00k of

Thermoset Plastics 2:nd Ed.，ISBN 0-8155-1421-2, 1998。

圖6-8中呈現根據本發明之一實施例之用於製造核心之 製程的步驟。最初，製造或提供本體4〇2。可將本體4〇2看 作一半成品核心或看作一可藉由應用本發明來改良之核 心。因此，如以上所提及，本體4〇2可為一已知層狀核心（例 如，如結合圖la-c所描述）、一由軟磁粉末製成的已知核心 (例如，如結合圖2a-c所描述）、或層狀軟磁薄片或軟磁粉末 之一粗略成形的本體（與最終核心之形狀相似）。該粗略成形 的本體接著充當一基本結構，該核心係自該基本結構發展 而來。另外，製造或提供模具404。該模具具有一用於容納 本體402及待配置在該本體上之複合物408的模穴4〇6，且具 有一或複數個用於在射出成形期間將複合物408輸入至模 穴406的入口 410，參看圖6。接著將本體402安置在該模具 中’參看圖7。設計該模具以容納本體4 0 2且將模穴412留在 磁通量截面積放大元件414待配置於本體402上的位置處。 當本體402在模具中處於適當位置時，複合物408經由注入 管道416而注入至該模具上，且填補本體402與模具404之壁 418之間的模穴412，參看圖8。在此實施例中，有可能將磁 通量截面積放大元件配置在核心上的位置（其待纏繞有繞 組或線圈）處，且，因而使該磁通量截面積放大元件除了上 文所呈現之磁通量截面積放大元件的功能性外還在本體與 繞組或線圈之間充當電絕緣物。 根據一實施例，本體402在其插入至模具404中之前可具 101677-960216.doc -13- 1291277 有繞組或線圈。當將複合物408注入至模具4〇4中時，複合 物408不但填補本體402與模具404之壁418之間的模穴 412，而且填補繞組與本體4〇2之間及繞組與模具4〇4之壁 418之間的模穴424。此之優點在於：除了增加了磁通量^ 面積之外，可進一步改良來自繞組的熱傳導。 在又一實施例中，其中繞組或線圈亦在將本體插入至模 =404中之鈿提供給該本體，該本體可在該本體與該等繞組 或線圈之間具有間隔片，因而，在本體402與整個繞組之間 提供了 一模穴。此實施例的優點在於：其可組合兩個先前 所提及之實施例的優點。例如，其可使磁通量截面積放大 凡件在本體402與繞組或線圈之間充當電絕緣物，其可增加 磁通ΐ截面積，且其可改良來自繞組的熱傳導。 根據另一實施例，三維特徵的射出成形有可能設計如圖9 中所示之核心506之齒狀物504的自由端502。齒狀物504之 自由端502具有一相互作用表面5〇8，視齒狀物5〇4是否配置 在轉子/動子或定子上而定，該相互作用表面用於與定子或 轉子/動子的磁性相互作用。相互作用表面5〇8係藉由兩個 沿圓周定向之邊緣510、5 12及兩個基本上軸向延伸之邊緣 514、516來界定。然而，基本上軸向的邊緣514、516經配 置成使得軸向邊緣514、516的一末端518、520配置為比相 同軸向邊緣514、516之其他邊緣524、526更接近於齒狀物 504之主本體，而將所有四個邊緣51〇、512、514、516以與 核心506之幾何軸線基本上相同的距離來配置。藉由以此方 式設計相互作用表面508，可達成偏斜。因此，可減少一具 101677-960216.doc -14- 1291277 有此核心設計之線性馬達中存在的力漣波（f〇rce ripple)。 根據又一實施例，三維延伸部分及/或磁通量截面積放大 元件（根據任何先前所提及之實施例，其係由該複合物製成 且經射出成形至核心上）可經延伸及成形，以執行除了該核 心之普通功能外的特殊應用功能。

例如，可將三維延伸部分及/或磁通量截面積放大元件延 伸至用於與電機機械外部之系統相嚙合的特徵，且可同時 使用與三維延伸部分及/或磁通量截面積放大元件之複合 物相同的複合物來模製。因此，該延伸特徵係以與核心之 步驟相同的步驟且在與核心之模具相同的模具中來製造， 5亥核心具有或不具有繞組。可以此方式製造之特殊應用延 伸部分及形狀可（例如）為風扇之風扇葉片、泵之移動零件、 齒輪延伸部分、軸承底座、也許為整合軸承及其他機械之 相似的特殊應用特徵。因而，有可能以一非常簡單且具成 本效益的方式在電機機械的移動部分中併入特殊應用特 徵0 根據另—實施例’在藉由射出成形磁通量截面積放大元 件及/或二維特徵來結束核心之前’可將一波狀繞組配置在 核心本體的齒狀物處。以此方式簡化了包括波狀繞組及三 維特徵在内之電機機械的製造。 【圖式簡單說明】 ^展示層狀軟磁材料薄片之先前技㈣子核心的示意 性俯視圖； 圖1b展示圖^之定子核心之截面的示意圖； 101677-960216.d〇( •15- •1291277 圖展不圖ia之定子核心之齒狀物截面的示意圖； 圖2a展示一由軟磁粉末製成之先前技術定子核心的示意 性俯視圖； 圖2b展示圖以之定子核心之截面的示意圖； 圖2c展示圖2a之定子核心之齒狀物截面的示意圖； 圖3a展示根據本發明之一實施例之定子核心的示意性俯 視圖，該核心具有繞組；

圖3b展不圖3a之定子核心之截面的示意圖； 圖3c展示圖3b之截面之一截面的示意圖； 圖3d展示圖3a之定子核心之齒狀物截面的示意圖； 圖3e展示圖3a之具有繞組之定子核心的示意性透視圖； 圖3f展示圖3b之具有繞組之截面的示意性透視圖； 圖4a展示根據另一實施例之具有繞組之核心的示意性透 視圖； 圖4b展示圖4a之核心截面的示意性透視圖； 圖5 a展示根據本發明之又一實施例之定子核心的示意性 俯視圖，該核心具有繞組； 圖5b展示圖5a之定子核心之截面的示意圖 圖5c展示圖5b之截面之一截面的示意圖； 圖5d展示圖5a之定子核心之齒狀物截面的示意圖； 圖5e展示圖5a之定子核心的示意性透視圖； 圖5f展示圖5b之截面的示意性透視圖； 圖6展示模具的示意性截面； 圖7展示圖6之模具在本體安置於該模具中時的示意性戴 101677-960216.doc -16 - 1291277 面； 圖8展示圖7之模具及本體在複合物已被注入至該模具中 時的示意性截面； 圖9a展示根據本發明之核心的示意性透視圖，其中三維 突起部分係根據本發明以一用於提供偏斜（skew)的特定形 狀來模製；及 圖9b展示圖9a之核心之截面的示意性透視圖。 【主要元件符號說明】 10 先前技術層狀定子核心 12 層狀軟磁薄片 16 齒狀物 20 先前技術定子核心 22 齒狀物 24 幾何不連續性 100 定子核心 101 磁通量截面積放大元件 102 磁通量截面積放大元件 103 層狀定子本體 106 尖端 108 齒狀物 112 繞組 200 核心 202 本體 204 磁通量截面積放大元件 101677-960216.doc -17- •1291277 206 不連續性 208 齒狀物 212 繞組 402 本體 404 模具 406 模穴 408 複合物 410 入口 412 模穴 414 磁通量截面積放大元件 416 注入管道 418 壁 502 自由端 504 齒狀物 506 核心 508 相互作用表面 510 沿圓周定向之邊緣 512 沿圓周定向之邊緣 514 軸向邊緣 516 軸向邊緣 518 末端 520 末端 524 其他邊緣 526 其他邊緣 101677-960216.doc 18-

Claims (1)

1291277 申請專利範圍： 1. 一種電機機械，其包含： 一核心，其包括一軟磁材料本體； 至少-繞組’其配置在該核心之至少—部分的周圍；及 μ 元件’其填補該至少—繞組與該 核心本體之至少一部分之間的一空間’該磁通量截面積 放大疋件包括軟磁粉末與一熱塑性塑料之— 複合物係經射出成形。 否 人 2.如請求们之電機機械’其中該磁通量截面積放大元件之 該複合物另外形成用於與該電機機械外部之系統相喃合 之至少一特徵。 3·如請求項2之電機機械，其中該 乃外幵/成之至少一特徵係 風屬業片。 4. 如請求項2之電機機械，豆中 ^ ，、甲4另外形成之至少一特徵係 一齒輪。 5. 如請求項⑴任—項之電機機械，其中該本體係由軟磁 金屬薄片與電絕緣物之一堆疊製成。 如η求項1至4任一項之電機機械，其中該本體係由軟磁 粉末製成。 7·如明求項1至4中任一項之雷擁 @ 機機械，其中該電機機械係 一電動機。 8. 如請求項1至4中任—頊之雷拖 $之i機機械，其中該電機機械係 一發電機。 9. 如請求項1至4中任一頊之雷嫵 貝之電機機械，其中該本體單獨形 101677-960216.doc 1291277 成該核心。 10. 如請求項1-4中任一項之電機機械，其中該本體係一粗略 成形之核心。 11. 一種用於製造一包含一軟磁材料本體之電機機械之方 法，該方法包含以下動作： 將至少一繞組配置在該軟磁材料本體之至少一部分的 周圍， 將該軟磁材料本體及該至少一繞組安置在一模具之一 模穴中；及 將軟磁粉末與一熱塑性塑料之一複合物注入至該模具 之該模穴中。 •如請求項U之方法，其中該軟磁材料本體包括複數個齒 狀物及複數個繞組’且其中該配置動作包括將複數個繞 組中該等繞組之每一者配置在不同齒狀物的周圍。 其中該軟磁材料本體 該等薄片經彼此電絕 其中該軟磁材料本體 其中該軟磁材料本體 其中將至少一繞組配 13·如請求項11至12中任一項之方法 係由軟磁材料薄片之一堆疊製成 緣。 14·如請求項11至12中任一項之方法 係由經壓縮之軟磁粉末製成。 15·如請求項丨丨至^中任一項之方法 係由經燒結之軟磁粉末製成。 16·如請求項“至12中任一項之方法 =該軟磁材料本體之至少—部分周圍之該動作包括將 该至>、—繞組配置在該本體之至少—部分周圍，而不使 101677-960216.doc -2 - 1291277 該至少一繞組與該本體之該至少一部分接觸之動作。 17·如請求項11至12中任一項之方法，其進一步包含形成用 於容納該軟磁材料本體及該至少一繞組且用於界定一磁 通量戴面積放大元件之該模具之該模穴之動作。 18. 如：求項17之方法’其中形成該模具之該模穴之該動作 進-步包括形成用於界定一自該本體及該至少 伸之二維特徵之該模穴之動作。 、

19. 如請求項17之方法，其中形成該 進-步包括形成用於界定一用於盘模八之該動作 統相嚙合之三維特徵之該模穴之動：電機機械外部之系 101677-960216.doc 1291277 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第（5c )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 200 核 心 202 本 體 204 磁 通量截面積放大元件 208 齒 狀物 212 繞 組

八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： (無） 101677-960216.doc