TWI403075B - 軸向磁通薄型馬達定子盤的結構 - Google Patents

Description

軸向磁通薄型馬達定子盤的結構

本發明係有關一種軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，尤指一種改良軸向磁通薄型馬達結構，其可解決過去因馬達設計與製造方式無法整合一致，使馬達繞線佔槽率過低、及力矩漣波過大的缺點。

習用薄型馬達之結構，係以繞線機在馬達定子齒柱繞線時，必需具有足夠大的齒槽開口(slot opening)，且繞線佔槽率在50%以下。軸向磁通馬達以沖槽捲繞方式製成定子盤，再以超過70%佔槽率的繞組套入齒柱，最後再嵌入一體式成型的齒鞋或齒鞋盤，一體式成型的齒鞋可用導磁性材料製成齒鞋頂面，導引軸向磁通依鞋頂幾何形狀分佈通過氣隙，以降低力矩漣波。此種結構可降低齒柱長度，不但降低重量與成本，馬達厚度亦隨之降低，以達到薄型化目標。

第一習知薄型馬達請參考US6445105，其主要為以提高軸向磁通馬達功率密度與效率，定子齒與盤分由鑄鐵製造，而線圈繞在圓柱上，再膠合成定子盤，齒頂為梯型，齒柱為圓形，以上鑄鐵製造及組裝過程較為複雜，因此具有生產成本較高的缺點。

第二習知薄型馬達請參考US6707221，其主要為提高軸向磁通馬達功率密度與效率，定子齒由軟性導磁材料鑄成，圓柱周圍繞線，其具有鑄鐵與繞線結構單純，該馬達的缺點為繞線佔槽率過低，以致無法降低定子盤高度。

第三習知薄型馬達請參考US6707221，其主要為定子齒盤由一片矽鋼片螺旋捲繞沖製一體式成型，繞線以徑向捲繞方向形成，以上捲繞沖製結構簡易，該散熱方式係使水套鰭片插入定子繞線間隙，中間灌膠提高熱傳導效率，降低齒卡力矩方式為：

(1)　將轉子磁鐵分成兩個區域，或四個區域，但不限此二例，但建議分成偶數區域。各區分開為槽距的一半。因此磁鐵間距會較窄，或使磁鐵寬度較窄。

(2)　磁鐵之間距由內圈到外圈不等距，使磁鐵邊線與徑向線差一小角度。

但上述所有習知馬達繞線佔槽率過低，以致無法降低定子盤高度，有效達到扁平薄型及減重的目標；此外以機器繞線時，槽口寬必須夠大，才能使銅線穿過，然而槽口過大會導致力矩漣波增大，不利馬達穩定運轉，因此傳統的薄型馬達仍未臻完美，本發明正為改進上述缺點的薄型馬達結構。

基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，主要目的改良軸向磁通薄型馬達結構，解決過去因馬達設計與製造方式無法整合一致，使馬達繞線佔槽率過低、及力矩漣波過大的缺點。

本發明改良軸向磁通薄型馬達結構，解決前述習知馬達的缺失，具有下列三項優點：

(一)軸向磁通馬達以沖槽捲繞方式製成定子盤：以整條連續矽鋼片一邊沖製齒槽、一邊捲繞成圓盤、每繞一圈調變一次齒槽節距(pitch)，最後完成只有齒柱不含齒鞋的定子盤。

(二)高佔槽率線圈繞製與安裝：獨立緊密繞出線圈，使佔槽率高於70%，加以緊密定型，直接套入無齒鞋的定子齒盤，各相線圈再連接至分電盤。

(三)一體式成型的齒鞋製作與安裝：一體式成型的齒鞋可用導磁材料，如：軟磁複合材料、低碳鋼等，製成平面或曲面齒鞋頂，以改變氣隙長度分佈，並導引軸向磁通依鞋頂幾何曲面分佈通過氣隙，以降低力矩漣波。將一體式成型的齒鞋或齒鞋盤嵌入定子座，完成高佔槽率之盤狀定子構型。

本發明應用於產業之價值如下：

(一)軸向磁通馬達以沖槽捲繞方式製成定子盤：此結構不以傳統沖製矽鋼片方式疊成定子盤，而是用整捲矽鋼片連續，沖製齒槽、同時捲繞成圓盤。這種結構需要沖槽機與捲片機搭配，製程一貫作業，可節省材料，降低製造成本與提高生產效率。

(二)高佔槽率線圈繞製與安裝：此結構不需以繞線機直接在定子盤上繞線，而是以獨立且緊密方式繞出線圈，定型之後再套入無齒鞋的定子盤。此結構可以省去不必要的治具，繞線機功能簡單便宜，且提高繞線成功率。

(三)一體式成型的齒鞋製作與安裝：此結構對齒鞋形狀設計具極大的自由度，一體式成型的齒鞋可以有不同變化的鞋頂截面，也可以有不同變化的鞋頂曲面，可改變氣隙長度分佈，縮短齒槽開口，以至可產生最小力矩漣波。使馬達性能大為改善，並有效提升產業價值。

為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對　貴審查委員於審查工作有所助益。

茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於　貴審委做一瞭解。

本案整體技術優點如下：主要發明改良軸向磁通薄型馬達結構，解決過去因馬達設計與製造方式無法整合一致，使馬達繞線佔槽率過低、及力矩漣波過大的缺點。本發明有三項優點：(一)以沖槽捲繞方式製成軸向磁通馬達定子盤，(二)高佔槽率線圈繞製與安裝，(三)一體式成型的齒鞋或齒鞋盤製作與安裝。依此製程完成之軸向磁通薄型馬達結構，其可達到降低馬達厚度、降低力矩漣波、提高繞線佔槽率、降低馬達重量、提升馬達功率密度及力矩密度等諸項優點。

本發明之軸向磁通薄型馬達構造、其具體結構說明如下：

(一)軸向磁通薄型馬達構造

一種軸向磁通薄型馬達，馬達具有定子盤與轉子盤的結構，其主要用於車輪軸心側面或中置的扁平空間中，帶動車輪轉動。此軸向磁通馬達最基本動力輸出原理，是藉著定子盤之電樞通電形成電磁鐵，和轉子盤上磁鐵形成的電磁場交互切割，使轉子盤帶動馬達之車輪軸轉動，但本發明不受限於車輛載具使用，亦適用於其他需要使用薄型馬達的領域。定子盤與轉子盤之間有一環狀平面氣隙，主要磁力線由磁鐵出發沿軸向流動，經過氣隙到達定子側，再由定子背鐵轉回氣隙，再沿軸向回到轉子，經過轉子背鐵形成一封閉迴路。氣隙之間磁能則隨定轉子相對位置而改變，因此產生垂直軸、並與環狀平面氣隙相切的力矩。

請同時參閱圖一、二A、二B所示，係為本發明定子盤及轉子盤之結構示意圖，係為一種可提高定子線圈佔槽率及降低力矩漣波之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其係包括有：一定子盤1，其定子盤1係為一長條型矽鋼片沖槽捲繞成圓盤方式製成，設置有複數個齒柱11；一轉子盤2，由一導磁材料圓盤為基座，其上嵌入數個永久磁鐵；藉由上述結構，將銅線在扇形柱狀線套(如下述圖五B、五D、五E所示)外依序緊密繞成多層線圈(如下述圖五B、五D、五E所示)，將獨立緊密繞製的線圈套入該定子盤1之齒柱11上(如下述圖五A～E所示)，形成高佔槽率繞線結構，各線圈聯絡依據馬達相數，以串聯或並聯佈置形成各相繞組。

圖一所揭露而定子構造由一定子盤1為底，往軸向伸出齒柱11，齒柱11上再展開齒鞋12，二齒柱之間沖出一齒槽13，扇型齒頂為齒鞋之實施的其中一種形狀，若齒鞋12與齒柱11分離獨立製造(如下述圖五A～E所示)，以一體式成型製作齒鞋12時，齒鞋12頂截面可以有多種變化，且齒鞋12頂面可為平面，或亦可成曲面突起形狀(如圖五C、D所示)，且齒鞋12以導磁材料或軟磁複合材料製成之一體式成型所構成，適當設計齒鞋12頂截面使齒槽開口14成為直型或斜型，並使齒鞋12曲面造成氣隙磁通分佈平滑近似正弦波形，如此將使力矩漣波降低，使馬達運轉平順。

請參閱圖二A、B所示，係為本發明轉子盤之結構示意圖，其中轉子構造為一導磁材料之轉子盤2構成，轉子盤2內鑲磁鐵(扇形、圓形、矩形或其他形狀)，而磁鐵分別為N極磁鐵21及S極磁鐵22，二者相鄰形成整圈偶數磁鐵環狀結構，轉子盤2為導磁材料，使磁力線由轉子經氣隙至定子形成封閉迴路。

請參閱圖三A、B所示，係為本發明利用長條型矽鋼片沖槽及製作非等距之齒槽節距結構示意圖，而圖三A、B的差異點，乃在於圖三A於矽鋼片3未設置卡溝結構；而圖三B於矽鋼片3設置一卡溝結構341，二者皆為極佳的實施結構，故一併提出，具體結構說明如下：

(1)定子盤以捲繞沖製方式製成，將片狀長條型矽鋼片3一端固定，以長寬為a*h矩形沖頭，此矩形沖頭兩側可各帶有溝槽，而溝槽數量可為一個或複數個，溝槽形狀也不限於半圓形，以能固定齒鞋為目的，對著矽鋼片3沖壓出若干個齒槽34，相鄰齒槽34間分別形成了第一齒槽節距C1、第二齒槽節距C2、第三齒槽節距C3，並漸漸增加齒槽節距C₁ <C₂ <C₃ …，由內圈開始捲成環狀，最後形成立體盤(如圖四A、B所示)，而圖四A、B的差異點，乃在於圖四A於齒柱41未設置卡溝結構；而圖四B於齒柱41設置一卡溝43結構，最後形成立體盤，盤底呈一環狀，並由盤底延伸出齒頂為扇形之齒柱41，齒柱41中間形成一矩形截面之齒槽42。在定子盤4捲繞沖槽過程，亦可調整節距，使定子盤4齒槽42截面也製成斜角平行四邊型，且齒柱41頂端截面也形成斜角扇形。

為形成齒柱具有較高的線圈密度，於線圈與齒柱之間更係設置有一線套，利用該線套的設置，可使繞線密度達到70%以上，同時亦使薄型馬達的製程縮減，有關於該線套的結構設計，本案例舉以下四個較佳實施例：

第一實施例： 請參閱圖五A、B、C、D、E所示，係為本發明定子盤之齒柱由外部嵌入齒鞋之結構示意圖，其中該定子盤之齒柱5外部先套一線套58，該線套58為一塑膠材質所構成，該線套58外部繞有線圈581，此時齒柱5二側與線套581之間各留有一間隙，該二間隙可供外部二齒鞋52嵌入，齒鞋52表面具有一波形曲面522，當齒鞋52置入時，該線套68受應力後可輕微變形來卡合二齒鞋52，該齒鞋52上設置有至少一凸塊521(本實施例為二個)，且該定子盤之齒柱5對應設置有一卡溝51，本處所設置的卡溝51與圖4B所揭露結構與作用皆相同，並使該凸塊521卡合於該卡溝51中，以形成齒鞋52與齒柱5的固定狀態。

第二實施例： 請參閱圖六A、B、C所示，與第一實施例的差異點在於：該齒柱5與齒鞋52的連接結構，可利用齒柱5與齒帽53結構來做替代，係於齒柱5頂面設置有一溝57，而齒柱5的外部亦利用一線套58做一套置，再利用一齒帽53底面之條塊(圖中未示)嵌入齒柱5頂面之溝57，嵌入後，再利用一鉚釘或螺絲之固定元件54為緊配或鎖固，由於該齒帽53二側緣凸出於齒柱5外部，故可取代上述第一實施例之齒柱5與齒鞋52的連接結構，可利用齒柱5與齒帽53結構來做替代。

第三實施例： 如圖七A、B所示，其中於定子盤55之底面更係連接有一定子底盤56，在定子盤55與定子底座56上設置一齒柱5，於齒柱5的外部利用與前二實施例不同結構之一線套59做一套置，線套59外部係設置有一線圈591，且該線套59係為利用一導磁鋼材所製成，該導磁鋼材係指一不鏽鋼材質，該線套59二側緣亦凸出於齒柱5外部，亦可取代上述第一實施例之齒鞋52的結構及功能，而線套59與定子底盤56之固接，可利用一固定元件54來達成，該固定元件54可為鉚釘，或是直接銲固(圖中未示)，以形成本實施例結構。

(2)將銅線在扇形柱狀線套線套外依序緊密繞成線圈多層，以便插入定子齒柱外圍(如圖五B、六B、七B所示)，各線圈聯絡依馬達相數，以串聯/並聯佈置形成各相繞組。(如圖六所示)

(3)以導磁鋼材一體式成型製成齒鞋(如前述圖五C所示)，齒鞋形狀可設計成不同形狀，使齒與齒之間隙大於最小氣隙，再請參閱圖九所示，將齒鞋頂面製成齒鞋波形曲面63，以改變氣隙磁阻方式調降力矩漣波。定子盤6上齒鞋可用軟磁複合材料製成，可使齒槽開口成為直型(如圖一所示)或斜型齒槽開口62，導引軸向磁通呈近似正弦波形分佈，以降低力矩漣波。齒鞋可與不導磁材料組合成一體式圓形片結構，相鄰齒鞋波形曲面63外部套置的線套64形成一線圈61置入空間，於線圈61插入各槽後，置入定子齒盤頂端緊配成型。以上定子結構可以增加線圈61繞線佔槽率，因線圈61繞線層數增加，使定子齒高降低，而減少馬達重量。

(4)定子盤與外殼之間緊配，其間隙充灌散熱膠體，外殼靠空氣端製成鰭片，使銅損與鐵損之熱量，可輕易由馬達內部傳導至外殼，並藉由空氣流動冷卻馬達。

第四實施例： 如圖八A、B所示，其係包括有下列組裝結構：

(1)　將捲繞沖製完成的定子盤63與一定子底盤64結合，此底盤64可為馬達外殼的一部份。

(2)　底盤64下凹部份承放定子盤63底部，結合方式為另製一壓板62，中空部份正好與定子盤63之齒柱631相同，所以可將壓板62套入定子盤63直達槽底。

(3)　壓板62與定子底盤64可以焊接、鉚合或螺絲鎖固等方式結合。

(4)　最後再套入線套61，形成高佔槽率之定子結構，利用齒柱631、壓板62及線套61之結構，亦可取代上述第一實施例之齒柱5與齒鞋52的連接結構。

藉由上述圖一至圖九的揭露，即可瞭解本發明改良軸向磁通薄型馬達結構，解決前述習知馬達的缺失，具有下列三項優點：

(一)　軸向磁通馬達以沖槽捲繞方式製成定子盤：以整條連續矽鋼片依序沖製齒槽、同時捲繞成圓盤、每繞一圈調變一次齒槽節距(pitch)，最後完成只有齒柱不含齒鞋的定子盤。

(二)　高佔槽率線圈繞製與安裝：獨立緊密繞出線圈，使佔槽率高於70%以上，加以緊密定型，直接套入無齒鞋的定子齒盤，各相線圈再連接至分電盤。

(三)　一體式成型的齒鞋製作與安裝：一體式成型的齒鞋可用導磁性材料，如軟磁複合材料、低碳鋼等，製成平面或曲面齒鞋頂，以改變氣隙長度分佈，並導引軸向磁通依鞋頂幾何曲面分佈通過氣隙，以降低力矩漣波。將一體式成型的齒鞋或齒鞋盤嵌入定子座，完成高佔槽率之盤狀定子構型。

本發明應用於產業之價值如下：

(一)　軸向磁通馬達以沖槽捲繞方式製成定子盤：本發明之定子盤結構不以傳統沖製矽鋼片方式疊而成，而是用整捲矽鋼片連續，沖製繞線齒槽、同時捲繞成圓盤。這種結構需要沖槽機與捲片機搭配，製程一貫作業，可節省材料，降低製造成本與提高生產效率。

(二)　高佔槽率線圈繞製與安裝：本發明之定子盤結構不需以繞線機直接在定子盤上繞線，而是以獨立且緊密方式繞出線圈，定型之後再套入無齒鞋的定子盤，可以省去不必要的夾治具，繞線機功能簡單便宜，且可提高繞線成功率。

(三)　一體式成型的齒鞋製作與安裝：本發明之定子盤結構對齒鞋形狀設計具極大的自由度，一體式成型的齒鞋可以有不同變化的鞋頂截面，也可以有不同變化的鞋頂曲面，可改變氣隙長度分佈，縮短齒槽開口，以至可產生最小力矩漣波。使馬達性能大為改善，並有效提升產業價值。

綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深賦實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明專利之要件。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1．．．定子盤

11．．．齒柱

12．．．齒鞋

13．．．齒槽

14．．．齒槽開口

2．．．轉子盤

21．．．N極磁鐵

22．．．S極磁鐵

3．．．矽鋼片

31．．．第一齒槽節距

32．．．第二齒槽節距

33．．．第三齒槽節距

34．．．沖槽

341．．．卡溝

4．．．定子盤

41．．．齒柱

42．．．齒槽

43．．．卡溝

5．．．齒柱

51．．．卡溝

52．．．齒鞋

521．．．凸塊

522．．．波形曲面

53．．．齒帽

54．．．固定元件

55．．．定子盤

56．．．定子底座

57．．．溝

58．．．線套

581．．．線圈

59．．．線套

591．．．線圈

61．．．線套

62．．．壓板

63．．．定子盤

631．．．齒柱

64．．．定子外殼

7．．．定子盤

71．．．線圈

72．．．斜型齒槽開口

73．．．齒鞋波形曲面

74．．．線套

圖一係為本發明定子盤之結構示意圖；

圖二A、B係為本發明轉子盤之結構示意圖；

圖三A、B係為本發明利用長條型矽鋼片沖槽及製作非等距之齒槽節距結構示意圖；

圖四A、B係為本發明利用長條型矽鋼片沖槽捲繞成圓盤之結構示意圖；

圖五A係為本發明定子盤之齒柱結構示意圖；

圖五B係為本發明線套結構示意圖；

圖五C係為本發明齒鞋結構示意圖；

圖五D係為圖五A、B、C結合後之結構示意圖；

圖五E係為本發明第一實施例於齒槽與線圈之間設置一之結構剖面圖；

圖六A係為本發明齒柱之另一實施結構示意圖；

圖六B係為於圖六A外部套置一線套之結構示意圖；

圖六C係為於圖六B上方鉚合一齒帽後之結構示意圖；

圖七A係為本發明齒柱下方設置有一定子底座之結構示意圖；

圖七B係為於圖七A外部套置另一種線套後之結構示意圖；

圖八A係為本發明齒柱之再一實施分解結構示意圖；

圖八B係為圖八A之組合結構示意圖；

圖九係為本發明齒槽開口與齒鞋頂部之實施結構組合圖。

1．．．定子盤

11．．．齒柱

12．．．齒鞋

13．．．齒槽

14．．．齒槽開口

Claims (14)

1. 一種軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，馬達具有定子盤與轉子盤的結構，定子盤之電樞通電形成電磁鐵，和轉子盤上磁鐵形成的電磁場交互切割，使轉子盤帶動馬達轉動，其係包括有：一定子盤，係為矽鋼片沖槽捲繞成圓盤方式製成，設置有複數個齒柱；一轉子盤，由一導磁材料圓盤為基座，其上嵌入數個永久磁鐵；以及藉由上述結構，將銅線在扇形柱狀線套外依序緊密繞成多層線圈，將獨立緊密繞製的線圈套入該定子盤之齒柱上，形成高佔槽率繞線結構，各線圈聯絡依據馬達相數，以串聯或並聯佈置形成各相繞組。
2. 如申請專利範圍第1項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該定子盤之齒柱更係設置有一由外部嵌入的齒鞋。
3. 如申請專利範圍第2項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該齒鞋以導磁材料所構成。
4. 如申請專利範圍第3項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該導磁材料係指軟磁複合材料、低碳鋼之一體式成型所構成。
5. 如申請專利範圍第2項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該齒鞋之構造頂面為平面。
6. 如申請專利範圍第2項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該齒鞋構造頂面為波形曲面。
7. 如申請專利範圍第2項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該相鄰齒鞋之間所形成的齒槽開口為直型或斜型。
8. 如申請專利範圍第2項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該齒鞋上設置有至少一凸塊，且該定子盤之齒柱對應設置有一卡溝，並使該凸塊卡合於該卡溝中，以形成齒鞋與齒柱的固定狀態。
9. 如申請專利範圍第2項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該每一齒鞋之間所形成齒槽節距皆不相同。
10. 如申請專利範圍第1項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該線套係為塑膠材質或導磁鋼材所構成。
11. 如申請專利範圍第1項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該導磁鋼材係指一不鏽鋼材質。
12. 如申請專利範圍第1項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該定子盤之底面更係連接有一定子底盤。
13. 如申請專利範圍第2項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該齒柱與齒鞋的連接結構，可利用齒柱與齒帽結構來做替代。
14. 如申請專利範圍第2項所述之軸向磁通薄型馬達定子盤的結構，其中該齒柱與齒鞋的連接結構，可利用齒柱、壓板及線套結構來做替代。