TWI558067B - 一種電機繞線框架結構 - Google Patents

Description

一種電機繞線框架結構

本發明係有關一種電機繞線框架結構，尤指一種針對銅線與定子之間之熱阻，設計了一種整合式繞線絕緣座結構，配合高熱傳導率之陶瓷導熱片之結構化溝槽設計，大幅度的降低了銅線與定子之間之接觸熱阻，且於自動化繞線機繞線時方便了排線，其中兩檔片材質皆為絕緣材料，而繞線內層之材料為陶瓷導熱片，一體式或組合方式形成一具高導熱介質材料之整合是繞線框架結構。

近年來，高功率密度或高扭矩密度之盤式電機逐漸成為這類應用的主流技術趨勢。使用於微混動力系統(Mild Hybrid Power System)的重型機車(Heavy Duty Scooter)，引擎本體與發電機兼馬達結構，類似延距式電動車之ISG，且ISG操作於高扭矩密度輸出作為起步或加速輔助的馬達的模式需求比例(>70%)，發電機模式的需求<30%[1]，但安裝空間與散熱條件更加嚴苛。

對於整合式發電機之散熱方式，主要分為水冷系統與氣冷系統兩種，水冷系統主要針對發電機本體之外殼上做水冷氣系統的配置，使銅線發熱源傳至定子，並經由外殼之水冷系統將熱源帶走；而氣冷系統主要針對發電機本體之外殼上做散熱鰭片配置並經由風罩包覆住再加入強制對流之高風 壓風扇，迅速將熱源帶走。而根據熱對流理論，液流狀態之熱對流係數約為100~10000W/m²K；氣流狀態之熱對流係數約50~250W/m²K，故由此可知相較於氣冷系統，水冷系統擁有較優異的散熱條件，但應用於微混動力系統的重型機車之車載測試時，就算使用水冷系統之發電機溫度仍高達120~140度，且外部溫度到達80~100度，這使得內外溫差高達40度，即意味著內部散熱之熱傳導條件惡劣，這嚴重影響到發電機本體與周圍零件之壽命，進一步限制了車載的操作時間。

經由熱阻分析實驗，造成發電機本體內部熱傳導條件惡劣是在於經由銅線發熱源至定子之間絕緣材料(Peek)的熱阻，其熱傳導係數僅0.25W/mK，卻佔了總熱阻約67%，使得發電機內部溫度無法快速傳導至殼體，最後導致了發電機本體嚴重的累積熱源，其散熱不足將使發電機效率下降與絕緣劣化。

於熱阻分析所發現的問題，本案提出繞線線架及陶瓷導熱片一體式或組合式之機構裝置，並經由結構化設計之陶瓷導熱片大幅提升銅線接觸之散熱面積，大幅度提升了銅線與定子之熱傳導率，使發電機內外溫差降低，達到優異的散熱條件，不論是氣冷或水冷系統都能進一步突破傳統外部熱傳導之限制。

基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種電機繞線框架結構，其主要目的為針對銅線與定子之間之熱阻，設計了一種整合式繞線絕緣座結構，配合高熱傳導率之陶瓷導熱片之結構化溝槽設計，大幅度的降低了銅線與定子之間之接觸熱阻，且於自動化繞線機繞線時方便了排線， 其中兩檔片材質皆為絕緣材料，而繞線內層之材料為陶瓷導熱片，一體式或組合方式形成一具高導熱介質材料之整合是繞線框架結構。

本發明之另一目的在於進一步提升散熱面積及方便排線，針對陶瓷導熱片的表面上做結構化溝槽設計，如此一來，自動化繞線機繞線時方便了排線，且相較於僅用絕緣套之高熱阻界面而言，能夠更迅速地將銅線之熱量傳導至矽鋼片，進而傳至殼體，做對應性的水冷系統或氣冷系統，突破由外部之冷卻系統冷卻發電機本體的限制。

為達上述目的，本發明為一種電機繞線框架結構，係包括有：二擋片，於其相對應之內側設置有一扣合結構；四個容置槽，設置於該扣合結構上；一絕緣座，由四個高導熱材料片所組成，設置於該二檔片之間，且該四個高導熱材料片之兩端分別卡合於該扣合結構，以形成一固定結構；以及一線圈，繞設於該四高導熱材料片外露的一表面，並於該四高導熱材料片內部所形成矩形空間中設置一定子。

較佳者，該二擋片構成材質係為一絕緣體。

較佳者，該高導熱材料片構成材質係為一陶瓷材料、一石墨材料或一矽膠材料。

較佳者，該高導材料片於繞設該線圈的該表面設置有一溝槽或一波浪槽。

較佳者，該線圈於導熱時所產生的熱量藉由該絕緣座、該定子、一電機殼體之傳導，再由該電機殼體經由一空冷或一水冷散熱器進行散熱。

較佳者，該扣合結構係為於該二擋片相對應內側設置該四個容置槽， 以使該四個高導熱材料片之兩端恰可卡合於該二檔片之該扣合結構，而該四個高導熱材料片組裝完成後近似於一中空矩形體。

較佳者，該扣合結構係為於該二擋片相對應內側設置有四個凸塊，並各於該四個塊外側設置有三個鉚釘，且該四個凸塊分佈位置呈一矩形，而單一高導熱材料片卡合於相隣二個凸塊之該容置槽中，並利用一扣勾來套置於該四個凸塊之該三個鉚釘上，以形成該二擋片與該四個高導熱材料片之固定結構，而該四個高導熱材料片組裝完成後近似於一中空矩形體。

較佳者，該四個高導熱材料片所形成該中空矩形體，其中兩相鄰呈垂直排列之該高導熱材料片之側邊未完全密合。

為進一步對本創作有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及新型詳細說明，冀能對 貴審查委員於審查工作有所助益。

11‧‧‧擋片

12‧‧‧線圈

13‧‧‧絕緣座

21‧‧‧擋片

211‧‧‧容置槽

22‧‧‧絕緣座

221、222、223、224‧‧‧高導熱材料片

31‧‧‧擋片

311‧‧‧凸塊

312‧‧‧鉚釘

313‧‧‧凹槽

32‧‧‧絕緣座

321、322、323、324‧‧‧高導熱材料片

33‧‧‧扣勾

41‧‧‧擋片

42‧‧‧線圈

43‧‧‧高導熱材料片

431‧‧‧溝槽

44‧‧‧高導熱材料片

441‧‧‧波浪槽

51‧‧‧擋片

52‧‧‧線圈

53‧‧‧絕緣座

54‧‧‧定子

第1圖係為本發明電機繞線框架之立體結構示意圖；第2圖係為本發明二個擋片與四個高導熱材料片組裝第一實施結構圖；第3A圖係為本發明二個擋片與四個高導熱材料片組裝第二實施結構圖；第3B圖係為本發明第3A圖組裝完成後之立體結構示意圖；第4A圖係為本發明高導熱材料片表面設置一溝槽結構示意圖；第4B圖係為本發明高導熱材料片表面設置一波浪槽結構示意圖；第5圖係為本發明電機繞線框架中設置一定子之前透視結構示意圖。

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。

請參閱第1圖所示，係為本發明本發明電機繞線框架之立體結構示意圖，係針對銅線與定子之間之熱阻，設計了一種整合式繞線絕緣座結構，配合高熱傳導率之陶瓷導熱片之結構化溝槽設計，大幅度的降低了銅線與定子之間之接觸熱阻，且於自動化繞線機繞線時方便了排線，其中兩檔片11材質皆為絕緣材料(Peek)，而線圈12內層之四片高導熱材料片為陶瓷導熱片(Ceramic thermal pad)所構成，但除了陶瓷材料之外，熟悉本技術人仕，亦可利用一石墨材料或一矽膠材料來做為構成材料，該四片高導熱材料片形成一絕緣座13，利用二擋片11與高導熱材料片組合方式形成一具高導熱介質材料之繞線框架結構。

請參閱第2圖所示，係為本發明二個擋片與四個高導熱材料片組裝第一實施結構圖，其係包括有：二擋片21，於其對應之內側設置有一扣合結構，四個容置槽211，設置於該扣合結構上；一絕緣座22，由四個高導熱材料片(221、222、223、224)所組成，設置於該二檔片21之間，且該四個高導熱材料片(221、222、223、224)之兩端分別卡合於該扣合結構(四個容置槽211)，以形成一固定結構，一線圈(請參考第1圖)，繞設於該四高導熱材料片(221、222、223、224)外露的一表面，並於該四高導熱材料片(221、222、223、224)內部所形成矩形空間中設置一定子(請參考第5圖)。前述該扣合結構係為於該二擋片相對應內側設置該四個容置槽211，以使該四個高導熱材料片(221、222、223、224)之兩端恰可卡合於該二檔片21之該扣合結構(四個容置槽211)，而該四個高導熱材料片(221、222、223、224)組裝完成後近似於一中空矩形體。

請參閱第3A、B圖所示，係為本發明二個擋片與四個高導熱材料片組裝第二實施結構圖，其係包括有：二擋片31，於其相對應之內側設置有一扣合結構，四個容置槽313，設置於該扣合結構上；一絕緣座32，由四個高導熱材料片(321、322、323、324)所組成，設置於該二檔片31之間，且該四個高導熱材料片(321、322、323、324)之兩端分別卡合於該扣合結構，以形成一固定結構，一線圈(請參考第1圖)，繞設於該四高導熱材料片(321、322、323、324)外露的一表面，並於該四高導熱材料片(321、322、323、324)內部所形成矩形空間中設置一定子(請參考第5圖)。該扣合結構係為於該二擋片31相對應內側設置有四個凸塊311，並各於該四個凸塊311外側設置有三個鉚釘312，且該四個凸塊311分佈位置呈一矩形，而單一高導熱材料片(321、322、323或324)卡合於相隣二個凸塊311之該容置槽中，並利用一扣勾33來套置於該四個凸塊311之該三個鉚釘312上，以形成該二擋片31與該四個高導熱材料片(321、322、323、324)之固定結構，而該四個高導熱材料片(321、322、323、324)組裝完成後近似於一中空矩形體，該四個高導熱材料片(321、322、323、324)所形成該中空矩形體，其中兩相鄰呈垂直排列之該些高導熱材料片(321、322、323、324)之側邊未完全密合，如此便可使線圈於纏繞於該些高導熱材料片(321、322、323、324)時，於四個角落形成弧角。

請參閱第4A、B圖所示，係為本發明高導熱材料片表面設置一溝槽及一波浪槽結構示意圖，係於高導材料片(43或44)於繞設線圈42的表面設置有一溝槽(431)或一波浪槽(441)，且於線圈42二側設置有擋片41，如此設計便於以方便利用一自動化繞線機繞線時方便排線，同時可使線圈42 繞線密度更高，以縮減繞線體積，以及銅線與線軸接觸面積變大，可使散熱效果更佳。

第5圖係為本發明電機繞線框架中設置一定子之前透視結構示意圖，其中於二擋片51之間的線圈52所產生熱源迅速傳遞至高導熱材料片53，再透過該高導熱材料片53快速傳至定子54及一電機殼體(圖中未示)之傳導，再由該電機殼體經由一空冷(圖中未示)或一水冷散熱器(圖中未示)進行散熱。大幅降低了內外部溫差，進而達到高導熱、方便排線之功能，同時在有限電極空間達到最佳的散熱效果。

藉由上述第1圖至第5圖之揭露，即可瞭解本發明為一種電機繞線框架結構，主要針對銅線與定子之間之熱阻，設計了一種整合式繞線絕緣座結構，配合高熱傳導率之陶瓷導熱片之結構化溝槽設計，大幅度的降低了銅線與定子之間之接觸熱阻，且於自動化繞線機繞線時方便了排線，其中兩檔片材質皆為絕緣材料，而繞線內層之材料為陶瓷導熱片，一體式或組合方式形成一具高導熱介質材料之整合是繞線框架結構。同時，進一步提升散熱面積及方便排線，針對陶瓷導熱片的表面上做結構化溝槽設計，如此一來，自動化繞線機繞線時方便了排線，且相較於僅用絕緣套之高熱阻界面而言，能夠更迅速地將銅線之熱量傳導至矽鋼片，進而傳至殼體，做對應性的水冷系統或氣冷系統，突破由外部之冷卻系統冷卻發電機本體的限制。對於電動車的發電機或馬達領域中，因無法有太大的空間去做線圈的散熱(例如：水冷或氣冷)，故以最佳化結構來改進線圈散熱問題，具有良好的效果，故提出專利申請以尋求專利權之保護。

應該理解以上的敍述對於如權利要求所闡述的本發明僅僅是示例和說明性的，並非對其加以限制。根據本文所披露的本發明的內容，本發明的其他實施方案對於本領域的技術人員來說是顯而易見的。應該指出的是本說明書和實施例僅應被看做為示例，本發明的實際範圍由權利要求確定。

31‧‧‧擋片

311‧‧‧凸塊

312‧‧‧鉚釘

313‧‧‧凹槽

32‧‧‧絕緣座

321、322、323、324‧‧‧高導熱材料片

33‧‧‧扣勾

Claims (8)

1. 一種電機繞線框架結構，其包含有：二擋片，於其相對應之內側設置有一扣合結構；四個容置槽，設置於該扣合結構上；一絕緣座，由四個高導熱材料片所組成，設置於該二檔片之間，且該四個高導熱材料片之兩端分別卡合於該扣合結構，以形成一固定結構；以及一線圈，繞設於該四高導熱材料片外露的一表面，並於該四高導熱材料片內部所形成矩形空間中設置一定子。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電機繞線框架結構，其中該二擋片構成材質係為一絕緣體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電機繞線框架結構，其中該高導熱材料片構成材質係為一陶瓷材料、一石墨材料或一矽膠材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電機繞線框架結構，其中該高導熱材料片於繞設該線圈的該表面設置有一溝槽或一波浪槽。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電機繞線框架結構，其中該線圈於導熱時所產生的熱量藉由該絕緣座、該定子、一電機殼體之傳導，再由該電機殼體經由一空冷或一水冷散熱器進行散熱。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電機繞線框架結構，其中該扣合結構係為於該二擋片相對應內側設置該四個容置槽，以使該四個高導熱材料片之兩端恰可卡合於該二檔片之該扣合結構，而該四個高導熱材料片組裝完成後近似於一中空矩形體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電機繞線框架結構，其中該扣合結構係為 於該二擋片相對應內側設置有四個凸塊，並各於該四個凸塊外側設置有三個鉚釘，且該四個凸塊分佈位置呈一矩形，而單一高導熱材料片卡合於相隣二個凸塊之該容置槽中，並利用一扣勾來套置於該四個凸塊之該三個鉚釘上，以形成該二擋片與該四個高導熱材料片之固定結構，而該四個高導熱材料片組裝完成後近似於一中空矩形體。
8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之電機繞線框架結構，其中該四個高導熱材料片所形成該中空矩形體，其中兩相鄰呈垂直排列之該些高導熱材料片之側邊未完全密合。