TWI478466B - 直驅馬達裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

直驅馬達裝置及其製造方法

本發明是一種直驅馬達，特別是一種具有方向性電磁鋼片材料，提昇內部磁場通量密度與組合式定轉子架構的直驅馬達及其製造方法。

隨著科技的進步，伺服馬達不管是在傳統產業或科技產業方面都扮演的相當重要的角色。早期的伺服馬達因為扭力不足，因此採用減速機構將相同輸出功率馬達，藉由降低轉速換取較大扭力輸出，但是減速機構有壽命與背隙(back lash)問題，且體積過於龐大，所佔空間遠大於伺服馬達體積，因此對於小型化設備與降低成本而言，使用直驅馬達是一項不錯的選擇。而直驅馬達的輸出扭力受限於輸入電流，內部磁通量密度，與馬達尺寸等因素影響，其中馬達尺寸這項因素，被設備空間與成本考量所限制，因此只能從輸入電流與內部磁通量密度去改善輸出轉矩強度。但是因為馬達內部設計使用銅線繞線，若使用大輸入電流，會產生過大熱損耗，因此，若要改善輸出轉矩，可從內部磁通量密度去實現。

習知美國專利US patent 5583387，如圖1所示，該技術係教導製作定子部份，包括有核心片11，絕緣部分15，繞組部分16，包圍部分17，接合部分14a與接合部分14b將分段定子接合。

另外，如習知美國專利US patent 5729072，如圖2所 示，該技術也只有教導分段式定子，沒有如圖一採用卡榫去固定，而使用外環套去固定馬達定子，多層鐵心21，絕緣構件22，繞組23，分割表面24以及環狀的構件25。

再者，如習知美國專利US patent 5554902，如圖3所示，該技術教導透過電磁鋼片的使用，提昇輸出電磁轉矩。使用均勻排列的電磁鋼片，其中晶粒排列方向32是與晶粒排列方向33相同，根據電磁鋼片晶粒排列方向，將定子分段，每端段(end segment)中晶粒排列與軸向角度不超過25度為分段的依據，其中馬達徑向31與晶粒排列方向32不超過25度。由圖三顯示出端段45A~45M中的電磁鋼片晶粒排列方向與磁場路徑方向，並非完全水平，其中45G端段(end segment)中較為水平，其餘端段(end segment)中晶粒排列與軸向角度愈來愈不水平。

一般直驅馬達製作大多以電磁矽鋼片去堆疊與沖壓製作，若要增加內部磁通量密度，必須從磁場路徑搭配馬達定轉子設計實現。

本發明提供一種直驅馬達及其製造方法，其係使用方向性電磁鋼片去製作定子與轉子，可大幅度提昇磁通量密度，且為了安排磁場路徑與有效利用方向性電磁矽鋼片材料特性，採用組合式將磁場路徑與方向性電磁鋼片的走向平行，因此採用組合式定轉子設計組裝馬達，可達到材料使用的最佳化。

本發明提供一種直驅馬達及其製造方法，其係利用了 伺服馬達輸出扭力與內部磁場通量密度之間的關聯性，透過使用方向性電磁鋼片，提昇磁通量密度，改變磁場走向，與利用材料特性採用組合式定轉子設計，達到高輸出轉矩，完成直驅馬達最佳化。

本發明中，直驅馬達的定子係由複數個分段定子所構成，轉子則包含有複數個分段轉子。透過加工與組合使每段電磁鋼片晶粒排列方向與磁場路徑方向完全水平，而可以強化磁通密度，進而達到高輸出轉矩；其中，磁場路徑方向由分段轉子中的磁鐵開始，經由與該磁鐵相鄰的分段轉子，然後經由分段定子齒部，再經分段定子軛部，經另一相鄰分段定子的齒部，回到與該磁鐵相鄰分段轉子，最後磁場路徑方向回到原磁鐵，而每一分段定子及分段轉子中的電磁鋼片晶粒排列方向與磁場路徑方向完全水平。本發明具有一非導磁環，該非導磁環具有至少一個卡榫，與分段轉子的卡榫接合，組合成馬達的轉子；因其中非導磁的特性，可以隔絕磁場穿過轉子而進入馬達的軸心方向，而使磁場路徑方向產生在上述分段定子，分段轉子，及磁鐵上。

在一實施例中，本發明提供一種直驅馬達裝置，包括：一定子、一轉子、一磁鐵，以及一非導磁環。該轉子提供相對於該定子之一轉動運動。該磁鐵，位於該轉子內，該磁鐵可經由該轉子及該定子形成一磁場迴路。該非導磁環與該轉子相耦接。其中，該磁場迴路，在通過該定子與該轉子時，其所具有之磁場方向係沿該與該定子及該轉子所具有之晶粒排列方向平行。

在另一實施例中，本發明更提供一種直驅馬達裝置，包括一定子、一轉子以及一磁鐵以及一非導磁環。該定子，其係具有複數個相互嵌合之分段定子結構，每一分段定子結構具有一齒部以及一軛部，該齒部具有一第一晶粒排列方向，該軛部具有一第二晶粒排列方向，該第一晶粒排列方向垂直於該第二晶粒排列方向。該轉子，其係具有複數個分段轉子結構，每一分段轉子結構具有一第三晶粒排列方向，其係與該第一晶粒排列方向平行。每一個磁鐵係設置於相鄰的分段轉子結構之間，每一磁鐵可經由該轉子及該定子形成一磁場迴路。該非導磁環，與該轉子相耦接。

在另一實施例中，本發明更提供一種馬達的製造方法，其係包括有下列步驟：首先，提供一方向性電磁鋼片材料，該方向性電磁鋼片具有一之晶粒排列方向。接著，於該方向性電磁鋼片材料上形成複數個齒部、複數個軛部以及複數個分段轉子結構。然後將該每一齒部與每一軛部相互嵌合，以形成一分段定子結構。接下來，分別將該每一分段定子結構相互嵌合以形成一定子以及將每一分段轉子結構與非導磁環相結合以形成一轉子。最後，將複數個磁鐵嵌入於該轉子內，每一個磁鐵形成一磁場迴路，其係在通過該定子與該轉子時，其所具有之磁場方向係沿該與該定子及該轉子所具有之晶粒排列方向平行。

本發明主要是提供一個設計直驅馬達的方法。例如以三相交流永磁馬達來說明，其轉子具有永久磁鐵，其轉子 位置會隨輸入電流產生的磁場變化而轉動。直驅馬達的用途，就是不透過減速機構，可直接與受控體或負載耦合，將轉矩直接輸出到負載端，可輸出大轉矩，而不用透過減速機構或其他媒介將轉矩變大輸出。因此對於直驅馬達而言，最重要的規格項目就是輸出轉矩，且要比較直驅馬達性能必須在相同輸入電流與相同尺寸下，對應出相對轉矩才是比較的方法。影響直驅馬達輸出轉矩的方法為輸入電流，內部磁通量密度，與馬達尺寸。因此，若要不改變輸入電流與限制馬達尺寸的條件下，就必須要設計內部磁通量密度。在本發明內容主要為使用方向性電磁鋼片去改善內部磁通量密度。且方向性電磁鋼片的磁場走向，會限制其磁鐵磁場走向路徑，為了配合材料特性，且要將材料特性用到最佳化的程度，因此，必須根據磁場走向路徑去設計定轉子安裝組合所需要搭配方向性電磁鋼片的材料走向；因此將定轉子採用組合式定轉子方式去沖壓方向性電磁鋼片，以利材料特性發揮。透過本發明利用方向性電磁鋼片與組合式定轉子設計，強化內部磁通量密度，使用這種設計方式去強化直驅馬達輸出扭力，提昇直驅馬達性能規格。

本發明直驅馬達裝置如圖4所示，其中直驅馬達裝置4包括有一定子41以及一轉子42。該定子41是由複數個分段定子結構410所構成，每一分段定子結構410彼此相鄰接合，形成定子41。該分段定子結構410的材質可以使用具有導磁性的材質，在本實施例中，係為具有導磁性的電磁鋼片材料。接下來說明本發明之分段定子結構的特性。

本發明的分段定子結構410中具有至少一種按照特定方向排列的晶粒排列方向。如圖5所示，該圖係為本發明之每一分段定子結構晶粒排列方向示意圖。在圖5之實施例中，該分段定子結構410具有一第一晶粒排列方向51以及一第二晶粒排列方向52。該第一晶粒排列方向51以及該第二晶粒排列方向52間具有一夾角，在本發明之實施例中，該夾角係成90度。要說明的是，雖然圖示中的夾角成90度，但是並不以此為限制。

此外，如圖6所示，該圖係為本發明之分段定子結構分解例示意圖。在本實施例中，每一個分段定子結構包括一軛部413以及一齒部414。其中，該軛部413中具有一第1卡榫431、一第2卡榫432以及一第3卡榫433。在本實施例中該第1卡榫431係為一凸部結構，該第2卡榫432係為一凹部結構，該第3卡榫433亦為一凹部結構。另外，該齒部414則具有一第4卡榫。在本實施例中，該第4卡榫為一凸部結構。對於單一分段定子結構而言，該軛部413與齒部414可以相互嵌合，本實施例中係透過軛部之第3卡榫433與齒部之第4卡榫434相嵌合，而每一軛部413之第1卡榫431與相鄰的軛部的第2卡榫432相嵌合以形成如圖6所示的結果。另外要說明的是，卡榫之設計原則係用以讓兩元件得以相互嵌合而固定，因此雖然第1卡榫431在本實施例中設計成凸部，而第2卡榫432則設計成凹部，但是實際上亦可以讓第1卡榫為凹部，而第2卡榫為凸部。另外，為了避免脫落，第1~第4卡榫上都可以設計有一頸縮結構437與438，以加強嵌合固定的效果。

再回到圖4所示，轉子42內有複數個磁鐵421。在本實施例中，該轉子42係由複數個分段轉子結構420所組合而成，其中每一個磁鐵421係設置於兩相鄰分段轉子結構420之間。如圖7所示，該圖係為本發明之分段轉子結構示意圖。每一分段轉子結構420的材質可以使用具有導磁性的材質，在本實施例中，係為具有導磁性的電磁鋼片材料。本發明的分段轉子結構420中具有一按照特定方向排列的晶粒排列方向。每一個分段轉子結構420之一側面開設有一第5卡榫435，而在每一個分段轉子結構420的兩側則具有一凹槽結構422。請同時參閱圖四與圖七所示，非導磁環43上也具有複數個第6卡榫436，每一個第6卡榫436與分段轉子結構的第5卡榫435相卡合，使得複數個分段轉子結構420沿著該非導磁環43相接排列以形成轉子42。當每一個分段轉子結構420相互排列形成環形結構時，相鄰分段轉子結構420所具有的凹槽結構會422構成放置磁鐵421的置放空間。該非導磁環43之材質可以是金屬或非金屬材質，本實施利選擇的是鋁環。

接下來說明本發明之直驅馬達裝置的磁場迴路。請參閱圖8所示，該圖係為本發明之直驅馬達磁場迴路示意圖。透過圖8可知磁場路徑，先觀察磁場走向，切割轉子方向性電磁鋼片鋼片，使方向性電磁鋼片平行磁場路徑，符合磁場路徑走向，即可以增強磁通量的上限，其中，磁鐵421位於分段轉子42a旁，磁鐵421是磁場路徑的起點，該磁場路徑經過分段轉子42a，然後經過分段定子齒部414a，接著經過分段定子軛部413，再經過另一分段定子齒部 414b，最後該磁場路徑經過另一分段轉子42b，回到終點磁鐵421；其中轉子42，轉子42a，轉子42b，均是相同的分段轉子結構；而定子齒部414，定子齒部414a，以及定子齒部414b，均是相同的分段定子齒部結構；每一分段磁場路徑，均是如圖8所示。

圖9所示，其中，定子軛部的第一晶粒排列方向51，齒部的第二晶粒排列方向52。可以觀察到定子齒部與定子軛部的磁場走向方式是不一樣的，在本實施例中，第一晶粒排列方向係垂直於該第二晶粒排列方向。磁場路徑如圖8所示，因此需要將定子齒部與定子軛部拆成兩個獨立單元，也就是定子的部份要拆成如圖5與圖6所示之齒部414與軛部413兩個部份。

本發明一實施例，將定子齒部414與定子軛部413拆解如圖10所示，並使用卡榫方式彼此接合。由圖9與圖10，其中，定子齒部414內的第二晶粒排列方向52與磁場路徑成水平同向；定子軛部413內的第一晶粒排列方向51與磁場路徑成水平同向，因此，本發明可以強化內部磁通量密度。接下來，轉子部份改用方向性電磁鋼片設計，透過圖8可知磁場路徑，先觀察磁場走向，切割轉子方向性電磁鋼片鋼片，使方向性電磁鋼片平行磁場路徑，符合磁場路徑走向，即可以增強磁通量的上限；每一分段磁場路徑，均是如圖8所示。本發明一實施例，如圖7所示，將轉子分段組裝，轉子42是由複數個分段轉子結構420組成，磁鐵421位於相鄰分段轉子結構420中，其中，分段轉子42內的第三晶粒排列方向53與磁場路徑成水平同 向，如圖7與圖8所示。本發明一實施例，將定子與轉子拆成好幾個部份，也就是組合式定轉子設計方法，在製作上可將組合式分段定子及分段轉子，在沖壓模具上排列，按照方向性電磁鋼片晶粒排列方向，如圖11所示，其中晶粒排列方向1101，而轉子42，軛部413，齒部414，按照上述方向性電磁鋼片晶粒排列方向，分佈在組合式分段定子及分段轉子上。本發明一實施例，將組合式定子固定的方法，如圖12為定子的組合方法，分段定子使用卡榫方式，將分段定子軛部413與分段定子齒部414接合組裝，每一分段定子軛部有一卡榫與該分段定子齒部卡榫接合，每一分段定子軛部與相鄰分段定子以卡榫相接合，然後形成定子，其中，定子採分段設計，分段數目與定子槽數相同。如圖10所示，槽46的結構係為相鄰的分段定子結構410間的凹部區域。本發明一實施例，圖13為轉子的組合固定方法，透過非導磁環43，經由卡榫固定各個分段轉子，其中，磁鐵421位於轉子42中；轉子採分段設計，分段數目與轉子極數相同，其中，極的數量代表轉子上磁鐵的數目。此外在另一種實施例中，本發明提供一種馬達的製造法，其係包括有下列步驟：由步驟101提供一方向性電磁鋼片材料，該方向性電磁鋼片具有一晶粒排列方向；如圖11所示，為其中一分段結構；步驟102於該方向性電磁鋼片材料上形成複數個定子齒部414、複數個定子軛部414以及複數個分段轉42結構，其中，該方向性電磁鋼片材料上的晶粒排列方向是1101，分佈放置的方向，符合組合後，內部晶粒排列方向與磁場路徑成水平同向；步驟103中將 該每一齒部與每一軛部相互嵌合，以形成一分段定子結構，如圖5，其中分段定子軛部413與分段定子齒部414，內部晶粒排列方向與磁場路徑成水平同向；步驟104中分別將該每一分段定子結構相互嵌合以形成一定子，如圖6及圖12中的環狀定子，並將每一分段轉子結構與非導磁環相結合以形成一轉子，如圖7，其中，轉子內部晶粒排列方向與磁場路徑成水平同向，如圖13中與非導磁環相結合的環狀轉子；接著步驟105中將複數個磁鐵嵌入於該轉子內，每一個磁鐵形成一磁場迴路，其係在通過該定子與該轉子時，其所具有之磁場方向係沿該與該定子及該轉子所具有之晶粒排列方向平行，如圖8中的磁場迴路，複數個磁場形成分段結構中的磁場迴路。雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍，當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11‧‧‧核心片(core piece)

15‧‧‧絕緣部分(insultating part)

16‧‧‧繞組部分winding part

17‧‧‧包圍部分bounding parts

14a‧‧‧接合部分engagig part

14b‧‧‧接合部分engaging part

21‧‧‧多層鐵心laminated iron core

22‧‧‧絕緣構件insulating members

23‧‧‧繞組windings

24‧‧‧分割表面dividing surface

25‧‧‧環狀的構件annular member

31‧‧‧馬達徑向

32‧‧‧晶粒排列方向

33‧‧‧晶粒排列方向

4‧‧‧直驅馬達裝置

41‧‧‧定子

410‧‧‧分段定子結構

413‧‧‧軛部

414‧‧‧齒部

414a‧‧‧齒部

414b‧‧‧齒部

42‧‧‧轉子

420‧‧‧分段轉子結構

42a‧‧‧轉子

42b‧‧‧轉子

421‧‧‧磁鐵

422‧‧‧凹槽結構

43‧‧‧非導磁環

431‧‧‧第1卡榫

432‧‧‧第2卡榫

433‧‧‧第3卡榫

434‧‧‧第4卡榫

435‧‧‧第5卡榫

436‧‧‧第6卡榫

437,438‧‧‧頸縮結構

45A~45M‧‧‧端段end segments

46‧‧‧槽

51‧‧‧第一晶粒排列方向

52‧‧‧第二晶粒排列方向

53‧‧‧第三晶粒排列方向

1101‧‧‧晶粒排列方向

圖1為習知馬達定子圖示。

圖2為習知馬達定子圖示。

圖3為習知馬達定子有方向性電磁鋼片圖示。

圖4為本發明馬達裝置之定子與轉子結構示意圖示。

圖5為本發明定子轉子非導磁環的整體結構圖示。

圖6為本發明磁場路徑方向作圖示。

圖7為本發明晶粒排列方向圖示。

圖8為本發明定子分段的齒部與軛部結構圖示。

圖9為本發明磁場路徑方向作圖示。

圖10為本發明分段轉子與晶粒排對方向圖示。

圖11為本發明定子轉子按晶粒排列方向的沖壓模具圖示。

圖12為本發明定子卡榫的組合方式圖示。

圖13為本發明鋁環固定分段轉子圖示。

圖14為本發明馬達的製造方法流程示意圖。

4‧‧‧直驅馬達裝置

41‧‧‧定子

413‧‧‧軛部

414‧‧‧齒部

42‧‧‧轉子

421‧‧‧磁鐵

43‧‧‧鋁環

Claims (19)

1. 一種直驅馬達裝置，包括：一定子，具有一第一晶粒排列方向與一第二晶粒排列方向；一轉子，具有一第三晶粒排列方向；一磁鐵，位於該轉子內，該磁鐵可經由該轉子及該定子形成一磁場迴路；以及一非導磁環，與該轉子相耦接；其中該磁場迴路，在通過該定子與該轉子時，其所具有之磁場方向係沿該第一晶粒排列方向、該第二晶粒排列方向與該第三晶粒排列方向平行。
2. 如申請專利範圍第1項所述之直驅馬達裝置，該馬達定子與該馬達轉子，使用一方向性電磁鋼片材料製成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之直驅馬達裝置，該非導磁環係為一非導磁金屬環，可以阻絕由該磁鐵的磁場迴路通過。
4. 如申請專利範圍第3項所述之直驅馬達裝置，該非導磁金屬環之材質係為鋁。
5. 如申請專利範圍第1項所述之直驅馬達裝置，該定子具有複數個相互嵌合之分段定子結構。
6. 如申請專利範圍第5項所述之直驅馬達裝置，每一個分段定子結構包括一齒部以及一軛部。
7. 如申請專利範圍第6項所述之直驅馬達裝置，其中，該齒部具有一第1卡榫、一第二卡榫以及一第3卡榫，該軛部具有一第4卡榫，該齒部的第3卡榫與該軛部第4 卡榫接合，該齒部的第1卡榫與相鄰該分段定子結構具有的齒部的第2卡榫接合，該齒部的第2卡榫與相鄰該分段定子結構具有之齒部的第1卡榫接合。
8. 如申請專利範圍第6項所述之直驅馬達裝置，其中該齒部具有該第一晶粒排列方向，該軛部具有該第二晶粒排列方向，該磁場迴路在通過該齒部時，其所具有之磁場方向係沿該第一晶粒排列方向平行，該磁場迴路在通過該軛部時，其所具有之磁場方向係沿該第二晶粒排列方向平行。
9. 如申請專利範圍第8項所述之直驅馬達裝置，其中該第一晶粒排列方向係垂直於該第二經粒排列方向。
10. 如申請專利範圍第1項所述之直驅馬達裝置，該轉子具有複數個分段轉子結構，每一分段轉子具有一第5卡榫，與該非導磁環第6卡榫結合。
11. 如申請專利範圍第10項所述之直驅馬達裝置，該相鄰分段轉子結構間具有一置放空間，將該磁鐵置放入該置放空間。
12. 如申請專利範圍第6項所述之直驅馬達裝置，該分段轉子結構具有該第三晶粒排列，該磁場迴路在通過該分段轉子結構時，其所具有之磁場方向係沿該第三晶粒排列方向平行。
13. 如申請專利範圍第5項所述之直驅馬達裝置，該分段定子結構的分段數目與定子槽數相同。
14. 如申請專利範圍第10項所述之直驅馬達裝置，該分段轉子結構的分段數目與轉子極數相同。
15. 一種直驅馬達裝置的製造方法，其係包括有下列步驟：提供一方向性電磁鋼片材料；於該方向性電磁鋼片材料上形成複數個齒部、複數個軛部以及複數個分段轉子結構；將該每一齒部與每一軛部相互嵌合，以形成一分段定子結構；分別將該每一分段定子結構相互嵌合以形成一定子，該定子具有一第一晶粒排列方向與一第二晶粒排列方向；以及將每一分段轉子結構與非導磁環相結合以形成一轉子，該轉子具有一第三晶粒排列方向；以及將複數個磁鐵嵌入於該轉子內，每一個磁鐵形成一磁場迴路，其係在通過該定子與該轉子時，其所具有之磁場方向係沿該第一晶粒排列方向、該第二晶粒排列方向與該第三晶粒排列方向平行。
16. 如申請專利範圍第15項所述之直驅馬達裝置的製造方法，其中該齒部具有該第一晶粒排列方向，該軛部具有該第二晶粒排列方向，該磁場迴路在通過該齒部時，其所具有之磁場方向係沿該第一晶粒排列方向平行，該磁場迴路在通過該軛部時，其所具有之磁場方向係沿該第二晶粒排列方向平行。
17. 如申請專利範圍第16項所述之直驅馬達裝置的製造方法，其中該第一晶粒排列方向係垂直於該第二晶粒排列方向。
18. 如申請專利範圍第15項所述之直驅馬達裝置的製造方法，該分段轉子結構具有該第三晶粒排列，該磁場迴路 在通過該分段轉子結構時，其所具有之磁場方向係沿該第三晶粒排列方向平行。
19. 一種直驅馬達裝置，包括：一定子，其係具有複數個相互嵌合之分段定子結構，每一分段定子結構具有一齒部以及一軛部，該齒部具有一第一晶粒排列方向，該軛部具有一第二晶粒排列方向，該第一晶粒排列方向垂直於該第二晶粒排列方向；一轉子，其係具有複數個分段轉子結構，每一分段轉子結構具有一第三晶粒排列方向，其係與該第一晶粒排列方向平行；複數個磁鐵，每一磁鐵係設置於相鄰的分段轉子結構之間，每一磁鐵可經由該轉子及該定子形成一磁場迴路；以及一非導磁環，與該轉子相耦接。