馬達生產:馬達繞法 ( I )

閱讀時間約 3 分鐘
本文針對不同繞法進行基本介紹,包括集中繞、分佈繞、疊繞、同心繞、波繞來進行說明。
首先是集中繞,是由於永磁無刷馬達發展後,才誕生的專有名詞;其定義為線圈僅繞在一齒上,沒有跨齒的行為,線圈之間為獨立不會交錯。主要優勢為無效端部繞阻最短,可避免馬達額外的銅損,因此在追求最高效率的馬達,會採用集中繞的設計。但實際上最早採用集中繞的生產製程,是通用馬達,其定子繞線的型態完全符合集中繞的定義,但當初並沒有衍生出集中繞這一名詞。
集中繞
扣除掉集中繞後,其它的馬達繞法專有名詞,如波繞、疊繞、同心繞,其實都是屬於分佈繞的一種。分佈繞的基本定義,就是漆包線圈會跨越齒部,因此會有漆包線圈交疊或交錯的情況。分佈繞為最大宗的繞線法,然而除了有無效端部繞阻較長的缺點,還有槽滿率低的問題;因先繞的漆包線圈,會擋住可繞線空間,致使後繞的線圈無法使用。依筆者過往的經驗,槽內實際導體面積比例,大多落在30~40%而已,低於集中繞的效果;若要提高槽滿率,需要增加整形的工序,使先繞完成的線圈,讓出可繞線範圍,好讓後續的線圈可以擺放。以下圖中的實例馬達來說,原始狀態,會分三台繞線機,每次繞完一層後,整形處理完成後,才能繞下一層,因此共堆疊了五道製程,三次繞線及兩次整形。後來委託筆者開發邊繞線邊整形的機台,才解決如此多的工序及工時困擾。
分佈繞
由上述可知,疊繞屬於分佈繞的一種,因此也會有跨槽的現象。比較特別的是,它的概念有點類似腳不夠長,無法一次性的跨越足夠的齒部,因此分多次橫跨的感覺。以下圖為例,原本應是從1直接跨到4,做一次性的大跨越;但疊繞是先跨1到3後,再跨2到4,用兩組疊在一起的線圈,在1到4齒間產生相同的磁場。使用疊繞的方式,可使跨距縮短,減少無效端部繞阻。但也許當初有這種繞法,可能就如下圖中的實例,當兩極的馬達,這端部繞阻堆疊到接近中心位置,也許產生機構上的干涉,因此利用疊繞的方式,來避開干涉現象。
疊繞
同心繞為感應馬達入線生產最常採用的繞線方法,減少線圈的交疊程度,方便入線時的排列。但同心繞雖然解決了生產的困擾,但在馬達特性上,則會有大小線圈的電阻值差異,這會產生額外的損耗。當然,用心一點還可以採用不同漆包線徑的方式解決,但這只在國外的同心繞馬達上有見過,因這種作法會大幅增加生產的複雜度;除了線徑不同,需更換機台及漆包線圈外,還要再接線使其連接在一起,之後接線部份還要再進行絕緣處理,實在非常費工。因此目前的同心繞,其實大小線圈都採用同一線徑,一次性的捲繞完成,所以馬達效率會較差。
同心繞
波繞原先也都是使用在分佈繞的馬達當中,但這種繞線概念,其實集中繞也可以使用,並不衝突。它繞完後的線圈,陳列起來會像海浪一般,上上下下的造型,因此取名為波繞。基本上波繞還蠻困擾馬達設計者,因其並沒有完整的繞成一圈,都只完成了3/4圈。然而安培定律已有告知,單一導體有電流通過時,就會產生磁場,因此雖然沒有完整的迴圈,但仍可正確運作。實際上沒有採用波繞的原因,並非是設計困難,而且生產效率太低。因波繞每繞3/4圈後,就要換角度繞線,這會大幅降低馬達生產的時效性;傳統是在單一角度,原地繞線,因此繞線機上僅需要單軸運動就可以,但波繞則需要兩軸頻繁的交互作動才能完成。這使得波繞這種少了一半的端部繞組,可提高馬達效率,又可減少用漆包線用量的繞法,在生產的限制因素下,並不受到歡迎。
波繞
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馬達繞法的演進,比較基於生產,而非設計。
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