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馬達材料:矽鋼片 ( II )

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本文來介紹矽鋼片堆疊固定的方式。目前有三種模式,焊接、鉚接、鉚點、自黏,將各別說明。

上一篇有提到,主要是矽鋼片為了避免鐵損過高,影響馬達效率,採用薄片的設計。最終做為馬達使用時,需要堆疊至所需的厚度,來正常使用;而堆疊完成之後,還需要固定住,再後續的搬運或生產時,才能正常運作。因此衍生了三種將矽鋼片固定的方式,焊接、鉚接、鉚點及自黏。

焊接:
為最早採用的技術,使用電焊的方式將堆疊完成的矽鋼片固定在一起。目前大型矽鋼片仍會使用焊接的方式固定矽鋼片,主要是其可承載重量強度最大。但焊接的方式也很多種,目前以從電弧焊、氬焊進化到雷射焊了,主要是傳統的電弧焊影響的範圍較大,會在矽鋼片上產生熱變形及熱應力等效果,使得矽鋼片翹曲不平整或是不圓等等。採用氬焊或雷射焊,可以減少熱影響範圍及強度,使矽鋼片得到固定的效果,但尺寸仍然維持良好。

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但焊接的方式,會使得上下層矽鋼片有了可導電的迴路,使渦流有較長的路徑可以跑,會增加鐵損。因此在焊接點的位置,最好是非磁路路徑上,如下圖所示,焊接點的設計在兩磁路徑中間較為空乏的區域,以達到降低渦流損的影響。除之之外,也會同時考慮焊接處的尺寸變化,因此會先內凹於矽鋼片尺寸,同時在焊接位置處生成一小凸點,讓焊接者方便作業,且確保焊接完後的尺寸不會影響到後續的生產。

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鉚接:
目前鉚接的模式,已經不會使用在正式產品之中,但在開發打樣階段,有的廠商仍會採用此種工藝。主要是在矽鋼片上設計幾個圓孔,之後插入金屬圓柱,再使用外力撞擊,使金屬圓柱上下兩端變形來壓迫矽鋼片,使矽鋼片被變形後的金屬圓柱夾住。這種技藝有明顯的缺點,就是上下兩端的金屬圓柱一定會凸出矽鋼片端面;也同樣會導致渦流產生新的長路徑,增加鐵損。有得時候,這金屬圓柱採用銅或鋁料時,還會影響導磁能力,降低馬達轉矩。基本上算是已經廢棄的工藝手段,連試樣都不建議採用此種固定方式。

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鉚點:
為目前的主流,但因一個鉚點大約可以承載1公斤的重量,對大型馬達而言,連結強度不足;拿取時最好從下方抱起,不然偶爾會遇到矽鋼片分離的情況。

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鉚點對鐵損的影響較焊接小,主要是鉚點的深度較短,約跨越1~2片的深度而已。但在設計上,仍然會盡量避開磁力密集的區域,或是順者磁力方向。

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自黏:
為近年新導入的工藝技術,採用黏膠的方式將矽鋼片固定;可完全避免上述固定接合工藝所造成的鐵損影響,使上下層的矽鋼片絕緣效果達到最佳狀態。若您在馬達矽鋼片上,沒有發現焊接處,也沒看到鉚接點,那就是採用了自黏的方式。但目前這名稱,還未統一,主要是工藝手法不同。最早是膠已經事先塗佈在矽鋼片上,衝壓堆疊時,同時讓膠重新活化後,再固定,因此稱為自黏。而近期的作法是一邊衝壓一邊噴膠,又稱為膠合。但終規是採用黏膠的方式作業,僅是順序及方式有所不同。

目前依筆者的使用心得,自黏型真的好,但承載的重量能力就更弱了,在矽鋼片的搬運上要更加小心注意。另外,鐵損其實都是針對高轉速的馬達,效益才會真正出來,因此也不是所有的馬達採用自黏矽鋼片,就能讓人眼睛一亮。另外還有工時的問題,過往使用鉚點的型式,衝壓完成就完工了;自黏矽鋼片則會有額外的工序及工時要處理,如噴膠或是等膠乾等等。

可以發現,近年矽鋼片的演進發展,都在強調降低鐵損方面,但其實大部份馬達主要的損失來源,都是銅損。而馬達設計現在的瓶頸點,確實在矽鋼片上,但我們需要的是更多的磁通量,而非降低鐵損,但顯然,增加磁通量應該是更難突破的點。

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製程工藝能優化產品特性的例子,或是說,僅是恢復正常?

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