轉子代工:粗線徑 ( I )

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馬達結構當中,會旋轉移動的部分,就稱為轉子;而固定不動的部分,則稱為定子。在電機產業當中,"轉子代工"一詞是針對有刷馬達的繞線轉子而言,因其組成結構較為複雜,至少包括了軸心、矽鋼片、漆包線、整流子等零配件,且加工程序除了常見的組裝配合外,還有絕緣處理、馬達繞線、整流子電焊、整流子車削、動平衡等一系列較為特殊的生產工法,非一般裝配廠可進行處理,故被單獨列出為轉子代工一項。

而無刷馬達的轉子,主要結構為磁鐵,組裝上也僅需要黏著固定磁鐵即可,雖然也需要進行轉子動平衡的特殊工藝,但鮮少委外代工生產。此外,同步感應馬達亦有繞線轉子的部分,但早已退出主流市場,並不常見;現今以非同步感應馬達為首,並採用灌注法製成轉子,雖然也是委外灌注,但由於工序相對較少,便直接以工序方法稱呼為"灌轉子"。

由於是有刷馬達所使用的轉子,目前大多用於在直流馬達以及串激馬達之中。串激馬達採用高壓市電,故絕緣條件較為嚴苛,會採用塑膠架、槽紙及槽楔片來強化絕緣處理;同時也因為電位較高,工作電流較小,而採用較細的漆包線,以及較多的繞線圈數來調配馬達輸出特性;可參考下圖中右側為串激馬達所使用的轉子。

轉子比較:左側為直流馬達使用,右側為串激馬達使用

轉子比較:左側為直流馬達使用,右側為串激馬達使用

而直流馬達由於工作電壓較低,因此絕緣要求較低,可採用環氧樹脂(青土)披覆,可參考上圖當中左側的直流馬達轉子;由於低電位因素,須拉高工作電流方可獲得足夠的馬力輸出。不過,電流是把雙面刃,在提高馬達功率的同時亦大幅增加了銅損量,可參考下列銅損方程式,其中Ploss代表銅損,i為流經漆包線的電流值,R為漆包線上的電阻值;過大的銅損會使得馬達線圈過熱燒毀,需要強化馬達散熱能力,將損失轉化的熱快速帶出。對馬達而言最簡單的散熱方案就是加粗漆包線徑,除了增加散熱面積之外,還可降低電阻來抑制銅損。

銅損方程式

銅損方程式

然而過粗的漆包線徑並不容易生產,除了要面對銅線的剛性強度提昇,導致繞線力道的需要增加之外,過強的繞線張力可能造成絕緣層凹陷、破裂引起後續絕緣不良的問題外,甚至能直接拉彎矽鋼片,而在整流子勾線時,亦可扯斷掛勾等,諸如此類機構強度的毛病都有可能發生。大部分的轉子代工,能處理的漆包線徑會落在0.9mm以內,一但超過這直徑尺寸,對應的生產設備及模具會有所不同;就筆者的個人經驗而言,最粗直徑曾經嘗試到1.8mm,雖然生產設備跟上了,無奈是矽鋼片強度真的撐不住,變形嚴重,最終生產僅能妥協到漆包線徑1.3mm的程度。

且粗線徑基本上代表此顆馬達馬達為大功率規格,因此轉子的體積與重量亦會有所增加,如下圖所示,會明顯覺得這顆馬達較為肥胖;這也是馬達生產設備會遇到的另一項尺寸限制瓶頸。過往的設備若規劃的最粗線徑為0.9mm,則轉子矽鋼片的直徑往往也會低於直徑100mm以內,若以外觀來看是個瘦高的型態。而近幾年粗線徑的轉子,不僅僅是漆包線徑的增加,轉子直徑也已然超過100mm以上,甚至有往130mm發展的趨勢;這些尺寸都無法使用舊設備生產,因設備內部的尺寸空間不足,轉子根本無法擺放進去。

粗線徑轉子

粗線徑轉子

由此可知,粗線徑轉子的問題,不單單僅是漆包線徑加粗的概念,在生產上還包括了設備及零件機構強度的顧慮、尺寸空間是否可以容納、生產治具的更新成本等眾多因素,這也導致轉子代工廠對於粗線徑的生產意願降低。


重點整理:

變換規格是一個點,但後續生產要面臨一個面的問題。


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