更新於 2024/08/15閱讀時間約 3 分鐘

定子加工:外繞 ( I )

定子代表著馬達當中不會運轉移動的部分,因此在生產加工上要考慮較為單純,不需要考慮旋轉時的離心力作用。除了傳統的有刷直流馬達採用了磁鐵作為定子的結構之外,其它種類的馬達都採用繞線式定子,主體結構也僅剩矽鋼片、絕緣材料及漆包線,而無刷馬達則可能加入了霍爾感測器(Hall Sensor),然定子整體而言的製造工藝與繞線轉子對比仍相對簡單,主要著重於槽滿率的技術能力比拚。

定子加工類型主要分為三種,分別為外繞、內繞及單齒,如下圖所示由左而右排列,對馬達設計而言,是以內轉或是外轉式馬達作區別;單齒大多也用於內轉馬達,是基於想要增加內轉式馬達槽滿率而研發的製程技術。然就生產設備而言,這三種類型也對應不同繞線機台,外繞定子使用的是飛叉繞線,內繞定子若為集中繞則為針嘴繞線機,分佈繞則採用入線機,單齒組裝式定子係使用線圈繞線機,主要是以槽開口(Slot Open)位置及繞線方法做區別;因此即便從馬達名稱來看,同樣都是無刷馬達,但卻有四種對應的生產設備及製程種類,彼此之間是無法通用的。

定子型態分類

不同類型的定子,除了生產設備不通用以外,對於馬達的特性也會產生變化;如內轉式馬達槽滿率偏低,單齒馬達漏磁的可能性,外轉子馬達散熱不良等等。此外,設備也有不同的限制條件,如內轉式馬達遇到不同繞線方式,就要轉換為不同的機台等等,有鑑於諸多的差異,故需分門別類的詳細介紹說明。

外繞式定子使用飛叉繞線機,具備靈活的繞法自由度,不會受至於繞法的限制,如下圖損式,分別為集中繞,分佈繞及內外槽的特殊設計,皆可使用同一台飛叉繞線機完成。飛叉式結構還具備了繞線模具位於矽鋼片外側的優勢,使得機台不會影響到繞線的槽空間,故能提供較高的槽滿率,增加馬達效率。由於飛叉繞線機的設計當中,飛叉軸僅單純處理繞圈工作,其它繞線相關動作如排線、轉角、張力控制及整形等程序皆交由其它軸控進行處理,因此飛叉軸的工作轉速可以拉高,增加馬達繞線產能。

外繞式定子多種繞法

然而飛叉式繞線機雖然擁有強大的泛用性,以及較高的生產效率,但仍有些技術難點須注意。首先是回線技術,由於飛叉軸是繞圓旋轉,但定子矽鋼片為方形結構,因此希望漆包線圈圈能完整平貼矽鋼片,需仰賴強大的回線能力,將圓形繞線碰觸到矽鋼片時的多餘線段回拉。如下圖所示,飛叉其實在方形矽鋼片的外圈繞圓來進行遶線工作,需要倚賴回線技術才能將線圈盡可能地貼齊矽鋼片,才能有效增加槽滿率。

繞圓與方形結構的配合

此外,由於飛叉走圓型路徑,漆包線圈也是圓型線段,在捲繞於矽鋼片時,纏在矽鋼片上的一端為固定不動,而飛叉端的則是隨之旋轉,這會導致扭轉的力量產生,就類似擰毛巾的表現。這線圈上的扭力一般情況下不會產生任何影響,但若漆包線上的絕緣漆黏著強度不足,則有可能被剝離,導致漏電風險;所幸現今漆包線的絕緣層塗布技術,無論是事前的清潔及事後的固化強度,都已然大於飛叉繞線時的扭力作用,不需要再擔心絕緣層受力破壞的情況。此外這扭轉的絞力,也會使得採用多線並繞時,線圈的絞線程度無法預期,就無法進行整列排線,造成槽滿率降低的現象;因此大多建議採用單條漆包線進行遶線,方可達到高槽滿率設計。


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