一種具有散熱機構功能的馬達的製作方法
2023-06-05 06:32:51 3
專利名稱：一種具有散熱機構功能的馬達的製作方法
技術領域：
本實用新型是關於一種馬達的散熱裝置，特別是關於一種具有散熱機構功能的馬達。
馬達主要包含定子及動子兩項元件，其中的定子具有磁場或是提供變動磁阻磁通路；動子一般由鐵心及線圈或是單由線圈所構成。鐵心是以多片矽鋼片整齊排列而成，其作用主要為提供磁場通路及緊密磁場強度；而線圈則由導電性佳但導磁性差的導線纏繞而成，線圈在電流流經後產生所需要的磁場強度，提供馬達作動的動力源。含有鐵心的動子，在鐵心製作完成後，需以導線繞制而成的線圈嵌入鐵心的每一齒中，或直接將導線環繞在鐵心上，再以絕緣物質(如環氧樹脂)填充包覆整個鐵心或線圈。當線圈通電後，電流所產生的電磁場與定子產生引力或斥力的交互作用，由於電流方向不斷改變使磁場方向改變，並驅動動子產生連續的運動。
由於電磁的交互作用所產生的能量，有相當部份轉換為熱能，而線圈的電阻又隨著溫度的升高而增加，在此惡性循環之下將使溫度進一步升高；因此會造成馬達的效率下降，且馬達的最大推力亦會因此受到限制。為避免此種不良的循環產生，必須在動子或定子上加入散熱機構以帶走電流產生的熱量。然而，環氧樹脂的熱傳導效率極低，而環氧樹脂填充包覆整個鐵心及線圈，因此使線圈產生的熱量更不易逸散至外界。
馬達依運動的方式可蓋分為旋轉馬達及線性馬達。旋轉馬達可以在轉子上加設風扇葉片以散熱，及在矽鋼片上加上通風洞，以使馬達旋轉時，風可以通過馬達的動子並帶走熱量；不幸地，線性馬達本身因為動子本身並不旋轉無法利用此方式達到散熱的效果，因此必須設計額外的機構以達到散熱的效果，因此線性馬達在散熱的問題明顯地又比旋轉馬達更嚴重。
習知的線性馬達的散熱方法如圖6所示，是利用冷媒管散熱板作為散熱的設計。在此設計中，線性馬達的動子25包含具有冷媒回流的散熱板18，鐵心19及線圈20，線圈20環繞在鐵心19上，而散熱板18則貼於鐵心19的上方，或是貼於鐵心19的前後端或兩側，利用散熱板18中冷媒的熱交換帶走熱量。此方式的缺點為只能帶走馬達動子25最上層或是兩側的熱量，對於鐵心19中央及線圈20所產生的熱量散熱效果不佳。
其他改良設計如圖7(美國專利4839545號)所示，動子26中包含製作成不同的形狀的矽鋼片21，以便將具有冷媒回流的冷卻管，埋入於矽鋼片21的上方的彎曲型槽22中，但此設計不但需要開發多組昂貴的模具且製作上較困難，而將冷媒管埋入也會使馬達動子26的體積加大許多，尤為甚者，冷媒一般對金屬具有腐蝕性，如果冷媒不慎滲漏，尚會造成馬達的線路腐蝕破壞。
另一習知的線性馬達散熱設計為油浸式的動子(如美國專利5751077號)，此設計利用類似油浸式變壓器的原理，將不易導電及導磁的液體灌入動子外殼中，此方式的缺點為必需要設計一個能夠防漏的動子外殼，增加製造上的困難度及成本，且動子的重量增加及需額外的機構來驅使動子內的液體可以回流到動子外以便進行熱交換，且冷媒不慎滲漏造成馬達的線路腐蝕破壞的風險仍然存在。
圖8(美國專利5703418號)是另一種習知做法，線性馬達27包含定子28及動子29，其方法為利用加壓空氣23吹於動子29的表面，此做法的缺點為熱源被環氧樹脂或是其他動子的包覆物24所阻隔，散熱效率不佳，而且須要額外的空氣壓縮機及空壓元件。
本實用新型的目的即在於提供一種具有散熱機構功能的馬達，其可解決前述習知技術中製造不易、體積及重量大、冷媒有滲漏於馬達內及散熱效率不佳而浪費能源等缺點，將動子或定子產生的熱量以最有效的方式導出，並與外界作高效率的熱交換，達到散熱的目的。
本實用新型是使用導熱管及散熱膠來取代進入矽鋼片或是線圈中的冷媒回流管，導熱管由於體積小，且不含磁性材料，又沒有冷媒管有滲漏及腐蝕的問題，故可以深深埋入環氧樹脂中，而貼近馬達的矽鋼片或是線圈，因此有導熱效率高及主動散熱且效果均勻等三重優點。而所使用的導熱管其體積小、重量輕且導熱效果顯著，可以縮小散熱機構的體積及重量。
導熱管的工作原理是將熱導性佳的金屬管內部抽至接近真空，然後再填入少許的特殊液體(例如甲烷或丙酮等低沸點的物質)及毛細組織，當熱作用於導熱管時，液體開始蒸發並造成管內的壓力變化。此一壓力變化使蒸氣以極快的速度由高溫區流向低溫區，當蒸氣接觸低溫區的金屬管壁時，熱能傳導至相對較低溫的金屬壁上，由於蒸氣的熱能釋放，蒸氣再次回覆為液態，然後藉由重力或是其中毛細組織的毛細作用回流至高溫區，藉此作用導熱管可以達到高速及高效率的熱傳導。當馬達運行時，因銅線銅損或是矽鋼片鐵損所產生的熱量可透過此導熱管散熱。由於此導熱管體積小，無滲漏及腐蝕的風險，可設置在動子的齒隙中或是線圈旁，故導熱管可將熱量主動且直接地導引至環氧樹脂及馬達外殼之外。
為增進導熱管將熱能傳導至外部的效果，可設置金屬制散熱板於馬達動子的外側，而導熱管和金屬制散熱板接觸，以幫助導熱管的熱量散發至空氣中。當馬達運行時金屬制散熱板可將熱量散失於空氣中，而無須提供額外的能源來做強制冷卻。為增進散熱板的散熱效果，散熱板可製成鰭片狀，以增加和空氣的接觸面積。
另外，當使用在大馬力馬達時，由於馬達的發熱量較大，且金屬制散熱板是位於鐵心及線圈之外，因此不會有冷媒滲漏於馬達當中造成馬達短路的危險。為幫助散熱板上的熱量傳至外部，可在和導熱管接觸的散熱板中加裝冷媒回流迴路，以增加散熱的效果。
為增加導熱管與接觸物間的熱傳導致果，在導熱管和接觸物間可加導熱膠，以減低熱阻，幫助導熱管與接觸物間的熱傳導致果。
此外，此散熱技術亦可以運用於旋轉式馬達的線圈及矽鋼片的散熱機構。
本實用新型一種具有散熱機構功能的馬達，至少包含具有磁場或是提供變動磁阻磁通路的定子；動子，動子至少包含一線圈及一導熱管及絕緣材料；前述的線圈由導電性佳的金屬構成，通電後提供馬達一電磁場；前述的絕緣材料為導電性不佳的材料，包覆於線圈的外側；前述的導熱管由導熱性佳的材料構成，呈中空密封狀；在室溫下，前述的導熱管內部的氣壓低於0．5大氣壓，且內部包含有毛細組織及易蒸發的液體；前述的導熱管的一部份設置於前述絕緣材料包覆範圍的內部，且一部份設置於前述絕緣材料包覆範圍的外部。
為進一步了解本實用新型的特徵及技術內容，請詳細參考以下有關本實用新型的較佳實施例與附圖，然而所附較佳實施例與圖示僅供參考與說明，而並非用來對本實用新型做任何限制。而任何運用或參考本實用新型所述及的技術範圍或精神所達成的技術，功能，型式與運動機構的改善，修正，皆在本實用新型專利申請範圍之內。
圖1(a)為本實用新型的一實施例的立體剖視圖；圖1(b)為圖1(a)的側視圖；圖1(c)為圖1(a)的俯視圖；圖1(d)為圖1(a)的正視圖；圖2為本實用新型運用於另一種無鐵心式線性伺服馬達的實施例；圖3為圖2的側視剖視圖；圖4為本實用新型運用於一般線性步進馬達的實施例；圖5為圖4的B-B剖視圖；圖6為習知的線性馬達的散熱方法；圖7為美國專利4839545號的線性馬達的散熱方法；圖8為美國專利5703418號的線性馬達的散熱方法。
請參閱圖1為本實用新型的一實施例，其中(a)為鐵心式線性伺服馬達的動子的立體剖視圖，(b)、(c)及(d)則分別為其側視圖、俯視圖及正視圖。線性馬達的動子包含鐵心及線圈，鐵心由一疊矽鋼片1堆疊而成，線圈6環繞在鐵心上，高熱傳導效率導熱管2分布於矽鋼片1上的齒隙3中。由於導熱管2與矽鋼片1間的間隙，會增加導熱管2與矽鋼片1間的熱阻，而降低熱量的導出效果，因此在導熱管2與矽鋼片1間填充導熱膠4以降低間隙所增加的熱阻，另一方面亦可增加導熱管2的固定性。
以往鐵心式線性伺服馬達的電流流經線圈6時，由於環氧樹脂7的熱傳導性極差，卻又包覆在線圈6的外圍，造成線圈6所產生的熱量不易逸散至外界。本實用新型的導熱管2的一端插入在環氧樹脂7的內部，而另一端則延伸至環氧樹脂7的外部，以提供一個管道或通路以將環氧樹脂7內部的熱量導出至環氧樹脂7的外部。為增進導熱管2和環氧樹脂7的外部環境間的熱傳導，將導熱管2的一端嵌埋於金屬制散熱板5中，以幫助散熱，散熱板5設計成鰭片狀以增加散熱效果；為增加導熱管7和金屬制散熱板5間的導熱性，可用導熱膠4填充於導熱管2與金屬制散熱板5的縫隙中，以降低熱阻及固定導熱管。為加強金屬制散熱板5的散熱效果，可裝置冷媒回流於金屬制散熱板5中，以增進金屬制散熱板5與外界的熱量交換效果。
圖2為本實用新型運用於另一種無鐵心式線性伺服馬達的實施例，圖3為圖2的側視剖視圖。此型式的線性馬達其熱量來源完全源自於動子10裡的線圈9的電流產生的電磁場與固定於定子12上的永久磁鐵11的交互作用。實施例中的定子12分為上下兩層，動子10則保持於定子12之間而可延導引機構運動，動子10保持於兩層定子12之間且與定子12保持一定空隙17。在動子10的外圍包覆一層熱導性不佳的環氧樹脂8，由於環氧樹脂8的阻隔，而造成動子10的熱量完全被包覆於其中而難以散失。本實用新型在動子10中設置導熱管13，導熱管13的一端嵌埋於環氧樹脂8內部以便靠近發熱源的線圈9，而另一端則延伸至環氧樹脂8的外側，以便將線圈9的熱量導出至環氧樹脂8的外部；金屬制散熱板14則用以幫助散熱。如此便可在環氧樹脂8中造出一熱流通路而將線圈9的熱量直接帶出至外界。此種方式比習知從外部以空氣來冷卻無鐵心式線性伺服馬達的動子的方式，來得更為直接且有效率。
圖4為將本實用新型運用於一般線性步進馬達的實施例，圖5則為圖4的B-B剖視圖。線性馬達的動子30包含數電磁鐵模組31，電磁鐵模組31包含導熱管15、矽鋼片16和線圈32，線圈32繞在矽鋼片16上，而導熱管15則和矽鋼片16相接觸，以便於將矽鋼片16及線圈32的熱量傳至動子30的外部。此設計的製作方式為製作電磁鐵模組31時，先將導熱管15嵌入電磁鐵模組31中，以便導熱菅15可接觸或鄰近矽鋼片16，並以導熱膠將導熱管15與矽鋼片16加以固定結合，以增加導熱管15固定效果及導熱性。為增加導熱管15和矽鋼片16間的熱傳效果，導熱管15亦可被包覆於矽鋼片16中，唯此時矽鋼片16需要配合導熱管15的外形製作，而增加製作的成本。
權利要求1．一種具有散熱機構功能的馬達，其特徵在於，至少包含具有磁場或是提供變動磁阻磁通路的定子；動子，動子至少包含一線圈及一導熱管及絕緣材料；前述的線圈由導電性佳的金屬構成，通電後提供馬達一電磁場；前述的絕緣材料為導電性不佳的材料，包覆於線圈的外側；前述的導熱管由導熱性佳的材料構成，呈中空密封狀；在室溫下，前述的導熱管內部的氣壓低於0．5大氣壓，且內部包含有毛細組織及易蒸發的液體；前述的導熱管的一部份設置於前述絕緣材料包覆範圍的內部，且一部份設置於前述絕緣材料包覆範圍的外部。
2．根據權利要求1所述具有散熱機構功能的馬達，其特徵在於，其動子中包含提供磁場通路及緊密磁場強度的矽鋼片。
3．根據權利要求1所述具有散熱機構功能的馬達，其特徵在於，於導熱管旁填充導熱膠，前述的導熱膠為導熱性佳的物質。
4．根據權利要求1所述具有散熱機構功能的馬達，其特徵在於，前述的導熱管與一金屬制散熱板接觸。
5．根據權利要求4所述具有散熱機構功能的馬達，其特徵在於，其金屬制散熱板設計成鰭片狀。
6．根據權利要求4所述具有散熱機構功能的馬達，其特徵在於，其金屬制散熱板和具有冷媒回流的散熱管接觸。
7．根據權利要求1所述具有散熱機構功能的馬達，其特徵在於，該馬達為鐵心式線性伺服馬達。
8．根據權利要求1所述具有散熱機構功能的馬達，其特徵在於，該馬達為鐵心式線性步進馬達。
9．根據權利要求1所述具有散熱機構功能的馬達，其特徵在於，該馬達為無鐵心式線性伺服馬達。
10．根據權利要求1所述具有散熱機構功能的馬達，其特徵在於，該馬達為旋轉馬達。
專利摘要一種具有散熱機構功能的馬達,採用一種高熱傳導致能的導熱管,利用其體積小且不需要冷媒,且具有可以彎曲及任意連接的特性,將散熱管平均分布於線圈周圍或是矽鋼片的齒隙當中以得到較佳散熱效率;導熱管的另一端有兩種設計,其一為金屬制散熱板,第二種為冷媒回流的金屬板;散熱板在馬達運行時可將熱量散失於空氣中,冷媒回流的金屬板則將熱量改由冷媒回流帶走。
文檔編號H02K9/02GK2415536SQ0023145
公開日2001年1月17日 申請日期2000年3月22日 優先權日2000年3月22日
發明者蕭舜興 申請人:大銀微系統股份有限公司