馬達定子的製作方法
2023-05-26 00:34:01
專利名稱：馬達定子的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種馬達定子結構，尤指主要運用粉末冶金製程製作一體成型之馬達定子。
背景技術：
按，隨著高速計算機的快速進步，CPU消耗的熱量愈來愈高，因此散熱風扇已經被廣泛的採用，以往，散熱風扇的基本要求是要壽命長、噪音低、低功率損耗、散熱效果好。目前大部分業者均致力於風扇扇葉的設計、軸承設計及材料的改良、電路板的設計、散熱鰭片(Heat Sink)設計及材料選用、高熱傳導係數材料的引用。受到百年來馬達一定要使用矽鋼片的根深蒂固思想的禁錮，在學界與業界人員均忽略最重要馬達部份的改善。所以很少有人會針對產生運轉的主要部件一馬達作深入的研究與改良，然而若能突破馬達定子材料、製程及設計方式的局限，則將能有效增加繞線圈數、風扇扇葉有效長度、提高風扇轉速、降低能量損耗、降低噪音。
而傳統馬達或風扇馬達產生磁作用力的主要來源，使用經過熱滾壓處理後的軟磁性矽鋼片(Fe-Si合金)為材料，其渦流損(Eddy Current Loss)與矽鋼片厚度的平方成正比，但因衝壓技術有最小厚度限制及疊裝變形問題，所以市面上矽鋼片的規格一般為0.20mm、0.35mm、0.50mm，且其形狀將嚴重受到限制。所以馬達的設計被現有材料及製程所局限，無法有效發揮其功能。
按，一般現有的散熱風扇馬達結構，如圖10所示，主要包含扇葉組100、馬達組200及風扇座300三大部份。而馬達組200部份之馬達定子包括以衝壓不同厚度的平面矽鋼片所堆棧組裝而成之矽鋼片組201，而矽鋼片與矽鋼片間堆棧時因有微間隙問題，所以其磁能積及渦流損將會降低。一般習知矽鋼片為鐵-矽(Fe-Si合金)軟磁性金屬材料其磁損是隨著矽(Si)含量的增加而降低，但其脆性卻隨矽(Si)含量的增加而增加，非常不利於衝壓製程，故傳統矽鋼片在量產性的考慮下，其成分即被限制在矽含量3～4wt％以下，相對的其磁特性將嚴重的被設限。因此，上述問題，由於材料特性及製程關係導致馬達定子的形狀主要為等斷面的平板結構，因此馬達組部份的設計將連帶受到限制，為有效發揮馬達的性能，實有必要重新考慮馬達定子材料及製程的改良。
另一種馬達定子結構是運用高絕緣性的環氧樹脂(Epoxy Resin)包覆鐵心粉，使用各類製程成型後，以低溫(150～200℃)處理使熱固性高分子硬化，此技術最早應用在高頻變壓器，其主要製程是利用弱酸性溶劑如磷酸(H2PO4)，先將粉體表面造成帶電狀態，使其易與高分子的氫鍵或氫氧鍵能與鐵心粉接枝，所以將高分子溶於溶劑中，再倒入磁性粉體中，經由攪拌及蒸發作用，使得磁性粉體表面均勻附著一層絕緣層。而將其引用至馬達定子結構，其馬達定子本體結構主要結合強度來自於環氧樹脂黏結劑。在相同的容積下，產生磁特性的磁性粉體的百分比與強化本體結構強度的環氧樹脂的百分比是互成倒數關係，因此在要求高磁特性時其機械強度相對降低，而要求高機械強度時其磁特性相對亦將遞減。因此，以此方法無法同時兼顧兩個性質要求。另外，圖11為目前已知的代表圖，由圖中可知其將上磁極400、套管500及下磁極600經由特殊機械製程而一體成型，由粉末冶金之基本常識，不同斷面積其成型密度及收縮率將不同。主要原因是各區域的斷面積不同，其所承受之應力大小不同，所以容易造成收縮不均及易變形的缺點。
綜合上述，現有的定子組或定子結構均相當複雜，組裝費時且易產生組配公差，且部分設計的磁極間相對位置易產生組裝偏位，進而影響馬達效率。而馬達定子結構若單獨使用高分子作結合劑其機械強度及磁特性將受到嚴重的限制。
因此，要如何解決上述習用的問題與缺失，即為從事此行業的相關廠商所亟欲研究改善的方向之所在。
發明內容因此，有必要提出一種新型的馬達定子，提高馬達效率。
根據本發明的一種實施型態，該馬達定子包括一軸向繞線的線圈，該線圈於軸向上具有兩側，一上磁極板及一下磁極板分別定位於該線圈的軸向兩側，至少上磁極板及下磁極板其中之一於自身外圍設多個凸鰭，至少一絕緣片將該線圈與上磁極板及下磁極板隔開，該上磁極板及下磁極板由具核-殼結構的複合性軟磁性材料製成，該核-殼結構具有提供磁性力的核心主體及提供鍵結強度的殼層，該核心主體及該殼層的材料選擇應滿足該殼層的電阻值高於該核心主體的電阻值。
在該馬達定子中，核-殼結構中的核心主體提供磁性力，核-殼結構中的殼層提供鍵結強度，因此在保證足夠的磁力的同時，可保證上磁極板及下磁極板足夠的機械強度；另外，該殼層的電阻高於核心主體的電阻，可有效降低渦流損。
圖1是一種核-殼結構的示意圖。
圖2是另一種核-殼結構的示意圖。
圖3是又一種核-殼結構的示意圖。
圖4是馬達定子第一實施例的分解圖。
圖5是圖4的組合圖。
圖6是馬達定子第二實施例的分解圖。
圖7是馬達定子第三實施例的分解圖。
圖8是圖7的組合圖。
圖9是馬達定子第四實施例的分解圖。
圖10是一種現有風扇的示意圖。
圖11是另一種現有風扇馬達定子的部分零件立體圖。
具體實施方式為達成上述目的及功效，本發明所採用的技術手段及其構造，茲繪圖以實施例方式詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。
根據本發明的實施例，馬達定子的磁極板的磁性原料採用具核-殼結構的複合性軟磁性金屬材料，其與習知商用鐵心粉有很大的差異，主要是利用添加低固溶量或無固溶量的非主相材料，並運用粉末燒結理論的擴散-析出機制或異質介面塗布技術，再以高(低)溫處理方式，使其晶粒與晶粒間或粉團與粉團間產生核—殼結構。
請參閱圖1，該核-殼結構包括一核心主體1及一殼層2，該核心主體1提供磁性力，而殼層2之功能為抑制金屬渦電流損產生及提供鍵結(Bond)強度。所以，在核心主體1的磁性材料方面選擇以高初導磁率低磁損之軟磁性材料為主，如軟磁性金屬材料、非晶質鐵基磁粉(Amorphous Iron Base)、純鐵粉及其複合材料、軟磁性非金屬材料；而在殼層2部分以易形成高電阻值材料為主要考慮因素，如金屬複合材料、中間化合物(IntermediateCompound)、氧化複合材料、壓電材料(Piezoelectricity)、超導體材料，使得殼層之電阻值高於核心主體之電阻值。
請參閱圖2，該複合性軟磁性材料亦可以具有多重核-殼結構。該種結構主要由多個磁性核心主體1』及多個殼層2』所組成。為達此目的，可經過多次噴霧造粒、乾燥成形以製作多個核殼結構的磁性粉體。
如圖3所示，該複合性軟磁性材料亦可以具有類似洋蔥形結構的核-殼結構，其是由多個單一核-殼結構外還包覆一殼層2，而每一單一核殼結構包括一核心主體1」及一殼層2」。
成型後胚體的燒結溫度，其高溫熱處理溫度為400℃～1250℃；而低溫熱處理溫度為70℃～400℃。
該複合性軟磁性材料亦可包括表面蒸鍍(Deposition)功能性薄膜的軟磁性金屬塊材。該功能性薄膜可以物理蒸鍍製程(Phyasical Vapor Deposition，PVD)、化學蒸鍍製程(Chemical Vapor Deposition，CVD)而製成。該功能性薄膜可以是軟磁性金屬材料、鐵氧磁體(Ferrite)、壓電材料、鐵電材料(Ferroelectricity)、陶瓷材料。
習知薄膜或納米尺度顆粒具有異於塊材的特性，其在本發明影響最大的因素是反應時間，當晶粒尺寸越小時，其磁域(Magnet Domain)越小，反應磁特性的時間越短，因此可適合在較高頻的使用環境。當達到一定頻率以上時，其主要作用體將移至材料表面，亦即產生所謂的集膚效應(Skin Effect)。利用集膚效應除可以發揮塊材主體的特性外，亦可顯現功能性薄膜的特性。
利用上述的複合性軟磁性金屬材料製成上磁極板、下磁極板的本發明各請參閱圖4所示，為本發明馬達定子10第一實施例的零件分解圖，由圖中可清楚看出，馬達定子10主要結構包括上磁極板12、絕緣片14、線圈16、下磁極板18及中空套管19。
上磁極板12外圍沿軸向設計多個非等斷面的凸鰭122，以等距方式排列，而下磁極板18外圍沿軸向設計多個非等斷面的凸鰭182，亦以等距方式排列，但與上磁極板12的凸鰭122相互錯開。該非等斷面包含非等斷面形狀及非等磁性體總量。上磁極板12中部設一圓孔124。中空套管19與下磁極板18一體成型。絕緣片14從側面看呈工字形，具有上、下二平行的平板部142、144及一連接該二平板部142、144的中空連接部146。該二平板部142、144及該連接部146之間形成一用於收容線圈16的環形空間。該連接部146內部形成一軸向貫穿的中孔148。該線圈16是沿軸向繞線。
如圖5所示，組裝時，線圈16纏繞於絕緣片14的環形空間內。中空套管19置於絕緣片14的中孔148內，中空套管19上端配合於上磁極板12的圓孔124內。該中空套管19用於與扇框中柱(圖未示)配合從而固定該馬達定子10。中空套管19上設計與上磁極板12相互嵌合的定位結構(圖未示)，以維持各磁極板上的凸鰭122、182相對位置，避免因磁場不均而導致相互抵消或幹擾，進而減少磁能的損失。
因此，維持上、下磁極板12、18間相對位置的定位結構可以為溝槽、斷差、凹凸點等結構。
上述第一實施例中，上、下磁極板12、18皆設計有凸鰭122、182。根據實際需要，亦可設計成一磁極板可單純設計為平板狀的蓋板，而另一磁極板可設計成具有多個凸鰭。
請參閱圖6所示，為本發明馬達定子的第二實施例的零件分解圖，由圖中可清楚看出，馬達定子包括上磁極板22、上中空套管224、絕緣片24、線圈26、下磁極板28及下中空套管284；其中上磁極板22及下磁極板28選用前述複合性軟磁性金屬材料製成。
上磁極板22外圍沿軸向設計多個非等斷面的凸鰭222，上中空套管224與上磁極板22一體成型並自上磁極板22中部向下磁極板28延伸。下磁極板28外圍沿軸向設計多個非等斷面的凸鰭282，下中空套管284與下磁極板28一體成型。絕緣片24具有一中孔248，其與線圈26可設計成與第一實施例具有相同的結構。組裝時，上中空套管224及下中空套管284置於絕緣片24的中孔內，且於上、下中空套管224、284上設計相互嵌合的定位結構，以維持各磁極板上的凸鰭相對位置，避免因磁場不均而導致相互抵消或幹擾，進而減少磁能的損失。本實施例中，上、下中空套管224、284相互結合共同形成一完整的中空套管，用於與一扇框中柱結合以固定該馬達定子20。
因此，維持上、下磁極板22、28間相對位置的定位結構可以為溝槽、斷差、凹凸點等結構。
上述第二實施例中，上、下磁極板22、28皆設計有凸鰭222、282。根據實際需要，亦可設計成一磁極板可單純設計為平版狀的蓋板，而另一磁極板可設計成具有多個凸鰭。
請參閱圖7所示，為本發明馬達定子的第三實施例的零件分解圖，由圖中可清楚看出，馬達定子30主要包括上磁極板32、絕緣片34、線圈36、下磁極板38及中空套管39；其中上磁極板32及下磁極板38選用前述複合性軟磁性金屬材料製成上磁極板32外圍沿徑向設計多個非等斷面的凸鰭322，而下磁極板38外圍沿徑向設計多個非等斷面的凸鰭382。上磁極板32中部設有一圓孔324。中空套管39與下磁極板38一體成型。絕緣片34具有一中孔348，其與線圈36可設計成與前述實施例具有相同的結構。
請參閱圖8，組裝時，將中空套管39置於絕緣片34之中孔348內，該中空套管39上部配合於該上磁極板32的圓孔324內。於中空套管39及上磁極板324上設計相互嵌合的定位結構，以維持各磁極板上的凸鰭片相對位置，避免因磁場不均而導致相互抵消或幹擾，而減少磁能的損失。
因此，維持上、下磁極板32、38間相對位置的定位結構可以為溝槽、斷差、凹凸點等結構。
上述第三實施例中，上、下磁極板32、38皆設計有凸鰭322、382。根據實際需要，亦可設計成一磁極板可單純設計為平板狀的蓋板，而另一磁極板可設計成具有多個凸鰭。
請參閱圖9所示，為本發明第四實施例的零件分解圖，由圖中可清楚看出，馬達定子40主要包括上磁極板42、上中空套管424、絕緣片44、線圈46、下磁極板48、下中空套管484；其中上磁極板42及下磁極板48選用前述複合性軟磁性金屬材料製成上磁極板42外圍沿徑向設計多個非等斷面的凸鰭422，上中空套管424與上磁極板42一體成型並自上磁極板42中部垂直延伸。下磁極板48外圍沿徑向設計多個非等斷面的凸鰭482，下中空套管484與下磁極板48一體成型並自下磁極板48中部延伸。絕緣片44具有一中孔448，其與線圈46可設計成與前述實施例具有相同的結構。組裝時，上中空套管424及下中空套管484置於絕緣片44之中孔448內，且於上、下中空套管424、484上設計相嵌合的定位結構，以維持各磁極板上的凸鰭相對位置，避免因磁場不均而導致相互抵消或幹擾，進而減少磁能的損失。本實施例中，上、下中空套管424、484相互結合共同形成一完整的中空套管，用於與一扇框中柱結合以固定該馬達定子40。
因此，維持上、下磁極板42、48間相對位置的定位結構可以為溝槽、斷差、凹凸點等結構。
上述第四實施例中，上、下磁極板42、48皆設計有凸鰭422、482。根據實際需要，亦可設計成一磁極板可單純設計為平板狀的蓋板，而另一磁極板可設計成具有多個凸鰭。
在上述實施例中，馬達定子所具有的部分優點可總結如下(一)利用粉末燒結理論的擴散-析出機制或異質介面塗布技術，在磁性體表面形成核—殼結構(Core-Shell Structure)，以降低渦流損(Eddy CurrentLoss)。
(二)利用粉末冶金成型燒結技術及機械加工輔助製作非等斷面的馬達定子，可有效縮小馬達定子外徑尺寸、簡化繞線方式、增加量產自動化。
(三)利用鍍膜技術，以製備功能性殼層結構，運用集膚效應(Skin effect)，以使馬達定子功能性增加。
權利要求
1.一種馬達定子，包括一軸向繞線的線圈，該線圈於軸向上具有兩側，一上磁極板及一下磁極板分別定位於該線圈的軸向兩側，至少上磁極板及下磁極板其中之一於自身外圍設多個凸鰭，至少一絕緣片將該線圈與上磁極板及下磁極板隔開，其特徵在於該上磁極板及下磁極板由具核-殼結構的複合性軟磁性材料製成，該核-殼結構具有提供磁性力的核心主體及提供鍵結強度的殼層，該殼層的電阻值高於該核心主體的電阻值。
2.如權利要求1所述的馬達定子，其中所述上磁極板及下磁極板由粉末燒結而成，該核-殼結構系利用粉末冶金的擴散、析出機制形成。
3.如權利要求1所述的馬達定子，其中所述核心主體的材料從以下材料中選擇軟磁性金屬材料、非晶質鐵基磁粉、純鐵粉及其複合材料、軟磁性非金屬材料。
4.如權利要求1或3所述的馬達定子，其中所述殼層的材料從以下材料中選擇金屬複合材料、中間化合物、氧化複合材料、壓電材料、超導體材料。
5.如權利要求1所述的馬達定子，其中所述複合性軟磁性材料包括表面蒸鍍功能性薄膜的軟磁性金屬塊材。
6.如權利要求5所述的馬達定子，其中所述表面蒸鍍功能性薄膜從以下材料中選擇軟磁性金屬材料、鐵氧磁體、壓電材料、鐵電材料、陶瓷材料。
7.如權利要求1所述的馬達定子，其中該上磁極板及下磁極板其中之一一體地設有一中空套管，該中空套管與另一磁極板設有相互配合的定位結構，從而維持該上磁極板與下磁極板的相對位置。
8.如權利要求1所述的馬達定子，其中該上磁極板一體地設有一上中空套管，該下磁極板一體地設有一下中空套管，該上中空套管與下中空套管設有相互配合的定位結構，從而維持該上磁極板與下磁極板的相對位置。
9.如權利要求7或8所述的馬達定子，其中所述定位結構為溝槽、斷差或凹凸點。
10.如權利要求1所述的馬達定子，其中該核-殼結構包括多重核心主體及殼層。
11.一種馬達定子，包括一軸向繞線的線圈，該線圈於軸向上具有兩側，至少一磁極板定位於該線圈的其中一側，其特徵在於該磁極板是經過燒結而一體成型，構成該磁極板的材料具有核-殼結構，該核-殼結構的核心主體主要從以下材料中選擇軟磁性金屬材料、非晶質鐵基磁粉、純鐵粉及其複合材料、軟磁性非金屬材料；而殼層材料主要從以下材料中選擇金屬複合材料、中間化合物、氧化複合材料、壓電材料、超導體材料；該核心主體及該殼層的材料選擇應滿足該殼層的電阻值高於該核心主體的電阻值。
12.如權利要求11所述的馬達定子，進一步包括另一磁極板，定位於該線圈的另一側，至少一磁極板於自身外圍設置多個凸鰭。
13.如權利要求12所述的馬達定子，進一步包括一中空套管，該中空套管軸向穿設該線圈。
14.如權利要求13所述的馬達定子，該中空套管至少與該二磁極板之一一體成型。
全文摘要
一種馬達定子，其包括一軸向繞線的線圈，該線圈於軸向上具有兩側，一上磁極板及一下磁極板分別定位於該線圈的軸向兩側，至少上磁極板及下磁極板其中之一於自身外圍設多個凸鰭，至少一絕緣片將該線圈與上磁極板及下磁極板隔開，該上磁極板及下磁極板由具核－殼結構的複合性軟磁性材料製成，該核－殼結構具有提供磁性力的核心主體及提供鍵結強度的殼層，該核心主體及該殼層的材料選擇應滿足該殼層的電阻值高於該核心主體的電阻值。
文檔編號H02K15/02GK1874112SQ200510035128
公開日2006年12月6日 申請日期2005年6月3日 優先權日2005年6月3日
發明者童兆年, 侯春樹, 楊志豪, 黃隆偉 申請人:富準精密工業(深圳)有限公司, 鴻準精密工業股份有限公司