【李家同】為台灣加油打氣專欄(208)分隔式定子馬達的精密製造

張貼者:2020年4月6日 下午7:58台灣精密工程學會

馬達的原理可以簡單地用圖一來解釋。

 

(1)馬達結構簡述:以內轉子馬達而言,馬達外圈有所謂的定子,定子是將激勵線圈繞在導磁材料上的繞線結構,當交流電流通過激勵線圈以後,在定子上會形成如圖一所示的磁北極(簡稱N)或磁南即(簡稱S)

馬達內圈則是會轉動的轉子,一般是以感應電流的方式或永久磁鐵的方式來形成N極或S極。

(2)馬達的轉動:我們都知道,N極與S極都會產生同極互相排斥,異極互相吸引的作用力,所以在下圖圖二的排列狀態,兩者會產生互相推斥的力量,而形成相對運動。如果其中一個是定子,一個是轉子,則轉子一定會轉動。

 

 

 

 

 

    由圖二的說明,轉子因互斥力而轉動,產生轉動慣量,當轉動到圖三的排列狀態,兩者間的交互力變成互相吸引的力量,此時轉子會順著轉動慣量,沿著原來的轉動方向繼續轉動。如此斥力、吸力一直周而復始地作用於彼此間,使得馬達不停地轉動。

 

(3)定子的結構:傳統的定子是一個圓柱體,如圖四。中間有很多開口槽,是用來纏繞「激勵線圈」的「線槽」,「線」要穿過「線槽」,如果不用人工加上慢工出細活的方法,很難把線繞滿。「線槽」的「佔槽率」低,必須增加定子的體積,來補償「佔槽率」低導致的負面效應,如此,整個馬達的體積就會很大,無法應用在某一些場合,所以為了要縮小馬達體積,「佔槽率」必須提昇。

 

 

    為了提昇佔槽率,可將定子矽鋼片分割成 N 等份的「單體定子矽鋼片」,然後將每一個「單體定子矽鋼片」繞線繞滿成「單體定子」,再將所有的「單體定子」組合成一個完整的定子,如圖五。如此,「繞線佔槽率」便可大幅提昇,使整個馬達的體積縮小。(單獨的「單體定子矽鋼片」的外型,很容易就可以用自動化的方式把線繞滿。)

 

 

 

    (4)分割式定子組合精度:將「單體定子」組合成一個圓形,放進一個金屬框中(馬達的外框),要使得圓形定子內徑「真圓度」與「圓柱度」的精度一次到位並不容易,一般的製造商大多在組合後,再用車床進行二次加工才能達到要求,但增加二次加工的工序,會衍生出其他的問題,所以,如何在不需要二次加工的情況下,便可達到很高的精度,是一個很有價值的議題。當然,在製作的過程中,有很多困難必須克服,例如「零件精度」、「製程精度」等,有非常多的細小環節,都必須一一克服。

 

    值得一提的是「中框熱配」製程,在製作分隔式定子的過程中,需將外殼加熱變大,然後將定子放進去,然後降溫,藉由外殼變小,讓外殼與定子扣緊在一起。我們可以想像得到,這個過程必須是很細膩的,不能有任何的差錯。假如發生扣得太緊、太鬆、溫度梯度不對稱等問題,都會影響到組合精度,產生不可逆的後遺症。整個製程的關鍵技術就是如何控制溫度,這是書本上是絕對沒有的知識。

 

    為了要快速找到合理的製程參數,我們的工程師們藉由多次理論的推導、模擬軟體的檢驗、實體實驗的驗證,自己建立了一個演算模型,藉由這個演算模型,可以幫助我們減少實驗的次數,快速地得到組合過程中的每一個製程參數。要找出這些製程參數並不容易,因為參數間有交互作用,而且是非線性的動態參數,我們之所以能夠找到這些參數,是因為我們花了很多時間建立了這個演算模型,藉由演算模型的建模,再搭配實驗驗證,才能得到精準的結果。

 

    很值得大家注意的是,製造這種可分割定子馬達的機械是我們工程師設計的,主要負責的工程師其實是學電機的,他的工作經驗使他感覺到機械的重要性,也就跳入機械的行業,而且成為了一個相當不錯的機械工程師。由於他當年在物理上面的知識,使得他能夠具備建模能力。我們年輕工程師還是要把基礎的學問學好,這樣才可以很容易地轉行,使自己更有競爭力。

 

    國家要有這種觀念,那就是自己的機械,自己開發。我們也應該知道如何使用馬達,更要知道如何製作馬達。很希望國人能夠在馬達的製作上一直進步,因為絕大多數的廠房裡都在使用馬達的,效率高的馬達對整個國家的能源供應都十分重要。

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