TWI861662B - 轉子包覆方法 - Google Patents

Abstract

一種轉子包覆方法，適用於包覆一馬達的一轉子，該轉子沿一軸線延伸，該轉子包覆方法包含：(A)將一碳纖維束展開並製成一碳纖維帶；(B)以一預緊張力將該碳纖維帶環繞該軸線纏繞於該轉子，且該碳纖維帶的纏繞方向與一垂直於該軸線的垂直方向夾一夾角；及(C)沿該軸線來回纏繞數層該碳纖維帶，而使該碳纖維帶纏繞形成一包覆該轉子的外周面的包覆層。本發明可以在相同纏繞厚度的情況下纏繞較多層的碳纖維，藉此提升該轉子內的永久磁鐵的安裝穩定性，而能降低隔磁橋厚度、提升該馬達的性能。

Description

轉子包覆方法

本發明是有關於一種對於轉子的加工方法，特別是指一種運用於轉子的碳纖維包覆方法。

永磁同步馬達相較於其他類型的馬達具有體積較小且較為節能的優點，因此常搭載於電動車以提高電動車的續行能力。

中華人民共和國發明專利公告第CN115173595A號公開一種現有的永磁同步馬達的轉子，包含一鐵芯及數個永久磁鐵。該鐵芯包括數個用於容置該等永久磁鐵的安裝槽，及數個位於該安裝槽與該鐵芯側面間的隔磁橋。由於該等隔磁橋的厚度與磁漏成正比而影響永磁同步馬達的性能，因此該轉子於設計時應盡可能降低隔磁橋的厚度以降低磁漏，但是，當該等隔磁橋越薄時則越難抵抗該轉子在高速旋轉時產生使該等永久磁鐵脫離的離心力，進而可能導致該等隔磁橋與該轉子本體間產生裂隙或斷裂，造成馬達損壞。

因此，如何降低該轉子的該等隔磁橋的厚度，又能確保該轉子於高速中的結構穩定，仍有待解決。

因此，本發明之目的，即在提供一種能提升馬達性能與結構穩定性的轉子包覆。

於是，本發明一種轉子包覆方法，適用於包覆一馬達的一轉子。該轉子沿一軸線延伸。該轉子包覆方法包含：

(A)將一碳纖維束展開並製成一碳纖維帶。

(B)以一預緊張力將該碳纖維帶環繞該軸線纏繞於該轉子，且該碳纖維帶的纏繞方向與一垂直於該軸線的垂直方向夾一夾角。

(C)沿該軸線來回纏繞數層該碳纖維帶，而使該碳纖維帶纏繞形成一包覆該轉子的外周面的包覆層。

本發明之功效在於：藉由將該碳纖維束展開攤平為該碳纖維帶後再纏繞於該轉子，可以在相同纏繞厚度的情況下，能夠纏繞較多層的碳纖維，藉此提升該轉子內的數個永久磁鐵的安裝穩定性，使得該轉子能夠在降低隔磁橋厚度時，仍可以維持高速旋轉時的結構穩定，而具有提升該馬達的性能的優點。

參閱圖1至圖3，本發明一種轉子包覆方法的實施例，適用於包覆一馬達（圖未示）的一轉子9。該轉子9沿一軸線L延伸。

該實施例包含以下步驟：

步驟11：將一碳纖維束21展開並製成一碳纖維帶22。

參閱圖2、圖7及圖8，現有的碳纖維束21由於製程技術與成本限制而多以成束的方式製作。例如，常見有1k（指該碳纖維束21中包含1000根碳纖維絲211）、3k、12k等規格的該碳纖維束21。以日本東邦公司（東邦株式會社，Toho Tenax Co, Ltd.）所生產、型號為IM600的該碳纖維束21為例，其單一根碳纖維絲211的直徑大約介於5µm，但由於1k規格的該碳纖維束21的直徑大於100µm。若直接將該碳纖維束21纏繞於該轉子9，將導致該轉子9於包覆該碳纖維束21後產生的一包覆層91的厚度δ2過高，而會使得該轉子9與該馬達的一定子（圖未示）間的間隙過窄，從而影響該馬達的運作。因此，本實施例使用一展紗方法將該碳纖維束21中的碳纖維絲211展開並重新排列以製成一碳纖維帶22，藉此能夠降低該碳纖維帶22的厚度δ1，同時，也能增加該碳纖維帶22的寬度W以便於包覆。

要補充說明的是，當該包覆層91所纏繞的該碳纖維帶22層數越多時，則該包覆層91的結構強度越高，而越能抵抗數個設置於該轉子9內部的永久磁鐵92在高速旋轉時的離心力。為了瞭解碳纖維的層數與結構強度的關係，將碳纖維以不同層數堆疊製成兩種如表1所示的測試壓板C、THC，再以ASTM D790-10標準進行三點彎曲試驗，並得出如表2所示的測試結果。

表1

測試品項	測試壓板C	測試壓板THC
碳纖維層數	20	4
尺寸	45 mm	45 mm

表2

測試品項	測試壓板C	測試壓板THC
最大負載(N)	84.56	97.23
最大位移(mm)	2.63	1.85
最大彎曲應力(MPa)	1234.75	729.23
彎曲模量(GPa)	64.35	39.52

由表2的實驗數據可知，在該等測試壓板C、THC尺寸相近的情況下，該測試壓板C可以承受更大的彎曲應力。顯見當碳纖維層數越多時，則結構強度越高。

在本實施例中，該包覆層91的厚度δ2介於100~1000µm間。例如以該包覆層91的厚度δ2為700µm為例，並使用厚度δ1為70µm的該碳纖維帶22包覆，則該包覆層91能夠包含10層的該碳纖維帶22。相比之下，若使用5µm -1k規格的該碳纖維束21，該包覆層91至多只能包覆6層，因此結構強度較差。顯見以該碳纖維帶22形成該包覆層91具有碳纖維層數較多、結構強度更高的優點。

該展紗方法可以是機械式多滾筒展紗方法、加熱滾壓展紗方法、超音波震盪展紗方法、聲波滾壓展紗方法，或氣流展紗方法等方式來進行展紗，只要可以將該碳纖維束21展開並製成該碳纖維帶22即可。

在本實施例中，將直徑介於100~800µm間的該碳纖維束21展開，並製成寬度W介於0.5~2cm間、厚度δ1介於10~100µm間的該碳纖維帶22，而能較佳地纏繞於長度約為8cm的該轉子9。

參閱圖1、圖3及圖4。步驟12：以一預緊張力將該碳纖維帶22環繞該軸線L纏繞於該轉子9，且該碳纖維帶22的纏繞方向與一垂直於該軸線L的垂直方向M間夾一夾角θ。

當該碳纖維帶22以該預緊張力拉伸時，將能夠提升包覆後的該包覆層91的結構強度，而更能抵抗該轉子9內部的該等永久磁鐵92（見圖7）於高速旋轉時的離心力。如表3所示，在實驗中將碳纖維分別以方法A與方法B包覆於兩個相同的空心圓管，並將該等空心圓管進行動態扭力測試。該方法A是將該碳纖維帶22以如該實施例步驟12以該預緊張力進行包覆的方法。方法B是將裁切成片材的碳纖維布以不維持該預緊張力的傳統疊層捲繞法進行包覆的方法。

表3

包覆方法	包覆厚度	循環次數極限	負載扭力(kgf-cm)
方法A	2.2mm	超過20萬次	5000
方法B	3mm	約15萬次	4000

由表3的實驗數據可知，運用步驟11的方法A能夠以相同、甚至更薄於方法B的包覆厚度而能承受更高的負載扭力與循環次數。由於動態扭力測試的方式為本領域中具有通常知識者根據以上說明所能推知，因此不多加說明。

該預緊張力包括一預定張力值及一誤差範圍，該預定張力值介於0.1~5kg·m/s²間。該誤差範圍介於 ±0.1~5kg·m/s²。例如當該預定張力值設置為5kg·m/s²且該誤差範圍設置為 ±0.1kg·m/s²時，則該預緊張力介於4.9~5.1kg·m/s²。

此外，為了確保包覆厚度δ2（見圖8）一致、避免該包覆層91的外表面凹凸不平，設定該碳纖維帶22的纏繞方向與該垂直方向M間的該夾角θ介於1°~60°間。在本實施例中，該轉子9設置在一轉動裝置3而能沿該軸線L轉動。同時，該碳纖維帶22設置在一輸送裝置4。該輸送裝置4依據該轉子9的轉動而使該碳纖維帶22相對於該轉子9沿該軸線L延伸方向移動，藉此調整該碳纖維帶22的纏繞方向與該夾角θ。由於本領域中具有通常知識者根據以上說明，可以推知輸送帶狀原料的該輸送裝置4的擴充細節，因此不多加說明。

參閱圖1、圖4及圖5。步驟13：沿該軸線L來回纏繞數層該碳纖維帶22，而使該碳纖維帶22纏繞形成一包覆該轉子9的外周面的包覆層91。

該碳纖維帶22在沿一前後方向X的前方（圖4中往右方）往該轉子9的一端包覆完成後，再經由該輸送裝置4轉向而往後方（圖4中往左方）的該轉子9的另一端包覆，藉此來回纏繞數層該碳纖維帶22而形成該包覆層91。該碳纖維帶22可以在來回往該轉子9的兩端包覆時皆與該垂直方向M間夾該夾角θ，藉此，使得碳纖維帶22於往前包覆及往後包覆的厚度維持一致。

參閱圖4、圖5及圖6，該實施例還可選地包含以下步驟：

步驟14：將該碳纖維帶22連接一張力計51，該張力計量測該碳纖維帶22的一纏繞張力F並輸出至一控制器52。

該張力計51信號連接於該控制器52。該張力計51可以是紅外線張力計、音波式張力計，或是筆型張力計，只要能量測該纏繞張力F即可。該控制器52可以是中央處理器（CPU），或是微控制器（microcontroller, MCU），或是其他具有可監控該張力計51之信號的能力的電子電路裝置。

步驟15：該控制器52於該纏繞張力F偏離該預緊張力時，控制連接該碳纖維帶22的一張力調整器53調整該碳纖維帶22的張力。

該張力調整器53的數量也可以是複數，例如為兩個、三個，或是三個以上。該張力調整器53可以是以該輸送裝置4中用來輸送該碳纖維帶22的一伺服馬達（圖未示）實施。可以理解的是，當該轉動裝置3的轉動速度相對於該伺服馬達輸送該碳纖維帶22的速度提高時，碳纖維帶22所受到的該纏繞張力F便會增加。因此，只要當該纏繞張力F達到該預緊張力時，該控制器52便可以控制該張力調整器53使得該伺服馬達輸送該碳纖維帶22的速度相當於該轉動裝置3的轉動速度，而使纏繞中的該碳纖維帶22維持該預緊張力。在其它變化例中，該張力調整器53也可以是其他類型的張力調整器，例如，可以能移動地供碳纖維帶22繞設的滑輪組實施，而透過滑輪之間的位移使該碳纖維帶22拉伸或放鬆，藉此調整該碳纖維帶22的張力。

參閱圖7及圖8，纏繞完成後，該碳纖維帶22包覆於該轉子9的該等永久磁鐵92之外側而形成該包覆層91。

在本實施例中，該等永久磁鐵92設置於該轉子9的一鐵芯93的數個凹槽930內，並透過設置該包覆層91固定。由於該包覆層91具有較高的結構強度，因此，該轉子9可以降低隔磁橋厚度或甚至不設置隔磁橋，而同樣能夠在高速旋轉時固定該等永久磁鐵92，而不會使該等永久磁鐵92脫離而造成該馬達損壞。

經由以上的說明，可將前述實施例的優點歸納如下：

一、藉由步驟11~步驟13將該碳纖維束21展開攤平為該碳纖維帶22後再纏繞於該轉子9，可以在相同纏繞厚度的情況下，能夠纏繞較多層的碳纖維，藉此提升該轉子9內的該等永久磁鐵92的安裝穩定性，使得該轉子9能夠在降低隔磁橋厚度時，仍可以維持高速旋轉時的結構穩定，而具有提升該馬達的性能的優點。

二、藉由該輸送裝置4依據該轉動裝置3帶動該轉子9的轉動而移動該碳纖維帶22相對於該轉子9的位置，而使該碳纖維帶22在分別往該轉子9的兩端包覆時皆維持該夾角θ，能夠提升該包覆層91的厚度δ2的一致性。

三、藉由步驟14~步驟15中，搭配該張力計51、該控制器52與該張力調整器53維持該碳纖維帶22於包覆該轉子9時的該預緊張力，能提升包覆的一致性，並同時提升該包覆層91的結構強度。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11~13:步驟 21:碳纖維束 211:碳纖維絲 22:碳纖維帶 3:轉動裝置 4:輸送裝置 51:張力計 52:控制器 53:張力調整器 9:轉子 91:包覆層 92:永久磁鐵 93:鐵芯 930:凹槽 L:軸線 M:垂直方向 W:寬度 δ1:碳纖維帶的厚度 δ2:包覆層的厚度 F:纏繞張力

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一流程圖，說明本發明一種轉子包覆方法的一實施例； 圖2是該實施例的一立體示意圖，說明一碳纖維束在展紗後製成一碳纖維帶； 圖3是該實施例的一立體示意圖，說明該碳纖維帶包覆於一轉子的過程； 圖4是圖1的示意圖，說明該碳纖維帶以一夾角纏繞該轉子； 圖5是類似於圖4的示意圖，但該碳纖維帶以另一個方向纏繞該轉子； 圖6是該實施例的一方塊示意圖； 圖7是該實施例的一剖視示意圖，說明該轉子的內部構造；及 圖8是該實施例的一部份的截面示意圖，說明一包覆層的構造。

11~13:步驟

Claims (9)

1. 一種轉子包覆方法，適用於包覆一馬達的一轉子，該轉子沿一軸線延伸，該轉子包覆方法包含：(A)將一碳纖維束展開並製成一碳纖維帶；(B)以一預緊張力將該碳纖維帶環繞該軸線纏繞於該轉子，且該碳纖維帶的纏繞方向與一垂直於該軸線的垂直方向夾一夾角；(C)沿該軸線來回纏繞數層該碳纖維帶，而使該碳纖維帶纏繞形成一包覆該轉子的外周面的包覆層；(D)將該碳纖維帶連接一張力計，該張力計量測該碳纖維帶的一纏繞張力並輸出至一控制器；及(E)該控制器於該纏繞張力偏離該預緊張力時，控制連接該碳纖維帶的至少一張力調整器調整該碳纖維帶的張力，其中，該預緊張力包括一預定張力值及一誤差範圍。
2. 如請求項1所述的轉子包覆方法，其中，於步驟(B)中，該轉子設置在一轉動裝置而能沿該軸線轉動，該碳纖維帶設置在一輸送裝置，該輸送裝置依據該轉子的轉動而移動該碳纖維帶相對於該轉子的位置。
3. 如請求項2所述的轉子包覆方法，其中，於步驟(C)中，該碳纖維帶沿該軸線來回纏繞時，與該垂直方向間的該夾角實質相同。
4. 如請求項1所述的轉子包覆方法，其中，於步驟(C)中，該碳纖維帶包覆於該轉子的數個永久磁鐵之外側。
5. 如請求項1所述的轉子包覆方法，其中，該至少一張力調整器具有一伺服馬達。
6. 如請求項1所述的轉子包覆方法，其中，該預緊張力包括一預定張力值及一誤差範圍，該預定張力值介於0.1~5kg．m/s²間。
7. 如請求項1所述的轉子包覆方法，其中，該夾角介於1°~60°。
8. 如請求項1所述的轉子包覆方法，其中，該碳纖維束的直徑介於100~800μm間，而該碳纖維帶的寬度介於0.5~2cm間，厚度介於10~100μm間。
9. 如請求項1所述的轉子包覆方法，其中，該包覆層的厚度介於100~1000μm間。

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