馬達設計:馬達效率 ( I )

2022/08/23閱讀時間約 2 分鐘
本文討論如何增加馬達效率。
由之前的馬達特性曲線篇中可知,馬達效率的數學定義是輸出功率除以輸入功率而得。因此要提高馬達效率,不妨來看看馬達從輸入到輸出之間發生了什麼事。已知馬達是電能輸入轉換為動能輸出的裝置,而中間還有個磁能的作用力轉換,則完整的能量形態順序即為電、磁、力三個階段。而能量在傳輸及轉換時,都會有損耗,如下圖所示,當我們能分解出在那一階段的損耗最大時,就可以針對損失做設計調整,來提高馬達效率。
馬達能量形態轉換
其中電能的損耗,就是銅損的部份,其影響參數為電流及電阻。當馬達設計者發現銅損太高時,最簡單的辦法其實是加高工作電壓。以一顆輸入功率500W的馬達為例,使用10V的工作電壓,則代表電流要50A,因輸入功率為電壓及電流的相乘;但若升壓至100V時,則電流僅需要5A。由於銅損與電流為2次方倍的關係,則50的2次方為2500,5的2次方為25,代表升壓後,銅損會下降100倍。由上述簡單的計算可發現升壓的效果非常驚人,這也是為何近期電動車的工作電壓要往800V發展的原因。
但若遇到無法升壓的情況,就僅能從電阻值下手,最簡單的作法就是加粗導電體的截面積;在馬達界內就是討論如何提高槽滿率,也產生了平角線這類的新式漆包線,以達到降低電阻值,提高馬達效率的作法。但若沒有任何生產技術手段來增加槽滿率時,最簡單的作法,就是放大馬達尺寸。除了可以獲得較大的槽空間來擺放漆包線圈外,由馬達的轉矩方程式可知,轉子直徑與轉矩為2次方倍的關係;則原本轉子直徑為50改為60時,50的2次方為2500,60的2次方為3600,直徑尺寸增加1.2倍,但轉矩會增加1.44倍。若維持相同轉矩時,代表電流可以降低1.44倍,則銅損降低不僅是因為電阻值下降,同時電流也下降了。由此可見馬達尺寸放大的效果對效率提升十分可觀,然而尺寸加大往往代表材料的成本增加,倉儲及運送的成本也跟著增加,以產品而言,並非好事,往往是逼不得以的最後手段。
放大馬達尺寸
實務上還有另一種降電阻的手段,主要是電阻還會受到溫度的影響,越低溫則電阻值越低;這代表馬達的散熱能力越好,則馬達效率也會越高。這種馬達溫度的探討,演生出了兩種發展方向,利用外部的低溫產生超高效率的馬達,稱為超導馬達;另一種則是強化馬達散熱能力,將馬達內部產生的熱快速排除,而有了導熱漆包線這種新線材。主要是目前馬達上的損失,以銅損的佔比最高,因此熱會先直接產生於漆包線上,導熱漆包線則是將產生的熱能快速排出,達到降溫散熱的功能,使漆包線圈的電阻仍維持相對低的數值,穩定控制銅損。
理論上還有一種降電阻的手法,就是直接換更好的導電材料,但太貴。
重點整理:
電能損耗解法,降電流、降電阻、降溫度。
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