馬達設計:鐵損 ( I )

2022/07/22閱讀時間約 3 分鐘
本文將針對馬達中的鐵損(Core Loss)進行說明。
鐵損這一詞,其實容納了三種損失,磁滯損(Hysteresis Loss)、渦流損(Eddy Current Loss)及雜散損(Anomalous Loss)。但由於這損失都是產生在馬達的導磁材料上,也就是馬達業界所說的鐵芯當中;這鐵芯上的損失,簡稱就變成了鐵損(Iron Loss)。但鐵心這一詞也越來越少使用,目前主要使用的導磁材料是矽鋼片,也因此英文名稱也開始以Core Loss為主,但中文仍以鐵損為主。
任何能量在傳遞及轉變的過程中,都產生損失,磁能亦不例外;磁滯損即為磁能於導磁材料內轉換時所造成之損失。矽鋼片作為馬達當中最主要的導磁材料,除了能容納較高的飽和磁通密度外;其磁能特性上亦具有較為窄小的磁滯區域,如下圖所示,兩條磁化曲線之間隔範圍極為狹長,使得矽鋼片可快速的轉換磁場極性,降低磁滯損。
矽鋼片磁化曲線示意圖
所有的磁性材料,都會有其磁化曲線(BH Curve),專業人事可藉此判斷此材料最強的磁力B、保磁能力H、磁滯損失及充磁能量等等。但對一般人而言,主要就是看磁力強度B值,來判斷此材料的最強磁力即可。另一個可以判讀的就是兩條磁化曲線中的黃色區域大小,這區域越小,其實就代表磁滯損失越小。
將磁滯損以數學方程式表示,其中Ph為磁滯損、 kh為導磁材料磁能性質參數、 f為磁場變換頻率、Bm 為導磁材料磁通密度。
磁滯損方程式
由於kh為材料係數,選好材料後,即為一固定值。則磁滯損的主要變數就剩磁場的變化頻率f以及導磁材料上的磁通密度Bm。而磁通密度Bm又基於物盡其用的心態,理應都會用好用滿,也可將其視為一固定值。如此一來影響要素就僅存磁場變化頻率f了;口語一點的說法,就是馬達的轉速。
這也就是為何轉速越快的馬達,對於矽鋼片的品質要求就越高,因鐵損會隨著馬達轉速增加而變大。
這裡要提醒一下,這f的真實意義為磁場變化的頻率,與馬達的轉速還有磁極數為比例關係;使用馬達轉速來簡化說明,僅是為了讓初學者容易理解。因此針對高速時鐵損太高的解決辦法,有兩方案,其一為上述的改採用高品質矽鋼片,也就是降低方程式中的kh值;其二是改變馬達的磁極數,使f值降低,以達到降低磁滯損的效果。當然也可以考慮降低磁通密度Bm值,但這會增加矽鋼片的體積,比較少採用此一手段。
另外也要注意一件事,若磁場變化頻率低的馬達,並不需要使用高品質矽鋼片。老實說,筆者也不清楚高品質矽鋼片這名稱的由來,應該直接稱為低鐵損矽鋼片才比較合理。但這類型低鐵損的矽鋼片,會有一種讓馬達設計者很抓狂的情況;低鐵損也低磁通密度,代表損失降低,但能承載的磁通量也降低,會造成馬達轉矩也下降。馬達設計者必須要評估兩者之間,誰造成的影響為大,來決定是否使用一般等級的矽鋼片或是低鐵損的矽鋼片。
矽鋼片規格
重點整理:
鐵損不一定要會算,但一定要能知道產生的原因。
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