馬達介紹：感應馬達 ( II )

感應馬達還有諸多細節，本文繼續介紹。

由上一篇及總綱可知，感應馬達的磁場是感應誘發生成的，其最基本的原理是冷次定律。因此我們要從感應馬達的結構來看如何執行冷次定律，生成感應磁場。將感應馬達(Motor)拆解後，定子(Stator)同樣是使用漆包線與漆包線，與其他類型的馬達所使用的素材相同。因此差異性會在轉子(Rotor)上面，轉子需負責感應磁場的生成。

由冷次定律中可知，要能誘發感應磁場，其必要條件是需使用導電材料，如銀、銅、鋁等等，讓感應電流可以生成，且要有足夠的空間形成渦電流。因此在感應馬達的設計，會在轉子矽鋼片上也設計各種缺口槽型，將導電材料置入其中，產生電流迴路，才能生成磁場。

若將轉子的矽鋼片卸除，僅留下導電材料，其造型如下圖所示，當初被人覺得與老鼠籠子相似，因此又稱為鼠籠式馬達。目前已很少人會使用鼠籠這名稱，但它畢竟流行過一段時間，若查一些舊資料時，會看到鼠籠式馬達這名稱時，就是指感應馬達。

而常見的導電材料，也是銅與鋁兩種，各有其優缺點。目前小規格的馬達，大多採用灌鋁轉子，因其價格較低，重量也輕，且灌鑄熔點溫度(660度)也較低。大規格的馬達，會使用銅柱配合焊接的方式製作，主要是電阻較低，可降低二次側銅損，使馬達效率提高。富田電機有配合特斯拉開發灌鑄製程的銅轉子，主要是因為銅的溶點要達到1085度，遠高於鋁材，因此灌鑄設備的耐溫需達到1200度以上，非常規型機台。

這一點比較特別的是，感應馬達會使用變壓器的專業術語，一次側及二次側。其中，一次側是代表定子處的漆包線圈，二次側則是代表轉子上的導電材料。因此在討論感應馬達的銅損時，會使用一次側及二次側來分別描述，而非用定子及轉子；但其實是相同意思，僅是業界習慣術語。

上述中有提到轉子導電材料，由生產觀點的挑選準則，但我們從感應馬達及冷次定律的觀點來看導電材料的影響。目前已知，銅的導電率高於鋁，代表同樣的尺寸空間下，銅的電阻值會較低，而鋁較高。當一次側的定子線圈送電後，會產生磁場，傳導至轉子，轉子上的導電材料發現了磁場，會誘發渦電流，去抵制磁場的變化。此時我們把焦點放在渦電流上，可以有個簡單的概念，當渦電流足夠大時，代表誘發形成的磁場就強，當渦電流被限制時，誘發的磁場就會變弱。那會限制渦電流最大的參數，就是電阻，這就是導電材料產生的差異。若我們使用銅做導電材料，代表其可生成的渦電流會較大，感應生成的磁場強度就大，馬達的轉矩就會提高。但若使用鋁材作為導電材料，則電阻值會較大，限制了渦電流的大小，導致感應磁場變弱，馬達的輸出轉矩也就降低了。

若從冷次定律及輸出轉矩的觀點來看，感應馬達的轉子應該都要採用銅才對，才能得到較大的轉矩。但二次側的渦電流，還是會產生導通銅損，且銅損與電流的關係為2次方倍；若在獲取的轉矩效益低於二次側銅損增加的量，那就會變成反效果。另外，增強的磁場，也會導致馬達的無載轉速下降，使馬達轉化成低轉速高轉矩的輸出特性，也有可能會不符合使用者預期。

筆者在特斯拉的銅轉子就發現了這尷尬的現象，刻意將轉子端部的導電材料尺寸降低，來提高轉子電阻值，抑制渦電流及磁場強度，來配合負載需求。此為感應馬達微調特性的技術手段，概念就是利用減少某一區域的導電材料截面積，來達到調高電阻值的效果；就像整根水管，僅要在將某一點尺寸捏小，就可以降低水量。而銅轉子使用這技巧顯得尷尬是因為，採用銅作為導電材料，就是要降低電阻值；但又切割導電材料端部，以提高電阻，就顯得背道而馳。

重點整理：
感應馬達的細節，真的多。

#可擔任業界顧問、講師

#個人經營歡迎贊助