馬達介紹:感應馬達 ( II )

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感應馬達還有諸多細節,本文繼續介紹。

上一篇總綱可知,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。

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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。

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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。

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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。

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