馬達設計:馬達效率 ( II )

馬達設計:馬達效率 ( II )

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本文討論如何增加馬達效率。

早期在馬達設計時,會有兩種方向,稱為銅馬達以及鐵馬達。其中銅馬達就是指馬達轉矩的主要來源為電場,也就是馬達轉矩方程式當中的電流I以及漆包線圈數N這兩項參數,因此漆包線的用量會較多,為目前馬達的主流設計趨勢。鐵馬達就很特殊,採用較大的矽鋼片面積,較少的漆包線,利用尺寸空間來獲得馬達轉矩;在馬達轉矩方程式中,就是使用了轉子外徑D以及馬達積厚L這兩項參數。但鐵馬達由於尺寸較大,單位面積的能量密度較低,是不受歡迎的設計方案。

馬達轉矩方程式

馬達轉矩方程式

因此也可以判斷,銅馬達的銅損比例較高,而鐵馬達則是的鐵損比例會拉高。若查閱馬達常用的導磁材料"矽鋼片",可以發現鐵損的標示上是以W/KG表示,其中的KG是重量單位,這就是告知鐵損與矽鋼片重量有關係。因此鐵馬達使用較大的矽鋼片尺寸,也代表矽鋼片重量較重,則鐵損較多。

鐵馬達

鐵馬達

一般而言,要降低鐵損,往往是更換矽鋼片即可;但對馬達設計者而言,首先要確認的是矽鋼片內部磁場狀態。由鐵損的計算方程式中可得知,磁通密度跟磁場變換頻率,是馬達設計者唯二可調整的因素,其它都是材質係數。而磁場切換的頻繁與馬達轉速還有槽極配有關係,可藉由槽極數的調配來降低此數值;因此可以看到越高速的馬達,槽極數越少。磁通密度則仍然會在齒部設計到矽鋼片的極限值,但在軛部及靴部都可以自行調整。

磁場狀態

磁場狀態

以上是單就鐵損方程式可看到的損失,來去進行處理的方法。然而還有一個隱性的損失要素,就是漏磁;在上圖中可以發現少數竄出的磁力線,與其它磁力線的規律不同的,通通屬於漏磁。這種漏磁現象會直接導致馬達轉矩下降,甚至會外傳造成電磁波干擾。這種漏磁現象,發生的原因有兩種,其一是是矽鋼片的磁通承載能力不足了,需要加大矽鋼片的尺寸,以容納更多的磁力通過;這也是筆者發現近期馬達設計的瓶頸點在矽鋼片的原因,由於磁鐵的磁力持續進步,馬達設計者可以簡單的挑選高磁力的磁鐵,但矽鋼片並沒有更高承載能力的選擇。其二是設計錯誤,在磁阻力的說明當中有告知,磁力線會挑選好走的路徑,當它發現有某些路徑比設計者規劃的路徑更好走時,它就會改變走向。如圖中有發現部份磁力線是橫跨槽,而非繞軛部一圈;這就類似跑操場時,我們發現繞一圈太累,寧願從中間草地跨過,更輕鬆。當然,有時這種漏磁是無法避免的,但盡可能減少,是馬達設計者的責任。

有上述可知,除了直接降低鐵損外,規劃好內部磁能路徑,也能提高馬達效率。

重點整理:
磁能也是符合偷懶的天性。

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