馬達設計：馬達效率 ( II )

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。

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。

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。

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。