馬達材料:矽鋼片 ( III )

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本文要討論方向性矽鋼片(Grain-oriented Electrical Steel),也有人稱為取向矽鋼片。

方向性矽鋼片具有高導磁力及低鐵損的優點,由下方兩表可以直接比對,導磁能力從無方向性矽鋼片的1.65T增加到方向性矽鋼片的1.88T,提高了約14%的導磁力。在鐵損方面的表現,則是從無方向性矽鋼片每公斤損失5.6W降至方向性矽鋼片的1.78W,大幅度的下降了快70%左右。不僅是增加了導磁力,還能大幅降低損耗,因此在變壓器的應用中,方向性矽鋼片已然成為主流;然而馬達當中卻沒人使用,主要的問題來自於方向。

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方向性矽鋼片的導磁力,並非四面八方都變強,其真實表現如下圖所示。原本無方向性矽鋼片當中,磁力要往任何方向的能量傳遞阻力是相同,類似蜂巢結構,要通過六邊的每一側,要付出相同的能量代價。但方向性矽鋼片將蜂巢壓扁了,導致能量若是順者紅色箭頭傳遞時,可移動的距離變長了;但垂直於紅色箭頭方向的距離則是相對縮短了,代表走到了正交方向時,反而要附出更大的能量代價。若以數據比例來看,原本無方向性矽鋼片的磁通密度為1.65T,而方向性矽鋼片的順向增加到1.88T,這代表者方向性矽鋼片的正交方向磁通密度將會降至1.42T,才符合等價交換的原則。

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而這強化的方向,基本上是順者壓延方向,如下圖中的黃色箭頭方向,若磁路順者走,會有提高磁通量及降低鐵損的效果。

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在馬達當中,磁通方向基本上都以徑向為主,就是向者圓心方向移動,如下圖所示,僅有兩齒是走左右向的磁通路徑,其它齒的磁力方向都不符合左右軸方向,這樣不僅沒有加分的效果,反而可能會扣分。因此在馬達的應用中,方向性矽鋼片的效果就會大幅的降低,導致跟本沒有人使用的現況。

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但就如同只有賣不出去的業務,沒有賣不出去的商品;方向性矽鋼片有者明確的優缺點,難到不能善用其優點,迴避其缺點,達到實用的可能性? 其實對筆者而言,至少有三種馬達很適合使用方向性矽鋼片,不過若是考慮經濟價值的部份,可能就僅剩一種。在性能上適合方向性矽鋼片的馬達,分別為串激馬達的定子部份,但由於只有定子部份,且串激馬達的效率及單價都不好,在串激馬達上使用提高效益的材料,經濟價值就不太划算了。第二種適合的馬達,為蔽極馬達的定子部份,其經濟效益也如同串激馬達一樣不好。而最適合的選擇,是Poki-Poki 馬達,方向性矽鋼片的優點,完全符合Poki-Poki馬達追求最高效率的目標。不過,正如同之前提到的方向性矽鋼片,其實已經不在馬達業中的目光當中,因此也無人採用,十分可惜。

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學馬達,要謹記所有的可能性,也許都有意外的發展。

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