馬達小教室:熱影響 ( I )

2022/09/26閱讀時間約 3 分鐘
本文要討論溫度對於馬達的影響。
主要先注意各個材料的部份,一般會注意的檢查順序如下
1. 絕緣材料:耐溫上限。
2. 磁鐵:耐溫上限及溫度影響磁力。
3. 漆包線:耐溫上限及電阻變化。
4. 軸承:潤滑油工作溫度範圍。
5. 出口電源線:耐溫上限。
其中絕緣材料、漆包線及出口電源線會直接影響安全問題,若耐溫等級不足,會造成馬達燒毀引發失火等事故。而磁鐵、漆包線及軸承,則還有個間接的影響,會引發額外的損失,增加馬達的溫昇。由於馬達是個電能轉換為動能的裝置,而能量在傳遞及轉換的過程中,都會有損耗;這些損失都會轉化為熱的形態,造成馬達溫度增加,一但超過材料的溫度上限,就會造成破壞。
因此一個完善的馬達設計案,需針對馬達的損失功率,做好其散熱規劃,使馬達內的溫度可以達到穩定狀態,且低於材料及零件的耐溫上限。常見的馬達內部的溫度上限為150度、120度、80度、60度,但對筆者而言,馬達溫度不高,也代表能量密度不高,有點浪費材料的感覺;但若馬達用於散熱系統中,本身溫度太高,確實也不合理。因此120度以上,大多是用於動力系統應用中,而低於100度的部份,大多是因此顆馬達會直接讓人接觸到,或是用於散熱裝置中。
扣除掉耐溫上限這對安全性的直接影響,漆包線及磁鐵這兩項材料,還有溫度影響特性的問題。由下圖磁鐵的磁化曲線可看出,隨著溫度的增加,其磁力值會持續的下降。由於馬達是透過電跟磁力的交互作用後,才產生轉矩來使用;當磁力的表現變差時,轉矩值會一同下降,或是需要更多的電力來補償,以滿足轉矩使用需求。
磁鐵溫度效應
當磁鐵會受到溫度的影響,改變磁力強弱時,這也代表馬達特性也會受到溫度影響而改變了樣貌。如下圖所示,這顆永磁馬達的特性曲線並非如前文中所描述的為一條斜直線,而是類似一條折線;拆解後可以發現,它其實是兩條斜直線的合成,其中藍虛線是溫度還未反應前的的特性,而紅虛線則是溫度作用後的結果。由此可知,馬達升溫前跟升溫後,其實特性表現的差異,可能會很大;下圖中的實例來看,最高轉矩值可以差到快三倍,代表此顆磁鐵的溫度反應差是大的。
馬達溫度效應
溫度除了對馬達輸出轉矩的影響外,對於馬達效率也會受到影響。主要是銅材的電阻值會受到溫度的影響,溫度越高時,銅的電阻值就越高,如下列所示,則馬達銅損的值就會隨之變化。
銅溫度效應
由下圖的馬達效率的特性曲線圖來看,其中藍色是溫昇前的表現,而紅色則是溫昇後的差異;可以看到銅損的溫度變化,確實會造成效率上的些許差別,但最大的差異量也在5%以內,並沒有如同磁鐵的反應那麼大。主要是銅的雖然會受到溫度影響,但比值沒有像磁鐵那麼誇張,因此所造成的影響幅度也就小很多。
馬達效率的溫度效應
重點整理:
溫度對輸出特性的影響更為直接。
磁鐵是關鍵。
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