無人機的小故事:馬達

閱讀時間約 4 分鐘

筆者其實很早就接觸這顆馬達,那時無人機還沒有專有名詞,僅是定義為遙控飛機馬達的時期。當時僅是製作馬達生產設備給廠商,原本是希望廠商能在台生產,沒想到客戶還是將設備拖到大陸,之後甚至整個團隊脫離成立大疆,那又是另一個故事了。

但當時筆者就對這顆採用多條細線併聯的作業方式,十分感冒,但當時也僅是先記下,還未深度研究,反正客人怎麼要求,我們就怎麼做。印象中,當初有採用7條細線併聯與11條細線併聯等多種規格,但要說到最扯的,還是gogoro採用了33條漆包線併聯的生產製程。

最初筆者只是單純覺得細線多併的馬達,生產不良率會被拉高。一般馬達廠在繞線製程時的不良率評估要控制到3%以內,也就代表單條漆包線生產的馬達良率將達到97%以上。但採用了7條漆包線繞製,就代表這97%的良率要相乘7次,這導致良率將會下降到83%,越多併就代表良率會持續下探。判斷出此一結論時,筆者為了驗證,詢問過gogoro的馬達生產廠商,33條漆包線當中,若有一條出了問題,不是很麻煩嗎? 得到了讓筆者覺得很有趣也很實在的回覆,"沒有人會發現"。由於33條漆包線當中,有一條故障時,對馬達的影響也僅為1/33,換算起來也就是3%出頭,因此除非使用專業儀器去核對,不然使用者很難有明顯的感受。而對馬達來說,就算發現了5%內的特性差,仍會判定為合格品;畢竟馬達生產組裝及零件材料等差異因素,同樣會導致馬達特性有變化。

多線併聯與單條粗線

多線併聯與單條粗線

然而更為深入的研究過後,多線併聯與單條粗線的差異不僅僅是良率,連馬達特性、產能、散熱及重量等都有差,故後期來找筆者的廠商,一律推薦單條粗線的製程。過往之所以不採用單條粗線,係因粗線的機械強度較高,人力無法漂亮的彎折成形,才退而求其次,配合人力可以輕易彎曲的細線來製作馬達;但對生產設備而言,僅要選配足夠的動力源,即可輕鬆完成粗線繞線。採用能提高馬達效能的生產模式,才能做到真正的優化馬達。

另外一個可以發現的是無人機馬達,大多採用外轉式馬達,主要是希望馬達能提供較大的轉矩來使用;由馬達轉矩公式可知,轉子的直徑D越大,能獲得的轉矩值為平方倍的關係。此外馬達的穩定性會較高,因此轉動慣量較高時,系統能量會較為穩定;反意則是馬達轉速的變化較不敏銳,要進行加減速變化時的反應會較為遲鈍。

內轉與外轉馬達

內轉與外轉馬達

外轉式馬達的兩個特點,其實在早期的遙控飛機中是明顯的缺陷,主要是風扇類的負載其實是隨者轉速增加,如下圖所示,才會需要更大的轉矩,而非一開始就需要大轉矩來使用。而遙控飛機玩的是操控的敏捷性,反而內轉式馬達更具優勢,因此國內早期的發展都是以內轉式馬達為主。僅是這幾年無人機的應用方式產生了變化,脫離了遙控飛機的娛樂屬性,以穩定拍攝為基本訴求,因此拉抬了外轉式馬達的應用。

風扇負載需求

風扇負載需求

而無人機這顆馬達的轉速與槽極配也讓筆者產生困惑,基本上越高轉速的馬達,極數應該要少,不然會導致鐵損暴增,無論是當中的磁滯損與渦流損,其數學式如下所列,都會受到矽鋼片上的磁場變化的頻率f影響。因此轉速越快,極數越多,則磁場變化的頻率就越快,導致鐵損就越大。

鐵損數學公式

鐵損數學公式

這就導致無人機馬達的宣傳,往往告知需要使用較好的矽鋼片,來抑制鐵損的產生,避免馬達過熱燒掉。然而其實可以直接從馬達設計著手,改用較少的極數設計,讓馬達高速運轉,而不需要完全倚賴材質上的差異。不過,國內的無人機廠商並無心於細部技術的研究,更醉心於購買便宜的馬達進行商品販售。

重點整理:

技術價值不等於商業價值。

特別申明:筆者目前確認國內有自製無人機馬達能力的廠商,商業規格請找虹印機電,軍規請找六俊電機。筆者會知道,是因為這兩家有購買無人機馬達的生產設備,因此確認他們有生產能力。

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