2024電動車馬達解密 ( I )

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一切的起源都來自一個傳說,流傳於馬達界當中的一項傳說"得槽滿率者必得高效率",造就了新的電動車馬達設計概念。

某一天馬達設計者發現,圓形的漆包線在堆疊時,中間會有明顯的空隙間隔,明顯降低槽滿率;但若是方形的漆包線,就可以避免這些空隙,因此漆包平角線的需求應運而起。

平角線的誕生

平角線的誕生

有了漆包平角線,馬達設計者就如同拿到了倚天劍屠龍刀一般,相信新的馬達設計將可以突破天際,將馬達效率無限逼近100%。然而實際將平角線安裝於馬達當中後,發覺不太對勁,槽滿率不增反降,如下圖所示,妥妥的負優化,也導致平角線的話題瞬間冷卻。

傳統矽鋼片導入平角線

傳統矽鋼片導入平角線

所幸江山代有人才出,一位骨骼驚奇的馬達設計者橫空出世,反向思考;漆包平角線不好用,那就改矽鋼片,讓矽鋼片來配合平角線。如下圖所示,大幅度的修改矽鋼片槽型配合平角線尺寸,達到槽滿率100%的效果。一時之間驚為天人,槽滿率100%的馬達設計可謂是追求者眾,一系列的設計方案通通出爐。

修改矽鋼片尺寸配合平角線

修改矽鋼片尺寸配合平角線

然而真金不怕火煉,隨著馬達樣品出爐後,眾人驚覺不對阿! 槽滿率100%怎麼馬達效率並無提升? 畢竟這種指鹿為馬的設計,其實並沒有增加每相線圈的真實導體面積,僅是利用矽鋼片將空缺處填滿,對於馬達銅損的降低是一點幫助都沒有的,甚至還可能增加了鐵損的量。如下圖所示,從中鋼的矽鋼片規格書可以看到,鐵損值是正比於矽鋼片重量的,當設計者利用矽鋼片填補槽空間時,也增加了矽鋼片的重量及鐵損。

中鋼矽鋼片規格

中鋼矽鋼片規格

陷陣之志永不言退,竟能達到槽滿率100%,又是新材料新話題的平角線,用上了妥妥的能增加馬達售價,效果不好那一定是設計有問題,改進設計就對了;因此平角線的設計又迎來一波改善方案。終於又等到一位天才設計師,利用增加馬達的槽極數的方式,來增加漆包線的使用比例,縮小填補槽滿率的矽鋼片用量,讓平角線再次獲得未來。

增加槽極數

增加槽極數

有了嶄新的設計,馬達設計者成功的利用平角線,將馬達效率從94%提高到了96%,增加了2%之多,如此巨大的鴻溝能夠跨越,要感謝眾多馬達設計者的孜孜不倦。然而實際製作樣品測試後,發現新的問題再次產生了,由於增加了馬達槽極配,且用於電動車上的工作轉速較高,種種情況使得鐵損值又再次被拉高。由下列的磁滯損方程式可以發現,其中Ph代表磁滯損、 kh是導磁材料磁能性質參數、 f為磁場變換頻率、Bm 則係導磁材料磁通密度。改變馬達的槽極數配置,且是增加的情況,磁場變換頻率f會大幅度的增加;若以本文的示範例來看,由六槽四極的配置更改為九槽八極的設計方案,則f是增加一倍的數量,就代表原本的鐵損值,憑空增加了一倍。

磁滯損方程式

磁滯損方程式

此時鋼鐵廠終於可以笑開懷了,顯然電動車馬達需要更好的矽鋼片,代表新技術、新開發以及最重要的新售價。因此各大矽鋼片廠商紛紛提出更薄的矽鋼片,以及新的堆疊技術,來降低矽鋼片上的鐵損值。主要是鐵損當中包括了磁滯損、渦流損及雜散損三部分,而渦流損的數學方程式如下,其中Pe代表渦流損、kec為導磁材料電磁性質參數、d為導磁材料厚度、ρ為材料密度;大家柿子挑軟的吃從當中最簡單的導磁材料厚度d下手,僅需要將矽鋼片壓得越薄,渦流損就可以大幅下降。而堆疊技術也是隱身在導磁材料厚度內的問題,雖然已將矽鋼片切片來降低渦流路徑,但若上下片堆疊時的絕緣處理有漏洞,導致渦流有迴路可以跑,那切薄片的效果就會消失,因此堆疊技術是在確保後續生產時降低鐵損效果的延續性;這就產生了新的製程技術,自黏性矽鋼片。

渦流損方程式

渦流損方程式

如此一來電動車馬達不僅採用了新的平角線材料,還導入了新的矽鋼片種類,強強聯手,還不賺個盆滿缽滿;而使用者也得到了2%的馬達效率增加,是個雙贏的共好局面,可喜可賀。

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