馬達小教室:槽滿率 ( I )

閱讀時間約 2 分鐘

槽滿率是馬達設計的關鍵指標之一,且效果確實也十分顯著,可謂為馬達設計的真理。然而筆者也確實看到了倒果為因的設計思維,讓人哭笑不得,因此本篇將詳細說明槽滿率的真相。

過往這屬於筆者的專長,將別人塞不進的線圈,藉由設備技術將更多的漆包線圈繞入馬達當中,因此也僅需要告知是由於較高的槽滿率,而得到更好的馬達效率,不需要詳細說明太多細節。然而講著講著,發現越來越多人不理解槽滿率的真實影響,一昧地亂塞線圈,反而無法有效的調整馬達特性,甚至適得其反。

首先要知道,增加槽滿率並非是增加馬達圈數,而是要加粗漆包線徑。以下列的馬達電氣方程式進行說明,其中V代表馬達輸入電壓,i為馬達電流,Rm則是馬達電阻,Lm是馬達電感,di/dt係電流對時間的微分,kw為馬達繞線因數,Rro則為馬達轉子外徑,Bg為馬達氣隙磁通密度,Ld是馬達有效積厚,Nspp代表每相每極之槽數,Nm就是馬達極數,Ns則是馬達線圈匝數,ω係馬達運轉時的角速度。此方程式較為龐大,但若僅觀察輸入電壓V以及馬達線圈Ns兩項參數,則可發現其相對關係為減號,就可以有個直觀的判斷,當馬達圈數越多時,馬達的實際工作電壓會下降,進而導致馬達轉速變慢;因此可以將馬達轉速與馬達繞線圈數視為反比,當繞線圈數越多時馬達無載轉速慢,而繞線圈數越少時馬達無載轉速就越快。由此可知,圈數會直接影響到馬達的轉速,若想提高槽滿率,不能增加馬達的繞線圈數,僅能提升漆包線徑。

馬達電氣方程式

馬達電氣方程式

而漆包線徑加大的真正影響有兩點,第一點是馬達銅損的降低,也是最主要的提高馬達效率的關鍵,這才是槽滿率視為重要馬達設計參數的主因。由導通銅損方程式可知,其中Pc代表銅損,i為馬達工作電流,Rc是漆包線圈的電阻值,ρ則是銅的電阻率,l則為漆包線的長度,A係漆包線的截面積。由於馬達繞線圈數不變,故總長度l是不會變化的,但由於漆包線徑加粗了,導致分母項的截面積A變大,造成線圈電阻值及銅損的下降。當馬達損失降低後,馬達的效率就自然就提升了,也就使得槽滿率越高,有助於馬達效率提升的定律成真。

銅損方程式

銅損方程式

第二點就是漆包線徑加粗後,還額外的增加了散熱面積,有助於馬達散熱,可以維持長時間使用的情況下,抑制效率受到溫度影響而下降的程度。使得提高槽滿率的優點不僅僅是初期馬達效率的優化,甚至包括長時間的使用都能得到較佳的使用結果,這種強大的優勢造就了槽滿率為重要的馬達設計指標。如下圖所示,左側採用較細的漆包線徑,而右側則使用更粗的漆包線。

槽滿率差異

槽滿率差異

但若搞錯槽滿率的設計方向,搪塞其他物料填補槽滿率,那都只是適得其反,需慎之。

重點整理:

槽滿率提高,是為了提升導體截面積,以降低銅損。

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