馬達小教室:電流 ( III )

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每當有人詢問筆者,馬達線材可承受的最大電流是多少? 腦中的第一個想法是要優先確認目標線材,馬達當中會有兩種線材需要確認電流狀況,分別為出口線及漆包線。若是詢問出口線的部分,那十分簡單,查閱電工法規就會告知多少電流需要使用多粗的線徑,甚至連絕緣皮膜的種類耐溫規範都直接規定,只需要照表操課就可以,如下圖所示;請注意此為美規標示,AWG係線徑標示,數字越大代表線徑越細

電工法規

電工法規

由電工法規中其實可以發現,真正導致可使用的電流極限其實跟溫度有關,當導線絕緣層的耐溫越高時,就代表這條銅導線可以容納更大的電流值;以表格最底層的2 AWG為例,當外側絕緣層耐溫僅80度時,可安全工作的電流為170A,但採用耐高溫200度的絕緣材料時,電流可承載到240度。由此可知,導電線材的電流上限,是受到表面絕緣層的耐溫影響,而非線材本身。

主要是電流流經導體時會產生損失,以數學表示式如下,其中Ploss就是導通損,i為流經電流值,R為導體上的電阻值。這損失就換轉換為熱的形式散發,但由於銅的熔點溫度為1084度,故首先會受到溫度影響破壞的,反倒是外側絕緣塑膠料;這就是法規為何以絕緣層耐溫做區分的原因。

導通損

導通損

將此概念同樣延伸至馬達漆包線做判斷,漆包線的絕緣層亦有不同的耐溫標準,因此可以完全比照出口線的電工法規做為參考值,以溫度及線徑作為分類,定義安全的工作電流。但實務上,少考慮的熱傳導因素,出口線在規劃時,僅針對線材本體的熱影響做評估;但漆包線因捲繞在矽鋼片上,熱傳導效果會變好,但整體被悶在馬達內部,環境溫度的對流效果會變差,詳細的傅立葉熱傳導公式如下,其中q為熱傳導量,k是熱傳導係數,A代表熱傳導面積,ΔT為溫度差,Δd是熱傳距離。藉由公式可以簡單判斷,當物體的表面積越大時,熱傳導的效果越好,同時本身發繞的溫度與周遭溫度差異越大時,也越容易導熱;而距離則是反效果,越遠越差。

傅立葉熱傳導公式

傅立葉熱傳導公式

對於出口線而言,大多僅是因線徑的粗細,導致表面積A會有所變化;也就是線越粗,表面積越大,散熱越好,因此可以容納更大的電流,而不需要擔心絕緣層過熱燒毀的情況;同時線徑越粗,電阻越小,也代表導通損失變小,不易發熱。但就是因為線徑的變化影響十分明顯,導致人們的認知變成線徑要加粗,才可以容納更大的電流;但其實可承受的電流大小其實跟線徑僅是間接關係,若是一條純銅線,只要達到熔點溫度之前,電流可以無窮的增加,甚至只要增加絕緣層的耐熱能力,電流就可以持續增加。

而馬達的情況遠較出口線複雜,不僅是線徑與表面積的考慮,熱傳導公式中的溫度差、距離以及不同材質的熱傳導係數通通都會在馬達內部造成影響,這就導致馬達設計在考慮電流極限時,是無法直接套用出口線的電工法規。

因此較為穩妥的回覆方式,其實無論是出口電線或是漆包線,單就線材的電流討論,其實都可以參考電工法規的標準;只是需要補充告知,漆包線因纏繞於馬達內部,會受到馬達散熱能力的影響,進而產生變化波動。


重點整理:

相同的絕緣層耐溫,出口線與漆包線可以對照相同法規,僅是漆包線會再受到馬達散熱能力影響。


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