馬達設計：機械損 ( III )

本文將針對馬達中的機械損進行說明。機械損中包括了摩擦損、黏滯損及風損，三種損失；本文以風損為主。

本來想要偷懶略過，因為風損在馬達本體內，影響的程度太低，必須到達產品狀態後，才會以負載的型式呈現。筆者也僅在開關磁阻馬達的設計上，需要去注意風損造成的影響。開關磁阻馬達其轉子為了擴大DQ軸的差異，產生較大的磁阻力，轉子的造型往往有很大的凹陷處，因此會在圖中的紅色部份產生風阻，也就是風損。尤其磁阻馬達的工作轉速較高，也使得風損被放大，造成筆者的注意，導致筆者還以製程手法來消除風損的影響。但後來開關磁阻馬達就勢微，被同步磁阻馬達取代，也就沒這風損的問題。

以下這段是維基百科上的說明，定義的蠻清楚的，因此直接引用： "風阻力（又稱後曳力或流體阻力）是物體在流體中相對運動所產生與運動方向相反的力。對於一個在流體中移動的物體，阻力為周圍流體對物體施力，在移動方向的反方向上分量的總和。而施力和移動方向垂直的分量一般則視為升力。因此阻力和物體移動方向恰好相反，像飛機前進時會產生推力來克服阻力的影響。 "

白話一點的說法，就是風移動的狀態跟物體移動的狀態有落差時，就會產生阻力。逆風時會直接感覺到阻力大；而順風時，您移動的速度比風快的話，那仍然會感受到阻力。

在馬達內部所引發的風損，其實除了上述的風阻力外，還包括了馬達轉動所引起之空氣流動，因結構空間限制所產生之流場壓力差。會如此定義，主要是有些馬達為了幫助散熱，會在轉子上安裝風扇，這種風損就很直接。

一般常見的風扇造成的風壓及風量的變化趨勢如下圖所示，風壓是直接對應馬達轉矩輸出，但這說法其實是把風扇作為負載。因此若是基於馬達內部結構造成的流場壓力時，就會屬於馬達內部損失的一種。

筆者身邊就有個例子，一顆原本耗電400W的馬達，為了做散熱處理，加裝了風扇之後，耗電變成了600W。對馬達來說，我是多背了一個200W的風扇負載；但對使用者來說，這200W是損失，因使用者原本需要的轉矩並沒有加大，但耗電卻增加了，就像是效率下降，損失增加的感受。

風損數學表示式入下，其中Pw為風損、 為ξ風阻係數、為ν流體相對於物體的速度、ρ為流體密度；由於此處以風為主，因此提到的流體都是指空氣，但也可轉換至其它流體情境中使用。

以力的形式表示，其中Fw為風阻力、A為作用面積。

再將其轉換為轉矩與轉速關係，其中Tw為風阻轉矩、ω為流體相對於物體的角速度。

這些數學方程式提供了我們降低風損的辦法，如上述的開關磁阻馬達這就是將其作用面積A刪減，達到降低風損的效果。但剩下能降低風損的方法，主要是降低風阻係數ξ，因流體密度ρ及ω角速度這兩點是無法更動。而風阻係數往往與外觀、尺寸、材質等條件有關，基本上屬於流體力學的範疇了。

重點整理： 馬達背後存在非常多的技術領域，可以不求精，但至少要知道。

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