馬達設計:馬達效率 ( II )

本文討論如何增加馬達效率。

早期在馬達設計時,會有兩種方向,稱為銅馬達以及鐵馬達。其中銅馬達就是指馬達轉矩的主要來源為電場,也就是馬達轉矩方程式當中的電流I以及漆包線圈數N這兩項參數,因此漆包線的用量會較多,為目前馬達的主流設計趨勢。鐵馬達就很特殊,採用較大的矽鋼片面積,較少的漆包線,利用尺寸空間來獲得馬達轉矩;在馬達轉矩方程式中,就是使用了轉子外徑D以及馬達積厚L這兩項參數。但鐵馬達由於尺寸較大,單位面積的能量密度較低,是不受歡迎的設計方案。

馬達設計:馬達效率 ( II )

馬達轉矩方程式

因此也可以判斷,銅馬達的銅損比例較高,而鐵馬達則是的鐵損比例會拉高。若查閱馬達常用的導磁材料"矽鋼片",可以發現鐵損的標示上是以W/KG表示,其中的KG是重量單位,這就是告知鐵損與矽鋼片重量有關係。因此鐵馬達使用較大的矽鋼片尺寸,也代表矽鋼片重量較重,則鐵損較多。

馬達設計:馬達效率 ( II )

鐵馬達

一般而言,要降低鐵損,往往是更換矽鋼片即可;但對馬達設計者而言,首先要確認的是矽鋼片內部磁場狀態。由鐵損的計算方程式中可得知,磁通密度跟磁場變換頻率,是馬達設計者唯二可調整的因素,其它都是材質係數。而磁場切換的頻繁與馬達轉速還有槽極配有關係,可藉由槽極數的調配來降低此數值;因此可以看到越高速的馬達,槽極數越少。磁通密度則仍然會在齒部設計到矽鋼片的極限值,但在軛部及靴部都可以自行調整。

馬達設計:馬達效率 ( II )

磁場狀態

以上是單就鐵損方程式可看到的損失,來去進行處理的方法。然而還有一個隱性的損失要素,就是漏磁;在上圖中可以發現少數竄出的磁力線,與其它磁力線的規律不同的,通通屬於漏磁。這種漏磁現象會直接導致馬達轉矩下降,甚至會外傳造成電磁波干擾。這種漏磁現象,發生的原因有兩種,其一是是矽鋼片的磁通承載能力不足了,需要加大矽鋼片的尺寸,以容納更多的磁力通過;這也是筆者發現近期馬達設計的瓶頸點在矽鋼片的原因,由於磁鐵的磁力持續進步,馬達設計者可以簡單的挑選高磁力的磁鐵,但矽鋼片並沒有更高承載能力的選擇。其二是設計錯誤,在磁阻力的說明當中有告知,磁力線會挑選好走的路徑,當它發現有某些路徑比設計者規劃的路徑更好走時,它就會改變走向。如圖中有發現部份磁力線是橫跨槽,而非繞軛部一圈;這就類似跑操場時,我們發現繞一圈太累,寧願從中間草地跨過,更輕鬆。當然,有時這種漏磁是無法避免的,但盡可能減少,是馬達設計者的責任。

有上述可知,除了直接降低鐵損外,規劃好內部磁能路徑,也能提高馬達效率。

重點整理:
磁能也是符合偷懶的天性。

馬達技術傳承計畫
想要馬達的技術嗎?想要的話可以全部給你,去找吧!
我把所有的知識都放在那裡了。
2022-09-16 10:42 發佈
御劍梧 wrote:
馬達設計:馬達效率 ( II )


請問馬達效率如何計算才是正確。我研究馬達50幾年了。對於外傳的效率有很大的懷疑。因三相馬達在送電時,有30%的正負同時送電。也就抵銷30%的功率。其他的損失都不算。哪來的90幾%的效率。
nob159 wrote:
請問馬達效率如何計算(恕刪)


我到也沒想過要如何計算,比較能得到符合自己喜好的條件。
但目前的主流標準,是使用IEEE的辦法,因此我也就只是延用,不想去煩惱。

但在英國的時候,劍橋大學則是以熱損耗的觀念來進行效率量測,
也就是認定損失都會轉換為熱能,因此有了輸入功率,扣到熱變化的功,就是輸出的功,
用溫度來判定效率表現。

但在我的想法,效率並非絕對值,而且一個比較值,因效率是計算出來的,是一個協助人去作評判的數值。
因此,只要能在同一儀器上,用同樣的計算方式,來比對兩顆差異,就已經符合需求了。

當然,最大的缺點就是,使用不同的儀器或手法,算出來就會有差異。
但若是IEEE的標準手法,應該了不起是量測誤差,應該會在5%以內,至少大家還能接受。

您困擾的應該是輸入功率那一端,我現在都是直接採用電力分析儀顯示的值來使用,就不自行分析了。
御劍梧 wrote:
最大的缺點就是,使用不同的儀器或手法,算出來就會有差異。
但若是IEEE的標準手法,應該了不起是量測誤差,應該會在5%以內,至少大家還能接受。


在我的認為現今的馬達效率其實不到20%。因我買了一台電動機車在立中柱。急速為50公里。消耗功率為1750W。我將馬達及控制器更改後,又再次同樣測試。時速超過100公里。消耗功率為1420W。以此得知。我這顆馬達效率就會超過100%。你認為可能嗎?所以我一直認為外面所說的90%以上的效率是騙人的。
御劍梧
御劍梧 樓主

立中柱,輪胎沒接觸地面? 那等於馬達為空載,只有轉速沒有轉矩,此時的效率,應該是逼近於0%,跟您覺得20%不到,是正確的喔

2022-09-16 15:41
御劍梧 wrote:
但在我的想法,效率並非絕對值,而且一個比較值,因效率是計算出來的,是一個協助人去作評判的數值


立中柱,輪胎沒接觸地面? 那等於馬達為空載,只有轉速沒有轉矩,此時的效率,應該是逼近於0%,跟您覺得20%不到,是正確的喔

我再測試後輪帶動一個70公斤的個滾輪。原廠的馬達及控制器。急速時轉速3000轉耗電量為2250W。再換顆馬達及控制器。後輪還是帶動一個70公斤的滾輪。急速時轉速14500轉消耗功率為1450W。那請問我這顆馬達效率照一般的算法應該超過100%。你相信嗎?
nob159

同樣是用滾輪,為何原廠的馬達轉速降低。功率大增。如照你所講,固定轉速後,就變輕載了

2022-09-16 17:29
御劍梧
御劍梧 樓主

因為您看到的是輸入功率,負載的輸出功率看不到,所以效率值,同樣也看不到喔

2022-09-16 23:25
內文搜尋
X
評分
評分
複製連結
Mobile01提醒您
您目前瀏覽的是行動版網頁
是否切換到電腦版網頁呢?