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馬達設計:槽滿率 ( I )

来源: 心得 rexwumotor 2022-7-20 23:13 顯示全部回文 |閱讀模式
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本文將說明馬達導電體的規劃,造成槽滿率變化,進而對馬達設計的影響。
馬達是磁場與電場的作用;馬達槽是用來擺放導電體的空間,槽滿率越高,代表電場能力越強,因此馬達也就越好。馬達的槽滿率,也會作為馬達好壞的評估重點。良好的槽滿率表現,其實是馬達設計與馬達生產技藝的結合,缺一不可。本篇會先從馬達設計的觀點說明,未來再逐漸說明如何結合,以達到最高效益。

槽滿率實際上就代表馬達內有效導電體面積的佔比,主要的影響參數為導電體的截面積及導電體的數量;換成口語一點的說法,就是漆包線的線徑及圈數。

由於馬達設計時,改變繞線圈數會影響反電動勢的變化,使得馬達轉速隨之調整;然而產品可能會有速度條件限制,需維持產品規格轉速才行。因此往往是在固定圈數的條件下,盡可能的加粗線徑,來做為提升槽滿率的辦法。而且漆包線圈的電阻,會受到線徑加粗的影響,導致電阻值降低,電流密度也隨之下降,能有效的降低馬達溫昇,提高馬達效率。反效果則是由於漆包線大多採用銅材質,比重較馬達中其它材料都高,會增加馬達整體重量。而馬達設計者就是在效率、溫度、重量、成本等多項因素中,找到協調點。

要有效增加槽滿率,要先確認的是漆包線繞線規劃。嘗試在一個空間內排列漆包線,如下圖所示,用來比較排列方式及線型對槽滿率的影響,由左而右分別為
1.對齊式圓線
2.交錯式圓線
3.平角線
可得到平角線的表現最佳,交錯式圓線次之,對齊式圓線最差,這一結果。

   
馬達設計:槽滿率 ( I )9865

槽滿率差異


  但當進一步以5乘5的限制平面空間去評估時,交錯式圓線因殘留空間並不足以讓最後一排的線圈擺放進去,反而導致槽滿率下降。由此可知,即便是理想的排列方式,也未必能在有限空間內達到最好的效果,馬達設計者應針對空間的配置,重新調整漆包線徑及圈數。


而平角線雖仍在槽滿率上大獲全勝,但可看到其圈數遠低於圓型線圈,代表平角線的馬達工作轉速會大於圓形線圈的4到5倍;因此馬達設計者需調整平角線的尺寸規格,讓圈數有效回復,但可想而知的將會導致槽滿率下降。

   
馬達設計:槽滿率 ( I )8166

槽滿率差異


  更實務的考量,馬達的槽型並非是方形或長方形,為具有圓弧造型的多邊形。


   
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馬達設計真實槽型


  若以真實槽型來規劃馬達繞線及線型,可得到下列四種排列,由左至右分別為
  • 對齊式圓線
  • 交錯式圓線
  • 水平式平角線
  • 垂直式平角線
此時可發現交錯式的圓線槽滿率又提高了;依筆者的經驗,在真實的馬達槽型當中,交錯式仍具有較高的槽滿率。且交錯式比較符合真實繞線的排列情況,因圓形的線圈交疊時,上層線圈會主動滑落在下層線圈的凹陷處;但又不會完全貼齊及規律,因此真實槽滿率會落在對齊及交錯之間。因此在馬達設計時,建議先以對齊式進行槽滿率評估,保留生產預度,提高生產良率。


平角線的優勢在真實槽型中似乎也沒如此明顯,主要是真實槽型,有圓弧線段及斜角線段,導致平角線無法完整塞滿整空間,有不少留白的區域,造成槽滿率下降。

   
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真實槽滿率差異


  重點整理:

1. 良好的馬達設計,其實是協調,找到最佳的排列組合
2. 良好的馬達設計,其實與馬達生產有關
3. 馬達設計大師,可以使用不同的手段,來達到馬達規格目標
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