馬達設計：鐵損 ( I )

本文將針對馬達中的鐵損(Core Loss)進行說明。

鐵損這一詞，其實容納了三種損失，磁滯損(Hysteresis Loss)、渦流損(Eddy Current Loss)及雜散損(Anomalous Loss)。但由於這損失都是產生在馬達的導磁材料上，也就是馬達業界所說的鐵芯當中；這鐵芯上的損失，簡稱就變成了鐵損(Iron Loss)。但鐵心這一詞也越來越少使用，目前主要使用的導磁材料是矽鋼片，也因此英文名稱也開始以Core Loss為主，但中文仍以鐵損為主。

任何能量在傳遞及轉變的過程中，都產生損失，磁能亦不例外；磁滯損即為磁能於導磁材料內轉換時所造成之損失。矽鋼片作為馬達當中最主要的導磁材料，除了能容納較高的飽和磁通密度外；其磁能特性上亦具有較為窄小的磁滯區域，如下圖所示，兩條磁化曲線之間隔範圍極為狹長，使得矽鋼片可快速的轉換磁場極性，降低磁滯損。  

矽鋼片磁化曲線示意圖

所有的磁性材料，都會有其磁化曲線(BH Curve)，專業人事可藉此判斷此材料最強的磁力B、保磁能力H、磁滯損失及充磁能量等等。但對一般人而言，主要就是看磁力強度B值，來判斷此材料的最強磁力即可。另一個可以判讀的就是兩條磁化曲線中的黃色區域大小，這區域越小，其實就代表磁滯損失越小。

將磁滯損以數學方程式表示，其中Ph為磁滯損、 kh為導磁材料磁能性質參數、 f為磁場變換頻率、Bm 為導磁材料磁通密度。  

磁滯損方程式

由於kh為材料係數，選好材料後，即為一固定值。則磁滯損的主要變數就剩磁場的變化頻率f以及導磁材料上的磁通密度Bm。而磁通密度Bm又基於物盡其用的心態，理應都會用好用滿，也可將其視為一固定值。如此一來影響要素就僅存磁場變化頻率f了；口語一點的說法，就是馬達的轉速。

這也就是為何轉速越快的馬達，對於矽鋼片的品質要求就越高，因鐵損會隨著馬達轉速增加而變大。

這裡要提醒一下，這f的真實意義為磁場變化的頻率，與馬達的轉速還有磁極數為比例關係；使用馬達轉速來簡化說明，僅是為了讓初學者容易理解。因此針對高速時鐵損太高的解決辦法，有兩方案，其一為上述的改採用高品質矽鋼片，也就是降低方程式中的kh值；其二是改變馬達的磁極數，使f值降低，以達到降低磁滯損的效果。當然也可以考慮降低磁通密度Bm值，但這會增加矽鋼片的體積，比較少採用此一手段。

另外也要注意一件事，若磁場變化頻率低的馬達，並不需要使用高品質矽鋼片。老實說，筆者也不清楚高品質矽鋼片這名稱的由來，應該直接稱為低鐵損矽鋼片才比較合理。但這類型低鐵損的矽鋼片，會有一種讓馬達設計者很抓狂的情況；低鐵損也低磁通密度，代表損失降低，但能承載的磁通量也降低，會造成馬達轉矩也下降。馬達設計者必須要評估兩者之間，誰造成的影響為大，來決定是否使用一般等級的矽鋼片或是低鐵損的矽鋼片。  

矽鋼片規格

重點整理：
鐵損不一定要會算，但一定要能知道產生的原因。
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