馬達設計：馬達效率 ( I )

本文討論如何增加馬達效率。

由之前的馬達特性曲線篇中可知，馬達效率的數學定義是輸出功率除以輸入功率而得。因此要提高馬達效率，不妨來看看馬達從輸入到輸出之間發生了什麼事。已知馬達是電能輸入轉換為動能輸出的裝置，而中間還有個磁能的作用力轉換，則完整的能量形態順序即為電、磁、力三個階段。而能量在傳輸及轉換時，都會有損耗，如下圖所示，當我們能分解出在那一階段的損耗最大時，就可以針對損失做設計調整，來提高馬達效率。
  

馬達能量形態轉換

其中電能的損耗，就是銅損的部份，其影響參數為電流及電阻。當馬達設計者發現銅損太高時，最簡單的辦法其實是加高工作電壓。以一顆輸入功率500W的馬達為例，使用10V的工作電壓，則代表電流要50A，因輸入功率為電壓及電流的相乘；但若升壓至100V時，則電流僅需要5A。由於銅損與電流為2次方倍的關係，則50的2次方為2500，5的2次方為25，代表升壓後，銅損會下降100倍。由上述簡單的計算可發現升壓的效果非常驚人，這也是為何近期電動車的工作電壓要往800V發展的原因。

但若遇到無法升壓的情況，就僅能從電阻值下手，最簡單的作法就是加粗導電體的截面積；在馬達界內就是討論如何提高槽滿率，也產生了平角線這類的新式漆包線，以達到降低電阻值，提高馬達效率的作法。但若沒有任何生產技術手段來增加槽滿率時，最簡單的作法，就是放大馬達尺寸。除了可以獲得較大的槽空間來擺放漆包線圈外，由馬達的轉矩方程式可知，轉子直徑與轉矩為2次方倍的關係；則原本轉子直徑為50改為60時，50的2次方為2500，60的2次方為3600，直徑尺寸增加1.2倍，但轉矩會增加1.44倍。若維持相同轉矩時，代表電流可以降低1.44倍，則銅損降低不僅是因為電阻值下降，同時電流也下降了。由此可見馬達尺寸放大的效果對效率提升十分可觀，然而尺寸加大往往代表材料的成本增加，倉儲及運送的成本也跟著增加，以產品而言，並非好事，往往是逼不得以的最後手段。
  

放大馬達尺寸

實務上還有另一種降電阻的手段，主要是電阻還會受到溫度的影響，越低溫則電阻值越低；這代表馬達的散熱能力越好，則馬達效率也會越高。這種馬達溫度的探討，演生出了兩種發展方向，利用外部的低溫產生超高效率的馬達，稱為超導馬達；另一種則是強化馬達散熱能力，將馬達內部產生的熱快速排除，而有了導熱漆包線這種新線材。主要是目前馬達上的損失，以銅損的佔比最高，因此熱會先直接產生於漆包線上，導熱漆包線則是將產生的熱能快速排出，達到降溫散熱的功能，使漆包線圈的電阻仍維持相對低的數值，穩定控制銅損。理論上還有一種降電阻的手法，就是直接換更好的導電材料，但太貴。

重點整理：
電能損耗解法，降電流、降電阻、降溫度。
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