馬達小教室：熱影響 ( I )

本文要討論溫度對於馬達的影響。

主要先注意各個材料的部份，一般會注意的檢查順序如下
1. 絕緣材料：耐溫上限。
2. 磁鐵：耐溫上限及溫度影響磁力。
3. 漆包線：耐溫上限及電阻變化。
4. 軸承：潤滑油工作溫度範圍。
5. 出口電源線：耐溫上限。

其中絕緣材料、漆包線及出口電源線會直接影響安全問題，若耐溫等級不足，會造成馬達燒毀引發失火等事故。而磁鐵、漆包線及軸承，則還有個間接的影響，會引發額外的損失，增加馬達的溫昇。由於馬達是個電能轉換為動能的裝置，而能量在傳遞及轉換的過程中，都會有損耗；這些損失都會轉化為熱的形態，造成馬達溫度增加，一但超過材料的溫度上限，就會造成破壞。

因此一個完善的馬達設計案，需針對馬達的損失功率，做好其散熱規劃，使馬達內的溫度可以達到穩定狀態，且低於材料及零件的耐溫上限。常見的馬達內部的溫度上限為150度、120度、80度、60度，但對筆者而言，馬達溫度不高，也代表能量密度不高，有點浪費材料的感覺；但若馬達用於散熱系統中，本身溫度太高，確實也不合理。因此120度以上，大多是用於動力系統應用中，而低於100度的部份，大多是因此顆馬達會直接讓人接觸到，或是用於散熱裝置中。

扣除掉耐溫上限這對安全性的直接影響，漆包線及磁鐵這兩項材料，還有溫度影響特性的問題。由下圖磁鐵的磁化曲線可看出，隨著溫度的增加，其磁力值會持續的下降。由於馬達是透過電跟磁力的交互作用後，才產生轉矩來使用；當磁力的表現變差時，轉矩值會一同下降，或是需要更多的電力來補償，以滿足轉矩使用需求。
  

磁鐵溫度效應

當磁鐵會受到溫度的影響，改變磁力強弱時，這也代表馬達特性也會受到溫度影響而改變了樣貌。如下圖所示，這顆永磁馬達的特性曲線並非如前文中所描述的為一條斜直線，而是類似一條折線；拆解後可以發現，它其實是兩條斜直線的合成，其中藍虛線是溫度還未反應前的的特性，而紅虛線則是溫度作用後的結果。由此可知，馬達升溫前跟升溫後，其實特性表現的差異，可能會很大；下圖中的實例來看，最高轉矩值可以差到快三倍，代表此顆磁鐵的溫度反應差是大的。

馬達溫度效應

溫度除了對馬達輸出轉矩的影響外，對於馬達效率也會受到影響。主要是銅材的電阻值會受到溫度的影響，溫度越高時，銅的電阻值就越高，如下列所示，則馬達銅損的值就會隨之變化。

銅溫度效應

由下圖的馬達效率的特性曲線圖來看，其中藍色是溫昇前的表現，而紅色則是溫昇後的差異；可以看到銅損的溫度變化，確實會造成效率上的些許差別，但最大的差異量也在5%以內，並沒有如同磁鐵的反應那麼大。主要是銅的雖然會受到溫度影響，但比值沒有像磁鐵那麼誇張，因此所造成的影響幅度也就小很多。

馬達效率的溫度效應

重點整理：
溫度對輸出特性的影響更為直接。磁鐵是關鍵。
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