馬達小教室：熱影響 ( II )

本文來介紹馬達如何自主燒毀的原因。

由上一篇文章中可以發現，馬達在不同溫度下的表現完全不同，尤其是永磁馬達最為明顯，其主要原因可以從轉矩方程式中查得。當磁鐵受到溫度增加而磁力降低時，轉矩方程式中的磁力(B)值就會下降，直接造成輸出轉矩(T)值隨之下降。這就引發了另一個有趣的問題，廠商所給的馬達特性曲線，到底是在什麼溫度下的量測結果?而馬達長時間工作後，溫度增加後，輸出的特性是否符合需求?

   
轉矩方程式

實際上，馬達的特性曲線基本上都是在室溫的情況下進行量測，而非長時間運轉後的馬達溫昇特性。因此查資料後，發現這顆馬達最大轉矩值為10Nm，這僅是馬達剛開始運轉後的最大值，一但運轉一段時間後，馬達內部溫度持續增加，輸出轉矩就會持續下降，下降的幅度就要看看磁鐵的溫度敏銳度而定了。

有鑑於永磁馬達對溫度的影響太過明顯，因此筆者早年就有建議磁鐵廠商進行開發方向的調整，與其提高磁鐵最強磁力，還不如提高磁鐵的耐溫能力及降低溫度敏銳度，更符合馬達使用情況。因此近年來已有耐高溫的強磁配方產出，一般會在磁鐵型號後面加上一個H，表示耐高溫使用；採用這種耐高溫磁鐵，就不會有溫昇後轉矩大幅下降的現象。

而除了永磁馬達外，其他馬達是否也會受到溫度的影響呢? 答案是肯定的，除了前文中提到，因溫度導致漆包線電阻值上升，進而造成銅損增加，馬達效率下降外，實際也上會造成轉矩下降。主要是馬達的工作電壓在固定的情況下，馬達電阻受到溫度增加後，會導致輸入電流(i)值受到限制而縮小，如下圖中上方的電壓方程式所表示的變化；一但馬達電流(I)值受到限制或是縮小，就會直接影響到輸出轉矩的極限或隨之縮小，就是圖中下方的轉矩方程式之變化。

電阻影響說明

就如同上文中提到，由於銅材的溫度敏銳度並不高，造成的影響是有限的，因此過往馬達廠所提供的室溫馬達特性曲線，在昇溫後的使用上不會有顯著的差異。且一般性的應用中，當馬達溫昇造成轉矩變弱時，也就任其自然衰落；如家中的電風扇，一回到加剛啟動時，轉速可能有1400RPM，使用半小時後，轉速會降到剩1300RPM，少了100RPM，但我們並不會在意。

然而在工業應用上，熱會是一個可怕的壞循環，最終導致馬達燒毀。主要是當轉矩T要持續維持固定值時，無論是磁鐵或是漆包線圈電阻造成額外的下降，都要靠電流增加來補回；然而新增加的電流會產生新的銅損值，且電流是平方倍的關係式，如下圖中上方的銅損方程式所列，新增的銅損將會導致馬達溫度再次昇高，使馬達的效率更差，轉矩又再次下降；此時又得再次提高電流來補償降低的轉矩值，重覆循環後，最終導致溫度過高，馬達燒燬。

   
馬達熱燒毀循環

由上述可知，馬達中的熱，其實是個非常令人頭痛的問題，因此在馬達業界內有句戲言，"做馬達一輩子都在解決噪音跟熱的問題"。實際要解決馬達熱的問題，有兩個方向，一個是讓馬達不發熱，這目前是屬於學術界的題目，稱之為超導馬達，概念就是讓電阻降至零。第二個方向就是提高散熱能力，這是業界的主要處理方向，因此馬達會加裝風扇來做空冷，甚至電動車會導入水冷系統。

重點整理：馬達熱很恐怖，要謹記在心。
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