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?
![馬達小教室:熱影響 ( II )862]()
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。
![馬達小教室:熱影響 ( II )1293]()
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。
https://vocus.cc/user/@rexwumotor 本文最後由 rexwumotor 於 2024-3-18 12:47 編輯
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