2024電動車馬達解密 ( I )

心得 · 2024-6-27 10:57

一切的起源都來自一個傳說，流傳於馬達界當中的一項傳說"得槽滿率者必得高效率"，造就了新的電動車馬達設計概念。

某一天馬達設計者發現，圓形的漆包線在堆疊時，中間會有明顯的空隙間隔，明顯降低槽滿率；但若是方形的漆包線，就可以避免這些空隙，因此漆包平角線的需求應運而起。

平角線的誕生

有了漆包平角線，馬達設計者就如同拿到了倚天劍屠龍刀一般，相信新的馬達設計將可以突破天際，將馬達效率無限逼近100%。然而實際將平角線安裝於馬達當中後，發覺不太對勁，槽滿率不增反降，如下圖所示，妥妥的負優化，也導致平角線的話題瞬間冷卻。

傳統矽鋼片導入平角線

所幸江山代有人才出，一位骨骼驚奇的馬達設計者橫空出世，反向思考；漆包平角線不好用，那就改矽鋼片，讓矽鋼片來配合平角線。如下圖所示，大幅度的修改矽鋼片槽型配合平角線尺寸，達到槽滿率100%的效果。一時之間驚為天人，槽滿率100%的馬達設計可謂是追求者眾，一系列的設計方案通通出爐。

修改矽鋼片尺寸配合平角線

然而真金不怕火煉，隨著馬達樣品出爐後，眾人驚覺不對阿! 槽滿率100%怎麼馬達效率並無提升? 畢竟這種指鹿為馬的設計，其實並沒有增加每相線圈的真實導體面積，僅是利用矽鋼片將空缺處填滿，對於馬達銅損的降低是一點幫助都沒有的，甚至還可能增加了鐵損的量。如下圖所示，從中鋼的矽鋼片規格書可以看到，鐵損值是正比於矽鋼片重量的，當設計者利用矽鋼片填補槽空間時，也增加了矽鋼片的重量及鐵損。

中鋼矽鋼片規格

陷陣之志永不言退，竟能達到槽滿率100%，又是新材料新話題的平角線，用上了妥妥的能增加馬達售價，效果不好那一定是設計有問題，改進設計就對了；因此平角線的設計又迎來一波改善方案。終於又等到一位天才設計師，利用增加馬達的槽極數的方式，來增加漆包線的使用比例，縮小填補槽滿率的矽鋼片用量，讓平角線再次獲得未來。

增加槽極數

有了嶄新的設計，馬達設計者成功的利用平角線，將馬達效率從94%提高到了96%，增加了2%之多，如此巨大的鴻溝能夠跨越，要感謝眾多馬達設計者的孜孜不倦。然而實際製作樣品測試後，發現新的問題再次產生了，由於增加了馬達槽極配，且用於電動車上的工作轉速較高，種種情況使得鐵損值又再次被拉高。由下列的磁滯損方程式可以發現，其中Pｈ代表磁滯損、 kｈ是導磁材料磁能性質參數、 f為磁場變換頻率、Bｍ則係導磁材料磁通密度。改變馬達的槽極數配置，且是增加的情況，磁場變換頻率f會大幅度的增加；若以本文的示範例來看，由六槽四極的配置更改為九槽八極的設計方案，則f是增加一倍的數量，就代表原本的鐵損值，憑空增加了一倍。

磁滯損方程式

此時鋼鐵廠終於可以笑開懷了，顯然電動車馬達需要更好的矽鋼片，代表新技術、新開發以及最重要的新售價。因此各大矽鋼片廠商紛紛提出更薄的矽鋼片，以及新的堆疊技術，來降低矽鋼片上的鐵損值。主要是鐵損當中包括了磁滯損、渦流損及雜散損三部分，而渦流損的數學方程式如下，其中Pｅ代表渦流損、kｅｃ為導磁材料電磁性質參數、d為導磁材料厚度、ρ為材料密度；大家柿子挑軟的吃從當中最簡單的導磁材料厚度d下手，僅需要將矽鋼片壓得越薄，渦流損就可以大幅下降。而堆疊技術也是隱身在導磁材料厚度內的問題，雖然已將矽鋼片切片來降低渦流路徑，但若上下片堆疊時的絕緣處理有漏洞，導致渦流有迴路可以跑，那切薄片的效果就會消失，因此堆疊技術是在確保後續生產時降低鐵損效果的延續性；這就產生了新的製程技術，自黏性矽鋼片。