馬達散熱議題與手法

馬達於長時間運轉，會因感應電流等各種損失產生大量的熱，而馬達自身軸的旋轉則可以帶動扇葉進行基本的空氣熱對流散熱。然而扇及風路的設計因不同的需求而異，以下針對幾種設計考量進行初淺的討論。

風扇設計

風速大小主要取決於扇葉徑與轉速，扇徑大小的效果又比轉速更為顯著。風扇扇葉數與風速無明顯對應關係，但能讓出風較為順暢。增加扇徑與轉速會導致噪音增加，變更扇葉數則能改變風扇的噪音之頻譜。

風扇分類

離心扇

入風為軸向與出風為徑向，兩者相互垂直。風壓較強，風速較慢，同一設計正逆轉皆能使用，風吹送的距離較長，可適用於各種不同阻抗之條件。

軸流扇

入風為軸向與出風為軸向，兩者相互平行。風壓較弱，風速較快，只能單方向轉動使用，使用條件範圍較小，較可能因阻抗條件不同而失速。

特殊需求

變頻使用

主要用於會因為變頻使用而降低轉速之馬達，為防止操作轉速過低導致散熱不佳，因為外掛一個獨立之散熱馬達。

水冷

在某些特殊的環境下，空氣取得並不容易，或者散熱後之熱空氣無法在有效對流中進行熱交換(如潛盾機)。

另外根據IEC定義，馬達依使用需求對應以下幾大類

IC 01　

用於開放式馬達，由主軸帶動自帶扇進行散熱。

IC 40 (IC 410)

用於半密式馬達，無外扇，僅透過自然對流及熱輻射散熱。

IC 41 (IC 411) TEFC

用於半密式馬達，外框架有鰭片，透過自帶扇進行散熱。為最常用的馬達散熱型式。

IC 43 A (IC 416A)

用於半密式馬達，外框架有鰭片。透過外加之小馬達帶動風扇以進行散熱。主要用於會因為變頻使用而降低轉速之馬達，為防止操作轉速過低導致散熱不佳，因為外掛一個獨立之散熱馬達。

IC 43 R (IC 416R)

同上，但強制扇位置位於主馬達徑向

IC 61 (IC610)

用於半密式馬達，另設置熱交換區域，同時存有兩軌空氣循環。

矽鋼片與磁路設計要點

矽鋼片組成了定子，為馬達中影響效率最重要的因素之一。矽鋼片的設計常倚賴有限元素法進行磁路分析，但根據過往經驗，大體能歸納出以下幾個重要的項目。

磁路設計

增加導磁率(矽鋼片材質)，防止磁通密度飽和，盡可能增加槽面積(槽型)

軛部

避免鉚點影響磁通，數量盡可能減少，方向與磁通一致

尺寸越寬，機械強度高，減少振動噪音，避免磁通飽和，但會影響槽面積

軛部齒部與槽極配有一定的關係式

靴部

槽開口越小越能吸收磁鐵產生之磁力，但可能產生漏磁現象，入線製程難度增加

槽開口寬度與齒部寬度尺寸與齒部矽鋼片磁通密度設計值，則可評估槽深尺寸

齒部越小越能增加槽面積，但越可能產生磁通飽和的現象。

磁能設計

磁鐵的選用，磁鐵的配置方式

電能設計

漆包線線徑，繞組圈數

馬達效率提升方案

馬達效率一直視這幾年開發上重要的議題，一樣的輸入電量客戶總希望能夠得到較高的輸出。然而，馬達的輸出功率根據客戶需求無法變更，故一般在進行效率提升方式主要為降低馬達運轉的損失。

以下藉由降低各種損失為觀點，整理開發上常用於提升效率的手法

一次銅損

電流流經定子線圈所產生之損失，主要為導線電阻所致。

電徑加粗，電阻降低，但滿槽率增加，可能導致入線難度增加。

定轉子間氣隙縮小，磁阻降低，激磁電流降低，功因提高，運轉電流降低。但氣隙小考慮定轉子表面之加工能力。

使用導磁性較好之矽鋼片，降低磁阻，運轉電流降低。

降低磁通密度，避免導磁能力因磁通密度飽和驟降。但可能造成轉矩較低。

二次銅損　

轉子之感應電流與電阻造成之損失，永磁馬達無此項目，故較感應馬達易達到高效率。

使用導電率較高之壓鑄銅轉子，但成本較高，熔電高導致作業難度較高。

改變槽型，增加轉子槽面積，增加鋁用量，降低轉子電阻。

增加轉子端環短路環面積，降低轉子電阻。

改變電工繞線設計，提高馬達磁通量，轉子滑差減少，降低轉子感應電流。

鐵損　

磁力線通過矽鋼片產生渦流損以及磁滯損。

使用導磁性較好之矽鋼片。

降低定子鐵心磁通密度，渦流損及磁滯損皆與磁通密度的平方成正比。

使用較薄之矽鋼片，減少渦流損。高頻時，渦流損大幅增加。

矽鋼片熱處理，750~800度熱處理兩小時，將增大晶粒，以降低磁滯損。

機械損　

摩擦震動等因零件運動所產生的力學損失。

使用潤滑效果較佳之軸承。

增加零件加工精度。

提高風扇效率，或者使用單轉向風扇。

雜散損　

其餘無法精確定義的損失。

增加轉子表面加工精度，避免轉子表面損。

提高矽鋼片品質，如雜質降低，晶粒組織調整，減少沖片毛頭。

改善電工繞線方式及繞線匝數，避免５級，7級等諧波。

槽對數，槽型尺寸，磁路，轉子斜槽改善。

AC馬達變速方法

三相感應電動機不需要如直流馬達之電刷，結構較單純可靠維護容易，卻也無法如同直流馬達能輕易透過電壓電流的調整進行控速。三相感應電動機發展歷史上總花費鉅大的心力在尋求更好的變速方法。

VS馬達

又稱為渦流馬達或益動馬達，英文稱為eddy current motor，傳統三相交流感應馬達因為無法如同直流馬達透過電壓控制轉速，因此過去若有控速需求則常在馬達前端加裝耦合機進行控速。 但耦合機體積過大，重量重，故逐漸被使用變頻器之馬達取代。

變頻器

使用時輸入交流電，透過整流器轉換為直流電。並利用PWM的方式輸出交流電壓。

        

V/f純量控制：輸出電壓和輸出頻率成正比，適用在定轉矩的負載中

向量控制(磁場導向控制)：利用調整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及角度，來控制馬達的輸出。其特性是可以個別控制馬達的的磁場及轉矩。由於處理時會將三相輸出電流及電壓以向量來表示，因此稱為向量控制。

直接轉矩控制：依量測到的馬達電壓及電流，去計算馬達磁通和轉矩的估測值，而在控制轉矩後，也可以控制馬達的速度。不過變頻器驅動感應馬達時，其電壓應力也會提高，因此一般會建議選用為變頻器驅動而設計的變頻馬達。

AC馬達啟動方法

三相感應電動機，因負載特性在啟動時會產生極大的電流，為了防止在啟動時會產生過大的電流，一般馬達皆使用下列幾項啟動法：

1.直接啟動法direct on line，簡稱DOL：直接啟動，不搭配任何儀器及手法，僅適用於五馬力以下之小馬達。若馬達啟動的高突入電流不會造成電源的過多電壓下降，此時就會使用在線直接起動的啟動器。

2.電抗降壓啟動法：利用串聯電抗器降低啟動電壓，進而降低啟動電流。

3.補償器啟動法：使用補償器降降低啟動電壓，進而降低啟動電流。

4.繞線式感應電動機啟動法：僅適用於繞線型馬達，於轉部搭配可變電阻，以抑制過大的電流產生。

5.Y-delta 降壓啟動法：透過外部配電控制系統，於啟動時採用電壓及電流皆較小的Y接，等啟動完成後再改用delta接以達到運轉功率。此為最常使用之啟動法。

Y-delta 降壓啟動法範例

1. Q1為主電路開關，Q2為控制電路開關，兩者並聯連接。

2.按下PB2後，KM1與KM2分別投入，馬達以Y接型式啟動。KM1與KM2成自保持狀態。

3. KM2計時到延遲b接點斷開，KM1跳脫。延遲a閉合，KM3投入，以delta接運轉。

4.按下PB1，KM1、KM2、KM3皆跳脫。

當今產業重點發展馬達

步進馬達

數直流無刷馬達，定轉子具有突起的小齒，可藉由電流及齒部設計之步進角。透過開迴路的方式，以對應之脈波訊號控制其慾旋轉之角度。開迴路控制不需要感測器或編碼器，但因沒有回授裝置，遇到負載變化過大時可能造成失步的問題。

伺服馬達

透過回授裝置，精確控制馬達轉速或位置，使其與目標值不因外在因素變動而受影響。

1.     伺服控制器會利用位置回授進行閉迴路的控制，一般常用旋轉編碼器、解角器及霍爾效應傳器來直接量測轉子的位置。

2.     量測未激磁的線圈的反電動勢來偵測轉子位置，或是偵測當線圈電源突然關閉時產生的突波電壓，這些稱為無感測器（sensorless）的控制方式。

直流：轉子慣性較小，機體較細長，線性反應佳並易於控制，受到廣泛使用。

交流：使用永磁同步馬達或三相感應馬達，必須搭配變頻器才能精確控速。

永磁同步馬達(PMSM)：轉子以永久磁鐵代替繞線。

表面式永磁馬達（SPM）：磁鐵與空氣之導磁率相近，故定轉子氣隙較寬，凸極效應較小，電樞效應弱，電感小。

內藏式永磁馬達（IPM）：較無高速運轉脫落之問題，磁鐵與內部因導磁率遠低於矽鋼片導致轉子和定子間的氣隙會有周期性的變化，造成凸極效應，其磁組轉矩成分使效率較高。

磁組馬達 

透過轉子磁阻不均產生之轉矩運作，磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，因此鐵心在移動到最小磁阻位置時，其主軸線必與磁場的軸線重合。

開關磁阻馬達(SRM)：又稱切換式磁阻馬達，繞組於定子上，故不需電刷，轉子亦不需磁鐵，結構簡單成本低，但會有轉矩濓波(轉矩不均)的問題。