磁路分佈分析

馬達的磁路主要可以由磁通密度與磁力線的分布來觀察(圖 3-27)，兩者都可以 表示磁通量的分布狀況，磁通密度分布圖可以凸顯何處是磁通量集中的區域，並了 解矽鋼片的磁化是否達到飽和；而磁力線分布圖則可以了解磁路的走向，並判斷磁 路與電路相互作用之空間關係。

圖3-27 馬達原型磁通密度與磁力線分布圖

磁路是由定子繞線電流產生的磁力線通過定子鐵心軛部，接著齒部，穿過氣隙 到達轉子齒部，再到轉子軛部，並從另一個齒部接回到定子鐵心軛部，當這樣的磁 場變化時就能在轉子導體上產生感應電壓，但圖3-28 可以看到有些磁力線會直接 穿過銅線與空氣形成較短的迴路，這些磁力線就稱為是漏磁，因為只有能通過導體 周圍的磁力線才能在導體上產生感應電壓，漏磁會耗損磁動勢，使同樣電流下產生 的轉矩降低，因此會希望磁路設計時能盡量消除漏磁，實際上不可能達成完全無漏 磁，但可以由槽形設計來降低磁力線走捷徑的比例。槽形設計同時也要降低磁通密 度的局部集中現象，磁動勢會因磁阻消耗，而磁通密度局部集中會使矽鋼片達到磁 飽和而增加磁阻。

比較馬達原型4000rpm 和 8000rpm 下輸入電流低和高的磁通密度分布(圖 3-29)，

在定轉矩區的 4000rpm 時磁通密度會隨輸入電流增加，此時以調整電壓的方式來 增加定子電流，同時加大滑差頻率來增加轉子電流，滑差頻率與轉子磁通量變化頻 率相等，根據式(2-4)，轉子磁通量變化頻率變大可以使轉子導體的感應電壓增加，

也使轉子電流提高。電流增加在此轉速下會使磁動勢、磁場強度、磁通密度皆變大，

由式(2-5)知轉矩與電流和磁通密度成正比，而模擬結果也顯示轉矩對電流的斜率 會因電流增加而增加，原因就是磁通密度會隨電流增加。

(a) 4000rpm

(b) 8000rpm

圖3-29 馬達原型磁通密度分布

而定功率區的8000rpm，因電壓已達到上限，只能以調整滑差來控制電流，隨 電流增加的滑差倍率會比 4000rpm 時大，滑差提高使轉子電流提高，也造成磁力 線的路徑加長，凸顯在圖3-30(b)上就是指定子 N 極與轉子 S 極的角度差增加，這 將使轉子磁場抵消部分的定子磁場，定子磁通密度因此得以隨滑差增加而緩緩降 低，同時使反電動勢也降低來增加定子電流。

由圖 3-29(b)可以發現 8000rpm 下磁通密度會達到非線性磁化 1.6T 以上的區 域極小，由此知道如果要改良高轉速下的效率，可以擴大槽孔，使銅線的並線數增 加來降低電阻以降低銅損，副作用是磁通密度會增加，但是高轉速下磁通密度原本

(a) 4000rpm

(b) 8000rpm

圖3-30 馬達原型磁力線分布

達到飽和的區域就不大，增加一定的磁通密度不會對磁路有太大的影響，增加的損 失應比降低的銅損小。當然這樣的做法應該會降低低轉速時的轉矩，因為圖3-29(a) 中磁通密度大於1.6T 的區域已經相當大，再擴大槽孔將使矽鋼片達到飽和的面積 增加，並使同等磁動勢產生的磁通量變小，造成輸出轉矩降低。當要做改良設計時 必須對這兩方面的影響作權衡。

(a) 4000rpm

(b) 8000rpm

圖3-31 馬達原型磁場強度分布