轉矩與損失分析

接下來由分析馬達原型在最大、額定輸出及定轉速不同負載下的轉矩和效率 來觀察模型分析結果與實驗值之誤差，並由分析出之不同損失的大小與比例，探討 可改良效率之方向。

圖3-20 是轉矩模擬結果與實驗值的比較，最大輸出下的模擬結果較實驗值高，

部分原因為模擬時未能完全調整適當使輸入電流和電壓剛好與實驗值相等，模擬 的輸入電流較實驗值高約 10%，輸入電壓則在基速前較實驗值略低，另外的原因 可能是模擬時設定的矽鋼片材料 B-H 曲線和鐵損值與加工完成的馬達矽鋼片略有 差異，且實驗得到的轉矩是已扣除機械損和風阻損對轉矩影響，模擬值則未計算到 這部分。額定輸出因模擬之輸入電流相當接近實驗值，因此轉矩誤差也相當小。

圖3-20 馬達原型轉矩模擬結果與實驗值比較

圖3-21 的效率比較可以看到在低轉速下幾乎沒有誤差，隨轉速提高誤差開始 增加，造成誤差的原因主要為機械損和風阻損，因為在電磁模擬的損失中不包含此 二者，因此計算效率時也未計入，兩者都與轉速成正相關，因此誤差隨轉速提高也 是必然的結果。另外模擬效率中還未計入雜散損的影響，雜散損的大小一般認為與 輸出功率成正比，因此同樣是會與轉速成正相關。

圖3-21 馬達原型效率模擬結果與實驗值比較

定轉速下的轉矩與電流關係如圖3-22，轉速 4000rpm、8000prm、12000rpm 下 的轉矩分析結果與實驗值誤差都不大，但可以看到 4000rpm 的模擬轉矩較實驗值 低，原因可由後面圖3-24 發現，在定轉矩下低轉速時的轉子銅損會較低，當轉子 上的損失較低時溫度自然也下降，而前面在校正轉子電阻時是以 8000rpm 的實驗 時的溫度來修正導體材料的導電率，因此當做 4000rpm 測試時的轉子溫度應比 8000rpm 時來的低，此時的轉子電阻也應較低，使 4000rpm 的實驗值相對於以 8000rpm 的轉子電阻條件下來模擬 4000rpm 時顯得損失下降、效率提高，輸出轉矩 也因此較高。而 8000 和 12000rpm 下的比較則因為摩擦阻力、風阻力、雜散損，

三者的作用增加使實驗值小於模擬值。

定轉速下的電流與功率大致為正比關係，但不同轉速下的最大功率不同而最 大電流相同，因此圖3-23 用效率與電流關係來做圖，定轉速下的效率模擬在趨勢 上與實驗一致，但實驗得到的效率都低上許多，其中的差值應包含機械損、風阻損、

雜散損，並且在低電流與高電流時的效率實驗值較模擬值低特別多，造成這個現象 的原因推測有兩種：一、低電流低功率時的效率受到摩擦阻力、風阻力影響的佔比 較大，因此低功率下的效率也下降特別多；二、高電流高功率時因轉子的損失大，

轉子的溫度較高，因此效率因轉子電阻的提高而降低。

圖3-23 馬達原型定轉速下效率與電流關係分析

確認模型的誤差量後，就可以開始分析馬達的損失值及如何使其降低的方法，

在最大輸出下分析得到的電磁損失值可以在圖3-24 中看到，其中轉子銅損與鐵損 都會隨轉速提高而增加，定子銅損則在定轉矩操作時維持定值，過基速進入定功率 開始略微下降，但以實際實驗的數據可以知道定子電流在最大輸出下還是會限制 在定值，因此模擬結果的定子銅損下降主要是因為RMxprt 在高轉速下的滑差預估 不夠準確，使Maxwell 2D 分析的電流結果有較大誤差。

圖3-24 馬達原型最大輸出下損失與轉速關係

由模擬結果計算，知道轉速1000rpm 時的轉子導體電流與 13000rpm 僅增加不 到 10%，根據銅損的公式(2-7)，如果電流不變，就只有電阻增加才會造成銅損增 加，從圖3-25 就可以看到高轉速時的代表電流密度高的紅色區域較低轉速時大，

也就是說高轉速會使電流集中在轉子導體中接近轉子外徑的區域，電流流經的截 面積縮小就代表實際的電阻增加，造成銅損跟著增加。

轉子銅損在總損失中占有相當高的比例，最直接的降低方法就是減少轉子導 體的電阻，所以驅動馬達通常選擇使用銅導體轉子，而非較低成本與技術的鋁導體 轉子，除了材料的變更，也要由改進製造工法來增加導體在槽孔中的填滿率，並減 少焊接、加工變形等會增加電阻之工法。本次研究進行的轉子改良會盡可能在不影 響磁通下，以增加槽孔截面積的方式來降低轉子電阻。

鐵損值決定於矽鋼片上之磁場頻率與磁通密度，分析結果圖 3-26 顯示在 4000rpm 前磁滯損較大，但因磁滯損與頻率成正比，渦流損與頻率平方成正比，渦 流損隨轉速增加的幅度大於磁滯損，因此 4000rpm 後都是渦流損較大。另外可以 發現磁滯損在基速約 6500rpm 後開始變小，因為基速後的定功率區就是處於輸入 電壓無法再提高的時候，此時為維持高電流，磁通密度會降低來減少反電動勢，而 磁滯損與渦流損都與磁通密度平方成正比，因此當磁通密度減少時，只與頻率一次 方成正比的磁滯損就因為兩者一增一降，最後結果是磁滯損隨轉速增加微微降低。

渦流損則因與頻率平方成正比，仍維持上升的趨勢。以效率提升的磁路設計改良來 看，因頻率無法改變，在同樣的材料條件下要降低鐵損就只能想方法減少磁通密度，

可能是由調整槽形或繞線使磁通密度可以分布的更平均或減少漏磁

圖3-26 馬達原型最大輸出下鐵損與轉速關係