電動機的耗損分類

電動機的耗損依序主要為定子繞組耗損（Stator Losses）、轉子繞組耗損

（Rotor Losses）、定子及轉子鐵心耗損（Core Losses）、雜散耗損(Additional Load Losses)以及風磨耗損(Windage and Friction)，他們占電動機總耗損的比例以及主要 影響因素如表 2.1 及圖 2.1 所示[24]，[25]，[26]。

10

表 2.1 電動機各耗損所佔比例及影響因素[24]

2.2.1 定子與轉子繞組耗損（Stator Losses And Rotor Losses）

繞組耗損俗稱銅損，是因為電流通過導體時因導體的電阻造成的熱能損失。

當電流 I（A）通過具有電阻 R（Ω）的導體時，繞組耗損 We 如 Eq.2. 1 所示，跟 電流成平方比，跟電阻成正比。繞組耗損可因繞線的位置細分定子繞組耗損及轉 子繞組耗損。

（1） 定子繞組耗損

由於定子繞組一般上由銅線繞線而成，因此提升繞線技術和銅線的利用率來 降低繞組電阻是有效降低定子繞組耗損的方法。例如增加定子疊層長度以減少定 子端部繞組比例、減少銅線絕緣層厚度以增加銅線比例、選用最佳的繞線方式以 提高槽滿率。另外減少定子和轉子之間的間隙，使用較少的電流達到電動機相同 的功率，繞組的耗損也會大大降低。

We = I² R Eq.2. 1

11

（2） 轉子繞組耗損

和定子繞組不同的是，轉子繞組一般利用壓鑄或塞入的製程安裝導條。導條 的電阻是影響轉子繞組耗損的關鍵。因此電阻較低的導體如銅，將會比其他材料 的導體耗損來的低。另外選用截面積較大的轉子槽形以容納截面積較大的導體也 能減少繞組電阻。在壓鑄製程時使用較純的金屬熔液，以及注意避免氣孔和雜質 的滲入可避免繞組因電阻造成耗損增加。

2.2.2 定子及轉子鐵心耗損（Core Losses）

定子及轉子鐵芯耗損俗稱鐵損（Iron Loss），是指當磁場通過鐵芯材料時造成 的耗損。鐵損包括磁滯損（Hysteresis Loss）和渦流損（Classical Eddy Current Loss）。其主要受鐵芯材料品質、電磁材料厚度和輸入電壓、輸入頻率等影響。

（1） 磁滯損

磁滯損是改變磁極時能量的損失。在電動機不停變化磁極來誘使鐵芯材料經 歷每一次變動的磁通時，鐵芯材料的磁極也會跟著改變。但鐵芯材料在磁極改變 的過程中，如圖 2.2 所示，磁通密度 B 會落後磁場強度 H 而形成一個磁滯循 環，即鐵芯材料由南極轉變為北極與北極轉變為南極的 B-H 曲線是不同路徑的，

故每當經歷一次磁極轉換，便有一定能量的損失，損失的大小跟磁滯曲線圍成的 面積成正比。這種因鐵芯材料磁滯現象所引起的損失即為磁滯損 Ph。如 Eq.2. 2 所示，磁滯損 Ph與磁滯損係數 Kh、最大磁通密度 Bm（Wb/m²）、電氣頻率 f

（Hz）有關。其中 G 是鐵芯材料重量（Kg）、x 是司坦麥茲指數介於 1.5 到 2.5 之 間。

磁滯損受鐵芯材料的品質影響，但鐵芯材料容易在加工製程增加磁滯耗損。

所以降低磁滯耗損的方法除了使用高品質的鐵芯材料外，也可優化沖壓製程或採 用退火製程消除材料加工後的應力及應變，恢復鐵芯材料的磁化能力[15]，[18]。

12

圖 2.2 磁滯曲線

（2） 渦流損

渦流損是鐵芯材料通磁時的環電流損失。如圖 2.3 所示，當磁通通過鐵芯材 料時，鐵芯材料內部也會因磁場感應產生循環電流，此電流稱為渦電流。渦電流 的能量會因為鐵芯材料的電阻造成耗損。這種因渦電流的產生引起的耗損即為渦 流損 Pe。如 Eq.2. 3 所示，渦流損 Pe 與渦流係數 Ke、鐵芯材料厚度 t（m）、最大 磁通密度 Bm（Wb/m²）、電氣頻率 f（Hz）有關。其中 G 是鐵芯材料重量

（Kg）。

渦流耗損受鐵芯材料品質和厚度影響很大，如圖 2.3 所示，降低鐵芯材料厚 度可以有效的降低渦流耗損。

Ph = Kh·Bmx·f·G Eq.2. 2

Pe = Ke·t²·Bm2·f ²·G Eq.2. 3

13

圖 2.3 渦流損示意圖[27]

2.2.3 雜散耗損(Additional Load Losses)

雜散耗損指上述耗損未能包括的損失，例如漏磁通通過定子繞線產生的耗損 及其他形成原因不明確的耗損。一般上雜散耗損較小且難以量測。

若明確知道產生原因可針對問題改善雜散耗損。例如在設計階段進行電磁模 擬以確保槽配合，保證效率和啟動性能；對轉子壓鑄製程後的外徑嚴格要求，避 免不平衡及與定子摩擦的情況發生；使用斜槽的設計也被認為能有效抑制高次諧 波磁場產生的附加轉矩和噪音。

2.2.4 風磨耗損(Windage and Friction)

風磨耗損包括馬達運轉時的風阻和摩擦損耗。風損包括風扇及轉子產生的風 阻。摩擦損耗除了發生在軸承外，電刷與整流子的接觸也會產生摩擦損耗。優化 電動機內流體的流動性、提高散熱風扇效率和採用優質軸承都是改善風磨耗損的 方法。

上述耗損的比例關係是以 50Hz 或 60Hz 的標準電源頻率建立的，僅能當作參 考值使用，若應用在電源頻率高的電動機，耗損比例將會改變。以鐵損為例，針

14

對電動車用電動機，一般標準電源頻率（50Hz 或 60Hz）測得的鐵損已無法用於 評估馬達性能，而是需要在較高的頻率如 400Hz 下進行鐵損測試。如圖 2.4 所 示，在低頻率時鐵損以磁滯損為主，當電源頻率超過 400Hz，渦流損佔總鐵損的 比例會增加，鐵損以渦流損為主。

此外，若電動機使用在電動車上，則要考慮到電動機的使用環境，若電動車 常使用在起步或爬坡時，電動機扭力需求大，此時電動機需要較大的電流量來增 強電磁鋼片的磁場強度，以提高轉子與定子的磁場作用力。這時通過導體的電流 會增加，導致銅損較大；若電動車常使用在高速行駛的環境，電動機的扭力需求 小，而且電磁鋼片的磁極變化週期更頻繁，期間所產生之鐵損將是電動機損耗的 主要因素[28]。

圖 2.4 電磁鋼片在不同測試頻率下電磁特性之變化[28]