馬達散熱分析

馬達散熱分析目前有兩種方式，一是使用熱路模型，二是使用有限元素分析。

熱路模型將各元件簡化為節點，相互間具有熱阻，以如同電路分析的方式來得到每 個節點的溫度，這種方法計算快速，但不能呈現真實的物理現象讓研究者觀察並分 析該如何改善熱傳的結構與流場。有限元素分析可以根據計算資源調整模型複雜 度，但實際上用太粗糙的模型得到的結果不具意義，細節太多的模型又不符合計算 成本，因此如何用合理的方式簡化模型就相當重要，需要結合熱流的物理理論與實 驗經驗來進行。

W. G. Kim(2006)[23]同時利用熱路法與計算流體力學(CFD)分析水冷車用驅動 馬達的熱穩定性，其兩種方法分析結果與實測數據趨勢相近，最後結論是使用熱路 法較CFD 分析在計算速度方面較占優勢，特別是要進行瞬態熱傳分析時，而 CFD 的優勢是能提供熱傳變化更詳細的見解，包括局部熱集中或流場與熱場分布狀態，

所以通常應用在開發馬達原型初期，決定該如何改良馬達的散熱方式。

熱路法與有限元素法在許多研究中也會一起使用，通常是利用有限元素法分 析出特定組件或區域的等效熱傳導或熱對流係數，再將獲得的係數輸入熱路模型 中。S. Seghir-OualiI(2009)[24]就是採用這樣的方法，他們根據熱路法發展永磁馬達 的模型來預測熱傳表現，其中馬達內部空氣的流場以 CFD 進行分析(圖 2-16)，得 到各區域流速再計算得到熱對流係數導入熱路模型中，驗證確認模型分析結果正 確後，再利用改變參數研究不同因素下的溫度分佈及更有效冷卻方法的評估。

對馬達熱傳分析採用有限元素法的額外好處在於更容易將電磁有限元素分析 得到的損失分佈對應到熱傳模型上，能得到更精確的溫度分佈。如Y. Shen(2014)[25]

分析應用於運礦車之永磁馬達的熱傳表現就以 2D 有限元素分析電磁損失與瞬態 熱場，並以3D CFD 模型分析比較不同形式水冷流道的散熱綜合效益。

Y. Zhang(2012)[26]以有限元素法耦合電磁場與熱流場對氣冷感應馬達的溫度 分佈進行分析，耦合方法是先分別進行電磁場和流場的計算，得到熱損失分佈與流 場分佈後代入熱場進行溫度分析，因為溫度會改變電阻，使馬達的損失值改變，因 此要再回傳新的電阻值給電磁場計算損失值，得到新的溫度分佈，重複步驟，直到 溫度值收斂，最後試做樣品，驗證模擬和測量結果的溫度是一致的。

M. Tosetti(2013)[27]對應用於飛機燃氣渦輪發動機內的氣冷外轉子表面貼磁永 磁發電機進行完整的CFD 熱傳分析，最後比較模擬與實驗結果發現有不小的誤差。

判斷誤差應來自於空氣流場會受環境空氣影響，繞組的複雜材料組成與排列也使 熱場模擬結果難以接近真實。

S. Mizuno(2010)[28]開發一全封閉的氣冷感應馬達，全封閉使馬達可以防止外 部塵土進入，減少馬達維護的次數與成本，但因內部空氣無法與外部對流，需要有 良好的散熱設計才得以保持熱穩定，通常使用風扇作為動力源使內部空氣進入框 體流道將熱傳至框體再傳給外部空氣，但風扇會產生很大的噪音，他們將風扇葉片 間距設計為不均勻，並將其隱藏於內部空間，設計成果降低噪音達八分貝。

圖2-17 具外部風扇與內部風扇之馬達[28]

兩種熱傳分析模型的建立都要求有正確的材料熱傳參數，因此也有許多研究 探討如何量測到馬達中複雜結構如矽鋼片堆疊與繞組的真實等效熱傳導係數：

J. E. Cousineau(2015)[29]以實驗的方式量測矽鋼片的熱傳導係數，矽鋼片因堆 疊且有絕緣薄膜使其熱傳導係數為各向異性，圖2-24 顯示量測裝置，分別量測堆 疊方向與垂直堆疊方向的熱傳導係數，得到堆疊方向的熱傳導係數約在 1 W/m²K 上下，且施加的壓力愈大，熱傳導性能會愈好，而垂直堆疊方向的熱傳遞係數則可 以達到21.8 W/m²K，由結果可知矽鋼片在堆疊方向因熱傳導係數差的絕緣薄膜與 片間的接觸熱阻而大幅降低其熱傳性能。

圖2-18 矽鋼片熱傳導係數量測裝置[29]

K. Bennio(2012)[30]分析繞線在徑向與切向的等效熱傳導係數，馬達繞組的組 成包含銅線、絕緣漆、填充物，繞線與鐵心間還有槽紙隔絕，填充物的作用是輔助 絕緣與幫助熱傳，如果填充不完全，則會產生氣隙，使熱傳導性變差，該分析假設 填充完全下，繞組等效熱傳導係數與佔槽率的關係。