馬達熱傳模型建立

本節首先進行馬達原型的熱傳模型建立，使用之工具為Motor-CAD 軟體，將 模型分析結果與實測的溫度變化數據比對，調整熱傳模型使兩者數據接近，就可以 此模型來了解馬達原型的熱傳能力，並由此模型探討散熱可改良之方向。

Motor-CAD 是目前最被廣泛使用的馬達溫度場分析軟體，採用等效熱路模型，

提供各種馬達類型與散熱方法的參數輸入建模界面，可以分析馬達在輸入之損失 與熱傳限制下的各組件穩態與暫態溫度，以下針對本研究之馬達原型的熱傳模型 建立進行說明。

馬達定轉子部分的 Motor-CAD 幾何尺寸模型可以直接由 RMxprt 產生，接著 再輸入水套與馬達殼體的尺寸，Motor-CAD 可以定義的殼體是比較簡單的，只能 產生如圖 4-2 中較為方正之殼體，該馬達殼包含具水套的桶身、連接齒輪箱的前 蓋、具接線盒功能的後蓋，實際之馬達殼具有更多的曲面、結構肋、圓角、接點，

且並非為軸對稱，因此該尺寸只取原型的部分特徵來輸入，後續再根據實驗與模擬 結果之差來進行調整。另外定義的是繞線端部的尺寸，由量測實體馬達得到，之後 還需要由實驗數據調整端部絕緣層的厚度，因為其組成複雜，包含絕緣布、捆線、

浸漬漆，但Motor-CAD 中只能設定為單一材料，目前只先預設為 1mm。

圖4-2 馬達原型 Motor-CAD 熱傳幾何模型

馬達繞線使用NEMA 規格 23 AWG 的漆包線，裸線徑平均為 0.574mm，包含 絕緣皮膜的最大外徑為0.6426mm，為雙層分布繞，每槽有兩層，單層為兩匝，每 匝為47 條線並聯，因此每槽內有 188 條線，線與槽間有 0.25mm 厚的槽紙，具有 絕緣及保護漆包線不被鐵心刮破的功能。圖4-3 顯示 Motor-CAD 將繞線模型變成 層狀的結構來計算熱傳。

圖4-3 馬達原型 Motor-CAD 繞線模型 接著設定馬達熱傳分析所需的其他參數：

1. 損失值：視所要分析之功率輸入圖4-1 中的損失值。

2. 材料熱傳性質係數。(表 4-1)

3. 接觸熱阻等效氣隙：先使用軟體的預設值。

4. 熱輻射發射率：設定鑄鋁合金外殼的發射率為0.2。

5. 外殼自然對流係數：使用軟體內建公式計算之值。

6. 水套、內部空氣對流係數：使用軟體內建公式計算之值。

表4-1 馬達材料熱傳性質係數

接著以實驗結果對比初步模型的模擬結果，實驗的邊界條件設定為環境溫度 25℃，入水溫 25℃，水流量 10L/min，初始條件設定為銅線 70℃，馬達殼體外 25

℃，馬達輸出功率設為 50kW、8000rpm，此功率下損失值由圖 4-1 資料估為一次 銅損793W、二次銅損 904W、鐵損 1395W、機械損與風阻損 300W、雜散損 569W。

馬達原型使用的絕緣耐熱等級為 H 級，可耐 180℃，但因考量到各區域的溫度會 有差距及保留一定安全裕度，在本研究的熱傳分析中，將繞線的溫度到達140℃設 為上限值。

模擬得到之溫升結果如圖4-4，比較模型與實驗得到的繞線端部與殼體外之溫 度，可以看到目前模型下繞線端部的溫升與實驗有很大的差距，模擬值低於實驗值 很多，代表馬達熱傳模型目前的熱傳能力較真實馬達高，模型中的馬達結構是較為 理想的狀態，實際上的馬達應該在更多地方有氣隙或氣隙在模擬時設定不夠大，造 成實際熱阻應更大，因此要再對模型進行修正。

圖4-4 馬達原型初版熱傳模型暫態溫升分析結果

修正模型的目標是要使模擬的溫升盡量符合實驗值，根據經驗，Motor-CAD 中 主要調整的就是馬達繞組中線與線之間的空隙，一般用樹脂來填滿空隙，又稱為凡 力水或浸漬漆，可以增強結構強度、絕緣、熱傳導效果，但如果無法完全填滿其中 的所有空隙，熱傳效果就會變差，Motor-CAD 中可以由調整環氧樹脂的熱傳導係 數要乘以多少百分之多少來將這項特性做變化，預設是0.8，將其調整為 0.2。另外 也同時調整定子與殼體的接觸熱阻，將等效氣隙從預設的0.03 增加到 0.111。

修改完模型後，分析結果如圖4-5，已相當接近實驗結果。接著以此模型分析 不同馬達輸出8000rpm 不同功率時的溫升時間，結果如圖 4-6，目標規格指馬達原 型在開發時希望達到的熱管理性能，目標是在150kW 可以連續工作 10 秒、130kW 連續30 秒、60kW 連續 30 分鐘。可以看到模擬的結果與目標相當不同，但由於除 了8000rpm、50kW 外，沒有其他功率時的溫升數據可以做為模型結果的檢驗，因 此先以該結果做為馬達原型的熱傳性能，並用以與經過散熱優化後的馬達之模型 分析結果進行比對。

圖4-5 馬達原型修正後熱傳模型暫態溫升分析結果

馬達的溫度分佈可以在圖4-7 看到，轉子導體是溫度最高的地方，因為它有最 大的損失密度，也最難散熱，以馬達原型現有的架構，只有內部空氣和軸心能將熱 量帶走，而且空氣熱傳能力其實相當差，熱容量又低，溫度會很快被轉子帶起來，

當空氣溫度超過定子繞組，就會使熱往定子繞組傳，接下來定子繞組不但要處理自 身的銅損還要接收額外熱量，溫度就會很高，所以對感應馬達最好的散熱優化方式 就是在使良好的散熱介質接觸轉子，將轉子溫度下降，整體溫升就可變的很低，但 因為相關的技術相當複雜，因此本次研究沒有針對這種方法進行探討。

圖4-7 馬達原型在 8000rpm、50kW 工作 1200 秒後溫度分佈

圖4-8 馬達原型熱阻網路