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馬達連續工作性能分析

車輛在路上行駛時屬於一種連續工作,但又與一般工業用馬達的連續工作不 太一樣,工業用馬達常會是連續工作數百小時以上,因此功率密度不能做的太大,

要保證使馬達完全不會超過溫度限制。車輛的驅動馬達所需要的連續工作時間則 相對較短,這方面主要受限於電池容量,假設一台電動車具有50kWh 的電量,以 50kW 輸出只能持續一個小時,此時討論一小時以上的連續工作能力就顯得沒有意 義,一般常設定用來比較的電動車馬達連續工作能力的判斷標準是三十分鐘連續 工作時,最大功率可以是多少而不會使溫度超過限制。

5.1 效率與溫升關係

在前面所進行的磁路與熱傳分析都是個別進行,未考慮兩者相互的影響,如溫 度上升會使電阻變大、銅損增加、馬達效率變差,結果就會有更多熱損失需要散熱 系統處理,馬達溫升變得更快。本節分析的目的就是要將磁路與熱傳分析做連結,

計算馬達效率與溫升的關係,得到更接近實際驅動馬達工作條件的效率值結果。

5.1.1 分析方法建立

分析流程如圖 5-1,一開始由實測的效率與磁路模擬結果估算馬達的損失值,

並進行熱傳分析,得到不同時間下的繞組與轉子導體溫度,之後再計算繞組與轉子 導體在不同溫度下的電阻,並將兩者對應溫度電阻的組合匯入磁路分析模型中,分 析不同溫度下的馬達效率,最後要得到的結果就是在當馬達維持定轉速、定功率運 轉30 分鐘中,馬達效率隨溫度與溫度的變化,並得到一個三十分鐘內的平均效率,

分析的工作點為8000rpm、50kW,假設馬達從 25℃開始工作。

之前已經得到馬達原型在8000rpm、50kW 時的實測損失值,但經過磁路改良 後的損失值還不知道,因為模擬出的效率只計算到銅損和鐵損。將馬達原型與磁路 改良設計的模擬效率做比較,以馬達原型的效率實測值與模擬值之差來直接套用 在磁路改良設計的實測效率估算上,結果如表5-1,之後會將減少的損失值應用在 改良設計的熱傳分析中。

表5-1 磁路改良設計之損失值估算

5.1.2 馬達原型與改良設計效率比較

經過以上建立分析方法後,接著要比較馬達原型與經過磁路和散熱兩種改良 設計後,效率應該會改良多少,馬達連續工作三十分鐘的溫升與效率分析結果如圖 5-2,在磁路改良的損失降低與散熱改良的散熱量增加的雙重效果下,馬達的溫升 降低不少,效率降低也同樣變慢,整體效率的提升如表5-2,三十分鐘平均效率增 加0.45%,前面表 5-1 是沒有考慮溫升變化的磁路分析,得到的效率提升為 0.35%,

兩者相差0.1%,證明散熱改良確實能提高馬達效率。

圖5-2 馬達在 8000rpm、50kW 下溫度與效率對時間關係

8000rpm、60kW 實測效率 模擬效率 效率差 損失值 [W]

馬達原型 92.75% 95.65% 2.90% 3961

磁路改良設計 估算為

93.10% 96.00% 2.90% 3756

表5-2 馬達連續工作三十分鐘效率

5.2 馬達連續工作功率分析

最後分析的是當馬達在定功率工作時,輸出多大的功率情況下馬達可以連續 工作達三十分鐘,工作必須停止的判斷是當繞線溫度達到150℃,分析結果如圖 5-3,

馬達原型是51.4kW,改良設計則是 53.8kW,功率提高了 2.4kW,這樣的結果代表 經過前面所有的改良後,馬達可以連續工作的功率值確實有所提升,並達成一開始 訂定的提升馬達在大功率下連續工作能力的目標。

圖5-3 馬達連續工作三十分鐘後繞線溫度對功率關係 8000rpm、60kW 零秒時

效率

三十分鐘時 效率

三十分鐘 平均效率 馬達原型 96.17% 95.09% 95.56%

改良設計 96.48% 95.66% 95.99%

差值 +0.31% +0.57% +0.43%