馬達單條與多條線圈的選擇

 

前言:

本文係討論馬達捲繞電磁線圈時,採用單一線圈繞線或多條並聯繞線的原因及影響。由馬達能量需求原理開始探討,之後延伸到生產實務上的因素,而導致馬達最終效能的損耗。

 

一:從馬達能量公式分析線圈需求

馬達轉矩公式(1)如下,其中T為轉矩、B為磁通量、I為電流值、L為磁場有效作用長度、D為轉子外徑、N為線圈圈數、δ為磁場與電場作用角度。

001  (1)

 

其中跟線圈最有關係的參數為N,此參數是針對圈數定義的。另一項跟線圈比較有關係的參數為I,主要是受到基本電學(2)的影響,線圈的電阻值會影響到最大輸入電流值;其中V為電壓、R為電阻值。

 002     (2)

 

對馬達特性而言,電阻值的大小也直接影響到導通損失(3),使馬達能量受到損耗;其中PC為導通損。

003     (3)

 

則有上述說明可知道,馬達輸出能量的特性會受到圈數的影響,因此一但馬達規格明確後,圈數就不可任意變動。而馬達線圈除了圈數外,另一項可供選擇的即為線徑的粗細;線圈越粗則電阻越小,也代表導通損失越少,故在可容許的繞線空間內,線徑越粗則馬達效能越高。而真正的解釋應為,馬達電能導通損失降低,所以有馬達效率提升的感覺。

 

綜合上述馬達相關公式(1)及(3),則在矽鋼片未磁飽和的前提下,馬達圈數越多則轉矩越大,馬達輸出能量增加;線徑越粗則電阻越小,損失越少,馬達效率提高。圈數及線徑這兩項參數都跟槽滿率有關係,因此馬達設計時會有「槽滿率越高,馬達效率越好」的說法。

 

有鑑於此,一但馬達圈數設計完成後,盡可能加大漆包線導體線徑,則馬達效率越高。

 

二、漆包線的使用考量

已知漆包線徑越粗越好,然而在實務上還會受到槽空間的限制,如圖(A)所示,導致線徑無法加粗。除了槽內本身空間外,槽開口也會限制線徑最大值;基本上槽開口的作用除了降低漏磁外,主要功能就是讓線圈經過,好讓導線順利繞於槽內。若僅討論線徑尺寸,則槽開口應為線徑的1.6倍寬較為安全,避免繞線時,導體上的漆包模因刮到矽鋼片而造成絕緣破損;故槽開口會限制可繞線徑的最大值。

003  

   (A)槽空間限制

 

針對超大型馬達,雖然較無這些尺寸空間的限制,但也不會無限制加粗。因電流於導體中流動時,會有集膚效應,如圖(B)所示,電流只在導體的最外圍部份流通,中間部份完全沒作用;因此超大型馬達會採用絞線(C)或直接採用中空導管的方式,來製造馬達。

004                

         (B)集膚效應                         (C)絞線

 

而一般市面常見的馬達體積尺寸並不大,不會讓導體直徑大到有集膚效應的產生的機會,因此可自行選用單條線或多捲線並繞方式製作馬達。其共通的標準為導體有效截面積相同即可,也就是單條較粗的導線截面積與多條較細的導線截面積總合要一致;圓型截面積計算公式(4)如下,r為導體半徑。

005     (4)

 

由上式(4)來計算,則單條粗線要改為多條細線繞時,如單條1mm2要改為兩條並繞,則線徑計算(5)結果如下:

 006     (5)

 

反之,若原本為多條線並繞要改成單條線時,如兩條0.7mm2要改為單條,則線徑計算(6)如下:

 007    (6)

 

大部份選擇多捲並繞的主要考量是因馬達繞線時,會有折角的需求,如圖(D)所示,則粗線徑要折彎時需施較大的力量;倘若折彎角度不足,線圈未能平貼於矽鋼片上,會產生空隙進而影響整體槽滿率,如圖(E)所示。改為多條並繞時,因單一線徑粗度大幅下降,其機械強度亦降低,繞線時的力量需就可降低,方便人工作業。

008   

(D)粗線徑與細線徑

009   

(E)繞線平貼比較

然而多捲繞線雖可解決繞線時的折角施力強度困擾,但對於槽滿率而言不一定有改善的效果。多捲線並繞時,各線段的無法整齊排列,隨機的交錯堆疊,如圖(F)所示,會因此降低槽滿率。另外,漆包線外有包裹一層漆包絕緣層,其厚度可參考表(一),可發現線徑越細則漆包模比重越高;若是採用細線多捲並繞時,其漆包層的比例會進一步提高,使真正的導體空間受到壓縮,降低實際導體的槽滿率。

010        

             (F)多捲線並繞                   (G)漆包絕緣層

 

以0種漆包線為例:

導體直徑(mm)

漆包皮膜厚(mm)

漆包模百分比(%)

0.11

0.016

14.5

0.2

0.019

9.5

0.5

0.025

5

0.7

0.028

4

1

0.036

3.6

(一)漆包線規格表

 

當電流通過導體線圈時,會線圈會生成感抗的作用,而將此一現象以電感值表示強度。一般的獨立線圈僅有自感的感抗作用,即為本身線圈的影響,因此電感值較低;但當兩線圈之間有交疊的情況時,若兩線圈內的電流流入時間不一致時,除了本身的自感作用外,會額外增加互感作用,即兩線圈間會相互影響作用,如圖(H)所示,使電感值再次改變。在多捲並繞時,也會同時有自感及互感的反應,使整組線圈的電感值增加,使電流進入的速度降低。

 010  

(H)線圈互感作用

三、實務繞線的疑慮

在單條粗線的生產繞線作業上,最主要的疑慮來自於是否能讓線圈平貼於矽鋼片上,使槽滿率提升到最高,因此需要加大拉線力量。然而當漆包線粗到某種程度後,要以人力拉平十分困難,但若以機台作業則無此困擾,反而會擔心拉力太大時,導體被拉細或拉斷的情況產生,如圖(I)所示。一但整組線圈中,任一段導體直徑變型後,整體電阻值都將受到影響;直徑收縮段的電阻值會大幅增加,且由導通損失公式(3)可知,此段亦會產生較多的損耗,這些損耗為轉換以熱型態產生,使此段線圈溫度增加,一但溫升高於漆包模可承受範圍,會開始破壞絕緣層,最終使馬達燒毀。另外矽鋼片的絕緣層強度亦需要注意,若強度不足時,但漆包線上的拉力過大,亦會壓毀矽鋼片的絕緣保護層,造成漏電的可能性增加。

 010  

(I)拉伸作用

 

而多捲細線在生產繞線作業時,由於各線段隨機排列,往往產生各線段的電阻值差異,一但馬達送電時,電流會集中於電阻值最小的線段上,導致此線段也會有過熱的機會產生。此種情況最容易發生於選用多捲線的繞法,但因同時抓多條細線並繞時,總合的機械強度仍然較大,無法順利拉緊,又再改為一次僅繞單條細線,繞完後再堆疊第二層的情況。例如採用0.7mm的線徑要繞兩條,第一次只拿一條0.7mm的漆包線開始繞,整組繞完後,才拿另一條0.7mm的線開始再繞一次,如圖(J)所示。則第一次靠內側的線圈,因為總長度較短,電阻值較小;第二次靠外側捲繞的線圈,因繞圈的幅度加大,使得總長度增加,電阻值亦增加。

 010  

(J)多捲單繞

 

多捲線並繞的馬達穩定度較難掌控,主要是沒辦法有效控制絞線的均勻性,因此繞線時,各線段可能受到不同大小的拉力作用,鬆緊狀態會很不一致。若要有效改善此一現象,則各線段需有獨立的張力控制,針對各別線段提供固定拉力;同時盡可能延後合併的時機,最理想狀況是讓各線段在要繞入槽內時才合併,避免絞線提早產生造成不良影響。

 

多捲繞線其實也代表不良率的提高,若以單條繞線的良率若為90%,則多增加一條線時,良率需再次乘上90%,因此兩條時的良率為81%,三條則為72.9%,依此類推。當然,現實情況下並不會如此糟糕,但不良率勢必會隨著使用導線數越多而越高。但多導線的馬達亦代表容錯率增加,當馬達運轉時,意外產生部份線圈斷線情況,則於短時間內仍可依靠未受損的線圈繼續運作。

 

多捲並繞時,往往會同時使用多捲漆包線,然漆包線各捲之間一但有尺寸、強度、表面潤滑度等等差異時,輕則線圈特性受到影響,重則直接斷線。若真要採用多捲並繞的方式時,漆包線最好為同一批出廠的成品,降低線材的差異性影響。

 

四、結論

大型馬達基本上是多絞線選用為主,以避免集膚效應的影響。一般常見馬達則可依人工或機器作業劃分,人工作業大多採用多條並繞,機器作業則為單條製作;若遇到機台拉力不足或槽開口等其他限制調件時,才會採用機器多條並繞的生產方式。

 

 

單條

多捲

限制條件

槽開口寬度

槽滿率(優點)

排線整齊

漆包模比例低

人工作業時可增加槽滿率

槽滿率(缺點)

折角角度大

線圈不易貼平矽鋼片

排列不規則

漆包模比重增加

使用優點

線圈特性均勻度高

 

具容錯特性

絕緣層不易受到強拉力破壞

使用缺點

無容錯能力

張力控制掌握困難

不良率提高

線圈特性不穩定

 

電子全文下載:

https://onedrive.live.com/view.aspx?cid=98D39F91262A7DC5&resid=98D39F91262A7DC5%21457&app=Word

https://www.dropbox.com/s/hrbgqkrrjjemabu/%E9%A6%AC%E9%81%94%E5%96%AE%E6%A2%9D%E8%88%87%E5%A4%9A%E6%A2%9D%E7%B7%9A%E5%9C%88%E7%9A%84%E9%81%B8%E6%93%87.docx?dl=0

 

Lutron-Ind 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()