簡易型無刷馬達設計
前言：
永磁無刷馬達是台灣近幾年來馬達界最熱門的產品，雖然日本方面早在二十年前就開始研究，但這項技術一直沒有外流，直到京都議定書的出現，環保成為了全世界共通的話題及目標，永磁無刷馬達也就開始浮出臺面，無污染及高效率的特點，使它成為最火熱的產品，但也成為了國內馬達廠商的燙手山芋，一個完全不熟悉的產品再加上需要電子技術的輔助，這兩個待突破的問題點就開始懸在那裡。
經過了這三~五年的研究，無論是學界業界都大量的投入永磁無刷馬達研發，已略有成果，也開始慢慢起步了；一顆永磁無刷馬達包括馬達及電子控制兩部份，整體馬達的效率則是兩者的相乘，其中一方太差，則整體效能下降程度是相對的，如双方都是90%的效率，則馬達整體效率則是81%，但有一方僅為80%，效率立即下降至72%，因此兩者的效率都不能輕忽，才能完成一顆好的永磁無刷馬達。
萬丈高樓平地起，良好的基礎是做好事的不二法則，要做好一顆永磁無刷馬達，須從馬達的原理基礎開始，市場上有許多設計馬達的軟體，都是輸入數據資料後電腦會跑出結果，這確實是很方便的套裝軟體，但無助於學習者去了解馬達，去分析每一項輸入參數所造成的結果，也無法知道輸出結果是因為那些參數所造成的，因此為了知道這中間的過程，而使用Excel去演算設計一顆永磁無刷馬達，使學習者可以查閱在輸入及輸出中間，到底經過了那些計算過程。
本文所提出的試算表主要是依照 許溢适先生所編譯的”實用電動機設計手冊”中的例題為範例，加以演算填表，遇到不明白的步驟時，則請教簡明扶先生指導，另外也參考了黃昌圳教授指導的碩士論文資料。
一、無刷馬達演算流程
試算表說明
黃色列：分類列，將馬達設計各參數區分歸類。
第一欄：各類參數的中文名稱、英文代號及使用單位。
第二欄：計算數據值，由電腦自己演算出結果；但若用藍色方塊顯示時，為輸入參數，輸入值自訂，右方第四、五、六欄若有數據，為輸入參考值。
第三欄：電腦計算數據所使用的公式，可得知此一輸出結果是從那些輸入參數計算所得；藍色字體為說明輸入的參考依據或輸入參考值的公式。
第四欄及第五欄：輸入參考值的範圍及備註。
第六欄：經由計算得的輸入參考值及備註。
步驟一：額定規格
電壓：馬達實際驅動的電壓，也就是控制器最後送入馬達內的電壓值，而非外部電源送入控制器的電壓。
相數：為控制器輸出到馬達的電壓相數，而非外接電源的相數，一般都選擇三相控制，使用六個開關元件切換。
頻率：此為外接電源頻率，此一參數對馬達部份意義不大，因電源進入控制器後再到馬達部份，則實際影響到馬達的是控制器輸出部份的頻率，頻率主要是影響轉速及鐵損部份。
步驟二：機構尺寸參數
磁鐵：此一設計例為一環形磁鐵，且為表面型式的轉子設計，此處主要是輸入外形尺寸部份。
各極間磁石間距：此一參數是針對瓦片型磁鐵的設計，為影響磁場作用的數據，此一設計例並未使用到，如要使用此一數值，則部份公式需要改變，詳細內容可見參考文獻二。
矽鋼片：主要還是一些定子矽鋼片外觀尺寸方面的資料，而轉子矽鋼片方面在此例中並沒有考慮到，而內部漏磁的情況也忽略未計。
步驟三：磁路設計
卡特係數：主要是用來修正槽型所引起的氣隙改變，進而影響到磁通密度的變化，亦是用來演算等效氣隙之係數。
磁阻比：是計算漏磁係數的參數，如為瓦片型的磁鐵，而非本例中的環型磁鐵，則此處公式會有所改變，而此一數據在”實用電機手冊”中並未提到，它是直接估計漏磁係數去計算的。
漏磁係數：主要是磁通在經過氣隙傳到定子之間的損失係數；在原例中是有一範圍值，由經驗上去選定，但在此列的第六欄，有一使用不同演算方式所計算出來的參考值，可供使用者填入適當的參數。
磁動勢損失係數：此一參數依然是磁力在傳輸過程中的損失，在本例中一樣使用經驗值去填入計算，而同樣有範圍值及計算值可參考。
殘留磁通密度：磁滯曲線中，與X軸相交的點，如圖1中的紅點處。
矯頑磁力：磁滯曲線中，與Y軸相交的點，如圖1中的黃點處。
線性最大矯頑磁力：此處需查尋磁鐵的磁滯曲線圖，將第二象限的線性部份延升至與Y軸的交點，此點就是所需的數據值，如圖1中藍色線段與Y軸的交接的黑點處。
圖1：磁性材料的磁化曲線 (B-H Curve)
步驟四：槽型設計
槽型：輸入槽型尺寸，尺寸標示如圖2所示。
圖2：槽型位置及名稱示意圖
步驟五：電樞線圈設計
並聯導體數：一般是使用一條漆包線代表一導體，但如線徑太大時，可以改以多條漆包線代表一導體，則稱為並聯導體數。
線圈層數：此例為一採用同心繞的定子線圈，因槽數關係僅能分為內外兩捲，故層數為二。
感抗：需要實際的運轉時才能計算，而感抗值太小，對總電抗影響差異不大。
圖3：線圈位置及名稱示意圖
步驟六：鐵損計算
鐵損密度：此一數據是依照矽鋼片廠商所提供的鐵損曲線圖找出的，但需要有磁通密度及工作頻率這兩樣參數，才可依圖找出鐵損密度。
圖4：矽鋼片的鐵損曲線圖
步驟七：馬達基本特性
電壓降：因驅動電路元件所造成的壓降現象。
機械損比：此一機械損為啟動時所產生的機械損部份，另還有一運轉時的機械損，詳細計算會需考量到馬達組裝部份，故以一經驗預估值去計算，且機械損在馬達損中所佔的比例並不高，以銅損、鐵損、風損為主，其後才是機械損及雜散損。
最大輸出：此例的設定以啟動特性到無載特性的中間值為最大輸出，實施情況要依使用情況去調整。
步驟八：馬達定點特性
定點特性：本例中只計算到最大輸出的部份，但僅有此一數據資料，總覺得有所不足，就依相同的計算方式設計可以定轉矩或定轉速的參數資料。
二、結論
本例大多是書上的演算公式，可看的出來是很簡易的設計方式，主要著墨點在於磁鐵及氣隙這兩部份，並未討論到定子矽鋼片的磁性表現，可能是因為本例中所用的磁鐵磁性並不強，無任何飽和的問題，或是矽鋼片的影響遠小於磁鐵的效果，故忽略不計；而經過步驟六的演算程式計算(鐵損部份)，也確實不會達到矽鋼片的飽和磁通1.7T，但損失還是存在的。
如要以此例實際去設計一無刷馬達，恐怕與實際的差異會較大，還需要更多的參數補助及修正，才能更為完善，但上述方法已經能提供一些觀念及方向，對於了解無刷馬達是一個不錯的選擇。
三、參考文獻
許溢适編譯，實用電動機設計手冊，文笙書局，民國八十五年
張浚溢，表面型與內藏型永磁同步機特性比較，逢甲大學電機工程學系碩士論文，民國九十一年
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