馬達矽鋼片細部設計基礎概念 @ 路昌工業股份有限公司

馬達矽鋼片細部設計基礎概念

前言：

馬達設計基本上包含三要素，磁能設計、磁路設計及輸入電能設計三部份。若以較為簡單的永磁馬達來舉例說明，則磁能設計就是磁鐵規格的選定及配置安裝設計；輸入電能設計則為選定漆包線徑與圈數等規格；磁路設計則是挑選導磁材料特性與尺寸規格部份。一顆馬達的能力規格就取決於此三要素，但其中影響最大的往往是磁路設計，一旦導磁材料尺寸設計完成，則馬達的最大輸出能力就已經確定，即便再將磁鐵或電能加強，都無法有效的獲得輸出能力。

為何導磁材料的影響如此重要呢? 可參考下圖一所示，磁力線由馬達轉子上的磁鐵部份產生，經由導磁材料的傳導至定子部份，與定子上的電能線圈進行正交作用產生轉矩，即為馬達轉動力量的來源。但導磁材料能容許的磁通密度有限，目前能容納最多的磁力通過的材質即為矽鋼片，也是目前馬達中最常使用的導磁材料。一旦矽鋼片的磁通密度達到飽和狀態，多出的磁力會變成到處亂竄，無法有效流經定子，與電能線圈產生轉矩應用，視為漏磁通。

圖一：馬達內部磁路示意圖

在導磁材料已選定之情況下，則單位面積可容納的最大磁通密度已確定，剩下的就是相關尺寸的設計，也就是馬達設計中最常討論的矽鋼片尺寸設計。若在內外徑尺寸已確定之情況下，其主要工作包括三方向，第一就是在最小的面積內達到最大磁通密度的傳導；第二則是避免漏磁通的產生；第三則是於不影響磁通需求下，增加槽面積，以容納更多的電能導體使用。

最佳化的馬達磁路設計，往往要依賴軟體模擬，方可達到最佳設計需求與效果。但若具備本文所教導之基本設計概念，亦有80分左右的成效，再搭配模擬軟體使用，可達事半功倍的成效；若是直接運用也可收雖不中亦不遠已之結果。

馬達名詞：

本文先以圖二中的馬達定子矽鋼片作為解說各部位的設計要點，約略分為三部份，分別為齒部、軛部、靴部，將陸續介紹其設計要點。

圖二：定子矽鋼片各部份示意圖

軛部：

此一部份設計時有三項需注意，分別為磁通密度、機械強度及鉚合點問題。先由最簡單的鉚點設計來說，基本上要先考量矽鋼片堆疊後的重量來決定鉚點數量，過多的鉚點數會影響磁力通過及機械強度問題，於合理的鉚合強度下，鉚點數越少越好。圖三則表示鉚點的方向最好與磁通方向一致，降低對磁通影響程度。

圖三：鉚點方向設計示意圖

至於磁通密度及機械強度都是受到軛部總寬度所影響，越寬則機械強度越好，可避免因矽鋼片受磁力影響變形所產生的震動噪音；同時避免磁力過度飽和的情況，達到降低鐵損效果。在忽略機械強度，僅考慮最小磁通需求寬度之情況下，軛部寬度、齒部寬度及馬達槽極配有一基本公式。首先要知道馬達的槽極配關係，也就是一極會對應到幾齒數量，來決定軛部與齒部的關係式。以下圖四為例，則左方定子軛部會流經的磁通與單一齒部的一致，則最小軛部需求寬度與齒部同寬即可；右方例子中，軛部最密集處會流經三個齒部的磁通，因此軛部最小寬度應為齒部寬度的三倍，方為合理的關係。

圖四：槽極配與軛部磁通示意圖

靴部：

靴部的基本設計要點在於槽開口及靴深這兩部份，其中最主要的影響因素為槽開口之設計。槽開口的要求其實是越小越好，有利於吸收磁鐵所產生的磁力，但過小亦會產生漏磁現象。槽開口主要會受到繞線的需求影響，而不得不擴大，因此設計條件會受到繞線方式而有所差異。

若槽開口向內，一般採用入線機或內繞機生產，此種繞線方式所需的槽開口寬度都較大；入線機所需的槽開口寬度會是線圈總和直徑的1/3左右；而內繞機則視勾線管的設計而定，通常會是漆包線徑的三倍，但最低寬度也要維持在2mm以上。若槽開口槽外，則使用外繞機種生產，則槽開口維持線徑之1.6倍以上即可。

槽開口尺寸決定後，槽寬就為已知，再加上齒部寬度尺寸與齒部矽鋼片磁通密度設計值，則可評估槽深尺寸。一般常見之矽鋼片磁通密度設計值為1.6T(特斯拉：表示單位面積流經的磁力)，而空氣的磁通密度為0.6T，其中差了2.67倍；則槽寬減去齒寬後，再除上2，以獲得單側尺寸，最後再除上空氣與矽鋼片的磁通密度比例差2.67，即可得到最小槽深尺寸。若於靴部與齒部銜接處，加入導角或斜角設計，則最小槽深尺寸有再縮短的空間。