馬達矽鋼片使用注意事項 

 

矽鋼片已然成馬達結構中重要的一環,矽鋼片的尺寸優化、加工能力及材料特質都會直接影響馬達輸出效能。然而矽鋼片並非主要馬達能量來源,它僅僅是磁能傳輸的介質,因此仍有部份馬達並未使用矽鋼片,而同樣有馬達的功能。換句話說,矽鋼片就像是一條鋪好柏油路,能讓磁能在上面順利的傳導;因此矽鋼片設計的主要重點就是讓磁能順利的通過,不要遇到塞車情況。 

在矽鋼片的材質資訊中往往會有個磁通密度B,單位為T(特思拉);此項數質就相當於車道寬度,值越高越大,則車道越寬敞,磁能就能大量的流動。不同材質的導磁性不同,能容納的磁通密度就不同,空氣大約是0.6T,由表可發現矽鋼片導磁性為空氣的2~3倍,為目前所知最好的導磁材料。反過來說,若是有一天發現一種材料擁有更好的導磁能力,則矽鋼片將會被取而代之。

矽鋼片特性表   

真實的物理現象中,能量在傳輸或轉換的過程會有損失產生,矽鋼片在傳輸磁能的過程中所造成的損失稱之為鐵損。鐵損值越高則損失越多,因為大多希望越低越好;然而由中鋼所提供的矽鋼片資料來看,可以發現鐵損低的矽鋼片同時導磁密度也下降了。這會造成一個有趣的現象,也就是用好的矽鋼片與壞的矽鋼片,最終馬達輸出的效果是一樣的。好的矽鋼片雖然損失少,但沒辦法傳輸太多的能量;而不好的矽鋼片傳導的磁能多,但又被損失給扣掉了。當然實際在使用上還是會有些差異,包括馬達溫升及暫態響應時間縮短等優勢;不過,成本往往是更多廠商選擇的主因,若性能沒有特別突出的表現,是不會願意購買較高品質的矽鋼片。

剛提到矽鋼片是導磁性最好的材料,其實也代表它的鐵損其實也是最低的。矽鋼片在馬達界中又稱為軟磁材料,這字是用來代表矽鋼片上的磁極變化非常容易,也就是極性轉換時的能障非常低。在機械力學中,能量有兩種概念,分別為動能跟位能;位能其實就是牛頓運動定理中動者恆動,靜者恆靜,是在描述能量若維持成一種狀態後,要改變其狀態值,需要額外能量的影響。在磁能的領域中相當於是矽鋼片若為N極,想要改變狀態為S極時,需要一些外部的能量去衝擊改變它;而矽鋼片的最大優勢就是外部的能量不需要大,只要附出些微代價就能改變矽鋼片上的磁能狀態。而附出的些微能量就稱為磁滯損,這名稱取得十分貼切,就是要抵制磁能停滯不變時,要附出的能量損失。用圖示來看時,就是材料的磁化曲線中,中間的面積越小,代表此一材料的磁滯損越低,磁極的變化越容易。

 

磁化曲線  

然而,磁滯損也僅僅是鐵損中的一部份,另一部份稱之為渦流損,主要是磁生電所產生的導通損失。由電磁學原理中,已知道有磁場產生時亦會感應出電場,而電場內會有電流,則會有i2R的導通損失。所幸這損失的大小與渦流路徑長短有關係,因此將矽鋼片切成薄片即可抑制渦流損的增加。

矽鋼片渦流   

但在鐵損的評估中,有些難以一概而論的損失,則稱之為雜散損,其產生的原因難以用數學式去定義或說明。如加工所造成的損失,矽鋼片原為一片平板,是經由沖床進行裁片後,在堆疊而成;因此在裁切面上會有殘留應力或應變所造成的阻礙,可參考下圖,於不同加工部位其磁化曲線變異。在實測上發現,由加工面延伸深約3mm處都會受到加工的影響,導致磁通密度下降。有部份馬達廠為了改善加工的影響,會在矽鋼片堆疊完成後,進行回火處理,將殘留應力應變消除;此一製程大約可增加馬達2~5%的輸出效率。

 矽鋼片各部位加工損失

此外在矽鋼片的堆疊厚度評估時需要注意,由於矽鋼片上下表面有披附絕緣層,來降低渦流損的影響,因此1mm厚的矽鋼片中,約0.95mm為鋼材,而0.05則為絕緣漆模厚。若在馬達設計時沒注意到此一特點,進行評估,則越厚的馬達實際製作時,功率會與設計值的差異越大;這項參數在馬達中稱為”堆疊因素”,常取0.95為標準值。然而,近幾年為了追求高效率馬達,矽鋼片亦持續在改進,通常鐵損值越低的馬達,也代表絕緣層越厚,其堆疊因素會更低,要注意。  

另外在矽鋼片的堆疊方式中,目前熟知的有膠合、鉚點及焊接三種。膠合用於較薄(0.2mm以下)且總重量較輕的矽鋼片,但因為有膠的關係,則堆疊因素更低。鉚點則是目前最常用的方式,但鉚點的大小及位置設計需稍微注意一下,在鉚點位置因加工影響,其磁通密度會下降,若在磁通密集處打上鉚點,則容易產生磁飽和現象。焊接主要用於大型且重量重的馬達,但焊接會增加渦流損失,因此焊接點盡可能避開磁路徑,對馬達效能才不會有影響。焊接時還需要注意熱所產生的應力應變,會使矽鋼片產生變形翹曲的影響。

單層矽鋼片  

矽鋼片焊接   

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