| 工基專欄 | 石墨烯材料在車用動力系統之應用( 二)

前言

近年來環保節能意識抬頭，全球一線車廠積極開發新電動車及油電混合車，包括日產汽車、特斯拉、豐田汽車等等在近幾年皆有上市新車款。而電動車的設計取代了一般汽車的內燃引擎、變速箱及點火裝置等，而加入了馬達、電池、電子控制裝置變流器以及轉換器，其中轉動車子的關鍵就是馬達。車用馬達需要極大的馬力、體積小、重量輕以及散熱效率高，在製作馬達的過程中充滿了重重的挑戰。導熱效率最優異的物質則是石墨烯，可製作成複合材料應用於車用馬達、車用風扇及電池散熱等等。石墨烯是由碳原子組成的sp^{2 [1]}混成結構，呈現六角形晶格的平面薄膜，單層結構的導熱係數為5300 W/mK^[2]，當石墨烯接上修飾官能基後熱量傳遞會受到影響，但仍舊有著優秀的導熱性質。本文將介紹以石墨烯複合散熱材料應用於車用馬達，可幫助馬達散熱進而提高效率及使用時間。

石墨烯材料在車用動力系統之應用(二)

石墨烯合成方式有許多種，有最早開發的機械分離法^[3]，進而有使用碳化矽表面沿外生長^[4]、氧化減薄石墨片法^[5]及化學氣相沉積法^[6]等方式，而工研院機械所以自行開發的變壓器耦合電漿化學氣相沉積儀（transformer coupled plasma-chemical vapor deposition, TCP-CVD）生產石墨烯花粉末。另外搭配低溫切削設備及超音波震篩機，可以分離出不同粒徑的石墨烯粉，藉以應用於不同的導熱產品。主要開發的導熱產品有兩類：可固化導熱膏及液態導熱膏，前者用於大體積的灌封用途，而後者則是導熱介面材料（thermal interfacial material, TIM），填補兩種材料間的細微間隙。搭配兩種不同類型的石墨烯複合導熱膏，將可提升馬達的散熱效率。

動力馬達散熱模擬：

動力馬達的熱損失主要分為銅損、鐵損兩種，其餘稱之為雜散損。銅損為銅繞阻線圈在運作時有電流通過，銅繞組有一定電阻因此會生成焦耳熱，為馬達功率耗損的主要因素。而鐵損分為磁滞損與渦流損。定子一般由矽鋼片疊製而成，運轉時因感應作用產生電勢，有強大的渦電流環流在電磁鐵中，在交變磁場中產生損耗，為馬達功率損耗的次要因素之一。馬達內部的冷卻系統設計的目標乃是幫助銅損及鐵損產生的熱帶至馬達外殼，幫助內部降溫，使馬達提高效能且延長馬達壽命。馬達的拆解圖如圖一所示，包含了定子鐵芯、定子繞組、轉子、外殼及出線盒等等。馬達的冷卻系統包含了定子、外殼及導熱介面材料。以石墨烯液態導熱膏填於定子與外殼間的氣隙，幫助熱傳導至外殼的散熱鰭片上。另外開發了絕緣石墨烯可固化灌封膏，可兼顧絕緣與導熱，可將銅導線所產生的焦耳熱傳導至外殼，且不影響馬達整體的絕緣性。