｜高效率馬達設計開發

摘要：本文討論高效率馬達的設計與開發，先從目前國際規範的性能需求談起，在設計方面，分別討論了感應馬達設計與永磁馬達設計，在感應馬達方面，從等效電路對性能的影響，也對目前高效率馬達使用銅轉子的設計，也說明銅轉子其效率與性能的特性；在永磁馬達方面，從相同功率在不同尺寸下，磁裝載與電裝載對效率的影響，最後，闡述了高效率馬達在產業上的應用與前景。

Abstract: This paper stated the development and design of high-efficiency motors. The motor, an electric machine transforming electric energy to mechanical energy, consumes much of the total industrial power consumption. Therefore, high efficiency becomes a main stream for motor design. In this paper, we stated the internal regulations of motor efficiency limits. Further, the essentials of designing high-efficiency induction motors and permanent magnet motors were discussed, respectively. For induction motors, the equivalent circuit was discussed as well as the copper rotor. For permanent-magnet motors, the magnetic loading and electric loading were discussed under identical output power. Finally, the prospects of high-efficient motors were stated.

關鍵詞：感應馬達、永磁同步馬達、高效率

Keywords：Induction motor, Permanent magnet synchronous motor, High efficiency

前言
在地球暖化現象日趨嚴重的今日，不斷出現石油危機與因為溫室效應而增強威力的颶風與洪災，提高效率與節能已是國際上各國在電機領域發展的重點之一[1]。馬達又稱電動機，是一種將電能轉換為機械能的動力元件，目前已廣泛應用在各種類型的自動化設備，隨著工商業持續發展，日常生活需求不斷增加，相對造就馬達用量持續不斷攀升，其耗能也呈現累進成長的情況[2]。根據美國電力研究院的評估，電能損耗佔全部能量40%，到了2010年百分之80%電能需經電力轉換後，供應給其他電器設備使用，其中馬達耗能佔全部電能之55%[3]；因此，如何提高效率與降低成本，則是各國研究的重點。

依據歐盟與美國DOE對馬達進行之專案報告指出，馬達動力系統其用電量約佔全工業用電量之65%~70%；其次為一個馬達在正常使用週期（平均15~20年）下所產生的運轉花費可能高達100倍之原購置成本，而因使用馬達設備所產生之能源花費約佔公司所有能源花費之60%左右，表一為馬達設備應用於工業之能源耗用狀況，因此有效提昇馬達動力系統之能源效率為目前工業節能最有效之方式。對馬達應用技術而言，是否可以有效節能與有效降低業者能源成本扮演著舉足輕重的角色，故近年馬達技術發展方向已漸向高效率馬達與節能方向前進[4]。

高效率伺服馬達基本上可以分為兩大類，第一大類為感應馬達，其結構如圖一所示[6]，包含了鼠籠式轉子，定子矽鋼片，軸承，風扇，與機殼等部份；第二大類為永磁馬達，其結構如圖二所示，包含了磁鐵式轉子、定子矽鋼片、線圈、軸承與編碼器。

從以上的討論可以知道馬達使用的材料包含矽鋼片，銅質線圈，鋁質低導磁材料，在電機製造上均設法採用誘電係數或導磁係數或耐電壓能力高於空氣的物質以取代空氣來減小電機的體積[5]。因此，如何在電機裝置中建立所需要的磁場成為電機設計的主要工作，其中用以構成磁路的材料，也就是所謂的「磁性材料」，其特性不但影響磁路的設計，也對電機特性、體積與造價有決定性的影響。圖三為不同矽鋼片的B-H曲線，可看出在相同的磁通量密度下，其所需之磁場強度可相差數百倍，所以不同矽鋼片的性能造成所需的定子繞線與通過的電流乘積有相當大的差距。

除了矽鋼片對效率有所影響外，以馬達損耗而言，一般馬達在運轉過程中所產生的能量損耗，可分為兩大部份[4]；第一部份為有效的能源消耗，第二部份為無謂的能源消耗，其中包含以下四種內部損失：

• 電氣損失：電流經過定子銅線或者轉子銅棒或鋁棒時，所產生的損耗。
• 鐵損：由矽鋼片之渦流與磁滯損所造成。
• 機械損失：由馬達在運轉時，因為機械摩擦所產生之摩擦損失，以及風扇所產生之風損。
• 雜散損失：如表面損、橫向洩露電流損…等。