馬達電磁最佳化設計分析技術

前言
馬達電磁分析軟體應用於磁路設計，計算馬達出力特性，如力矩、轉速、功率與效率等已有多年。近年來馬達強調高功率密度的設計，在相同的效率指標下有更小的體積與重量，為達到目標，需要更有效率的設計方法。因此，藉由最佳化設計流程的導入，可自動調整參數找出最佳解，以得到符合目標的最佳化設計結果。

馬達電磁最佳化設計分析技術簡介
電機電磁設計分析在初步設計之後，為確保設計之準確性，需要依靠電磁有限元素分析軟體進行模擬，以確認設計結果。當設計結果不如預期時，可改變電機的尺寸、繞線與材料特性等參數以符合設計需求。然後有限元素軟體的分析時間通常需要數分鐘至數小時不等。雖近年來電腦硬體設備的提升，以及多核心分析模組的應用，讓分析時間相較於過去縮短許多，但電腦硬體設備的提升以及多核心分析模組的軟體採購皆需要大筆費用。因此，應用高檔軟硬體設備的分析，要縮短時間亦需要搭配更有效率的分析做法，減少參數調整的數量，以免去許多走冤枉路的時間。

最佳化設計流程的導入可以解決這樣的問題，利用最佳化軟體與電磁設計軟體的整合，將最佳化設計方法應用在馬達設計上。最佳化已有很多理論方法可供使用，目前亦有最佳化軟體內建諸如實驗設計法、田口法、拉丁超立方與基因演算法等。工研院機械所針對自行開發的CPEV(工研院自行開發之商用電動車)馬達進行設計改善，為解決噪音問題與提升效率，將馬達槽極比進行修改，外徑由原先的260 mm縮小至250 mm。因應尺寸的修改，馬達的定轉子齒槽尺寸須重新進行設計，並以高效率為目標。

車用馬達與工業馬達的最大不同在於操作區域，工業馬達的操作區域通常只有單點，或是單一轉速下分成2~3種負載；車用馬達則是在不同轉速與負載下操作都期待有高效率的表現。因此，在設定馬達高效率的目標就變得不只是單點效率的提升，而是必須考量到高效率區的提升。而高效率區域需落在馬達的哪一個位置，則是在進行設計之前就必須定義。常見的做法是，將車輛的行車型態如UDDS的車速和時間曲線轉換至馬達的TN曲線，轉換後在馬達的TN曲線上可以繪製出許多點，這些點密集出現的區域代表車輛操作的狀況之下，馬達最常被操作的區域。而常操作的區域並不代表耗能最高的區域，如馬達低轉速或低扭矩的時候其輸出功率都不高。因此操作點還需再轉換成能耗，以確認馬達的高耗能區，即馬達設計上須達成的高效率區。