｜電動車用馬達多重物理耦合分析與驗證

摘要：金屬雙極板具有低成本與高機械強度的特性，但是質子交換膜燃料電池的金屬雙極板因為操作在溫度較高的硫酸環境中，所以金屬板會遇到腐蝕的問題。透過雷射披覆碳膜於金屬雙極板上可提供抗腐蝕之保護。

Abstract: Metal bipolar plates have low cost and high mechanical strength properties. Because the PEMFC works at a high temperature and sulfuric acid environment, the metal plate encounters corrosion issues. The metal plates can be protected from corrosion by laser carbon film cladding.

關鍵詞：馬達、耦合分析、振動噪音

Keywords：Motor, Coupling Analysis, NVH (Noise, vibration, and harshness)

前言
近年來，由於能源成本的高漲，以及對於環境保護議題的重視，各國對於節能減碳的要求日漸提高，日常生活食衣住行中的各式馬達電機設備，逐漸導入高效能電機，同時燃燒化學能的動力源，也逐步導入電機裝置，改善整體系統效能，特別是電動車中的電機，格外受到各車廠的重視。隨著各式高效率電力元件的開發、材料科技的進步及設計工具日漸完備，使得電機的效能進展快速，對於電機產品的要求，逐漸從效能層級提升到品質層級，產品設計的振動噪音與熱傳問題，越來越受到消費者的關注。因此，如何在設計階段進行振動噪音與溫升的評估，已成為未來產品設計的關鍵能量之一。

電動車用動力系統主要包含電池、控制器[1]與馬達，馬達做為其中的動力輸出，是重要的關鍵零組件。台灣雖為馬達的主要出口國之一，對於電動車馬達卻少有成熟的產品，其中一個很重要的原因是車用馬達之操作範圍廣，力矩和轉速的變化大，再加上馬達操作的環境較嚴苛，對於安全之要求也更高。因此馬達的設計相較於工業應用更加須要考量溫度與振動噪音之影響，確保產品品質與使用壽命。

過去馬達設計是先進行電磁設計確認性能，再針對結構外殼和熱傳機構進行設計，最終分析結構應力與熱傳性能。事實上馬達在操作上電磁、結構與熱傳是相互影響的，電磁力的變化會造成定子與外殼的變形；電磁損耗產生的熱會造成性能下降，也會造成結構受熱應力的變化。傳統馬達設計將不同物理量以一條鞭式的設計流程分別進行的設計方法已經無法準確地預估馬達性能。為更準確地了解系統的實際狀態，近年來有限元素軟體開發商開始發展多重物理耦合分析之功能，將不同領域的分析軟體透過同一平台進行連結，藉此考量不同物理領域對系統的交互產生的影響。

本文以車用50 kW驅動馬達為例，分別展示電磁-熱傳與電磁-結構之耦合分析方法，並藉由分析和實驗結果的比對，確認設計方法的可行性。