｜直流無刷薄型馬達之熱流場分析技術

摘要：針對具有雙氣隙楔型定子的直流無刷薄型馬達，本文進行熱流場分析以獲得其運轉時的定轉子與外殼的溫度分布，並做為薄型馬達散熱設計的參考。本文採用有限元素法，以精確地計算薄型馬達的熱損失，並使用ANSYS軟體進行電磁、流場與熱場耦合分析。電磁模擬方面主要是在輸入三相電流值約為10 A時計算薄型馬達的銅損（最大值約136W）與鐵損（最大值約30W），並將流場模擬軟體所得到的表面對流係數值同時輸入穩態熱模組中進行計算。由模擬結果可知在徑向散熱中，在同樣的出口流速下（如5m/s），四孔散熱的導流罩比兩孔散熱的導流罩之散熱效果較佳，且散熱較平均。在軸向散熱中，在同樣的入口尺寸下，若入口流速愈大則定轉子與外殼的溫度愈低。在兩孔散熱之出口流速為5 m/s時，有散熱鰭片之定子溫度（72°C）比無散熱鰭片（233.9°C）大幅下降161.9°C，此外，徑向散熱與軸向散熱分析中，在馬達外殼加裝散熱鰭片皆比未加裝時散熱效果佳。

Abstract: In this paper, the thermal field analysis of the brushless DC slim motor with the double-side airgap stator is performed in order to obtain the temperature distribution of the stator, rotor, and housing during operation. The results serve as a reference for heat dissipation design of the electric motor. In order to accurately calculate the thermal loss of the slim motors, the finite element method is adopted here. Electromagnetic-thermal and fluid-thermal coupling analysis is performed using the ANSYS software. The copper loss (maximum 136 W) and core loss (maximum 30 W) were obtained from the simulation results of the slim motor by inputting the three phase current of about 10A in the electromagnetic simulation. Then the surface convection coefficient were obtained from simulation results of the fluid field, and the copper and core losses were simultaneously inputted into the steady state thermal module for calculation. From the simulation results of the radial dissipation, the effect on the heat dissipation of the guiding mask with four holes is better than that of the guiding mask with two holes at the same outlet velocity. In addition, the temperature distribution of the motor housing with the four-hole guiding mask is more uniform than that of the motor housing with the two-hole guiding mask. In the analysis of axial dissipation, when the inlet velocity is higher at the same inlet size, the temperatures of the stator, rotor and housing are lower. In the case of the heat dissipation of the guiding mask with two holes, when the outlet velocity is 5m/s, the temperature of the stator in the electric motor with fins (72 °C) comparing with that in the electric motor without fins (233.9 °C) is greatly lowered by 161.9 °C. Besides, the effect on the heat dissipation of the motor housing with fins in the radial and axial heat dissipation is better than that of the motor housing without fins.

關鍵詞：散熱、軸向磁通、熱流場

Keywords：Heat dissipation, Axial flux, Thermal Fluidic Field

前言
馬達是機械動力的主要來源，也是工業之母。馬達依其使用場所不同可分為民生用馬達與工業用馬達，而民生用馬達方面，如清掃機器、光碟機、硬碟機、電動自行車、風扇、手機震動馬達、相機光學鏡頭等，對於馬達外型有扁平狀的特別需求，因此更加速了薄型馬達的發展。由於薄型馬達的應用日益擴大，已逐漸取代部份傳統馬達的市場，其重要性正與日俱增。目前能源問題已是國內外須共同面對的議題，因馬達用電佔能源消耗重要的比例，故如何節省馬達的耗電量以減少能源浪費已成為各國努力的目標，因此開發高效率馬達已是刻不容緩的事。馬達損失是影響馬達效能的重要因素之一，包括銅損、鐵損、機械損與雜散損等，這些損失最終會以熱的方式呈現。若無良好的散熱則會使熱在馬達中累積造成馬達溫度過高，而使馬達產生退磁，甚至運轉失效，因此必須在散熱方面深入研究與探討，以加速完成高效率薄型馬達開發。

在馬達的熱分析方面，在2005年Vilar [1]建立了集中參數熱網模型（Lumped parameter thermal network model）以進行單面的軸向磁通永磁馬達熱分析，在其分析中，經由實驗獲得其參數。針對具有軟磁複合（SMC，Soft Magnetic Composite）材料的高速馬達，Huang [2]於2009年進行熱分析，採用旋轉的鐵損模型，並使用有限元素法進行三維磁場的分析以精確地計算高速馬達的鐵損。在結合電磁與熱分析方面，Mezani [3]針對感應馬達中的電磁與熱現象建立一模型以進行電磁與熱耦合，之後於2010年Gilson [4]建立了可最佳化永磁同步電機（PMSM, Permanent Magnet Synchronous machines）的電磁與熱設計的創新設計策略。此外，Staton [5]探討了預測電機的對流冷卻與流動的公式，而對於馬達溫升預測Yabiku [6]則概述了一套有用的計算和設計指引。2012年Popescu [7]對二重三相感應馬達（Duplex Three-Phase Induction Motor）進行了熱分析研究，其論文描述了二重三相感應電機用於容錯應用的熱模型，並考慮在二重三相機器操作故障條件下的三相與六相變化。Kefalas [8]在2014年針對應用在太空中的永磁同步馬達，考慮複雜的、非對稱的驅動器外殼配置，開發一套有限元素軟體以實現準確的三維瞬態熱分析。在計算流體動力學方面，Wang [9]發展一種結合兩種模型而成熱流模型，該模型由一種典型的軸向磁通永磁電機的集中參數熱傳模型與空氣流動模型組成。Jungreuthmayer [10]則提出了具有內部磁石的徑向磁通永磁同步馬達的計算流體動力學模型。在2009年Boglietti [11]對電機的熱分析的演變和現代方法做了廣泛的調查，對在過去十年中所提出的改進方案和新技術進行了深入分析與比較。

雖然在薄型馬達的外殼直接假設軸對稱的熱傳係數進行計算可快速得到定轉子與外殼的溫度，但事實上若考慮實際散熱裝置，如導流罩，並使用徑向氣冷散熱，因其入出口與導流罩流場產生非軸對稱的熱傳係數，所以直接假設軸對稱的方式並無法精確描述其真正的散熱分布情況。因此在本文的計算模擬中，考慮實際散熱裝置（導流罩）的尺寸，並分成徑向氣冷與軸向氣冷兩種方式來分析全閉型薄型馬達的散熱。徑向氣冷依據導流罩的開孔數又可分成雙孔與四孔散熱，並針對有無散熱鰭片進行薄型馬達的熱流場分析。在本文中，首先將說明直流無刷薄型馬達的設計，之後並採用有限元素分析軟體ANSYS進行模擬。經由電磁（Maxwell）、流場（Fluent）與熱場（Steady-State Thermal）的耦合分析，以獲得馬達運轉時的各部位的溫度分布。