如何把電能轉化成動能?淺談電動車馬達的奧秘
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馬達的運作原理非常簡單,由固定不動的「定子」以及會旋轉的「轉子」所組成,使用的是最基本的電磁感應原理,根據安培右手定則,將電流通過導體周圍,就會 ...
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電動車看似構造簡單,但其實蘊含大量科技,光是馬達就有好幾種,而「永磁同步馬達」是靠什麼優勢成為現在電動車主流?電動車在這幾年有著跳躍性發展,被認為是汽車產業的未來,在傳統燃油車上,動力心臟是來自於「引擎」,沒了引擎的電動車則是由「馬達」承擔輸出動力的責任,直列引擎、V型引擎、水平對臥引擎,不同引擎型式有不同的優缺點,而電動車的馬達其實也有不同種類!馬達是如何運作?靠什麼產生動能?馬達的運作原理非常簡單,由固定不動的「定子」以及會旋轉的「轉子」所組成,使用的是最基本的電磁感應原理,根據安培右手定則,將電流通過導體周圍,就會產生磁場,若將導體置於另一固定磁場中,則將產生「同性相吸、異性相斥」現象,進而造成轉子移動產生動能,所有類型的馬達運作都是根據以上原理,差別在於產生磁場的方式不同。
馬達百百種,哪個最適合當作車輛動力來源?馬達有很多種類,若以電流種類來區分,可劃分「直流馬達」與「交流馬達」兩大類,直流馬達又可再區分為「有刷」及「無刷」,有易於控制與構造簡單的優點,但其特性較不適合高溫、易燃環境,雖然廣泛應用在消費產品上,但並不適合當作電動汽車的動力來源。
而交流馬達具有效率高、輸出大的特性,是目前電動車主要採用的動力來源,其中又可區分成「感應馬達」及「永磁同步馬達」,兩者間最大差異是其中轉子的不同,永磁同步馬達的轉子自帶磁場,而感應馬達的轉子只是導體並不帶磁場,是通電之後產生電磁感應才能與定子進行運動,因此也稱為「感應非同步馬達」。
感應馬達可以說是現代工業使用最廣的馬達種類,有易於控制轉速、構造簡單、成本較低及維護容易等優點,被廣泛應用在各個場合,家裡的電風扇、洗衣機等日常電器都能見到,而在電動車上,採用感應馬達最知名的車廠就是特斯拉,在2019年進行改款前,旗下ModelS、ModelX就採用兩具感應馬達作為動力來源,另外Audie-tron、賓士EQC等車款也是採用感應馬達,不過缺點是體積較大、耗能較高。
而目前最多電動車使用的則是永磁同步馬達,最大原因是在同等功率條件下,有體積更小、重量更輕、效率更高的優勢,單就體積來說,永磁同步馬達可以比感應馬達小25%,但輸出效率卻好上一截,因此在對空間錙銖必較的車輛設計上獲得重用,BMWi3、保時捷Taycan、JaguarI-Pace、特斯拉Model3等車款皆採用永磁同步馬達,ModelS、ModelX在2019年改款後也換上前永磁+後感應的馬達設計。
永磁同步馬達的關鍵優勢前面有說到永磁同步馬達的轉子自帶磁場,其中就是因為轉子是使用永久磁鐵製成,這是唯一不需要通電就帶有磁場的磁鐵,除了有助於縮小馬達體積,也可以在更短時間內達到高轉速,使馬達出力更直接快速、耗能更少。
雖然種種條件看來,永磁同步馬達比感應馬達還要強,然而其中永久磁鐵的關鍵原料是必須使用釹鐵硼這類稀土金屬打造,這不僅讓永磁同步馬達的成本提高不少,地球上的稀土資源也有限,是將來全面發展電動車勢必會遇到的問題,因此研發替代原料、開發不需稀土的馬達成了近年車廠們的目標。
馬達雙分天下低成本、高耗能v.s效率好、高成本綜觀來說,永磁同步馬達與感應馬達是現在、也將是未來電動車動力來源的兩大主要技術方向,兩者雖然各有優缺點,但與燃油引擎一樣,不同型式的馬達並沒有絕對的誰好誰壞,這要取決於車款的整體定位與以及鎖定買家族群的需求而定,不過可以肯定的是,隨著科技進步、經驗累積,未來的馬達效能只會越來越強大。
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#電動車#永磁同步馬達#感應#model#引擎汽車
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