車輛中心 環能與車電工程處 陳毅軒

為了環境的永續發展，減少石化燃料的使用，儼然已成為世界各國當務之急。近年來，世界各國已紛紛表態，將於2030~2040年間針對禁售燃油車輛及新能源車輛的推進等議題陸續提出目標時程（如圖1）。在各國電動車發展之鼓勵性政策推動下，未來幾年內電動車市場之成長將是可以預期的。有鑑於此，國際間各大車廠均已積極地投入電動車的研發。

圖1、各國發布禁售燃油車年份及零排放承諾 

資料來源：IEA, Global EV Outlook 2021

在電動車之動力系統中，車載馬達設計的優劣與否，將對電動車性能的好壞扮演著舉足輕重的角色。然而，車載馬達設計的過程，需要考量其磁路、結構及散熱等多個物理領域的議題，其彼此之間又會因耦合作用進而產生交互影響，近年來馬達多物理場最佳化設計技術已成為馬達效能提升的重要手段。

一般而言，馬達與控制器間匹配與否，對於車輛之馬力輸出效能的展現具有直接的關係。因此，馬達設計初期會先以磁路模擬分析確認馬達之基本特性是否符合客戶需求（亦即在既定轉速下馬達之扭力及效率是否達到預期目標），另外，在設計過程中亦可針對材料B-H磁化曲線、槽極比、氣隙、繞組等設計參數進行調整，再透過磁路模擬分析來探討其對於馬達特性如T-N、磁鏈連續性、反電動勢等的影響（如圖2）。近年來，有部分電動車所採用之車載馬達型式為永磁同步馬達，由於此類型馬達在高速運轉時其反電動勢提升導致發熱問題較為嚴重，造成馬達效率下降磁鐵退磁的影響（如圖3），因此，若可再搭配熱流及結構模擬分析軟體進行馬達之熱─磁─固耦合模擬分析，勢必將可對馬達在磁路、散熱及結構等特性上提出最佳之設計方案。

在過去，國內傳統馬達製造廠商往往是透過經驗來配置馬達槽級數及線徑，而後再以試誤法（Trial & Error）的方式進行改善與調修，其過程需要反覆地拆卸馬達改變繞組或重新打樣，對於產品之開發時程與成本皆是不小的負擔。車輛中心（ARTC）目前已建置馬達多物理場耦合之最佳化模擬分析平台（如圖4），可協助國內業者透過馬達模擬分析軟體在設計初期即掌握產品之相關特性，並以最佳化設計分析技術協助業者進行產品優化設計。日後倘若國內車載馬達產品業者需要進一步瞭解相關內容細節，歡迎洽詢車輛中心／環能與車電工程處／工程分析中心／陳毅軒 副工程師。電話：04-7811222分機3370／E-mail：hogan@artc.org.tw。

圖4. 馬達多物理場模擬分析流程示意圖

參考資料：

(1)https://www.youtube.com/watch?v=-FW6_1Rwx6A (2)https://magnetics.de/images/Showroom/ElectricMotors/MotorAnalysisforNVH/Servomotor%20Analysis%20for%20NVH.pdf (3)https://www.altair.com.tw/fluxmotor/ (4)https://www.youtube.com/watch?v=uXEBJzYp98s (5)https://www.researchgate.net/publication/342343846_Optimal_Design_of_a_Permanent_Magnet_Synchronous_Motor_for_High_Efficiency_and_Low_Cogging_Torque