电机设计：电机效率（二）

在本篇文章中，我们将深入探讨如何提升电机的效能。

传统上，电机设计存在两种方向：铜电机和铁电机。铜电机以电场作为电机转矩的主要来源，这涉及到电机转矩公式中的电流（I）和漆包线圈数（N），因此铜电机的设计通常需要较多的漆包线，这已经成为目前的主流设计趋势。相较之下，铁电机采用较大的硅钢片面积和较少的漆包线，利用空间尺寸来获得电机转矩。然而，由于铁电机的尺寸较大，单位面积的能量密度较低，因此并不受市场欢迎。

1.铜电机与铁电机

因此，我们不难判断，铜电机的铜损比例较高，而铁电机则是铁损比例会较高。若查阅电机常用的导磁材料'硅钢片'，我们会发现铁损的标示上是以W/KG表示，这显示铁损与硅钢片的重量有关。因此，铁电机使用较大的硅钢片尺寸，也意味着硅钢片的重量较重，因此铁损较多。

2.更换更大的硅钢

要降低铁损，一般的方法是硅钢片的更换方面着手；但对于电机设计者而言，首要的任务是确认硅钢片内部的磁场状态。在铁损方程式中，我们可以看到各种形式的能量损耗，并找出相对应的解决方案。然而，有一种不容忽视的隐性损耗就是'漏磁'。这种漏磁现象会导致电机转矩下降，甚至可能导致电磁波干扰。对于这种漏磁现象的解决方案有两种，其中最简单便是更换更大的硅钢片，这样与磁力线的接触面积更大，减少漏磁。

3.优化磁力线

而除了更换硅钢片外，还可以通过优化磁力线避免漏磁。观察下图，我们可以看到少数的磁力线偏离了常规路径，这就是我们一般意义上所说的漏磁。这种现象可能导致电机的转矩下降，甚至可能产生电磁波干扰。

图（三）

当硅钢片的磁通承载能力不足以负荷过多的磁力时，就可能导致漏磁的现象，为此，我们当然可以增大硅钢片的尺寸以使其能承载更多的磁力。但硅钢片的磁感强度是有限的，这正是近期电机设计中遇到的瓶颈，由于磁铁的磁力不断提升，设计师可以轻易地选择高磁力的磁铁，然而，硅钢片的承载能力却没有相对提升的选项。

同时，磁阻力的理论告诉我们，磁力线总是倾向于选择最容易通过的路径。因此，当磁力线发现有比设计者规划的路径更好走的路径时，它就会改变方向。例如，在图中可以看到部分磁力线跨越了槽而不是沿着轭部绕一圈，这就好像在跑操场时，我们会选择穿越中间的草地，而不是走一大圈一样。虽然有时这种漏磁是无法避免的，但作为电机设计师，我们应通过调整电机磁场优化磁力线，努力减少漏磁的出现。

因此，除了直接降低铁损外，我们还可以通过妥善规划磁场内部的能量路径，提高电机的效率。

图（四）

总结要点：

磁能的运用要符合最小努力原则，硅钢片应尽可能利用到磁力线，避免漏磁现象。

图（五）