讓電力驅動車輛的馬達

在人口密集的地區,交通活動也是空氣污染與二氧化碳的主要排放來源之一。目前的技術已能讓大部分的陸上交通都能電力化,提供更有效率的移動過程,並將污染與二氧化碳排放轉移到發電廠。從最近完工的南迴鐵路電氣化、高鐵、捷運、輕軌,或是在馬路上行駛的各種電動車、電動機車等,都是使用電力的解決方案,本篇就聊聊電動車輛的動力來源——馬達。

直流馬達
相信很多人對最早被發明的直流馬達並不陌生,國小、國中的自然科教具、各種玩具…等,都能找到最簡單的直流馬達。轉子使用由線圈組成的電樞,由電刷供應電源,使線圈產生的磁場與周圍定子(磁鐵)的磁場產生作用力而轉動。早期的電力車輛也是使用直流馬達驅動,但週圍的定子改為線圈(電磁鐵),並透過串接電阻器、改變線圈或不同馬達間並聯/串聯的連接組合達到出力、轉速的多段控制。
註:現在有些產品標榜的「直流無刷馬達」,本體其實是交流馬達,透過內建簡單的變頻電路驅動。

直流馬達的基本原理
使用直流馬達的鐵路機車加速過程,右下角呈現電壓、電流變化與控制電阻串接組態的繼電器

交流馬達
比起直流馬達,交流馬達的優點是可以省去電刷與電樞接點的磨耗、可以透過交流電的電壓與頻率達到更線性地控制,使其在維護成本與能源效率上都有更好的表現。交流馬達以連接交流電源的線圈組成定子,運作時會在中間區域產生不斷旋轉的磁場,而根據轉子類型區分常見的有使用感應線圈做為轉子的感應馬達(非同步馬達),與使用磁鐵做為轉子的永磁同步馬達。
感應馬達的發明者就是大名鼎鼎的尼古拉‧特斯拉(Nikola Tesla),由定子線圈產生的磁場,使轉子上的線圈產生感應電流,並於隨後由感應電流生成的磁場與定子的磁場產生作用力使轉子轉動。整個過程中轉子本身的旋轉與磁場的旋轉並不是完全同步的(但可能存在同步轉速),因此屬於非同步馬達(也稱為異步電動機)。使用永久磁鐵做為轉子的永磁馬達,因為不用經過感應電流產生磁場的程序,轉子本身的旋轉與磁場的旋轉是同步的,因此屬於同步馬達。
永磁同步馬達的效率略高於感應馬達(兩者的能源效率都很高),隨著變頻控制技術的進步,開始出現以交流感應馬達驅動車輛,而隨著對能源效率的追求(例如使用電池要盡量節省消耗),也開始出現使用永磁同步馬達的車輛。大功率永磁馬達使用的磁鐵,除了本身要有很強的磁場外,也要對於定子產生的強大磁場、運作時的溫度有一定的耐受性,需要用到像銣(Rb)等稀土元素與相關的金屬加工技術。

交流感應馬達的原理解說
Tesla電動車使用的永磁馬達
Toyota油電混合動力車使用的永磁馬達

交流馬達與變頻控制
以前要產生交流電最簡單的方式就是使用交流發電機,也就是把交流電馬達反過來,讓轉子帶動的磁場選轉在定子線圈上產生感應電流,並以轉速決定交流電頻率。因此衍生出飛輪形式的不斷電系統、儲能設備,或是早期鐵路機車、電車上使用的MA (motor alternator)設備。
要控制電動車輛,或是其他應用場合需要調整出力、轉速的交流馬達,就需要有改變電壓、頻率的能力(VVVF, variable voltage variable frequency),隨著半導體技術發展,使用直流電提供電壓、頻率可靈活改變的交流電變得可行。其原理是在迴路上接上兩個方向的直流電源,並利用可快速開閉的半導體元件,「模擬」交流電的正弦波。根據功率與應用場合,使用的元件包含可關斷閘流體(GTO, gate turn-off thyristor)、絕緣閘雙極電晶體(IGBT, insulated gate bipolar transistor)等等。
要注意的是半導體元件不是直接產生交流電的正弦波,而是透過快速地開關,在迴路/線圈上產生等效的電壓/磁通量,用於驅動馬達沒有問題,如果要產生真正的正弦波,可以透過電感元件(原理也是感應電流)達成。
註:變頻控制主要是針對負載、轉速時常變化的應用場合,因此電動車、電梯、一般家電等適合使用變頻馬達,在工業、大型建築物設備等固定負載、轉速的場合,定頻馬達也能達到最佳能源效率。

Toyota油電混合車的整流器與IGBT變頻控制模組

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