高速馬達每分鐘10萬轉 創下世界紀錄

新南威爾斯大學研發的新型高速馬達,每分鐘達10萬轉。(Guoyu Chu提供)
新南威爾斯大學研發的新型高速馬達,每分鐘達10萬轉。(Guoyu Chu提供)

文/記者Steve Milne、編譯/張雨霏

電動車看似構造簡單,但其實蘊含大量科技,馬達是電動車的核心,這也決定了一輛車的效能。澳洲新南威爾斯大學(The New South Wales University,UNSW)研發出一種新型的高速馬達,每分鐘可達10萬轉速,創下新的世界紀錄!更高的轉速,意味著可以實現更高的功率密度,有助於減輕電動汽車的重量,從而增加其續航能力。

研究團隊對90種設計方案進行了評估,然後選擇其中前50%來生成新設計,直到達到所需的最佳效果。最後一個馬達設計是該程式分析的第120代。

新型的內置式永磁同步馬達(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM),速度已達到每分鐘10萬轉速,使其成為世界上最快的內置式永磁同步馬達。現有的內置式永磁同步馬達最高轉速紀錄也就5萬轉左右。

最重要的是,這款新型馬達能夠產生非常高的功率密度,可減輕電動汽車整體重量,從而增加續航里程。

這項新技術是由新南威爾斯大學電氣工程與電信學院副教授魯克米‧杜塔(Rukmi Dutta)和朱國玉(Guoyu Chu,音譯)博士領導的團隊開發的,是對現有IPMSM進行改良。

有望提升電動車續航力

朱國玉說,目前電動汽車的發展趨勢就是搭載轉速更快的馬達。「每個電動汽車製造商都在嘗試開發高速馬達,因為物理定律的性質允許你縮小機器的尺寸。而機器越小,重量就越輕,消耗的能量也就越少,因此車輛的續航里程也可進一步提升。」

他說,「透過這個研究項目,我們試圖達到一個絕對最大值,並記錄下最高速度為每分鐘10萬轉,峰值功率密度約為每公斤7千瓦。」

朱國玉還表示,該馬達系統擁有擴展性,並且可以調整功率和速度,如果想要調整該馬達以適應特斯拉電動汽車,大約只需要6~12個月。

朱博士於9月13日透過e-mail告訴《大紀元時報》:「如果我們針對電動汽車擴展應用和優化馬達設計,預計將比目前的市售產品輕10%~20%,效率提升2%~5%。同時,逆變器(變流器的一種)也將受益於高速而變得更輕更小,重量的減輕和效能的提升有望將續航延長5%  ~10% 。

該研究團隊已經為一種新的轉子拓撲申請了專利,該拓撲顯著提高了穩健性,同時還減少了每單位發電量所需的稀土材料數量。

:轉子是由軸承支撐的旋轉體,是馬達、發電機、燃氣輪機和透平壓縮機基本構造中,繞固定中心轉動的部分。)

新型馬達是由新南威爾士大學電氣工程與電信學院副教授魯克米‧杜塔(左)、朱國玉博士(右)領導的團隊開發。(UNSW提供)新型馬達是由新南威爾士大學電氣工程與電信學院副教授魯克米‧杜塔(左)、朱國玉博士(右)領導的團隊開發。(UNSW提供)

朱國玉告訴《大紀元時報》,得益於轉子結構的顯著增強,該馬達的機械安全係數,比目前市售的電動汽車馬達高出1.5~2倍。鑒於此,預計新款高速馬達的使用壽命會更長。此外,與現有技術相比,該團隊的新馬達還具有顯著的成本優勢,並且使用的稀土材料更少,比如釹(Neodymium)。

朱國玉說:「大多數高速馬達使用套筒來加強轉子,而套筒通常由鈦或碳纖維等高成本材料製成。套筒本身非常昂貴,還需要精確裝配,因此會增加馬達的製造成本。我們的轉子具有非常好的機械穩健性,因此我們不需要套筒,從而降低了製造成本。而且我們的新馬達只使用了大約30%的稀土材料,又大幅降低了材料成本,從而使我們的高性能馬達更加環保且價格實惠。」

除了電動汽車,該電機還有許多其他潛在應用,比如大型暖氣、通風和空調系統等。

◎馬達小知識

馬達的運作原理是由固定不動的「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。

馬達若以電流種類來區分,可分為「直流馬達」與「交流馬達」兩大類,直流馬達雖然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,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。◇

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