探討溫度對電機性能的影響（二）

本篇文章主要探討電機在自行過熱到燒毀的背后原因。

在我們的上一篇文章中，我們已經發現，電機在不同的溫度下表現各異，尤其是永磁電機的變化最為顯著。這主要的原因可以從扭矩公式中找到答案。當磁鐵因溫度上升而磁力下降時，扭矩公式中的磁力(B)值便會降低，從而直接導致輸出扭矩(T)值的減少。這也帶來了一個值得探討的問題：供應商提供的電機特性曲線，究竟是在什么溫度下測量的結果？電機在長時間運行后，溫度升高，其輸出特性是否仍然滿足需求？

圖（1）

關于扭矩公式，實際上，電機的特性曲線大都是在室溫下進行測量的，而不是在長時間運行后的電機溫升特性。因此，當我們查詢資料后發現，這個電機的最大扭矩值為10Nm，這只是電機剛開始運行后的最大值。當運行一段時間后，電機內部溫度持續上升，輸出扭矩也會隨之下降，具體的下降程度則取決于磁鐵的溫度敏感度。

圖（2）

由于永磁電機對溫度的反應過于敏感，因此，筆者早年便建議磁鐵制造商改變研發方向，而不是單純提升磁鐵的最大磁力，更重要的是提高磁鐵的耐熱能力和降低溫度敏感度，這樣更適合電機的使用場景。因此，近年來已經有了耐高溫的強磁配方產出，通常會在磁鐵型號后面加上一個H，表示適用于高溫環境。采用這種耐高溫磁鐵，就不會出現因為溫度上升而導致的大幅度扭矩下降的情況。

除了永磁電機之外，其他的電機是否也會受到溫度的影響呢？答案是肯定的。除了我們在之前的文章中提到的，因為溫度升高導致漆包線電阻值上升，進而增加銅損耗，降低電機效率之外，實際上也會導致扭矩的下降。主要的原因在于，電機的工作電壓在固定的情況下，電阻卻因為溫度升高而增加，這就會導致輸入電流(i)值被限制，從而減少。一旦電機的電流(I)值被限制或者減少，就會直接影響到輸出扭矩的最大值或隨之減小，就像圖（1）的扭矩方程式所示的那樣。

電阻效應詳解

正如我們在上文中所述，由于銅材的溫度敏感度并不高，其產生的影響相對有限。因此，傳統電機工廠提供的電機特性曲線基于室溫測量，即使在升溫后使用，也不會有顯著的差異。在常見的應用中，當電機溫升導致扭矩減弱時，我們通常會任其自然衰減。例如，家中的電風扇剛開啟時的轉速可能有1400RPM，使用半小時后，轉速可能降至1300RPM，雖然減少了100RPM，但這對我們而言并無大礙。

然而，在工業應用中，熱量是一個可怕的惡性循環，最終可能導致電機燒毀。主要的問題在于，當扭矩T需要持續保持固定值時，無論是磁鐵或漆包線圈電阻引起的額外下降，都需要通過增加電流來補償。然而，新增的電流會產生新的銅損值，且電流是平方倍的關系，如下圖中上方的銅損方程式所示。新增的銅損將導致電機溫度再次升高，效率進一步降低，扭矩再次下降。此時，我們需要再次增加電流來補償降低的扭矩值，如此重復，最終可能導致溫度過高，電機燃燒。

電機過熱破壞循環

從以上我們可以了解，電機中的熱量實際上是一個令人頭疼的問題。因此，電機行業內有句諺語說，"做電機一生，都在解決噪音和熱量問題"。要實際解決電機的熱量問題，有兩個方向，一是讓電機不發熱，這目前主要是學術界的研究課題，被稱為超導電機，其核心概念是將電阻降至零。另一個方向是提高散熱能力，這是工業界的主要處理方向，因此，我們會看到電機會安裝風扇進行空冷，甚至在電動車中，會引入水冷系統。

關鍵要點總結：電機的過熱是非常嚴重的問題，不僅直接影響電機的使用效率（熱損耗），還將影響電機的使用壽命，因此我們必須時刻警惕。