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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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正方形 Icon 創新之鑰Innovation

轉個方向更有力 超薄型輪內馬達為電動自行車加值

文/魏茂國

走在任教的台大校園內,數萬名教職員生中,有不少比例都以自行車為代步工具,學校內外周邊也經常有為數可觀的自行車停放或往來;但走在電動自行車的推廣中,到底馬達可以如何改進,並為車輛帶來顯著的優點?這正是工研院機械與系統研究所智慧車輛技術組正研究員陽毅平投入車輛馬達研發時,所經常觀察思考的,甚至是如何能在自行車、機車、汽車等不同等級車輛使用的馬達上,進行革命性的改變。

馬達是車輛的重要核心,但以汽車發明至今一百多年,目前於市面上所見到的馬達卻是大同小異;因此對於新世代的車用馬達,工研院機械所智慧車輛技術組希望在馬達的重要性能指標上進行改革,並超越現有馬達的性能與特色。

挑戰輕薄高扭力

智慧車輛技術組研發經理彭毓瑩指出,挑戰馬達的主要性能指標,一是在功率密度方面,即每單位重量產生的功率要更高,也就是俗稱的馬力;另一項則是扭力密度的提升,意即馬達重量要愈輕,但相對出力卻要愈大,是處於相對的物理現象,因此也更具挑戰性。

若以現今的車輛使用趨勢,研究團隊認為,在輕型個人車輛上,「加速大、扭力強」才是較實用的性能,尤其在車輛集中的都會區內,行車速度快並不是主要的訴求,低速扭力表現好,才符合爬坡、起步、加速等多種需求,用在電動車上也會更輕鬆、省電,因此決定以「高扭力密度」馬達為挑戰方向,並從體積較小、系統較簡單的電動自行車著手。

陽毅平觀察,現有電動自行車的傳統馬達,仍是體積大且笨重,如果可以將馬達隱藏在車裡,或與車體結合為一體,看不出是電動車的話,那該有多好?此外,他還發現許多自行車都有碟煞盤,這塊空間似乎也很適合用來放置馬達,若能將自行車馬達做成類似碟煞盤的厚度大小,就可變得更有隱藏性,而且不需要更動其他車體部件。於是這項自行車馬達的研究,更朝「薄型」的方向發展。

電動自行車使用的傳統馬達之所以體積龐大,是由於採用了較普遍的「徑向磁通」技術,以圓柱型的馬達構造,透過內外圈的方式組成,外側為磁鐵、內側為線圈,當圓柱的側面積愈大,所能產生的力矩就更高;因此,如果只是直接降低厚度,環狀側面積也會縮減,就不足以產生能驅動電動自行車的力矩。

在原有馬達技術無法達成需求時,研究團隊則是改採另一種「軸向磁通」技術來因應。相對於磁通方向與直徑相同的「徑向磁通」技術,「軸向磁通」技術則是將磁鐵及線圈分別置於扁型的兩邊圓盤上,於是兩端磁通的方向變成與圓軸一致,也就更能符合「薄型」馬達的開發需求。

陽毅平解釋說,在相同的作用面積下,如果由「徑向磁通」改為「軸向磁通」,可使馬達變得更為扁平,不只能在產生相同力矩之下,大幅縮減馬達的厚度,同時還可輸出更高的扭力;也就是在最小的重量與體積下,能產生最大的力矩,提供更強的磁力,達到「高扭力密度」的目標。

創新價值引起注意

自2009年4月研究計畫通過執行後,很快地到了該年底,研究團隊就推出首款超薄型輪內馬達,並進行後續的驗證,至今已確定可較傳統電動自行車馬達重量減少50%、厚度降低70%,分別約為2.1公斤重與1英吋厚,特別是在單位重量產出的扭力表現,更高出傳統馬達二至三倍達6Nm/kg,為目前自行車用馬達中重量最輕、厚度最薄、扭力最佳者;而且以現有的製程技術,生產成本也與傳統馬達不相上下。

彭毓瑩表示,雖然「軸向磁通」的技術原理並非新創,但用在電動自行車上則是首見。而在今年3月的台北國際自行車展覽會,研究團隊便與國內屢獲德國iF行車公司以及製造自行車花鼓的龍頭廠商久裕興業合作,將超薄型馬達裝設在太平洋Birdy折疊自行車上,使得原本已很便利的「小折」,搖身一變成為更加便利的「電動小折」。

另外,研究團隊也在久裕興業的協助下,直接將超薄型輪內馬達與花鼓結合而成為一個電動動力輪,同樣在台北國際自行車展出。彭毓瑩說,超薄型輪內馬達可同時提供整車或零件廠商更多的發揮空間,還可便於整體的設計,提高產品的價值,在台北國際自行車展覽會上獲得相當大的回響,像是美利達、巨大機械、台優電機、日本三洋等國內外業者,都在台北國際自行車展覽會上表現極高的興趣。

國內生產自行車車架的卜威工業,更是於去年就開始與工研院在超薄型輪內馬達技術上進行先期參與合作。計畫主持人陽毅平表示,超薄型輪內馬達於前後輪皆可裝設,只要具備原本碟煞的位置,利用規格統一的碟煞孔就可安裝,因此可讓現有一般自行車款快速增添電動功能,這是研究團隊的一項專利發明;若是能配合整車的設計,包括電池的部分,更能提高整合度,做出各種變化。

例如使用在折疊自行車上,傳統馬達就會因為過厚而難以結合;若能採用超薄型輪內馬達,就能減少車輪寬度,變得更容易折疊攜帶,達到輕、薄的需求,提供使用者更高的方便性,增加折疊自行車的附加價值。

新技術將不斷融入

在超薄型輪內馬達的後續研究上,研究團隊還提出了「高佔槽率」及「可變磁通」的技術與專利。陽毅平指出,「高佔槽率」是透過製程上的改良,將原本機器繞線45%與人工繞線60%的佔槽率,一舉提升至70%至75%,使銅線在有限的空間裡,達到更多、更密的匝數,相對地能產生的磁力就愈大。

「可變磁通」技術則是混合運用了電磁鐵與永久磁鐵的原理,除了可以增強馬達的力矩外,還有助於馬達的轉速控制。陽毅平解釋,以目前超薄型輪內馬達所使用的磁鐵,都還是屬於磁性較好的稀土族磁鐵;但以釹鐵硼磁鐵來說,不只產量大多來自中國大陸,而且還受到出口管制,所以,實施可變磁通技術不但有上述的優點,還可以減少稀土族磁鐵的使用量。

在目前的研究規劃上,「高佔槽率」及「可變磁通」等技術將在今年逐步實現,也有機會創造出更成熟、實用的薄型馬達。同時在個人載具的發展下,超薄型輪內馬達可為國內廠商創造新的利基,研究團隊也將在電動自行車之外,繼續開發電動機車使用的薄型馬達,擴大技術的應用及影響力。



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