特斯拉最新的高效馬達 (IPMSynRM)

上週看到媒體報導MIH將採用與特斯拉相同的永磁同步馬達，這樣的陳述雖名稱上對了一半，但原理可以天差地別。正確的說應該是內永磁同步磁阻馬達，英文全名是Interior Permanant Magnet Synchronous Reluctance Motor (IPMSynRM)。 這裡眼尖的人會問為什麼用三個字母Syn的縮寫表示同步的英文字Synchronous？因為要與另外一種叫做永磁切換磁阻馬達PMSRM (Permanant Magnet Switched Reluctance Motor)或是另外一種原理完全不同的永磁同步馬達PMSM (Permanant Magnet Sychronous Motor)有所區隔。

馬達看似結構簡單就是一堆繞線、定子與轉子，但其實背後扭力與繞線方式的運算原理是一個相當複雜的過程更別提馬達的各種純量與向量的速度控制才得以造就出特斯拉等級的扭力輸出與效能。提到特斯拉就不能不提提那位來自希臘雅典的首席馬達設計師 Konstantinos Laskaris，同時也帶領了一群同樣來自那裡的工程師在背後驅動著特斯拉的電動車，有趣的是希臘和其他南歐的國家像是創造了Rimac電動超跑的克羅埃西亞似乎蘊藏了一群馬達設計的高手，尤其希臘，我在英國念電動車工程研究所時的馬達設計與控制的教授同樣是來自希臘且名字還一樣但應該不是同一人，因為2019年畢業時他操著希臘口音的英文說準備要轉去更北方的愛丁堡大學任教，可能嫌伯明罕雪下得不夠多，因為身上經常流著汗。這位教授上課很嚴格，在馬達實驗室教學時如果外面學生說話聲音太大，他會不客氣地衝出去叫大家放低音量，有次上課我近乎恍神的眼神朝別處望去試著思索理解他寫在白板上的馬達等效電路與相位圖 (phasor diagram)，教授以為我心不在焉，見狀立即叫我名字並立刻"糾正"我並請我"回神"，接下來就立刻問全班兩個有關同步馬達的問題，兩題當下都被我正確回答立刻板回一城，也讓其龍心大悅從此路上見面都會與我熱情寒暄。記得期末仍然不改本色當了班上三分之一的同學，當時班上同學中還有幾位是附近Jaguar電動車廠來的在職進修工程師，嚴歸嚴，但你有任何問題找他，他都會竭盡所能的解釋到你會為止讓我受益匪淺。希臘這樣的馬達人才匯集的特色可能就是一個長期的產業文化累積出來的人才庫。

閒聊了一些，回到主題，無論PMSM (就是正弦直流無刷馬達 Sinusoidal BLDC，這裡雖說直流只是特性像直流馬達但按其驅動原理仍屬交流馬達)、PMSRM、或IPMSynRM馬達，它們都有一些相似處：都使用了永磁材料，且都需要轉子位置感應器。如果名稱上有同步Synchronous的話，代表著馬達的供電來自三相交流 (也有特殊控制的單相交流)，馬達的穩態(steady state)轉速與供電的交流頻率同步且與馬達在達到崩潰扭力 (breakdown torque) 前的負載無關。IPMSynRM可以說是PMSRM的一種，只是他是三相交流供電。另外磁阻馬達的特性是速度比高達6 (最大轉速與基礎速度的比值，基礎速度指得是恆常扭力峰值區間結束的轉速)，電感馬達大約4左右，這代表著高速扭力的提升，這樣新款的特斯拉Model S就可在特斯拉一貫不使用變速箱的設計下與配備二速變速箱與保時捷的電動車Taycan進行1/4英里拉力賽競速，否則會在後段高速時後繼無力。

其實無論哪一種馬達都有他特殊的適用性，以工程設計的角度往往都是在設計上為了要達到某一目的而變更設計但往往同時也犧牲了其他方面的優勢。特斯拉將2020年以前採用的電感馬達(Induction Motor)改為最新的IPMSynRM宣稱將馬達效率自原來的93%提升到97%與提升高速扭力，但是只是你沒有使用到電感馬達優於IPMSynRM的超載特性(overload capability)。