齋藤達哉、上野友之 / 住友電工燒結合金株式會社
隨著移動載具、產業設備及工具機之電動化持續發展，搭載於上述設備中的馬達與功率電子產品，對於高性能、高效率及低成本化的需求日益提升。本公司利用粉末冶金技術，已量產具備複雜三維幾何形狀之軟磁複合材料（Soft Magnetic Composite; SMC）超過二十年，並從材料與製程兩方面持續提升其性能與附加價值。藉由此技術，可實現傳統電磁鋼板難以達成之三維磁路設計，進而提供新一代馬達設計的可能性。此外，本公司已成功實用化可提升馬達轉矩之雙凸緣一體成形磁心，以及可同時提升線圈填充率與散熱性能之超薄絕緣塗層磁心。運用上述SMC技術，本公司開發出高功率密度軸向磁通馬達（Axial Flux Motor; AFM），並已開始量產1 kW以下之小型AFM產品。在車用驅動馬達等級方面，透過75 kW級AFM之電磁設計，實現了最高12.6 kW/kg之功率密度。所開發之AFM特別適用於小型移動載具、AGV/AMR、自主移動機器人、Physical AI機器人，以及AI資料中心冷卻風扇與冷卻幫浦等受安裝空間限制之應用，可有效提升設備之小型化、高輸出化及附加價值。此外，SMC相較於傳統電磁鋼板可大幅降低製造過程中的CO2排放量，並具備水平回收再利用能力，因此被視為兼顧高性能馬達與永續製造的重要磁性材料。
【內文精選】
馬達是一種能夠將電能高效率轉換為機械動力的裝置，其需求持續成長。現今，各類馬達被認為已占全球總用電量的一半以上，並已廣泛應用於汽車、二輪載具等移動設備，以及產業機械、工具機等多元應用領域。因此，針對馬達高效率化、小型化與輕量化之研究開發日益活躍。此外，在功率電子領域中，用於電壓轉換及整流之電抗器（Reactor）亦廣泛應用於油電混合車升壓轉換器以及資料中心等場合。從降低能源消耗的角度來看，其高效率化同樣十分重要。本公司長期致力於開發高性能軟磁複合材料（Soft Magnetic Composite; SMC）及其成形技術與附加價值技術，作為馬達與電抗器鐵心材料。藉由將SMC應用於可充分發揮其特性的軸向磁通馬達（Axial Flux Motor; AFM），已成功驗證薄型馬達之性能提升效果。近年來，雙凸緣（Tooth-Tip）SMC磁心已開始量產應用於空氣清淨機用雙轉子型AFM；此外，具有約40~50 μm超薄高耐壓絕緣塗層之SMC磁心亦已量產應用於高附加價值民生產品，顯示相關技術已逐步實現產業化（圖一）。
此外，本公司利用SMC開發出較傳統徑向磁通馬達（Radial Flux Motor; RFM）更薄型且高輸出的AFM，並已開始量產部分1 kW等級產品。同時，為加速AFM於各產業的普及，本公司亦建立AFM評估平台供客戶進行驗證（圖二）。另一方面，在相同規格及相同磁體重量的設計條件下，比較75 kW級驅動用AFM之結果顯示，雙定子結構（Dual Stator Structure; DSSR）較雙轉子結構（YASA型）輕量化17%，其電磁系統功率密度可達12.6 kW/kg。此外，SMC於製造過程中的CO2排放量約僅為一般電磁鋼板的四分之一，並具備水平循環回收能力。本論文將介紹本公司在上述領域之最新技術成果。
軟磁複合材料之最新開發現況
以下將介紹促成SMC量產導入之本公司核心技術。首先，雙凸緣一體成形磁心的技術特徵，在於能夠利用單次模具壓製成形工藝，實現齒部（Tooth）兩端具有凸緣之複雜幾何結構。此類磁心的優勢在於，透過凸緣結構可增加轉子與定子之有效對向面積，進而提升馬達轉矩。此外，相較於電磁鋼板鐵心，SMC可形成更平滑之繞線槽幾何形狀，有助於縮短線圈平均長度，從而降低銅損及銅線使用成本。其次，超薄高耐壓絕緣塗層磁心的優勢在於，其絕緣層厚度較傳統的絕緣紙或樹脂線軸（Bobbin）小一個數量級，因此能有效擴大繞線空間，提高線圈填充率。此外，線圈運轉時產生的熱量亦可透過絕緣塗層高效率傳導至SMC磁心，提高散熱能力。以相同形狀之SMC磁心製作試樣，分別採用絕緣塗層與樹脂Bobbin結構，在相同繞線規格下比較線圈溫升。結果顯示，採用絕緣塗層之磁心可顯著降低線圈溫度（圖三），因此亦有助於提升線圈之長期可靠性。
根據本公司在馬達設計方面累積之經驗，在部分AFM設計條件下，磁心透磁率對馬達轉矩特性的影響相對有限。因此，本公司著重於兼顧低鐵損與成本效益，目前已建立從標準級HB1到低鐵損級HB6等多種材料等級，可對應不同應用需求。此外，所有材料特性資料均已內建於電磁模擬軟體JMAG®，可供馬達設計與電磁分析使用。為進一步推廣AFM技術，本公司亦開始提供自行設計與開發之AFM用模具成形磁心，使馬達開發者能夠快速進行AFM試作與性能驗證（圖四）。
圖四 本公司自主設計之AFM模具成形磁心
軸向磁通馬達(AFM)之最新開發現況
1. AFM評估平台
AFM評估平台（AFM Evaluation Platform）之所以受到廣泛關注，其中一項重要原因在於其特別適合應用於薄型馬達的高功率密度設計。因此，本公司開發了AFM評估平台，目的是讓使用者能夠將AFM直接整合至其設備中，進而評估AFM所帶來的效益。相較於市售之薄型徑向磁通馬達（Radial Flux Motor; RFM），本評估平台在相同框架尺寸及相同輸出功率條件下 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》478期，更多資料請見下方附檔。