2026年10月8日 星期四

非晶合金馬達原理:Proterial×FEV 拉到兩萬轉,效率 97.9%、重量少 27% 怎麼做到?


重點先講:
電動車馬達的效率早就在 95% 上下,大家以為剩下的油水不多了。Proterial 和 FEV 這份研究的意思是:剩下那 4%~5% 的損失裡,有一大塊卡在鐵芯材料,而鐵芯一換,整個傳動設計(轉速、極數、減速比)都可以重新排一次。效率、功率、重量三個指標同時變好,這在馬達設計裡很少見。

發生了什麼

  • 2026 年 10 月 5 日,日本材料大廠 Proterial(前日立金屬)與德國工程顧問 FEV 發布聯合研究,並在 10 月 5~7 日的 Aachen Automotive Colloquium 發表,FEV 攤位展出馬達結構模型。
  • FEV 先建立一顆代表主流純電車的 230 kW 參考馬達(矽鋼片鐵芯),再用電磁模擬評估改用 Proterial 的非晶合金薄帶鐵芯,加上無重稀土釹燒結磁石。
  • 結果:峰值功率 300 kW、馬達重量 72.8%(少約 27%)、WLTP Class 3 效率 95.5% → 97.9%。
  • 官方強調這是模擬結果,「顯示有潛力」,不是實車量產數據。
項目參考馬達(矽鋼片)本研究(非晶合金)
鐵芯材料矽鋼片非晶合金薄帶(積層黏合)
磁石釹磁石釹磁石(不含重稀土)
極數/槽數8 極 72 槽12 極 72 槽
定子外徑200 mm200 mm
最高轉速14,900 rpm20,000 rpm
減速比10.814.4
鐵芯有效長度100%77.1%
馬達重量100%72.8%
峰值功率230 kW300 kW
WLTP Class 3 效率95.5%97.9%
ARTEMIS MW 150 效率95.3%97.4%

表格數據來源:Proterial/FEV 新聞稿 Table 1。

一句話版本:不是「換個更好的鐵」就結束,而是鐵損降了之後,馬達敢轉更快、做更短,再用減速比把扭力補回來。

工程重點 1:鐵損是什麼,非晶合金為什麼比較低

馬達鐵芯裡的磁場每秒正反翻轉幾百到上千次,每翻一次都會損失能量,這就是鐵損,主要分兩種:磁滯損(磁區來回翻轉的摩擦)和渦流損(鐵片裡被感應出的環形電流發熱)。渦流損大致跟板厚的平方、頻率的平方成正比,所以矽鋼片要做薄、還要加矽提高電阻。非晶合金是熔融金屬急速冷卻、來不及結晶的「玻璃態金屬」,沒有晶界、電阻率高,厚度只有一般矽鋼片的約 1/10(Proterial 2024 年資料),渦流和磁滯損都明顯更低。這正是我們在矽鋼片那集講的:鐵芯材料決定馬達在高頻下會不會「自己把自己烤熟」。

工程重點 2:為什麼要拉到兩萬轉、改成 12 極

馬達功率 ≈ 扭力 × 轉速。轉速拉高,同樣功率需要的扭力就變小,而扭力大致跟轉子體積成正比,所以馬達可以做短做輕。代價是電頻率暴增:以表上參數換算(本文自行計算),參考馬達 8 極、14,900 rpm,電頻率約 993 Hz;新設計 12 極、20,000 rpm,約 2,000 Hz,整整兩倍。換成矽鋼片,鐵損會跟著頻率一路往上衝;換成非晶合金,才撐得住。減速比從 10.8 改成 14.4,換算到輪端:14,900 ÷ 10.8 ≈ 1,380 rpm,20,000 ÷ 14.4 ≈ 1,389 rpm,幾乎一樣,所以車子的極速和輪上扭力維持不變。馬達端只需要約 75% 的扭力(10.8 ÷ 14.4),剛好對上鐵芯有效長度 77.1%。

工程重點 3:效率多 2.4 個百分點,實際有多少

95.5% → 97.9% 看起來只多 2.4 個百分點,但換個角度看,馬達本身的損失從 4.5% 降到 2.1%,少了一半以上(約 53%,本文自行換算)。下面用假設值做個算術示例:假設一台車在 WLTP 下馬達軸端要輸出 15 kWh/100 km,參考馬達需要輸入約 15.71 kWh,新設計約 15.32 kWh,每 100 km 省約 0.39 kWh、約 2.5%。這只算馬達本體,逆變器、減速齒輪的損失沒有算進去,實車效益會再打折。另外,損失減半代表發熱也減半,冷卻系統可以縮小,這部分在這份研究裡沒有量化。

工程重點 4:無重稀土磁石,和兩萬轉的機械代價

釹磁石要耐 100°C 以上的高溫,傳統做法是加鏑、鋱這類重稀土,資源少、價格波動大。Proterial 2025 年推出的無重稀土釹燒結磁石,宣稱同時保有高剩磁和高矯頑力,這次被用在 12 極轉子上。但兩萬轉不是免費的:轉子外緣的離心力跟轉速平方成正比,從 14,900 拉到 20,000 rpm,離心應力約變成 1.8 倍((20,000/14,900)²,本文換算),磁石固定、轉子護套、軸承和油封都要重新驗證;減速比變大,齒輪級的損失和噪音也要重算。這就是為什麼我們在「兩萬轉的災難」那集說,高轉速是整個傳動系統的問題,不只是馬達的問題。

還缺什麼/待核

  • 目前只有電磁模擬,沒有台架實測或實車數據;冷卻、NVH、溫升下的效率都還沒看到。
  • 非晶合金約比矽鋼片硬 5 倍,沖壓模具壽命短,Proterial 用積層黏合(佔積率 90% 以上)改善,但量產良率與成本沒公布。
  • Fe 系非晶合金的飽和磁通密度一般比矽鋼片低(常見材料值約 1.5~1.6 T 對約 2 T),尖峰扭力時鐵芯會不會先飽和,需要完整設計資料。
  • 2 kHz 電頻率下,扁線繞組的集膚效應與交流銅損、逆變器的切換頻率需求,新聞稿沒有交代。
  • 減速比 14.4 的單速減速器效率、噪音,以及整個電驅系統(馬達+逆變器+齒輪)的總效率,還沒有數字。

延伸影片(@vkinng)

換你說:你覺得非晶合金馬達最大的關卡是哪一個?沖壓量產成本、兩萬轉的轉子強度,還是減速齒輪的噪音?留言告訴我。

資料來源: Proterial/FEV 新聞稿(2026-10-05)、 新聞稿 PDF(含 Table 1)、 Proterial 積層黏合非晶合金薄帶(2024-02-13)、 Proterial 無重稀土釹燒結磁石(2025-07-22)。電頻率、輪端轉速、損失比例、離心應力倍數與能耗示例為本文依公開參數及假設值自行計算;非晶合金飽和磁通為一般材料典型值。

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電池碰撞短路預測原理:SAHRAEI 失效準則讓電池包不必「過度裝甲」?


重點先講:
電動車的電池包,一直背著一個尷尬的安全邏輯:因為沒人能準確說出電芯被壓扁多少才會內短路,所以乾脆把外框做到撞了也不變形。Temple 大學這次發布的,是把「會不會壞」改成「壞的機率多少」,讓電池包可以像車頭一樣,用可控的變形來吸收撞擊能量。

發生了什麼

  • 2026 年 10 月 6 日,美國 Temple 大學機械系副教授 Elham Sahraei(電動車安全實驗室、電池安全中心主任)發布 SAHRAEI 失效準則的新進展:可估算電池在機械衝擊下發生短路的機率,而不只是通過/不通過。
  • 她指出,傳統做法是在電池包外加重型保護結構,讓碰撞時「零變形」,這些死重有時多達數百磅。新準則已用於協助設計更輕的電池包。
  • 這套準則的基礎版本已有同儕審查論文(Journal of Energy Storage,2024),並以 /FAIL/SAHRAEI 指令內建於 Altair Radioss(含 OpenRadioss),LS-DYNA 版本也在導入中。
  • 團隊另成立 Inovele LLC 做技術轉移;12 月 4 日在 Temple 舉辦年度電池安全研討會。

一句話版本:Sahraei 本人的說法是「不是每個凹痕都是災難」。真正要判斷的,是捲芯裡那層幾十微米的隔膜,什麼時候被拉到破。

工程重點 1:短路是怎麼被「撞」出來的

鋰電池內部是正極、隔膜、負極一層層捲起或堆疊的結構。碰撞時,捲芯會同時受到厚度方向的壓縮和平面方向的拉伸。電極塗層先裂,接著隔膜被拉薄、撕開,正負極一接觸就是內短路,短路電流在局部產生的熱量,嚴重時就會引發熱失控。所以「凹了幾公釐」本身不是判準,內部各層被拉伸到什麼程度才是。

工程重點 2:準則到底在算什麼

根據 2024 年的驗證論文,SAHRAEI 準則把捲芯的平面拉伸失效應變,定義為「厚度方向壓縮應變 ÷ 平面拉伸應變」這個比值的函數,只要一條校正曲線,就能涵蓋半球壓頭、圓棒壓入、三點彎曲和平面方向受力等主要碰撞情境,並已在圓柱與軟包電芯上驗證。它搭配「均質化電芯模型」使用:不必在整車模擬裡畫出每一層幾十微米的薄膜,而是把電芯當成等效材料,再用準則判斷哪個元素先失效。這是它能放進整車碰撞模擬的關鍵。

工程重點 3:從「零變形」到「可控變形」,能省多少

有了失效機率,工程師就能比較兩種設計:例如側柱碰撞時讓電池包邊框先潰縮 20 mm,和完全不變形但多 40 kg 鋼材,哪個短路風險更低。下面用假設值做個算術示例(不是 Temple 公布的數據):假設減重 50 kg、滾阻係數 0.008,每 100 km 滾阻耗能約 50 × 9.81 × 0.008 × 100,000 m ≈ 0.11 kWh,對一台 15 kWh/100 km 的車約省 0.7%。若這 50 kg 原本算在一個 500 kg 的電池系統裡,系統級能量密度則提高約 11%。省下的重量也可以換成多塞電芯。

工程重點 4:結構電池時代更需要它

CTP(電芯直接成包)、CTB/CTC(電池包就是車身底板)越來越普遍,電芯本身就在承受車身的力,「讓它完全不受力」本來就做不到。這時候能算出「允許變形多少」比加厚護甲更實際。另外要注意:準則判斷的是機械性短路的起點,短路之後會不會熱失控、燒多猛,還跟化學體系有關。三元鋰與磷酸鐵鋰的熱失控起始溫度與放熱量不同,固態電池也不是撞了就一定安全,這正是我們在固態電池那集講的重點。

還缺什麼/待核

  • 新聞稿說能「估算機率」,但機率版本的方法與驗證數據尚未看到對應論文,目前公開的同儕審查版本是預測失效起點。
  • 電芯老化、低溫、不同 SOC 下的機械性質會變,準則在這些條件下的校正範圍還要看完整資料。
  • 「數百磅死重」是概括說法,哪家車廠、哪個車型實際減了多少,官方沒有公布。
  • FMVSS 305、UN R100 這類法規目前看的是碰撞後的電氣安全結果,主管機關會不會接受以機率為基礎的設計餘裕,還是未知數。

延伸影片(@vkinng)

換你說:如果數據證明「可控變形」一樣安全,你願意買一台電池包護甲比較薄、但續航多 3%~5% 的電動車嗎?留言告訴我。

2026年10月6日 星期二

800V直流冷水機原理:Trane砍掉整流級,AI資料中心冷卻真能省2%?


重點先講:
資料中心改 800V 直流,大家都在講 GPU 機櫃,但一座 AI 廠房裡吃電的不只是伺服器,還有冷水機、泵浦和風扇。Trane 這次做的事,就是讓「冷卻」也直接接上 800V 直流母線,把多出來的那一段電力轉換拿掉。

發生了什麼

  • Trane Technologies 於 2026 年 9 月 30 日發布:與 Eaton、Danfoss 合作,把一台現有高效率冷水機改成 800 V DC 供電,完成實驗室概念驗證。
  • 冷卻能力超過 1,000 冷凍噸(約 3.5 MW),相較同級交流系統,系統效率最多提升 2%。
  • Trane 估算:在 200 MW 的資料中心,這個效率差最多可釋出 1.8 MW 給運算,約 15 櫃 120 kW 或 3 櫃 600 kW 機櫃。
  • Trane 表示這套架構也可延伸到泵浦與風扇。同一週,台達電在新加坡 DCW Asia 2026 也展出 800VDC In-Row 供電(660 kW)與 HVDC 3.6 MW In-Row CDU,冷卻側「直流化」不是單一廠商的想法。

先算一下為什麼要 800V:1 MW 負載在 54 V 要約 18,500 A,在 800 V 只要 1,250 A。電流降到約 1/15,銅排截面和 I²R 熱損一起下降。這就是整個 800 VDC 架構的出發點。

工程重點 1:省掉的是哪一段轉換

現代高效率冷水機的壓縮機幾乎都是變頻驅動:三相交流 → 整流(二極體或主動前端 AFE)→ 直流鏈 → 逆變器 → 馬達。如果廠房本來就用 SST 或整流器把中壓電轉成 800V 直流給 GPU,冷水機卻還要另外拉一條交流,再自己整流一次,等於「直流 → 交流 → 直流」繞一圈。直接把 800V 接到直流鏈,整流級和它附帶的濾波、諧波處理原則上都能省掉。Trane 新聞稿沒有拆解是哪幾級被拿掉,這部分要等技術文件。

工程重點 2:2% 聽起來很小,換算後不小

1.8 MW ÷ 200 MW 只是全廠的 0.9%,但在電網接不到新容量的年代,每 1 MW 都是能多開的機櫃。Trane 自己的換算是 15 櫃 × 120 kW = 1.8 MW,或 3 櫃 × 600 kW = 1.8 MW,數字是對得起來的。要注意的是「最多 2%」是實驗室條件下的上限,不是保證值。

工程重點 3:直流最難的是保護,不是供電

交流電每個週期都會過零點,斷路器靠這個熄弧;直流沒有過零點,短路電弧會一直燒。所以 800 VDC 冷水機要落地,配套一定是直流斷路器或固態斷路器(SSCB)、直流鏈電容的預充電(不然一合閘就是巨大湧浪電流),以及清楚的接地方式(例如 ±400 V 對稱)。壓縮機是幾百 kW 等級的負載,這些細節比冷水機本體更決定能不能上線。

工程重點 4:電動車其實早就這樣做了

電動車的電動空調壓縮機,本來就是直接從 400V 或 800V 高壓電池母線取電,由車上的逆變器驅動,中間沒有整流這一步。我們在熱泵 vs PTC 那集講過壓縮機怎麼吃電,在 800V SiC 那集講過為什麼高壓能降電流。資料中心現在做的,等於把電動車的高壓直流思維放大到 MW 等級。

還缺什麼/待核

  • 「2%」是以什麼為基準?冷卻系統、全廠非 IT 負載,還是整條供電鏈?新聞稿沒寫清楚。
  • 目前是實驗室概念驗證,還沒有實際資料中心的長期運轉數據。
  • Eaton 與 Danfoss 各負責哪個部分,官方沒有拆解。
  • GPU 負載劇烈擺動時,800V 母線電壓變動對壓縮機驅動的影響、以及直流冷水機的安規標準,都還待公開。

延伸影片(@vkinng)

換你說:資料中心全面直流化,你覺得最大的障礙是保護設備、標準,還是既有廠房的改造成本?留言告訴我。