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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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