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Gogoro的馬達有比較特別嗎?–馬達技術解密

PanSci_96
・2015/10/18 ・2434字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

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source:William Li
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「電動車」使用者一直跟行動不便的身障者、從菜市場滿載而歸的老人,或在觀光景點悠閒環湖的遊客劃上等號,只是現在,這種刻版印象應該要改觀了!

有鑑於其緩慢的速度,電動車長期被框架在既定使用模式下,但就在今年夏天,出現了一台不同於以往、甚至可以說是直攻痛處的智慧型電動車-Gogoro。究竟它是如何破解「魔咒」?這台挑戰限制的前驅者,其創新便是來自於它動能的靈魂──馬達:

馬達(又稱為電動機)是一種將電能轉化成機械能、再以機械能產生動能來驅動裝置的電氣設備。那馬達是如何運轉的呢?這要來談談「電」與「磁」之間的微妙關係,如果將指北針放在導線附近並通上電,就會觀察到指針有明顯的偏轉現象,這表示當導線中有電流通過時,其周圍會產生磁場(指受磁力所影響的場域範圍)。當通電的導線放置於以固定磁鐵產生的磁場內時,利用電流磁效應可使導線移動,若電流方向不變就會產生連續的轉動,因而產生動能。透過下圖的示意圖可以理解如何從磁場和電流方向,利用「右手開掌定則」來判斷受力方向。

未命名

知道馬達如何轉動後,該如何讓它的動力提高呢?這取決於「電磁鐵」磁場的強度,那電磁鐵又是什麼?電磁鐵便是以通電來產生磁力的裝置,從「右手安培定則」可以知道,當直流電通過螺旋狀的導體時會產生具有方向性的磁場,若在螺旋線圈中加入磁性物質(如鐵芯),此磁性物質便會被磁化且達到加強磁場的效果。一般來說,磁場的強度和電流大小、線圈匝數和磁性物質的材質有關,電流越強、線圈匝數越多,磁場就會越強,動力也會提高。

未命名

未命名

和一般市面上現有的電動車相較,Gogoro 的馬達產生的動力較高,但體積卻相較小上許多,這顛覆了以往馬達「越大越有力」的想法,其原因就在於它的獨門銅線纏繞技術。為了解密其中的技術,泛科學專訪了 Gogoro 研究團隊,團隊表示 Gogoro 的馬達原以電腦先行模擬、運算出銅線編織結構,再請經驗老道的師傅手工纏繞,但以普通方法並無法在預期的體積內完成此纏繞模式,「這不是科學上的創新,而是技術上的挑戰。」Gogoro 產品管理經理王光祖語帶堅定的說Gogoro 研發團隊將整顆馬達模組化、切割成 12 等分,並在每等分上以自動化技術用更密集的方式堆疊銅線,「就像小時候玩四驅車一樣,要想辦法在一顆馬達上繞上越多銅線越好。」再以串接技術連接起所有銅線,組裝、固定成完整的馬達。

未命名

馬達在產生動能的過程中也會產生熱能,這時候冷卻系統就很重要了,冷卻系統能夠幫助動力系統在運作過程中達到熱平衡,不讓零件因過熱而損耗,尤其 Gogoro 在馬達體積縮小、維持高功率情況下,會達到發熱密度Gogoro 採用高效率的水冷系統,藉由冷卻液在水流道中循環帶走熱能,再經由散熱器的鰭片和外界的空氣進行熱能交換,以維持冷卻液的溫度。比起傳統水冷系統,這款水冷系統以模組化設計的散熱器配合車體空氣流道,來取代耗電的風扇與過長的水管,讓體積變小、質量更輕,不但提高整體的能源使用效率、導風效果更好,精簡零件避免了維修的風險,模組化設計也易於拆解、清洗。

未命名

除了動力系統本身以外,傳動系統和懸吊系統的配合也會影響馬達的功率輸出。比起需要維持扭力輸出而使變速系統損耗較大的汽油引擎,電動車的馬達只需要通電就能全扭力運轉,而 Gogoro 更是使用了輕量、高張力的碳纖維複合材質傳動皮帶,以及體積小、動力輸出平穩、效率更高的行星齒輪作為減速裝置。且不同於一般電動車將馬達置於後輪附近以利於驅動,Gogoro 則是將馬達置於車架中間,使後輪在行駛過程中所產生的跳動不會影響馬達構造,維持良好的壽命表現。

未命名

根據截自今年8月的統計,台灣的機車數量是約1,400萬輛左右,其中電動車約有3萬輛;每年各家機車廠商賣出約80萬輛燃油機車,電動機車卻不到9千輛。台灣交通環境下,一般人通勤還是以成本和功能為選擇考量,然而 Gogoro 不以車商角度自居,以自行開發設計、台灣製造和智慧化系統為賣點進軍電動機車市場。Gogoro 特製馬達的確給了電動機車彪悍的能耐,但是否能夠帶著 Gogoro 衝破現在環境、價格和使用習慣等挑戰,甚至往「行動能源」、「大數據」等願景前進,是值得關注的下一步。

source:William Li
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參考資料:

 

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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交流電發電機的勾勒起點,發明鬼才與他的大學生活——《被消失的科學神人‧特斯拉親筆自傳》
PanSci_96
・2020/12/12 ・2484字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

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編按:尼古拉・特斯拉(Nikola Tesla)的父母原本一直希望他繼承衣缽、成為一位牧師,然而在他少年時期有次感染了霍亂,被醫生宣判可能回天乏術,特斯拉對父親說:「如果你同意讓我去唸工程科系,我也許會好起來。」於是後來特斯拉的父親為他安排進入奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀,這裡也是特斯拉構想交流電發電機的起點。

為不讓父親失望,一天只睡四小時

一年的身體調養期結束之後,我被父親送到奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀,他為我精挑細選了這所歷史悠久、聲譽卓著的大學。這是我期待已久的時刻,在充裕獎學金的資助下,開始我的大學學業,我下定決心一定要在課業上有傑出表現。拜父親的教導和諸多機會所賜,我的學習底子優於一般學生。

進入大學之前,我已經學會多國語言,也啃讀了不同圖書館的藏書,多多少少汲取了有用的資訊。另外,這是我第一次可以選擇喜歡的科系就讀,所以畫圖再也不會成為我的困擾。

我立志要給父母親一個驚喜,所以第一學年我每天從清晨三點一直讀到深夜十一點不間斷,連星期假日都不放鬆片刻。由於同學們抱著學而不思的鬆散學習態度,我的學業成績自然技壓群雄。第一年結束,我通過九科考試,教授們認為我的表現值得給予超越滿級分的嘉獎。

特斯拉在大學第一學年為了給父母親一張榮譽的成績單,拼命讀書。圖/Pexels

我帶著這張獲得褒揚的成績單回家,在短暫休息過後,我滿心期待著能贏得父親的稱讚,但是看到父親對於我拚了命博得的榮譽一點都不在意的時候,我深感受傷,這件事幾乎扼殺了我的鬥志和雄心。

但是父親死後,我發現了一疊信件,全是學校教授寄來的,信上說除非父親把我帶離學校,否則我會因為用功過度而沒命,看完後,我悲痛難抑。

大量閱讀與討論,發明構想與科學原理的加成

此後,我全神貫注在物理學、力學和數學上,閒暇時間都泡在圖書館裡。我的習慣是只要開始做一件事情,一定會有始有終,因此常常給自己招來難題。

有一次,我開始閱讀伏爾泰 (Voltaire) 的著作,看到有將近一百卷用小字印刷的皇皇巨著正等待著我去讀,令我驚慌——這個怪物每天喝七十二杯黑咖啡支撐自己寫作!我下定決心一定要全部讀完,但當我放下最後一本伏爾泰的作品時,感到無比暢快,說:「結束了!」

特斯拉開始閱讀伏爾泰的著作後,便下定決心要讀完。圖/柿子文化

我第一年的表現贏得了教授們對我的欣賞,也與他們建立起情誼。包括了:羅格納教授,教授算術和幾何學;包施爾教授,教授理論及實驗物理學;奧勒博士,教授積分,專長在積分方程式,這位科學家的講課是我聽過最精彩的一位。奧勒博士特別關心我在學業上的進展,經常會在下課後留一、二個小時給我,出題讓我解答,我很樂意接受這樣的安排。

我跟他解釋我的飛行器構想,這項發明是建立在合理的科學原理上,不是天馬行空的幻想,我設計的渦輪機已經讓這部飛行器成真,很快就會展現在世人眼前。

羅格納和包施爾兩位教授都是求知欲旺盛的學者:羅格納教授的自我表達方式很奇特,每次都會引起一陣騷動,然後是一段長長的沉默和尷尬;包施爾教授是一位有條不紊、絕對理智的德國人,他有和熊掌一樣巨大的雙手雙腳,但他的實驗都被精準無誤的執行,展現如鎖芯般精密的高超精準技巧,沒有一點閃失。

發現真理需要敏銳直覺與細心觀察

在校第二年,學校收到一部來自法國巴黎的格拉姆發電機 (Gramoe Dyname) ,它有一個馬蹄鐵狀的層壓式場磁鐵,以及一個裝有整流器的繞線電樞。通電之後,這部機器展現了各種不同的電流效應。

包施爾教授在示範時,把它當作馬達在操作,結果電刷出現故障,火花亂竄,我在一旁觀察發現:沒有這些裝置,馬達仍有可能運轉。

包施爾教授宣稱不可能,並且請我就這個主題上臺報告,他最後在做總結時如此說道:「特斯拉先生也許會有了不起的成就,但可以肯定的是他永遠不會去實踐這個構想。這麼做無異是改變一個穩定的拉力,猶如把重力轉變成旋轉力,這是一個永動機的概念,不可能成功。」

但是,直覺超越知識,當邏輯推論或是其他想出來的方法都沒有用的時候,無疑的,我們大腦裡某些奇妙的神經纖維會驅策我們去發現真理。

有一段時間,我迫於教授的權威而猶疑不定,但是我很快就相信自己是對的,然後傾注所有熱情和年輕人的無窮信心,擁抱這個不可能的任務。

23 歲的尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla),1879年。圖/STORE NORSKE LEKSIKON

首先,我在心中勾勒出一部直流電發電機,使之啟動運轉後,緊盯觀察電樞電流的變化。然後,我會另外想像一部交流電發電機,觀察在相同情況下其運作過程。接下來,我則勾畫想像馬達與發電機兩種系統,並用各種方式測試其運作情況。

我心眼所見的圖像對我而言是如此全然真實,具體可觸。我在格拉茲的理工學院的剩餘時光都在全心鑽研這個問題,直到離校前依舊毫無斬獲,我差一點就要舉白旗投降,宣判這個問題無解。

——本文摘自泛科學2020年12月選書《被消失的科學神人:特斯拉親筆自傳》,柿子文化,2019年01月。
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能源危機告急,綠色科技對環境真的比較友善嗎?——《稀有金屬戰爭》
天下文化_96
・2020/07/31 ・2283字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

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  • 作者/皮特龍 (Guillaume Pitron);譯者/蔡宗樺

我們喜歡稱為「綠色」的科技,或許並不那麼環保。綠色科技對環境的影響,甚至相當廣大。我們於 2016 年春季造訪多倫多時,就在當地瞭解到這一點。

在多倫多金融區的中心,北美礦業界的所有開採公司、公家機關、創投家、顧問公司、專家、學者群聚一間大飯店,在舒適的氛圍中,參加一場旨在迅速開拓稀有金屬新商機的會議——第五屆潔淨科技與稀有金屬年度峰會,主題是「投資潔淨科技革命」。

會中談論的話題,包含投資、資金流動、毛利、募款、成本結構、市值、平均年產量等。綠色科技的成長前景驚人,國際能源署(IEA)預測,到了 2040 年,可再生能源占全球總發電量的比例將從 2012 年的 21%,上升至 33%。

綠色科技對環境的影響並不那麼正向?

但是,在這個大多數為衣著體面男士的礦業場域中,有兩位人士對這個小團體潑了冷水。

綠色科技真的讓我們減少能源消耗嗎?圖/pixabay

第一位是加拿大人、烏拉金(Uragold)公司的執行長杜比隆(Bernard Tourillon)。烏拉金是製造太陽能業關鍵材料的一間企業。

杜比隆仔細計算過太陽能光電板對環境的影響,他聲稱,特別考量到光電板內含的矽,生產一片光電板會產生超過 70 公斤的二氧化碳。隨著未來數年內,光電板的數量將增加 23%,這表示太陽能光電裝置的發電量每年將增加 10 京瓦,代表 27 億噸的碳排入大氣中,相當於將近 60 萬輛汽車活動一年造成的汙染。

若是我們研究太陽能加熱板,影響則更加嚴重:每 100 萬瓦時,可消耗多達 3500 公升的水,比燃煤電廠所需的水還多 50%。同樣造成問題的是,太陽能發電站最常位於乾旱地帶,當地的水資源原本已相當稀少。

第二位掃興者是皮特森(John Petersen),他是長期在電池產業工作的美國德州律師。皮特森從各個角度分析數據、參閱諸多學術文獻與自己進行研究後,獲得了一個結論。我們先把時間拉回 2012 年。加州大學洛杉磯分校的學者,著手比較傳統汽車與電動車的碳影響。

電動車消耗的能源真的較少?圖/pixabay

他們的第一個發現是:電動車理應消耗較少能源,但製造電動車卻比製造傳統汽車需要耗費更多能源,主要原因在於電池,一般而言,鋰離子電池非常重。

想想看,美國知名廠牌特斯拉的 S 型電動車款所使用的電池,光電池本身就占全車重量的 25%(電池價格也至少占全車的三分之一),重達 544 公斤,是雷諾汽車 Clio 的一半重量(參閱〈附錄 5:電動車利用稀有金屬的概況〉)。

鋰離子電池的成分為 80% 的鎳、15% 的鈷、5% 的鋁,另含有鋰、銅、錳、鋼和石墨。我們已知道在中國、哈薩克、剛果民主共和國開採這些礦石的條件為何,另外還必須加上精煉及運輸和組裝所需的所有後勤工作。加州大學洛杉磯分校的學者所作的結論是:一輛電動車在生產過程消耗的能源,為一輛傳統汽車的三倍至四倍。

但是相對的,就整個生命週期而言,電動車具有很實際的優點。由於電動車不需要汽油,碳排放量因此較低:從工廠產製出來以後、上路行駛、最終到報廢場,共排放 32 噸碳,而傳統汽車的碳排放量則是將近兩倍。不過要注意的是,當年進行研究時,電動車的電池僅擁有 120 公里的續航力。

然而電動車市場成長速度之快,現在已沒有任何商用電動車的電池續航力低於 300 公里了。皮特森表示,足夠強勁、充飽電就能使車輛行駛 300 公里的電池,等同於在汽車製造階段,產生兩倍的碳排放量;若是電池的續航力為五百公里,則碳排放量甚至達三倍。

雖然如此,總結果仍是電動車占上風:一輛電動車在整個生命週期裡產生的碳排放量,是一輛汽油燃料車的四分之三。

特斯拉公司最近宣布,其 S 型電動車將配備超過 600 公里電池續航力的電池。特斯拉的老闆馬斯克(Elon Musk)承諾,不久以後將生產出 800 公里續航力的電池。不過,我們應該記得的是:電動車的性能愈提升,製造時所需的能源及產生的溫室氣體,愈可能增加。

皮特森做了結論:「技術上來說,電動車是可行的,但從環保觀點來看,電動車的生產無法永續。」

電動車與柴油車的能源消耗量差不多?!

想要減少二氧化碳,沒這麼簡單?圖/giphy

探討相同主題的許多研究,也獲得頗為接近的結論。例如,法國環境與能源管理局(ADEME)2016 年發表的一份報告指出,「以整個生命週期而言,電動車的能源消耗量,大致上和柴油車相近。」關於對環境的影響,該報告表示「電動車與燃料車的影響程度相當」。

若是電動車使用的電主要來自燃煤電廠,甚至可能產生更多二氧化碳,在若干國家如中國、澳洲、印度、臺灣、甚至南非,即是如此。這正是《自然能源》期刊 2018 年發布的一份報告的結論:如果每個中國人都在用電高峰期(亦即只有熱電廠能夠滿足大部分需求的時刻),蜂擁至快速充電站,那麼在中國行駛的一輛電動車,整個生命週期可能產生比一輛傳統汽車更多的二氧化碳。

事實上,還有許多問題仍未解答:電池壽命常迅速耗盡,電池的替換是否已納入考量?我們是否確實瞭解,車輛內含的所有電子用品及其他連線物件對環境的影響?而這些大部分依舊簇新的電動車輛,日後的回收對環境的衝擊為何?為因應這些新需求而建造的電網和發電廠,又需要消耗多少能源呢?

最後,如同一位在多倫多受訪的美國稀有金屬專家所承認,「回答這些問題,並不符合任何一位綠色能源專業人士的利益,每個人都想相信我們正在改善情況,而非倒退,不是嗎?

——本文摘自《稀有金屬戰爭》,2020 年 5 月,天下文化

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。