臺灣博碩士論文加值系統

本論文以有限元素法套裝軟體Maxwell 2D模擬改進小型伺服致動器之直流無刷馬達原始設計雛型之效率問題。
我們首先以Maxwell 2D內建立該馬達原始設計雛型的二維靜磁場分析模型，藉由改變激磁電流(Excitation Current)參數求出轉矩(Torque)，以得到最佳的激磁電流角度與最佳激磁電流波形。
除此之外，基於小型伺服致動器期望有大轉矩及操作控制點穩定的需求，本論文也藉由改變轉子磁石圓弧高度及定子結構形狀，評估馬達轉矩輸出淨值，並對頓轉轉矩(Cogging Torque)、漏磁(Leaking Magnet)及感應電動勢(Induction Electromotive)進行分析討論。期能在兼顧最大轉矩輸出、縮小轉矩漣波(Torque Ripple)及減少振動的原則下，提出該馬達設計雛型效率提昇的建議。

The object of this thesis is to simulation the performance and to improve the efficiency of the DC blushless motor, by utilizing the finite element software package— Maxwell 2D.
First of all, a two-dimensional static magnetic model of the motor is formulated, then change parameter of excitation current and torque solve to establish the optimum excitation current angle and waveform of this machine.
Since the servo actuator requires maximum torque and stable operational control point, modulates the arc highness of permanent magnets and the shapes of stator are performed, thus the induced torque changes are obtained and the effectiveness of machine operational efficiency is improved.
Eventually, adequate suggestions for design and constructing highly efficiency machine are explicitly proposed.

中文摘要 i
ABSTRACT ii
圖目錄 vi
表目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 3
1.3 國內外相關研究 5
1.4 論文架構 9
第二章 直流無刷馬達介紹 10
2.1 直流與交流馬達的差異 10
2.2 有刷型與無刷型直流馬達差異 12
2.2.1 有刷馬達 13
2.2.2 無刷馬達 14
2.2.3 取代電刷與整流子之電子電路 14
2.3 安培定律與電樞繞組 16
2.3.1 電樞繞組 17
2.3.2 三角形接線與星形接線 20
2.4 直流無刷馬達之換相與驅動 21
2.4.1 激磁電流的相位檢測 21
2.4.2 直流無刷馬達之換相 22
2.4.3 直流無刷馬達轉矩的產生 24
第三章 基本理論與馬達材料應用準則 28
3.1 有限元素法的原理簡介 28
3.1.1 有限元素法相關名詞定義 29
3.1.2線性三角形平面元素 30
3.1.3二維磁場的統御方程式 32
3.1.4 有限元素法的分析步驟 34
3.2 磁路模型 35
3.3 齒槽氣隙模型 38
3.4 基本材料應用準則 44
3.4.1 B-H曲線 44
3.4.2 馬達本體基本材料特性 45
第四章 小型直流無刷馬達雛型分析 48
4.1 Maxwell 2D軟體的分析流程 48
4.2 選擇分析模組及繪製幾何圖形 49
4.3 設定材料及材料特性 50
4.4 設定邊界與磁場來源 51
4.5 網格設定分割 52
4.6 Maxwell 2D求解 57
4.6.1 電磁場行為分析 57
4.6.2由轉矩常數等於反電動勢常數的關係求馬達轉速 62
第五章 激磁電流與定轉子結構外形參數研究 69
5.1 應用於Maxwell 2D軟體之激磁電流研究 69
5.2 不同的激磁電流波形效率研究 73
5.3 方波激磁電流最佳角度研究 79
5.4 提前轉子偏轉等同於激磁電流落後的概念研究 84
5.5 馬達轉子磁石徑向充磁與平行充磁影響電機性能評估 86
5.6 馬達定轉子氣隙大小影響電機性能評估 89
5.7 轉子磁石不同圓弧高度影響電機性能評估 92
5.8 凸極與非凸極轉子對電機性能之影響評估 94
5.9 定子槽口影響電機性能評估 98
5.10 定轉子外形對稱性之作用力評估 100
第六章 討論與結論 106
6.1 討論 106
6.2 結論 107
6.3 未來展望 108
參考文獻 110

[1] 鄭榮貴，“應用於三維磁路分析於外轉子式無刷直流電動機效率提昇之探討”，中山大學電機工程研究所碩士論文，2001年6月。
[2] 張浚溢，“表面型與內藏型永磁同步機特性比較”，逢甲大學電機工程研究所碩士論文，2002年6月。
[3] 賴慶峰，“外貼式磁鐵直流無刷馬達之有限元素分析比較”，電機月刊，第十卷，第九期，pp. 164-174，2000年9月。
[4] S.M. Hwang and D.K. Lieu, “Reduction of Torque Ripple in Brushless DC Motors”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 31, No. 6, pp. 3737-3739, 1995.
[5] K.F. Rasmussen, “Analytical prediction of magnetic field from surface mounted permanent magnet motor”, Proceedings of the 1999 IEEE International Electric Machines and Drives Conference Record
(IEMDC’99), pp. 34-36, Seattle, USA.
[6] Min Dai, Ali Keyhani, Tomy Sebastian, “Torque Ripple Analysis of A Permanent Magnet Brushless DC Motor Using Finite Element Method”, The Ohio State University, Columbus, OH 43210 / Delphi Saginaw Steering Systems, Saginaw, MI 48601.
[7] 卓源鴻，“感應馬達電磁力分析”，成大馬達科技研究中心，第25期，2003年4月。
[8] Seung-Chang Park, Tae-Ho Yoon, Byung-I1 Kwon Hee-Soo Yoon and Sung-Hong Won,”Influence on Brushless DC Motor Performance Due to Unsymmetric Magnetization Distribution in Permanent Magnet”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 36, No. 4, pp. 2101-2104, July, 2000.
[9] 黃昌圳校閱、孫清華編譯，“最新無刷直流馬達”，全華科技圖書公司，2001年12月。
[10] 蔡木村 編譯，“小型電動機”，全華科技圖書公司，1994年9月。
[11] 廖福奕編譯，“小型馬達技術”，全華科技圖書公司，2003年。
[12] 何世江編撰，“交流同步伺服馬達繞線設計及分析”，機械工業雜誌，pp. 186-197,1995年2月。
[13] 葉東龍撰，“直流無刷馬達驅動與控制器應用技術展望”，電機月刊，第十一卷，第六期，pp. 229-241，2001年6月。
[14] Marcelo Godoy Simões, and Petronio Vieira, Jr, “A High-Torque Low-Speed Multiphase Brushless Machine—A Perspective Application for Electric Vehicles”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 5, pp. 1154-1164, October, 2002.
[15] 李發海、王岩編著，“電機機械”，全華科技圖書公司，1995年9月。
[16] 杜光宗編譯，“圖解電機機械”，建宏出版社，pp.24-26，1995年10月。
[17] Y. Bulent Yildir, Bruce W. Klimpke, K.M. Prasad, “Magnetic Analysis of Brushless DC Motors Using The Boundary Element Method”, The PCIM’91 Conference, September 24-26, 1991.
[18] 鐘戊己，“磁場分析在馬達設計上之應用”，電機月刊，第三卷，第十一期，pp. 119-122，1993年11月。
[19] 陳新郁、林政仁譯，“有限元素分析—理論與應用ANSYS”，高立圖書公司，2001年9月。
[20] 王柏村編著，“電腦輔助工程分析之實務與應用”，全華科技圖書公司，pp. 46-49，2001年2月。
[21] 茆尚勳、許良伊、蔡明祺，“電腦輔助馬達設計簡介”，機械月刊，第二十八卷，第十一期，pp. 98-106，2002年11月。
[22] 陽毅平、陸一平，“電機迴轉式致動器之直流無刷馬達最佳化分析”，台大慶齡工業研究中心，pp. 133-140，1997年3月。
[23] Duane C. Hanselman, “Brushless Permanent-Magnet Motor Design”, McGraw-Hill, 1994.
[24] S. M. Hwang, J. B. Eom Y. H. Jung, D. W. Lee, and B. S. Kang, “Arious Design Techniques to Reduce Cogging Torque by Controlling Energy Variation in Permanent Magnet Motor”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 37, No. 4, pp. 2806-2809, July, 2000.
[25] C. Studer, A. Keyhani, T. Sebastian, S. K. Murthy, “Study of Cogging Torque in Permanent Magnet Machines”, IEEE IAS Annual Meeting New Orleans, Louisiana, USA, pp. 42-49 October 4-9, 1997.
[26] Jimmie J. Cathey, “Electricmachines: Analysis and Design Applying MATLAB”, McGraw-Hill Education (Taiwan), pp. 65-66, 2002.
[27] David Dameron, “Flux Leakage Tests for the Marinov Motor”, APEIRON Vol. 7 Nr. 3-4, pp. 155-160, July-October, 2000.
[28] 鄭晃忠等編著，“工程材料科學”，全華科技圖書公司，pp. 762-769，2000年12月。
[29] 鄒繼斌、劉寶廷、崔淑梅、鄭萍，“磁路與磁場”，哈爾濱工業大學出版社，1998年。
[30] Ansoft Corporation, “Maxwell 2D Field Simulation User Manual”, 2003.
[31] Hamid A. Toliyat, Nabil A. Al-Nuaim, “Simulation and Detection of Dynamic Air-Gap Eccentricity in Salient-Pole Synchronous Machines”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35, No.1, pp. 86-93, January/February, 1999.
[32] Ronghai Qu, Thomas A. Lipo, “Analysis and Modeling of Airgap & Zigzag Leakage Fluxes in a Surface-Mounted-PM Machine”, IEEE Transactions on Magnetics, 2002.
[33] T. Kobayashi, F. Tajima, M. Ito and S. Shibukawa, “Effects of Slot Combination on Acoustic Noise from Induction Motor”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 33, No. 2, pp. 2101-2104, March, 1997.