臺灣博碩士論文加值系統

軸向磁通馬達具備了高扭力、高力矩密度及高效率等優點，適合應用在車輪馬達上。若軸向馬達的轉子中加入矽鋼，即為永磁式磁阻馬達，馬達的力矩輸出除了對正力矩外，也會包括磁阻力矩。本文試圖完成一個直流無刷馬達及永磁式磁阻馬達皆可以適用的馬達設計流程：由建立軸向磁通馬達的設計方程式開始，再利用最佳化軟體針對特定目標或規格進行最佳化，最後並以2-D有限元素電磁分析作驗證及比較，以獲得車輪馬達的最佳化設計，並比較永磁式磁阻馬達與直流無刷馬達的力矩及性能。

Axial-flux permanent magnet (AFPM) motors can be designed to achieve a higher torque-to-weight ratio and motor efficiency, and are suitable for wheel motor applications. In permanent magnet reluctance motors, both magnets and electric steel are placed in the rotor. A reluctance torque component is added to total torque while there are steel in the rotor. This paper presents the procedure of an optimal design of APFM motor, including brushless dc motor and permanent magnet reluctance motors. First, a set of mathematical model is developed to describe the APFM design in terns of the design variables. Then the optimal shape of motor is determined by the optimization technology to meet various specifications. The design results are investigated by the 2D electromagnetic analysis. Finally comparison of brushless dc motor and permanent magnet reluctance motors is made.

第 1 章 導論………………………………………………………1
1-1 研究動機與目的…………………………………………1
1-2 文獻回顧…………………………………………………2
1-3 各章摘要…………………………………………………4
第 2 章 電磁模型…………………………………………………5
2-1 磁場及磁路………………………………………………5
2-2 磁性材料…………………………………………………9
2-3 感應電壓及電感…………………………………………13
2-4 儲能及力矩之計算………………………………………15
第 3 章 馬達設計方程式的建立…………………………………24
3-1 基本原理及假設…………………………………………24
3-2 力矩方程式的建立………………………………………28
3-2-1 馬達的幾何變換……………………………………28
3-2-2 磁通分佈和力矩方程式……………………………32
3-2-3 力矩方程式的修正…………………………………39
3-3 銅損、相電感及驅動電壓的計算………………………48
3-3-1 銅損計算……………………………………………49
3-3-2 相電感計算…………………………………………51
3-3-3 驅動電壓計算………………………………………56
3-4 磁鐵工作點、鐵損及效率的計算………………………58
3-4-1 磁導係數、磁鐵工作點的計算……………………58
3-4-2 定子磁通分佈和鐵損計算…………………………60
3-4-3 效率與馬達重量……………………………………69
第 4 章 馬達驅動波形的探討……………………………………70
4-1 三相獨立驅動之驅動原理………………………………70
4-2 方波驅動電流的選用……………………………………74
4-2-1 方波驅動電流的分類………………………………74
4-2-2 提前角之分析………………………………………75
4-3 三相獨立驅動在永磁式磁阻馬達的應用………………78
4-3-1 能量法分析…………………………………………78
4-3-2 有限元素法的分析及驗證…………………………82
4-3-3 定轉子磁動勢的匹配………………………………89
4-4 三相獨立驅動在直流無刷馬達的應用…………………91
4-5 直流無刷馬達單相力矩之分析…………………………95
第 5 章 軸向磁通馬達的最佳化設計……………………………102
5-1 最佳化分析軟體 (MOST) 簡介…………………………102
5-2 目標函數的建立…………………………………………105
5-3 限制條件…………………………………………………107
5-4 靈敏度分析與馬達設計變數的決定……………………111
5-5 最佳化設計………………………………………………131
第 6 章 最佳化設計結果及有限元素分析比較…………………135
6-1 有限元素電磁分析簡介…………………………………137
6-1-1 電磁分析的假設……………………………………138
6-1-2 電磁幾何模型的建立………………………………140
6-2 原馬達設計之能量法及電磁分析………………………144
6-2-1 馬達設計參數………………………………………144
6-2-2 能量法分析結果……………………………………144
6-2-3 有限元素電磁分析結果……………………………151
6-3 最佳化結果比較及電磁分析驗證………………………158
6-3-1 不同定轉子匹配下的力矩最佳化設計……………158
6-3-2 不同驅動方式的力矩最佳化設計…………………161
6-3-3 不同轉子矽鋼比例的力矩最佳化設計……………166
6-3-4 不同繞線方式的最佳化設計………………………173
6-3-5 不同矽鋼磁通限制下的最佳化設計………………180
6-4 四相及六相馬達的最佳化設計…………………………185
6-4-1 四相及六相馬達的能量法分析及驅動電流………185
6-4-2 四相及六相馬達的最佳化設計及電磁分析………189
第 7 章 結果與討論………………………………………………196
參考文獻……………………………………………………………209
附錄A 馬達選用材料的特性………………………………………214
附錄B 原設計馬達之結構及尺寸圖………………………………216
附錄C 有限元素電磁分析結果……………………………………219
附錄D 最佳化設計尺寸圖…………………………………………228

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