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研究生:莊璫旭
研究生(外文):Down-Xu Chuang
論文名稱:電動汽車直驅式軸向磁通永磁直流無刷馬達最佳化設計
論文名稱(外文):Optimal Design of Axial-flux Permanent Magnet In-Wheel Motor for Electric Vehicle
指導教授:陽毅平陽毅平引用關係
指導教授(外文):Yee-Pien Yang
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:機械工程學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:217
中文關鍵詞:電動汽車最佳化設計車輪馬達有限元素分析
外文關鍵詞:Electric Vehiclein-wheel motorfinite element analysisOptimal Design
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軸向磁通永磁式直流無刷馬達具備了高扭力、高力矩密度及高效率等優點,適合應用在直驅式電動汽車車輪馬達上。首先針對電動汽車馬達的設計與要求做評估,將評估的結果做為馬達設計的限制條件。本文的主旨在於利用建立簡化的馬達力矩方程式及電壓方程式來計算軸向磁通馬達的效能,並且配合多目標函數最佳化軟體,在特定的空間及材料特性限制下,針對特定的目標或規格進行多目標函數最佳化。再將最佳化幾何尺寸做3維有限元素電磁分析軟體做驗證,並且利用3維有限元素電磁分析軟體做細部的調整,使得馬達的重量及力矩鏈波可以再獲得改善。本文的主旨之二是希望利用這套設計的流程,可以設計出符合電動汽車規格要求的馬達,並且達到高力矩輸出、高轉速、高效率及輕量化的目標。

Axial-flux permanent magnet motors have the advantages of high torque and high torque density and high efficiency. Before the design of electric vehicle, it is necessary to know the requirement of it. The requirement should be include at least the maximum torque, the maximum speed and the rated power for propulsion. The performance of the motor would set to the constraint of the optimal design. The first topic of this thesis is using energy method to establish the simplified torque equation, and the voltage equation is used to calculate the other performances of the motor. At the constraint of finite space and geometry, the optimal theory can help to find the best performance by changes of design variable. The Multi-Object System Tool (MOST) is used to make Optimization possible. The Optimal results are investigated by 3D Finite-Element Analysis (FEMA) Electromagnetic analysis software. According to the results of 3D FEMA Electromagnetic, some detail geometry can be modified without changing the optimal results to achieve better performance, like lightening weight and minimizing the torque ripple of the motor. The second topic of this thesis is to use this optimal design process to design high torque output, high speed, high efficiency and light weight motor for electric vehicle.

誌 謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 IX
表目錄 VIII
符號說明 XI
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 6
第 2 章 電磁模型 8
2-1 磁場及磁路 8
2-2導磁材料 12
2-3 感應電壓及電感 16
2-4 儲能及力矩之計算 18
第 3 章 馬達模型 26
3-1 馬達幾何結構 26
3-1-1 馬達的幾何變換 27
3-1-2 定子槽口設計 28
3-1-3 馬達的幾何變換 31
3-1-4 最小磁路模型假設 33
3-2 力矩方程式的建立 35
3-2-1 磁動勢分佈 36
3-2-2 氣隙分佈 37
3-2-3 輔能和力矩的計算 39
3-2-4 力矩方程式的修正 41
3-3 銅損、相電感及驅動電壓的計算 44
3-3-1 銅損計算 44
3-3-2 相電感計算 47
3-3-3 驅動電壓計算 51
3-3-4 體積、重量、銅損、鐵損、效率的計算 53
3-3-5 磁導係數、磁鐵工作點的計算 54
第 4 章 汽車馬達動力系統設計 56
4-1 汽車動力結構 56
4-1-1電動汽車結構 59
4-1-2 行星齒輪輪內結構 62
4-1-3 直驅式車輪馬達結構 64
4-2 馬達動力估測 67
4-2-1 加速力、風阻、摩擦力 67
4-2-2 汽車動力估測 71
4-2-3 額定力矩及轉速、極速力矩及轉速 75
4-2-4 馬達動力輸出 79
第 5 章 馬達參數最佳化設計 84
5-1 基本幾何尺寸及假設 85
5-1-1 轉子變數 86
5-1-2 定子變數 87
5-1-3 其他變數 88
5-2 目標函數的建立 89
5-2-1 最大輸出力矩 90
5-2-2 額定效率 91
5-2-3 最高轉速 92
5-2-4 力矩密度 93
5-2-5 力矩鏈波 93
5-3 限制條件 93
5-4靈敏度分析與馬達設計變數的決定 97
5-4-1 定子齒極數Ns 102
5-4-2 內徑Ri 103
5-4-3 外徑Ro 105
5-4-4 磁鐵分數σ 106
5-4-5 磁鐵厚度dr 108
5-4-6 齒寬分數? 109
5-4-7 齒極厚度ds 111
5-4-8 槽口分數υ 112
5-4-9 鞋深分數ω 114
5-4-10 背鐵厚度db 115
5-4-11 氣隙g 117
5-4-12 繞線層數na 118
5-4-13 單層繞線匝數nb 120
5-4-14 繞線線徑dwr 122
5-5 最佳化設計 127
5-5-1 最佳化軟體簡介 127
5-5-2 最佳化流程 129
5-6 最佳化結果 133
5-6-1 固定變數及初始值 133
5-6-2 目標函數收斂性 135
5-6-3 輕量化 143
5-6-4 最佳化幾何尺寸結果 149
第 6 章 最佳化結果分析與有限元素模擬 151
6-1 建立模型 151
6-1-1 有限元素分析軟體簡介 151
6-1-2 建立分析模型 154
6-2 最佳化結果分析 162
6-2-1 磁通密度分佈 164
6-2-2 方波及正弦波力矩分佈 167
6-2-3 力矩常數kt 169
6-2-4 不同權重之最佳化結果有限元分析 170
6-3 有限元素尺寸修正 171
6-3-1 背鐵厚度db 171
6-3-2 齒極厚度ds 172
6-3-3 齒極分數? 174
6-3-4 轉子磁鐵厚度dr及磁鐵分數σ 176
6-3-5 鞋深分數ω 177
6-3-6 24:18齒極磁鐵比 178
6-3-7不同權重之最佳化結果有限元素參數修改 179
6-4 降低力矩鏈波 181
6-4-1 鞋深分數ω 182
6-4-2 槽開口分數υ 183
6-4-3 驅動波形 184
6-4-4 不同權重之力矩鏈波有限元素分析與修改 185
6-5 馬達最佳化設計與比較 185
6-5-1 能量法簡化模型與有限元素的結果比較 185
6-5-2 有限元素分析修改結果 188
6-5-3 抉擇 189
6-5-4 最終尺寸及馬達效能 191
6-5-5 比較 193
第 7 章 結論與討論 197
7-1 車輪馬達 197
7-2 馬達最佳化設計 198
7-3 結論與未來展望 199
參考文獻 201
附錄A 馬達選用材料的特性 204
附錄B 目標函數權重為1:6:1:1的有限元素分析 208
附錄C 最終設計結果尺寸圖 213



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