臺灣博碩士論文加值系統

無鐵心線性馬達因其優異性能與高設計自由度等特性，促使馬達廣泛應用於高精度及高穩定度之線性運動之場合。由於無鐵心線性馬達採用U型結構設計，易造成散熱不佳，因此，線性馬達所產生之熱影響是必須瞭解與克服的問題。
本研究主要目的是找出降低馬達溫度場分佈的最佳化參數設計組合，同時考慮的參數包括氣隙長度、磁鐵尺寸(磁鐵長度及磁鐵寬度)，磁鐵磁距、線圈長度、線圈寬度及銅線直徑做為此單目標最佳化問題之設計變數。本文使用田口方法找出無鐵心線性馬達之重要設計參數，並採用反應曲面法(RSM)作為發展此目標之數學預測模型，配合實數遺傳演算法找出最佳的無鐵心線性馬達熱傳模型之結構尺寸設計，並使用熱電路法建立熱阻模型，將最佳參數組合以有限元素分析軟體COMSOL 4.2 模擬驗證其結果，並與熱阻模型比較其溫度之準確性，確認所建立之分析方程式可適用於無鐵心線性無刷永磁馬達之熱傳分析與設計。

Air-core linear brushless permanent magnet motors (ACLM) have excellent performance and design diversified characteristics. Consequently, air-core linear motors have been broadly applied to high precision and high stability of linear motion. However, the motor’s structure with U type design, could easily lead to poor heat dissipation. Therefore, to understand the heat problems of air-core linear motor is one of most important issues.
The main purpose of this study was to find out the optimal design variables of the air-core linear brushless permanent magnet motor by simultaneously considering the minimal temperature. The factors include the air gap length; magnet dimensions (magnet height and magnet width), magnetic moment, coil winding thickness, coil winding width and copper wire diameter were chosen as design variables in this single objective optimization problem. These experimental factors are again optimized using the Taguchi method to find the significant design parameters of air-core linear motor, and then, using response surface methodology (RSM) developed a mathematical predictive model for each of the objective function. We proposed a design optimization to improve the thermal characterization of a linear motor by defining a flexible objective function, where a real Genetic Algorithm was applied optimize the model developed using RSM to find the optimal motor dimensions.
We employ the finite element (FE) COMSOL software to verify the optimal match between calculation equations and the simulation results. The thermal circuit we used to establish the thermal resistance model. Compilation the accuracy of the temperature by thermal resistance result and FE simulation results. In conclusion, it is confirmed that developed equations can be applied to Air-core linear motor analysis and design. Designers can expand the effective method for designing linear motors to successfully solve more complex problems in other designed components.

目次
第一章 前言 1
1.1 背景與動機 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究目的與範圍 7
1.4 論文大綱 9
第二章 磁熱耦合分析與理論 10
2.1 無鐵心線性馬達構造與原理 10
2.2 無鐵心線性馬達之熱產生 11
2.3 線性馬達熱損耗計算 13
2.4 馬達之熱傳理論與邊界條件 14
2.5 馬達氣隙分析 20
2.6 熱阻模型分析 23
第三章 熱傳模型建構與研究方法 28
3.1 線性馬達設計與流程 28
3.2 馬達相關參數與尺寸 29
3.3 田口方法[20] 34
3.5 反應曲面法[21] 38
3.6 實數遺傳演算法[22] 40
第四章 實驗設計之分析與結果討論 45
4.1 田口方法之因子變動對S/N比效應分析 45
4.2 反應曲面法之實驗分析與結果 54
4.3 有限元素磁熱耦合模擬流程 62
4.4 馬達之最佳化設計 69
第五章 結論與未來研究方向 76
5.1 結論與建議 76
5.2 未來研究方向 77
參考文獻 79

表目錄
表2.1 熱對流計算所需的相關參數 20
表2.2 材料性質參數表 27
表2.3 馬達縱方向各位置之長度 27
表4.1 無鐵心線性馬達的參數水準設定 47
表4.2 無鐵心線性馬達之直交表 48
表4.3 各因子對S/N比的反應表 49
表4.4 各因子對單一品質特性的反應表 49
表4.5 變異數分析 50
表4.6 無鐵心線性馬達的參數水準設定 55
表4.7 二次多項式迴歸方差分析表 56
表4.8 反應曲面模型之變異數分析(反應值:溫度T) 58
表4.9 磁場模組之邊界條件參數 65
表4.10 最佳化與未最佳化之熱傳模型比較 73
表4.11 有限元素分析與熱阻模型之結果比較 73
表4.12 暫態熱傳有限元素分析之各線圈繞組溫度結果 73
附錄A.1 反應曲面法之實驗設計與結果 83
附錄A.2 銅線線徑與電流密度之速查表[25] 86

圖目錄
圖2.1 無鐵心線性馬達之示意圖 11
圖2.2 無鐵心線性馬達之連續推力示意圖 11
圖2.3 圓管內完全展開層流熱入口區的局部和平均紐爾賽數 19
圖2.4 氣隙模型之邊界條件示意圖 22
圖2.5 氣隙模型之元素網格 22
圖2.6 氣隙模型之模擬結果圖 23
圖2.7 無鐵心線性馬達縱斷面之熱阻模型 25
圖2.8 熱源由線圈各個面流出之示意圖 26
圖3.1 線性馬達之設計流程圖 28
圖3.2 線性馬達動子與定子立體示意圖 29
圖3.3 線性馬達定子的設計參數示意圖 30
圖3.4 線性馬達動子設計參數與三相繞組的繞線方向 30
圖3.5 磁鐵減磁曲線示意圖 33
圖4.1 各因子對S/N 比的反應圖 49
圖4.2 各因子對品質特性的反應圖 50
圖4.3 迴歸方程曲線圖 55
圖4.4 溫度T與線圈厚度，有效電流的等高線圖 59
圖4.5 溫度T與線圈厚度，有效電流的曲面圖 59
圖4.6 溫度T與線圈寬度，有效電流的等高線圖 60
圖4.7 溫度T與線圈寬度，有效電流的曲面圖 60
圖4.8 溫度T與線圈厚度，磁鐵磁距的等高線圖 61
圖4.9 溫度T與線圈厚度，磁鐵磁距的曲面圖 61
圖4.10 COMSOL的操作流程圖 63
圖4.11 幾何模型之結構說明 64
圖4.12 施加負載及邊界條件設定之示意圖 68
圖4.13 馬達之網格切割圖 69
圖4.14 遺傳演算法之迭代圖 74
圖4.15 無鐵心線性馬達未最佳化之耦合磁熱分析結果(單位℃) 74
圖4.16 無鐵心線性馬達最佳化之耦合磁熱分析結果(單位℃) 75
圖4.17 無鐵心線性馬達最佳化之耦合磁熱分析細部結果(單位℃) 75

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[25]附錄A.2的網路來源來自以下網址: http://wenku.baidu.com/view/93efe66b561252d380eb6e02.html