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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:盧品勳
研究生(外文):Ping-Shiun Lu
論文名稱:直驅式直流無刷馬達之設計與分析
論文名稱(外文):Design and Analysis of Direct-Drive Brushless DC Motors
指導教授:吳益彰吳益彰引用關係
指導教授(外文):Yi-Chang Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系碩士班
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:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:131
中文關鍵詞:直驅式直流無刷馬達電磁場分析
外文關鍵詞:Direct-Drive Brushless DC MotorsElectromagneti
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直驅式直流無刷馬達具有高扭矩低轉速的運轉特性,由於不須搭配減速機構,具有組合構件較少、傳動效率較高、運轉噪音較低、及構裝空間較彈性化等優點,是目前學界與業界共同的研發主軸。本論文針對直驅式直流無刷馬達之磁場分析與設計流程提出具體的分析與設計方法。文中首先介紹直流無刷馬達的氣隙與繞組構形及其設計特點,其次利用等效磁路法建立表面黏著型直流無刷馬達的數學模型,搭配有限元素軟體進行靜磁場分析與驗證,接著針對一市售直驅式直流無刷馬達以所提之等效磁路法與有限元素分析軟體計算其氣隙磁通密度,並與廠商所提供數據進行比較,驗證所提解析方法與軟體分析結果的正確性;最後提出一套完整的直驅式直流無刷馬達設計流程,並以電動腳踏車為載具,完成一個三相、40極、48槽之直驅式直流無刷馬達的設計實例,以供後續加工製作之用。本文之成果有助於提升國內在直驅式直流無刷馬達的創新研發與設計能力。
Direct-drive electric motors are known to have advantages such as redecing the friction, eliminating the back-lash, and simplifying the mechanical structure. They are widely used in high driving torque and low rotational speed applications. The purpose of this work is to surdy the structural configuration, electromagnetic field, and design process of direct-drive brushless DC motors. Typical configurations and winding layout of direct-drive brushless DC motors are introduced first. The equivalent magnetic circuit model of an existing surface-mounted permanent magnet brushless DC motor is then established to calculate the airgap magnet flux density, while the validity is verified by the finite-element analysis. Finally, a design process, including the magnetic design, dimensional design, and electric design, is proposed for the implementation of direct-drive brushless DC motors. A design example for using in electric bicycle is also illustrated.
目 錄

中文摘要………………………………….…….……………………………………...i
英文摘要……………………………………………....................................…….…....ii
誌謝………………………………………………….………………………………...iii
目錄……………………………………………………………………………............iv
表目錄………………………………………………………………………................vi
圖目錄……………………………………………………………….………. ……...viii
符號說明……………………………………………………………………………...xii

第一章 緒論………………………………………………………………….……..1
1.1 前言…….……………………………………...……………………….......1
1.2 文獻回顧…….……………………………………...………………….......1
1.3 研究動機與目的…….……………………………………...……………...5
1.4 本文架構…….……………………………………...………………….......6
第二章 直驅式直流無刷馬達介紹…………………………………………….…..8
2.1 直驅式直流無刷馬達構形…….…………………………………...….......8
2.1.1 轉子構形………………………………………………….........………….8
2.1.2 氣隙與繞組構形…………………………………………..............……....9
2.1.3 相數、轉子極數、與定子槽數…………………………………………11
2.1.4 磁石種類與等級…………………………………………………………12
2.2 直驅式直流無刷馬達特性與優點…….…………………………...….....14
2.3 直驅式馬達設計特點…………………………………………...……..…15
2.3.1 槽極數設計………………………………………………….........……...15
2.3.2 頓轉轉矩週期……………………………………………….........……...16
2.3.3 負載電流值………………………………………………….........……...17
第三章 靜磁場分析與電氣參數介紹………………………………….…………18
3.1 等效磁路分析…….…………………………………………...……….....18
3.2 靜磁場有限元素分析…….…………………………………...........….....27
3.3 馬達電氣參數介紹…………………………………………........…….....34
3.3.1 磁交鏈、感應電動勢……………………………………........................34
3.3.2 三相繞組排列…………………………………........…............................48
3.3.3 繞線因素與轉矩.………………………………………..............…….....57
3.4 各種損失及效率………………………………………….........................58
第四章 軟體模擬驗證……………………………………………….……………63
4.1 靜磁場分析………………………………………………...……..………64
4.2 頓轉轉矩分析……………………………………………...……..………68
4.3 反電動勢分析……………………………………………...……..………69
4.4 電磁轉矩分析………………………………………...……..……………73
4.5 討論與改善…………………………...……..……………………………75
第五章 設計實例……………………………………………….…………..……..77
5.1 直驅式直流無刷馬達設計流程規劃………………….……..………..…77
5.2 基本設計條件…………….……..……………….……..………………...80
5.3 等效磁路設計………………………………………..…….……..………82
5.3.1 決定磁石尺寸………………….…………........………………………...84
5.3.2 等效磁路分析………………….…………........………………………...86
5.3.3 定子細部尺寸設計………………….………..…..……………………...87
5.4 電氣參數設計………………………………………..…….……..………90
5.4.1 繞線方式與繞線因素………………….…........………………………...90
5.4.2 電流與匝數之設計………………….…........…………………………...94
5.5 效率估算………………………………………..…….……..……………96
5.6 模擬結果………………………………………..…….……..……………99
第六章 結論與建議……………………………………………….……………..107
參考文獻…………………………………………………………………………..…109
簡歷………………………………………………………………………………..…114
表 目 錄

表2.1 氣隙與繞組構形比較……………………………...……..………… 11
表2.2 直流無刷馬達相數比較……………………...……..……………… 12
表2.3 永磁材料特性之比較表………………………...……..…………… 13
表2.4 直驅式直流無刷馬達與直流無刷馬達設計之差異.……..……….. 17
表3.1 永久磁鐵特性與幾何尺寸(三相八極六槽) ……………………..….. 26
表3.2 馬達幾何尺寸(三相八極六槽) …………………..……………...… 26
表3.3 經由等效磁路分析得到之結果(三相八極六槽) ………..……...… 27
表3.4 三者之氣隙磁通密度比較……………………………….……...…… 33
表3.5 傅立葉級數之係數(三相八極六槽) ………………………………… 40
表3.6 三種方法之反電動勢比較………………………………..………….. 48
表3.7 三相四極十五槽之編製線圈分配法………………………………… 52
表3.8 三相四極十五槽之繞組排列表…………………………..………….. 52
表3.9 三相四極十五槽之各線圈電氣角位置……………………………… 54
表3.10 三相四極十五槽之電氣角簡化 …………………..
54
表3.11 三相四極十五槽之線圈各電氣角位置簡化完成表………………… 55
表3.12 三相四極十五槽之選定A相線圈槽號表…………………………… 55
表3.13 三相四極十五槽之選定B相線圈槽號表…………………………… 56
表3.14 三相四極十五槽之選定C相線圈槽號表…………………………… 56
表3.15 三相四極十五槽之繞組線圈位置排列……………….…………… 56
表4.1 廠商提供之磁石參數表…….……...………………………………… 62
表4.2 現有產品之幾何尺寸(三相46極51槽).………………….................. 63
表4.3 現有產品之繞線配置表-A相(三相46極51槽)…………………… 68
表4.4 現有產品之繞線配置表-B相(三相46極51槽) …………………….. 68
表4.5 現有產品之繞線配置表-C相(三相46極51槽) …………………….. 68
表4.6 不同磁化之反電動勢模擬結果(三相46極51槽) ……….…………. 71
表4.7 不同磁化之電磁轉矩結果(三相46極51槽) ……………………….. 74
表4.8 弦波驅動( )………………………………………………….
76
表5.1 現有電動腳踏車之馬達形式與輸出功率…………………………… 77
表5.2 馬達基本參數表(三相40極48槽)………...…….………………… 82
表5.3 馬達尺寸屬性表(三相40極48槽)……………….………………….. 83
表5.4 永久磁鐵特性與幾何尺寸(三相40極48槽)……………………… 85
表5.5 不同卡特係數所對應等效氣隙長度與氣隙磁通密度值…………… 86
表5.6 兩者方法之氣隙磁通密度值比較…………………………………… 86
表5.7 相應定子細部尺寸(三相40極48槽) ……………………………….. 89
表5.8 各線圈電氣角位置(三相40極48槽) ……………………………….. 91
表5.9 電氣角簡化為 (三相40極48槽) ………………….
91
表5.10 電氣角簡化完成表 (三相40極48槽) ……………………………… 91
表5.11 選定A相之槽號表(三相40極48槽) ……………………………….. 92
表5.12 選定B相之槽號表(三相40極48槽) ……………………………… 92
表5.13 選定C相之槽號表(三相40極48槽) ……………………………… 92
表5.14 三相線圈位置排列表(三相40極48槽) …….………………………. 93
表5.15 銅線型號之參數……………………………………………………… 95
表5.16 傅立葉級數之係數(三相40極48槽) ……………………………….. 102
表5.17 兩種方法之反電動勢值與其誤差率(三相40極48槽) …………….. 103
表5.18 兩種方法之電磁轉矩與其誤差率(三相40極48槽) ……………….. 103
表5.19 馬達幾何尺寸與性能參數(三相40極48槽) ……………………….. 105
表5.20 等效磁路分析之結果(三相40極48槽) …………………………….. 106







圖 目 錄

圖1.1 各型馬達之重量、效率、及成本比較……………………………….. 2
圖1.2 直流無刷馬達與直驅式直流無刷馬達之傳動方式……………….. 2
圖1.3 氣隙磁通示意圖…………………………………………………….. 3
圖1.3(a) 徑向磁通…………………………………………………………….. 3
圖1.3(b) 軸向磁通…………………………………………………………….. 3
圖1.4 本文架構……………………………………………………..……… 7
圖2.1 內轉子與外轉子構形………………….……………………………. 9
圖2.1(a) 內轉子式…………………………………………………………….. 9
圖2.1(b) 外轉子式…………………………………………………………….. 9
圖2.2 不同類型之轉子結構……………………………………………….. 9
圖2.2(a) 表面型轉子結構…………………………………………………….. 9
圖2.2(b) 嵌入型轉子結構…………………………………………………….. 9
圖2.2(c) 內藏型轉子結構…………………………………………………….. 9
圖2.3 徑向氣隙徑向繞組構形…………………………………………….. 10
圖2.4 軸向氣隙軸向繞組構形…………………………………………….. 10
圖2.5 無槽式軸向氣隙環狀繞組構形…………………………………….. 11
圖2.6 永磁材料之去磁曲線……………………………………………….. 13
圖2.7 不同的負載下之典型的速度-轉矩曲線……………………………. 14
圖3.1 表面黏著型永磁馬達單一組磁極對沿氣隙展開的線性模型…….. 19
圖3.2 永磁馬達結構之等效磁路模型…………………………………….. 19
圖3.3 經由圖3.2簡化之等效磁路模型…………………………………… 20
圖3.4 經由圖3.3簡化之等效磁路模型…………………………………… 21
圖3.5 磁鐵與轉子間漏磁通模型………………………………………….. 23
圖3.6 磁鐵與磁鐵間漏磁通模型………………………………………….. 24
圖3.7 三相八極六槽馬達構形…………………………………………….. 25
圖3.8 氣隙磁通密度流程圖……………………………………………….. 28
圖3.9 Ansoft Maxwell軟體建模(三相八極六槽) ………………………… 29
圖3.10 Ansoft Maxwell軟體設定磁石材料………………………………... 29
圖3.11 B-H曲線值匯入視窗………………………………………………... 30
圖3.12 邊界條件設定…………………………………………………...…... 31
圖3.13 執行參數之設定…………………………………………………….. 31
圖3.14 求解精度設定.. ……………………………………………………... 32
圖3.15 網格疏密分布情形………………………………………………….. 32
圖3.16 氣隙磁通密度分佈………………………………………………….. 33
圖3.17 轉子位置在 處………………………………………………..
34
圖3.18 轉子位置在 處……………………………………………
35
圖3.19 轉子位置在 處…………………………………………...
35
圖3.20 磁交鏈相對於轉子位置示意圖…………………………………….. 36
圖3.21 磁交鏈模擬結果…………………………………………………….. 36
圖3.22 傅立葉曲線擬合流程圖…………………………………………….. 37
圖3.23 三相八極六槽之磁通鏈…………………………………………….. 38
圖3.24 A相之傅立葉曲線擬合(三相八極六槽) …………………………... 39
圖3.25 B相之傅立葉曲線擬合(三相八極六槽) …………………………... 39
圖3.26 C相之傅立葉曲線擬合(三相八極六槽) …………………………... 40
圖3.27 三相八極六槽反電動勢常數波形………………………………….. 41
圖3.28 反電動勢波形-傅立葉曲線擬合.. ………………………………….. 41
圖3.29 暫態場模擬流程…………………………………………………….. 42
圖3.30 三相八極六槽之馬達構形(考慮定子繞組) ……………………….. 42
圖3.31 線圈Group…………………………………………………………... 43
圖3.32 設定馬達材料……………………………………………………….. 43
圖3.33 設定邊界條件與激磁源.……………………………………………. 44
圖3.34 繞線匝數設定..……………………………………………………… 44
圖3.35 設定暫態場模擬時間……………………………………………….. 45
圖3.36 馬達之Band設定…………………………………………………… 46
圖3.37 軟體求解過程……………………………………………………….. 46
圖3.38 讀取馬達參數資料. ………………………………………………… 47
圖3.39 反電動勢波形-暫態場模擬…………………………………………. 47
圖3.40 槽導體與導體力矩………………………………………………….. 49
圖3.40(a) 4極36槽之槽導體在定子上分佈………………………………….. 49
圖3.40(b) 導體轉矩…………………………………………………………….. 49
圖3.41 星形向量圖………………………………………………………….. 50
圖3.42 60度相帶法繞組排列………………………………………………. 50
圖3.43 A相繞組接線圖(三相4極15槽) …………………………………... 52
圖4.1 現有產品之分析流程圖…………………………………………….. 61
圖4.2 不同磁化之示意圖.. ………………………………………………... 62
圖4.2(a) 平行磁化之示意圖………………………………………………….. 62
圖4.2(b) 徑向磁化之示意圖………………………………………………….. 62
圖4.3 現有產品局部圖…………………………………………………….. 63
圖4.4 平行磁化之磁力線分佈(三相46極51槽). ………………………... 64
圖4.5 徑向磁化之磁力線分佈(三相46極51槽). ………………………... 64
圖4.6 平行磁化之氣隙磁通密度圖(三相46極51槽) …………………… 65
圖4.7 徑向磁化之氣隙磁通密度圖(三相46極51槽) …………………… 65
圖4.8 平行磁化之頓轉轉矩(三相46極51槽)……………………………. 66
圖4.9 徑向磁化之頓轉轉矩(三相46極51槽)……………………………. 67
圖4.10 三相46極51槽之反電動勢-傅立葉曲線擬合(平行磁化) ………... 69
圖4.11 三相46極51槽之反電動勢-暫態場模擬(平行磁化)…………….... 69
圖4.12 三相46極51槽之反電動勢-傅立葉曲線擬合(徑向磁化)………… 70
圖4.13 三相46極51槽之反電動勢-暫態場模擬(徑向磁化)……………… 70
圖4.14 平行磁化-方波驅動之電磁轉矩(型態A)........................................... 72
圖4.15 平行磁化-弦波驅動之電磁轉矩(型態B)........................................... 72
圖4.16 徑向磁化-方波驅動之電磁轉矩(型態C) .......................................... 73
圖4.17 徑向磁化-弦波驅動之電磁轉矩(型態D) .......................................... 73
圖4.18 平行磁化-弦波驅動之電磁轉矩(Br:1.17 T) ..................................... 75
圖4.19 徑向磁化-弦波驅動之電磁轉矩(Br:1.17 T) ..................................... 75
圖4.20 三相46極51槽之磁通分佈................................................................ 76
圖5.1 直驅式直流無刷馬達設計流程圖...................................................... 72
圖5.2 馬達尺寸屬性示意圖.......................................................................... 83
圖5.3 氣隙磁通密度圖(三相40極48槽)..................................................... 87
圖5.4 50RM600之B-H特性曲線................................................................. 87
圖5.5 定子細部尺寸標註.............................................................................. 89
圖5.6 定子槽形示意圖.................................................................................. 96
圖5.7 單根導線長度示意圖.......................................................................... 97
圖5.8 50RM600之鐵損曲線......................................................................... 98
圖5.9 各相磁交鏈波形(三相40極48槽)..................................................... 100
圖5.10 A相之傅立葉曲線擬合(三相40極48槽).......................................... 100
圖5.11 B相之傅立葉曲線擬合(三相40極48槽).......................................... 101
圖5.12 C相之傅立葉曲線擬合(三相40極48槽).......................................... 101
圖5.13 各相反電動勢波形-傅立葉曲線擬合................................................. 102
圖5.14 各相反電動勢波形(暫態場模擬)....................................................... 103
圖5.15 三相40極48槽之電磁轉矩................................................................ 104
圖5.16 三相40極48槽之磁通分佈................................................................ 106
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