無刷電動機結構設計與特性分析 - 高雄應用科技大學

434楊 政 瑜 、 蘇 琨 祥平 均 轉 矩 為 0.547N-m, 而 輸 出 轉 矩 漣 波 為 0.128N-m, 比 原 設 計 電 動 機 降 低 了 42.8%。 表 8 為 電 動 機 4 極 6槽 原 設 計 電 機 與 Halbach 電 機 之 特 性 比 較 , 由 表 中 可 看 出 以 Halbach 磁 環 模 擬 電 動 機 , 在 降 低 頓 轉 矩 的 情 況 下也 不 失 去 釹 鐵 硼 磁 鐵 之 高 性 能 特 性 , 表 9 為 電 動 機 4 極 6 槽 四 種 磁 鐵 配 置 之 特 性 比 較 , 由 表 中 可 看 出 四 種 不同 磁 鐵 配 置 關 係 , 若 以 高 效 率 為 指 標 則 為 嵌 入 式 弧 形 >Halbach 磁 環 > 表 面 式 > 嵌 入 式 , 若 以 低 頓 轉 轉 矩 為 指標 則 為 嵌 入 式

無 刷 電 動 機 結 構 設 計 與 特 性 分 析 435表 3 電 動 機 8 極 12 幾 何 結 構 詳 細 尺 寸符 號 名 稱尺 寸 (mm)Rml1.9Rms45°ωr5ωs3.2d112.62d29.49τb1.625δ 0.5圖 8 電 動 機 4 極 6 槽 定 子 與 轉 子 平 面 尺 寸 圖表 4 電 動 機 4 極 6 槽 幾 何 結 構 詳 細 尺 寸符 號 名 稱尺 寸 (mm)Rml1.5Rms90°ωr12.5ωs11.05d114.72d215.84τb2.475δ 0.725

436楊 政 瑜 、 蘇 琨 祥圖 9 電 動 機 8 極 12 槽 磁 力 線 分 佈 圖圖 10 電 動 機 8 極 12 槽 不 同 磁 鐵 種 類 之 氣 隙 磁 通 密 度 分 佈圖 11 電 動 機 8 極 12 槽 不 同 磁 鐵 種 類 之 頓 轉 轉 矩 波 形 比 較 圖

無 刷 電 動 機 結 構 設 計 與 特 性 分 析 437圖 12 電 動 機 8 極 12 槽 不 同 磁 鐵 種 類 之 輸 出 轉 矩 波 形 比 較 圖表 5 電 動 機 8 極 12 槽 不 同 磁 鐵 種 類 特 性 分 析 數 據Torq(N-M)RPM(Rpm)Freq(Hz)Vll(V)Iline(A)P_in(W)P_out(W)P_loss(W)P.F.(PU)Effic(PU)釹 鐵 錋 0.58 1000 67 102 0.431 72.35 60.73 11.62 0.95 0.839粘 結 式釹 鐵 錋0.58 1000 67 102 0.622 82.43 60.89 21.53 0.75 0.739氧 化 鐵 0.58 1000 67 102 0.787 94.51 60.94 33.57 0.68 0.645圖 13 電 動 機 4 極 6 槽 表 面 式 磁 鐵 配 置圖 14 電 動 機 4 極 6 槽 嵌 入 式 磁 鐵 配 置

438楊 政 瑜 、 蘇 琨 祥圖 15 電 動 機 4 極 6 槽 嵌 入 式 弧 形 磁 鐵 配 置圖 16 電 動 機 4 極 6 槽 表 面 式 磁 鐵 配 置 磁 力 線 分 佈 圖圖 17 電 動 機 4 極 6 槽 嵌 入 式 磁 鐵 配 置 磁 力 線 分 佈 圖

440楊 政 瑜 、 蘇 琨 祥圖 21 電 動 機 4 極 6 槽 不 同 磁 鐵 配 置 型 式 之 輸 出 轉 矩 波 形 比 較 圖表 6 電 動 機 4 極 6 槽 不 同 磁 鐵 配 置 型 式 之 特 性 分 析 數 據Torq(N-M)RPM(Rpm)Freq(Hz)Vll(V)Iline(A)P_in(W)P_out(W)P_loss(W)P.F.(PU)Effic(PU)表 面 式 0.499 3600 120 138 1.22 211.7 188.3 23.38 0.725 0.89嵌 入 式 0.5 3600 120 138 2.37 216.7 188.4 28.27 0.383 0.87嵌 入 式弧 形0.502 3600 120 138 0.942 210 189.3 20.72 0.934 0.901圖 22 Halbach 8 極 磁 鐵 磁 力 線 分 佈

442楊 政 瑜 、 蘇 琨 祥圖 26 電 動 機 8 極 12 槽 原 設 計 與 Halbach 電 機 輸 出 轉 矩 波 形 比 較 圖表 7 電 動 機 8 極 12 槽 原 設 計 與 Halbach 電 機 特 性 分 析 數 據原 設 計電 動 機Halbach電 機Torq(N-M)RPM(Rpm)Freq(Hz)Vll(V)Iline(A)P_in(W)P_out(W)P_loss(W)P.F.(PU)Effic(PU)0.58 1000 67 102 0.431 72.35 60.73 11.62 0.95 0.8390.58 1000 67 102 0.428 71.96 60.75 11.21 0.952 0.844圖 27 Halbach 4 極 磁 環 磁 力 線 分 佈 圖圖 28 Halbach 電 機 4 極 6 槽 磁 力 線 分 佈 圖

無 刷 電 動 機 結 構 設 計 與 特 性 分 析 443圖 29 原 設 計 電 機 4 極 6 槽 與 Halbach 電 機 氣 隙 磁 通 密 度 比 較 圖圖 30 原 設 計 電 機 4 極 6 槽 與 Halbach 電 機 頓 轉 轉 矩 波 形 比 較 圖圖 31 電 動 機 4 極 6 槽 原 設 計 與 Halbach 電 機 輸 出 轉 矩 波 形 比 較 圖

444楊 政 瑜 、 蘇 琨 祥表 8 電 動 機 4 極 6 槽 原 設 計 與 Halbach 電 機 特 性 分 析 數 據原 設 計電 動 機Halbach電 機Torq(N-M)RPM(Rpm)Freq(Hz)Vll(V)Iline(A)P_in(W)P_out(W)P_loss(W)P.F.(PU)Effic(PU)0.5 3600 120 138 1.22 211.7 188.3 23.38 0.725 0.890.5 3600 120 138 1.29 209.5 188.1 21.49 0.679 0.897表 9 電 動 機 4 極 6 槽 四 種 磁 鐵 配 置 之 特 性 比 較磁 鐵 配 置 型 式 效 率 頓 轉 轉 矩 ( 峰 對 峰 值 ) 比 較 表 面 式 磁 鐵 之 頓 轉 轉 矩 振 幅原 設 計 電 動 機( 表 面 式 )89% 0.391N-m -嵌 入 式 87% 0.091 N-m 降 低 76.7%嵌 入 式 弧 形 90.1% 0.223 N-m 降 低 43%Halbach 電 機( 節 段 式 聯 結 表 面 型 )89.7% 0.121 N-m 降 低 69%4. 結 論依 照 磁 鐵 種 類 及 配 置 方 式 的 不 同 , 對 於 電 動 機 性 能 皆 會 有 不 同 影 響 , 其 中 以 釹 鐵 硼 剩 磁 強 度 最 強 所 以 整體 效 率 最 高 , 但 頓 轉 轉 矩 影 響 也 較 大 , 而 不 同 磁 鐵 配 置 方 式 雖 然 可 以 降 低 頓 轉 轉 矩 之 振 幅 , 但 有 可 能 會 造 成結 構 上 設 計 不 便 。 而 本 文 中 所 提 出 Halbach 磁 環 排 列 方 式 可 以 降 低 頓 轉 轉 矩 震 動 振 幅 , 如 果 將 此 結 構 運 用 於高 精 密 儀 器 或 是 家 電 器 產 品 上 , 可 以 有 效 的 改 善 電 動 機 之 噪 音 問 題 , 必 可 提 高 工 作 效 率 , 但 是 仍 然 有 些 問 題需 要 探 討 :(1) Halbach 磁 環 是 針 對 磁 鐵 作 正 弦 排 列 充 磁 , 使 磁 通 密 度 呈 現 正 弦 分 佈 , 然 而 這 種 技 術 是 對 磁 鐵 做 特 殊 角度 充 磁 , 因 此 在 技 術 上 是 否 可 以 克 服 是 我 們 必 須 考 量 的 地 方 。(2) Halbach 是 利 用 節 段 方 式 所 構 成 的 , 段 數 較 少 則 會 增 加 磁 場 的 諧 波 成 分 , 段 數 較 多 , 氣 隙 磁 通 密 度 的 正弦 波 形 越 好 , 但 是 段 數 增 加 則 成 本 也 會 增 加 , 所 以 合 理 的 段 數 也 是 我 們 必 須 要 考 量 的 地 方 。參 考 文 獻[1] 郭 景 全 , 降 低 永 磁 無 刷 電 動 機 頓 轉 轉 矩 之 研 究 , 逢 甲 大 學 資 訊 電 機 工 程 系 碩 士 論 文 ,2006。[2] Hanselman, E. D., Brushless Permanent Magnet Motor Design, The Writers’ Collective Cranston, Rhode Island, 2003.[3] Studer, C. and Sebastian, T., “Study of Cogging Torque in Permanent Magnet Machines,” IEEE IAS Annual Metting, NewOrleans, Louisiana, USA, Oct. 1997.[4] Bianchi, N. and Bolognani, S., “Design Techniques for Reducing the Cogging Torque in Surface-Mounted PM Motors,”IEEE Trans. on Industry Appl., Vol. 38, No. 5, Oct. 2002.[5] 許 良 伊 ,Halbach 磁 環 於 永 磁 無 刷 電 動 機 之 設 計 與 特 性 分 析 , 國 立 成 功 大 學 機 械 工 程 學 系 碩 士 論 文 ,2003 年 。[6] Zhu, Z. Q., Xia, Z. P., Atallah, K., Jewll G. W. and Howe, D., “Novel Permanent Magnet Machines Using HalbachCylinders,” Proc. of Power Electronics and Motion Control Conf., Vol. 2, pp. 903-908, 2000.[7] Zhu, Z. Q. and Howe, D., “Halbach Permanent Magnet Machines And Application: A Review,” IEE Proc.-Electr. Power, Vol.148, No.4, pp. 299-308, Jul. 2001.[8] 張 好 明 ,Halbach 永 磁 電 動 機 的 計 算 機 輔 助 設 計 , 南 京 航 空 航 天 大 學 碩 士 論 文 ,2004。[9] Atallah, K., Howe, D. and Mellor, P. H., “Design And Analysis Of Multi-Pole Halbach (Self-Sheilding) Cylinder BrushlessPermanent Magnet Machines,” IEE Proc. EMD’97, pp. 387-391, 1997.[10] Atallah, K. and Howe, D., “The Application of Halbach Cylinders to Brushless AC Servo Motors,” IEEE Trans. onMagnetics, Vol. 34, No.4, pp. 2060-2062, 1998.[11] Jang, S. M., Jeong, S. S., Ryu, D. W. and Choi, S. K., “Design and Analysis of High Speed Slotless PM Machine with

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