直接連結 PWM 驅動的 IPM 馬達鐵損分析

直 接 連 結 PWM 驅 動 的 IPM 馬 達 鐵 損 分 析 

原著 : JSOL Co. , 

編譯 : 

勢流科技 

陳桂村 

摘要 

在 馬 達 的 控制電路裡 , 一般都採用諸如 PWM (Pulse-width modulation) 控制器以實施向 

量控制。因此 , 在進行電磁 分 析 時 , 欲獲得更詳細 的 馬 達 相關特性 , 其必須將 PWM 裡 

所包含 的 載波 的 諧波 (Carrier Harmonic) 效應列入考量。在 JMAG 裡有許多輸入電流 的 

方法 , 可用以模擬 PWM 裡所包含 的 載波 的 諧波效應。其中之一 , 是採取 JMAG 與電 

路 / 控制模擬軟體之間 直 接 連 結 (Direct Link) 的 方法 , 亦即 結 合 JMAG-RT 模型與電路 / 

控制模擬器以獲得相關 的 電流波形 , 然後輸入到 JMAG 模型。另外 , 也可以將實測所 

記錄 的 電流資料 , 直 接 輸入而成為 驅 動 電源。本範例 的 目 的 是藉由 JMAG 與電路 / 控制 

模擬軟體之間 的 直 接 連 結 , 以探討一款 IPM 馬 達 因載波 的 諧波效應對 鐵 損 的 影響。 

(A) 馬 達 的 規格 

用於本範例中之 IPM 馬 達 的 規格如下所列 : 

Fig. 1-1 內置式磁石 馬 達 外形 

JAC059- 直 接 連 結 PWM 驅 動 的 IPM 馬 達 鐵 損 分 析 April. 28, 2010 1 / 12

線圈 

Table 1-1 馬 達 規格 

極數 4 

槽數 24 

匝數 

35 匝 / 槽 

電阻 

3.3 Ω/ 相 

繞組方式 分 佈繞組 , 參考 Fig. 1-2 

連 接 方式 

Y- 接 

旋轉速度 

1800 [rpm] 

定子 鐵 心 

直 徑 :112 [mm], 積厚 :65 [mm] 

轉子 鐵 心 

直 徑 :55 [mm], 積厚 :65 [mm] 

氣隙 

0.5 [mm] 

Table 1-2 材料性質 

組件磁化性質電氣性質其他性質 

軸桿相對導磁率 : 1 -- 


相對導磁率 : 

JFE Steel (50JN1300) 

薄層因數 : 98% 


相對導磁率 : 

JFE Steel (50JN1300) 

薄層因數 : 98% 

磁 鐵 

反衝相對導磁率 : 電阻率 : 磁化樣式 :Parallel Pattern 

Hitachi: NEOMAX-42 1.6 × 10 -6 /Ω·m (Circular Direction), 參 Fig. 1-3 

線圈相對導磁率 :1 -- 

[ 註 : 破折號表示未被參照 的 導磁性質 ] 

Fig. 1-2 線圈繞組 的 樣式 


Fig. 1-3 磁 鐵 的 磁化方向 

(C) 分 析 結 果 

鐵 損 、焦耳 損 和焦耳 損 密度 的 分 佈可以從本範例 IPM 馬 達 分 析 而獲致。詳細 的 顯示操 

作步驟請參考第 (H) 節 的 說明。 

C-1 鐵 損 

Table 2-1 顯示 IPM 馬 達 分 別受 PWM 逆變器 (Inverter) 以及弦波電流 驅 動 , 所獲致 的 

鐵 損 、磁滯 損 和焦耳 損 ( 渦流 損 )。從數據可知 , 當採用 PWM 逆變器 驅 動 IPM 馬 達 時 , 

定子 鐵 心和轉子 鐵 心 的 鐵 損 都會增加。其中以焦耳 損 的 增加最嚴重 , 轉子 鐵 心 的 焦耳 損 

增加 105%, 定子 鐵 心 的 焦耳 損 增加 40%。 

Table 2-1 鐵 損 結 果比較 ( 單位 :W) 



弦波電流 

PWM 逆變器 

弦波電流 

PWM 逆變器 

鐵 損 1.00 1.88 14.54 17.23 

遲滯 損 0.18 0.20 8.48 8.76 

焦耳 損 0.82 1.68 6.06 8.47 

C-2 焦耳 損 

Fig. 2-1 和 Fig. 2-2 分 別顯示各頻率成份 的 焦耳 損 。Fig. 2-3 和 Fig. 2-4 分 別展現焦耳 

損 密度 的 分 佈情形。其中 , 在弦波電流以及 PWM 逆變器 的 驅 動 方式中 , 如果轉子 鐵 心 

的 基本頻率 (Fundamental Frequency) 為 360 [Hz], 定子 鐵 心 的 基本頻率為 60 [Hz], 則 

轉子 鐵 心和定子 鐵 心 的 基本頻率以及諧波成份 的 鐵 損 幾乎相同。但是 , 對於 PWM 逆變 


器 驅 動 的 情形 , 在基本頻率 10 [kHz] 及其諧波成份則會有更多 的 鐵 損 , 其 分 別如 Fig. 

2-1 和 Fig. 2-2 裡方框所標識。 馬 達 因使用 PWM 逆變器所導致焦耳 損 的 增加 , 是載波 

的 諧波造成 的 。為能詳細探知 IPM 馬 達 的 特性 , 其有必要進一步瞭解載波 的 諧波效應。 

焦耳 損 (W) 

0.50 

0.45 

0.40 

0.35 

0.30 

0.25 

0.20 

0.15 

0.10 

0.05 

0.00 

0 9000 18000 27000 36000 45000 

頻率 (Hz) 

渦流 損 (W) 

0.50 

0.45 

0.40 

0.35 

0.30 

0.25 

0.20 

0.15 

0.10 

0.05 

0.00 

0 9000 18000 27000 36000 45000 

頻率 (Hz) 

Fig. 2-1 轉子 鐵 心各頻率成份 的 焦耳 損 

( 上 : 弦波電流 ; 下 :PWM 逆變器 ) 


4.5 

4.0 

3.5 


3.0 

2.5 

2.0 

1.5 

1.0 

0.5 

0.0 

0 12000 24000 36000 48000 

頻率 (Hz) 

4.5 

4.0 

3.5 


3.0 

2.5 

2.0 

1.5 

1.0 

0.5 

0.0 

0 12000 24000 36000 48000 

頻率 (Hz) 

Fig. 2-2 定子 鐵 心各頻率成份 的 焦耳 損 



Fig. 2-3 轉子 鐵 心焦耳 損 密度 的 分 佈 



Fig. 2-4 定子 鐵 心焦耳 損 密度 的 分 佈 



(D) 分 析 步驟 

在 JMAG 裡有兩種輸入電流 的 方法 , 可用以模擬 IPM 馬 達 受 PWM 逆變器 驅 動 的 鐵 

損 分 析 : 

方法 ( 一 ): 採取 JMAG 與電路 / 控制模擬軟體之間 的 直 接 連 結 

方法 ( 二 ): 採取電路 / 控制模擬軟體 的 電流波形 , 或者藉由實測所記錄 的 電流資料 

本範例採用第 ( 一 ) 種方法。在實施 直 接 連 結 的 過程中 ,JMAG 的 FEM 模型係受電路 / 

控制模擬器 的 驅 策以執行電磁 分 析 。並且 , 可以藉由 直 接 連 結 的 電磁 分 析 的 結 果資料 , 

以計算因載波 的 諧波效應對於 鐵 損 的 影響。本範例 的 分 析 步驟如下所列 , 相關細節請參 

考後續各節 : 

STEP 1: 建構一個 FEM 模型 

STEP 2: 運用電路 / 控制模擬軟體建構一個控制電路 

STEP 3: 執行 直 接 連 結 的 電磁 分 析 

STEP 4: 執行 鐵 損 分 析 

STEP 5: 評 析 結 果 

Fig. 3-1 直 接 連 結 分 析 的 步驟 


附件 (A-1): 網格模型 的 設定 

Fig. A-1 展示本範例模型 的 網格生成 結 果。二維模型中 , 各區塊邊線上 的 網格 分 隔數如 

Fig. A-2 所示。其相關 的 網格參數設定如 Table A-1 所列。而相關 的 網格設定說明請參 

考 “E-1” 節。 

Fig. (A-1-1) 

網格模型 ( 元素數 5198) 

( 左 : 含空氣區域 ; 右 : 未含空氣區域 ) 

Fig. (A-1-2) 

二維區塊模型 


附件 (A-2): 驅 動 電路 

當採用 Simulink 做為電路 / 控制模擬器以進行 直 接 連 結 時 , 其必須在 JMAG 的 電路中 

設置電流監測元件與電壓源 連 接 。必須勾選 “Coupling with External Circuit Simulator” 

項 , 以 接 受電路 / 控制模擬器裡 的 電壓源數值 , 參 “ 附件 (A-3)”。 

在電路中 的 渦電流值總和必須拘限為零 , 以模擬 2D 模型裡 的 渦電流效果。因此 , 一個 

零值電流源和一個 接 地元件係 分 別 接 在 FEM 導體 的 兩側。用於本範例 的 電路設置 , 如 

Fig. 4-5 和 Fig. 4-6 所示。 

Fig. (A-2-1) 驅 動 電路 

Fig. (A-2-2) Y- 接 的 FEM 線圈 


附件 (A-3): 與外部電路耦合 

“Coupling with External Circuit” 條件係用以 連 接 JMAG 與電路 / 控制模擬器。本範例中 

選擇 “PSIM(MagCoupler), Simulink” 項 , 並以 Simulink 做為外 接 電路。欲使 JMAG 的 

設定值為外 接 電路所 接 受 , 其相關條件必須加到外 接 電路 的 列表內 , 如 Table 3-1 所示。 

其中 , 輸入 / 輸出 的 設定必須適當 ; 亦即 ,Table 3-1 所列 的 端點識別碼 (Terminal ID) 與 

電路 / 控制模擬器 的 端點識別碼相互對應。 

Table (A-3-1) 外 接 電路模擬器 

Terminal Terminal Condition 

Input/Output Factor 

ID Name Function, Probe 

1 Vu 1 Supply Voltage in circuit 

2 Vv 2 Supply Voltage in circuit 

3 Vw 3 Supply Voltage in circuit 

4 Disp 1 Motion in theta 

5 Iu 6 Current Probe out circuit 

6 Iv 7 Current Probe out circuit 

7 Iw 8 Current Probe out circuit 

8 Torque 1 Force out torque 

附件 (A-4): 直 接 連 結 分 析 

本範例中 , 選擇 MATLAB/Simulink 做為電路 / 控制模擬器 ; 並且 , 將 JMAG 所產生 的 

連 結 表下載到子電路裡 的 S-Function 模塊 , 以執行 直 接 連 結 分 析 , 如 Fig. (A-4-1) 所示。 

其中 , Id = 0 控制係係設定使 d- 軸電流為零。旋轉速度則設定為目標值 的 1800 [rpm]。 


Fig. (A-4-1) MATLAB/Simulink 電路圖示 ( 上 : 主電路 ; 下 : 子電路 ) 

參考文獻 

[1] JSOL Co. Engineering Technology Division, JMAG Support Team, “Iron Loss 

Analysis of an IPM Motor Accounting for a PWM – Direct Link”, JMAG 

Application Catalog JAC059, 2009.

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