簡易型無刷馬達設計

前言:

永磁無刷馬達是台灣近幾年來馬達界最熱門的產品,雖然日本方面早在二十年前就開始研究,但這項技術一直沒有外流,直到京都議定書的出現,環保成為了全世界共通的話題及目標,永磁無刷馬達也就開始浮出臺面,無污染及高效率的特點,使它成為最火熱的產品,但也成為了國內馬達廠商的燙手山芋,一個完全不熟悉的產品再加上需要電子技術的輔助,這兩個待突破的問題點就開始懸在那裡。

經過了這三~五年的研究,無論是學界業界都大量的投入永磁無刷馬達研發,已略有成果,也開始慢慢起步了;一顆永磁無刷馬達包括馬達及電子控制兩部份,整體馬達的效率則是兩者的相乘,其中一方太差,則整體效能下降程度是相對的,如双方都是90%的效率,則馬達整體效率則是81%,但有一方僅為80%,效率立即下降至72%,因此兩者的效率都不能輕忽,才能完成一顆好的永磁無刷馬達。

萬丈高樓平地起,良好的基礎是做好事的不二法則,要做好一顆永磁無刷馬達,須從馬達的原理基礎開始,市場上有許多設計馬達的軟體,都是輸入數據資料後電腦會跑出結果,這確實是很方便的套裝軟體,但無助於學習者去了解馬達,去分析每一項輸入參數所造成的結果,也無法知道輸出結果是因為那些參數所造成的,因此為了知道這中間的過程,而使用Excel去演算設計一顆永磁無刷馬達,使學習者可以查閱在輸入及輸出中間,到底經過了那些計算過程。

本文所提出的試算表主要是依照 許溢适先生所編譯的”實用電動機設計手冊”中的例題為範例,加以演算填表,遇到不明白的步驟時,則請教簡明扶先生指導,另外也參考了黃昌圳教授指導的碩士論文資料。

試算表檔案:https://skydrive.live.com/redir.aspx?cid=98d39f91262a7dc5&resid=98D39F91262A7DC5%21137&parid=98D39F91262A7DC5%21105

 

一、無刷馬達演算流程

試算表說明

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黃色列:分類列,將馬達設計各參數區分歸類。

第一欄:各類參數的中文名稱、英文代號及使用單位。

第二欄:計算數據值,由電腦自己演算出結果;但若用藍色方塊顯示時,為輸入參數,輸入值自訂,右方第四、五、六欄若有數據,為輸入參考值。

第三欄:電腦計算數據所使用的公式,可得知此一輸出結果是從那些輸入參數計算所得;藍色字體為說明輸入的參考依據或輸入參考值的公式。

002   

第四欄及第五欄:輸入參考值的範圍及備註。

第六欄:經由計算得的輸入參考值及備註。  

 

步驟一:額定規格

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電壓:馬達實際驅動的電壓,也就是控制器最後送入馬達內的電壓值,而非外部電源送入控制器的電壓。

相數:為控制器輸出到馬達的電壓相數,而非外接電源的相數,一般都選擇三相控制,使用六個開關元件切換。

頻率:此為外接電源頻率,此一參數對馬達部份意義不大,因電源進入控制器後再到馬達部份,則實際影響到馬達的是控制器輸出部份的頻率,頻率主要是影響轉速及鐵損部份。

 

步驟二:機構尺寸參數

004   

磁鐵:此一設計例為一環形磁鐵,且為表面型式的轉子設計,此處主要是輸入外形尺寸部份。

各極間磁石間距:此一參數是針對瓦片型磁鐵的設計,為影響磁場作用的數據,此一設計例並未使用到,如要使用此一數值,則部份公式需要改變,詳細內容可見參考文獻二。

矽鋼片:主要還是一些定子矽鋼片外觀尺寸方面的資料,而轉子矽鋼片方面在此例中並沒有考慮到,而內部漏磁的情況也忽略未計。

 

步驟三:磁路設計

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卡特係數:主要是用來修正槽型所引起的氣隙改變,進而影響到磁通密度的變化,亦是用來演算等效氣隙之係數。

磁阻比:是計算漏磁係數的參數,如為瓦片型的磁鐵,而非本例中的環型磁鐵,則此處公式會有所改變,而此一數據在”實用電機手冊”中並未提到,它是直接估計漏磁係數去計算的。

漏磁係數:主要是磁通在經過氣隙傳到定子之間的損失係數;在原例中是有一範圍值,由經驗上去選定,但在此列的第六欄,有一使用不同演算方式所計算出來的參考值,可供使用者填入適當的參數。

磁動勢損失係數:此一參數依然是磁力在傳輸過程中的損失,在本例中一樣使用經驗值去填入計算,而同樣有範圍值及計算值可參考。

殘留磁通密度:磁滯曲線中,與X軸相交的點,如圖1中的紅點處。

矯頑磁力:磁滯曲線中,與Y軸相交的點,如圖1中的黃點處。

線性最大矯頑磁力:此處需查尋磁鐵的磁滯曲線圖,將第二象限的線性部份延升至與Y軸的交點,此點就是所需的數據值,如圖1中藍色線段與Y軸的交接的黑點處。

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圖1:磁性材料的磁化曲線 (B-H Curve)

 

步驟四:槽型設計

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槽型:輸入槽型尺寸,尺寸標示如圖2所示。

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圖2:槽型位置及名稱示意圖

 

步驟五:電樞線圈設計

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並聯導體數:一般是使用一條漆包線代表一導體,但如線徑太大時,可以改以多條漆包線代表一導體,則稱為並聯導體數。

線圈層數:此例為一採用同心繞的定子線圈,因槽數關係僅能分為內外兩捲,故層數為二。

感抗:需要實際的運轉時才能計算,而感抗值太小,對總電抗影響差異不大。

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圖3:線圈位置及名稱示意圖

步驟六:鐵損計算

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鐵損密度:此一數據是依照矽鋼片廠商所提供的鐵損曲線圖找出的,但需要有磁通密度及工作頻率這兩樣參數,才可依圖找出鐵損密度。

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圖4:矽鋼片的鐵損曲線圖

 

步驟七:馬達基本特性

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電壓降:因驅動電路元件所造成的壓降現象。

機械損比:此一機械損為啟動時所產生的機械損部份,另還有一運轉時的機械損,詳細計算會需考量到馬達組裝部份,故以一經驗預估值去計算,且機械損在馬達損中所佔的比例並不高,以銅損、鐵損、風損為主,其後才是機械損及雜散損。

最大輸出:此例的設定以啟動特性到無載特性的中間值為最大輸出,實施情況要依使用情況去調整。

 

步驟八:馬達定點特性

016    

定點特性:本例中只計算到最大輸出的部份,但僅有此一數據資料,總覺得有所不足,就依相同的計算方式設計可以定轉矩或定轉速的參數資料。

 

二、結論

本例大多是書上的演算公式,可看的出來是很簡易的設計方式,主要著墨點在於磁鐵及氣隙這兩部份,並未討論到定子矽鋼片的磁性表現,可能是因為本例中所用的磁鐵磁性並不強,無任何飽和的問題,或是矽鋼片的影響遠小於磁鐵的效果,故忽略不計;而經過步驟六的演算程式計算(鐵損部份),也確實不會達到矽鋼片的飽和磁通1.7T,但損失還是存在的。

如要以此例實際去設計一無刷馬達,恐怕與實際的差異會較大,還需要更多的參數補助及修正,才能更為完善,但上述方法已經能提供一些觀念及方向,對於了解無刷馬達是一個不錯的選擇。

 

三、參考文獻

許溢适編譯,實用電動機設計手冊,文笙書局,民國八十五年

 

張浚溢,表面型與內藏型永磁同步機特性比較,逢甲大學電機工程學系碩士論文,民國九十一年

 

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