同心繞之單相感應馬達設計

 

前言

目前世面上以有多種馬達設計軟體,對於馬達廠商來說,是一大利多,有幸因參加中國生產力中心所主辦的馬達精英設計班,接觸了幾款馬達設計軟體,確實對於馬達設計上有很大的助力,只需輸入一些參數,就能獲得馬達的性能圖表,對於傳統馬達廠商來看,可說是十分神奇,但卻會有種知其然不知其所以然的複雜感覺。所幸有簡明扶先生特地教導我們馬達設計手算法,經由手算一步一腳印的方式,能實際了解到馬達的設計流程,需注意那些重點,也知道每一個數值是從那來的,也就更能了解馬達。

 

手算法流程解說

本人將手算法的步驟輸入於Microsoft Excel中,並加註公式以及說明,計算的步驟是十分繁瑣,一直用到第277列才完全演算完畢。於表單中的藍色框格,是需要個人設計輸入(紅色為設計範圍值),其餘皆為電腦計算數值。

此次手算範例是為單相感應馬達,電容啟動型,同心繞的案例。

試算表檔:

請連結: https://skydrive.live.com/redir?resid=98D39F91262A7DC5!135

 

第一步是設定馬達規格,一些基本參數,也就是你所希望設計的馬達規格。

pic1     

紅色是指設計的參考範圍值,當看到紅色時,可依其要求設定。

   

第二步是設計外觀尺寸,輸入時需注意單位尺寸的問題。
pic2   

第三步時,會自動幫你計算M相線圈(主線圈)的數據資料。

pic3  

 其中槽內導體數,就是實施製作時所要繞的導線圈數,此步驟中最重要的數據,應屬於磁通Φ(Wb),可簡單的解釋為微小面積中磁通密度B通過的總量,而馬達所使用的矽鋼片其磁通密度的值是有限的,太高會有溫升跟飽和的問題,因此有了此一數據,就可計算矽鋼片各部的磁通密度B值,來檢查是否發生磁飽和。

 

第四步,計算A相線圈(補助線圈)數據資料

pic4  

其中有一數據,匝比要設定輸入,是主補線圈的比例值,算是一種經驗值,但其主要目的應是要使主補線圈產生90°電氣角,不足的部份在以電容加強。

此處雖然是以同心繞去計算,但只需要更改其繞線節距設計,其實就可改為波繞、疊繞等不同的繞線方式去計算,可依不同需要去更改。

 

第五步是定子部份設計,尺寸方面大多會有參考數據或是可依個人喜好設定

pic5   

其中也包括了M相線圈的線徑部份,是以電流密度來加以計算的,因此就要依此顆馬達散熱和漆包線的耐溫程度來設計。而空間因素,就是屬於加工生產方面的考量,視漆包線是否容易入線來設定。需的注意的數值為定子軛鐵及齒部的磁通密度By1、Bt1,此處是屬於設計參數值,之後會有實際計算值,到時需注意是否有過飽和的情況產生。槽截面積部份,實際計算值S1略大於計算值S1”。

 

第六步是設計轉子部份,也同時包含了鑄鋁的端環部份

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其中轉子與定子導體斷面積比αrs的部份,主要是以銅跟鋁的導磁能力以及轉子與定子中的磁通密度的比,其實應該有更嚴謹的計算方式,但一時還未能找到,故使用此一經驗數值。此處槽截面積S2盡可能取接近即可。

  

第七步激磁特性,到此之後大部份都是計算的部份,大多是計算馬達電路磁路部份數據資料。

pic7  

其中要輸入的部份要依所使用的矽鋼片,利用矽鋼片廠商所提供的特性曲線圖(如下圖所示),去輸入在此一磁通密度時,此類矽鋼片的磁化力數據。目前世面上常用的H50、H60分別為50RM1000及50RM1300。

pic7-1  

這種方式算是整個步驟中較為麻煩的地方,建議是將其曲線分成許多直線段,再利用線性方程式寫成簡易程式,以後方便使用。

 

第八步是計算電阻部份,包括定子及轉子部份。

pic8  

 其中需要輸入補助線圈的線徑部份,不同於主線圈,不需要考量電流密度及溫升的問題,主要是以槽內所剩餘面績去計算。

 

第九步是計算感抗部份,整體馬達各部份的感抗值都在此計算。

pic9  

其中有一斜槽值要設定,是以槽數為單位,一般是斜1~1.5槽之間,也可不作斜槽則輸入零。另外值得注意的,補助電容其值也在此步驟之中,到時可依此值選購電容,計算時是以相差90度角為標準,實際使用時可以稍小於90度。

 

 

第十步鐵損值,也就是矽鋼片部份所造成的損失。

pic10  

此處需再次查圖尋找其值,依其各部位的磁通密度及輸入電源頻率去找其值。

pic10-1  

 

第十一步是計算馬達運轉時的特性,也就是最主要的性能值。

pic11   

此處其實是把馬達模擬成電路後所計算出來的數據,是工程常使用的方式。

 

第十二步,屬於補充的部份,算出銅損及啟動特性。

 pic12

此處數據其實是屬於設計者參考數據,特性部份一樣是以模擬電路計算。 

 

結論 

依照此計算表一步步計算下來,就可對馬達設計有了一粗糙的整體概念,也可找到一些設計時需特別注意的數值,也同時需要考量生產時的設計,可說是十分實務化的計算方式,能完成此一試算表,是依許溢适先生所編譯的”實用電動機設計手冊”的流程順序,並感謝簡明扶先生的幫助及指導,修正添加其計算式,此試算表雖無法與世面上的設計軟體相比,但其自由度高,可再依個人習慣自行加入參數計算和修改經驗值等等,即便是再加以編寫成VB或MATLAB程式都十分容易,日本的見城尚志教授就是使用VB程式設計馬達,只要善用觀念及經驗,設計馬達也就沒那麼困難了。

 

參考書籍

 

許溢适編譯 實用電動機設計手冊 文笙書局 民國八十五年

 A. E. Fitzgerald 等著 劉新正 等譯 電機學 電子工業研究所 西元2004年

  

 路昌工業網站:http://lutron-ind.weebly.com/

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  • TT
  • 想請問直流馬達轉子,有時候整顆轉子燒掉,有時候只燒其中一匝,這倒底是何種原因造成

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