馬達矽鋼片細部設計基礎概念

 

前言:

馬達設計基本上包含三要素,磁能設計、磁路設計及輸入電能設計三部份。若以較為簡單的永磁馬達來舉例說明,則磁能設計就是磁鐵規格的選定及配置安裝設計;輸入電能設計則為選定漆包線徑與圈數等規格;磁路設計則是挑選導磁材料特性與尺寸規格部份。一顆馬達的能力規格就取決於此三要素,但其中影響最大的往往是磁路設計,一旦導磁材料尺寸設計完成,則馬達的最大輸出能力就已經確定,即便再將磁鐵或電能加強,都無法有效的獲得輸出能力。 

為何導磁材料的影響如此重要呢? 可參考下圖一所示,磁力線由馬達轉子上的磁鐵部份產生,經由導磁材料的傳導至定子部份,與定子上的電能線圈進行正交作用產生轉矩,即為馬達轉動力量的來源。但導磁材料能容許的磁通密度有限,目前能容納最多的磁力通過的材質即為矽鋼片,也是目前馬達中最常使用的導磁材料。一旦矽鋼片的磁通密度達到飽和狀態,多出的磁力會變成到處亂竄,無法有效流經定子,與電能線圈產生轉矩應用,視為漏磁通。

圖一   

圖一:馬達內部磁路示意圖

 

在導磁材料已選定之情況下,則單位面積可容納的最大磁通密度已確定,剩下的就是相關尺寸的設計,也就是馬達設計中最常討論的矽鋼片尺寸設計。若在內外徑尺寸已確定之情況下,其主要工作包括三方向,第一就是在最小的面積內達到最大磁通密度的傳導;第二則是避免漏磁通的產生;第三則是於不影響磁通需求下,增加槽面積,以容納更多的電能導體使用。

最佳化的馬達磁路設計,往往要依賴軟體模擬,方可達到最佳設計需求與效果。但若具備本文所教導之基本設計概念,亦有80分左右的成效,再搭配模擬軟體使用,可達事半功倍的成效;若是直接運用也可收雖不中亦不遠已之結果。 

馬達名詞:

本文先以圖二中的馬達定子矽鋼片作為解說各部位的設計要點,約略分為三部份,分別為齒部、軛部、靴部,將陸續介紹其設計要點。

 圖二  

圖二:定子矽鋼片各部份示意圖 

軛部:

此一部份設計時有三項需注意,分別為磁通密度、機械強度及鉚合點問題。先由最簡單的鉚點設計來說,基本上要先考量矽鋼片堆疊後的重量來決定鉚點數量,過多的鉚點數會影響磁力通過及機械強度問題,於合理的鉚合強度下,鉚點數越少越好。圖三則表示鉚點的方向最好與磁通方向一致,降低對磁通影響程度。

 圖三  

圖三:鉚點方向設計示意圖

至於磁通密度及機械強度都是受到軛部總寬度所影響,越寬則機械強度越好,可避免因矽鋼片受磁力影響變形所產生的震動噪音;同時避免磁力過度飽和的情況,達到降低鐵損效果。在忽略機械強度,僅考慮最小磁通需求寬度之情況下,軛部寬度、齒部寬度及馬達槽極配有一基本公式。首先要知道馬達的槽極配關係,也就是一極會對應到幾齒數量,來決定軛部與齒部的關係式。以下圖四為例,則左方定子軛部會流經的磁通與單一齒部的一致,則最小軛部需求寬度與齒部同寬即可;右方例子中,軛部最密集處會流經三個齒部的磁通,因此軛部最小寬度應為齒部寬度的三倍,方為合理的關係。

 圖四  

圖四:槽極配與軛部磁通示意圖 

靴部:

靴部的基本設計要點在於槽開口及靴深這兩部份,其中最主要的影響因素為槽開口之設計。槽開口的要求其實是越小越好,有利於吸收磁鐵所產生的磁力,但過小亦會產生漏磁現象。槽開口主要會受到繞線的需求影響,而不得不擴大,因此設計條件會受到繞線方式而有所差異。

若槽開口向內,一般採用入線機或內繞機生產,此種繞線方式所需的槽開口寬度都較大;入線機所需的槽開口寬度會是線圈總和直徑的1/3左右;而內繞機則視勾線管的設計而定,通常會是漆包線徑的三倍,但最低寬度也要維持在2mm以上。若槽開口槽外,則使用外繞機種生產,則槽開口維持線徑之1.6倍以上即可。

槽開口尺寸決定後,槽寬就為已知,再加上齒部寬度尺寸與齒部矽鋼片磁通密度設計值,則可評估槽深尺寸。一般常見之矽鋼片磁通密度設計值為1.6T(特斯拉:表示單位面積流經的磁力),而空氣的磁通密度為0.6T,其中差了2.67倍;則槽寬減去齒寬後,再除上2,以獲得單側尺寸,最後再除上空氣與矽鋼片的磁通密度比例差2.67,即可得到最小槽深尺寸。若於靴部與齒部銜接處,加入導角或斜角設計,則最小槽深尺寸有再縮短的空間。

未命名  

 圖五  

圖五:靴部相關名詞示意圖 

齒部:

基本上希望越小越好,換取更多的繞線空間,但主要受限於矽鋼片可容納的飽和磁通密度而訂,常見的設計磁通密度為1.6~1.8 T,則可依馬達規格設計中求得磁通大小,進而算出齒部寬度。一但齒部寬度決定,則可依齒部尺寸規格,按照上述相關公式,求得配合之軛部及靴部尺寸規格。

 

結論:

本文主要是希望能使初學者能理解矽鋼片中各部份的設計關聯性。矽鋼片於馬達中實為導磁材料應用,因此主要用途為磁力的傳導,因此在設計上應先著中於各部位磁力傳導的容量是否充足,避免因單一部位設計不良產生飽合,而其餘位置則太過空裕的情況產生,造成不必要的浪費。 

有鑑於此,本文提出一些簡單的相對關係說明,使讀者能容易注意到其中的對應關係。但實際馬達設計中,仍有許多參數需注意,如槽滿率、磁力強度及氣隙大小等關係,而非僅本文即可解決一切事項,還請大家一同共勉之。 

路昌工業網站:http://lutron-ind.weebly.com/ 

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