英國無刷馬達創新應用專案開發培訓班  

  

本人有幸於2007年期間,參與了由經濟部中小企業處委託中國生產力中心所舉辦的『96年度中小企業科技研發人才養成計畫』,報名了其中的『無刷馬達創新應用專案開發培訓班』課程,並於2007年10月26日至11月9日中,前往英國接受長達兩個星期的英國馬達科技培訓課程。 

於培訓課程中,依序參訪當地知名學府,牛津大學( University of Oxford )、劍橋大學(University of Cambridge)、萊斯特大學(University of Leicester)、雪菲爾大學(University of Sheffield)及華威大學(University of Warwick),主要的培訓課程分別由劍橋大學的Dr. Richard McMahon、雪菲爾大學的Prof. Zi Qiang Zhu等教師團隊以及一名原任教萊斯特大學後自行開設馬達公司(Technelec Ltd.)的Prof. Charles Pollock來進行授課。  

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Dr. Richard McMahon 

劍橋大學,一所世界知名的頂尖學院,但也同樣的無法忽視馬達所帶給世界的影響,能量的轉換,動能及電能之間的交換,因此無論是稱之為馬達或是發電機,其能量的轉換方式或效益是被劍橋所重視的。

 

主題一:PWM控制法對馬達效能之影響

         PWM為利用電力電子元件來控制馬達運行轉速的電子控制技術,其中可依電子開關元件切換方式的不同而有各種不同名稱的PWM控制法,如S-PWM、D-PWM、向量PWM及不連續PWM等,不同的PWM方式會產生不同的功率開關損耗及多次協波的產生頻率不一等情況,這些都會對馬達控制電路或是受控運行的馬達產生不同的效能影響,其中對於馬達控制電路的影響是已經可以確定的,而對於受控運行馬達的效能影響則正在進行測試中,目前測試部份的數據報告中,對於馬達的影響效果差異不大。 

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主題二:卡路里計損失量測儀 

        利用內外兩層的隔熱板,將待測馬達至於內層空間之中工作運轉,使其為內層隔熱板內唯一的熱能來源,再利用冷卻水流來帶走因為馬達運轉效率損失所產生的熱能,並將外層空間部份的溫度控制與內層溫度一致,以確保馬達所產生的熱能完全被冷卻水流帶出,如此則可量測流進與流出後的水溫變化量及冷卻水流量,就可計算出冷水流所帶出的熱量也相等於馬達效率損失的功率。 

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主題三:雙饋馬達 

        於馬達定子上捲繞兩組不相連的導電線圈,加上使用三相繞線式的特殊轉子設計,使得定子上的兩組線圈所產生的磁場不會互相影響產生偶合作用;在實際使用時,其中一組線圈送入單獨的電源系統,而另一組線圈則使用變頻器控制輸入電源變化來加以控制馬達運轉,因此變頻器可使用較小的規格而控制較大馬力的馬達,降低控制器的成本。 

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主題四:波浪線性發電機 

        利用海洋潮汐變化所產生的波浪其高低來推動線性發電機轉子上下移動,而定子產生的反電動勢來加以發電使用,然海洋波浪的頻率低,且波浪的次數與高低會有不同的變化,因此產生的電壓也為一不穩定的系統,需經過整流及濾波將線性發電機所產生的不穩定AC電源系統先轉會為易於調整控制的DC系統,再利用P = V‧I,控制電流來調整穩定的電壓輸出;如在風浪過高的情況下,要將線性發電機此時所產生的電壓利用其他方式消耗掉,並將線性發電機升至最高點,使其停止運作,避免因過大的電壓電流而破壞整體的電力系統。 

        發電機的電力系統需考量成本與發電頻寬之間的問題,頻寬越寬成本越高而發電效率也越差,頻寬較低則要考慮產生過載電壓時,要如何消耗過大的電壓電流與電路保護設計。 

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主題五:超導電機 

        定子及轉子部份皆使用超導材料製成,工作溫度為零下273℃,此時超導材料的電阻值會趨進於零,而其可輕易的產生大電流來運轉馬達,使馬達的體積與重量可縮減至一般的1/2~1/3左右,然超導材料來是有一臨界電流值,若超過此一電流值則電阻值會忽然升高。 

        超導材料除臨界電流之外還需評估其自場與外場所產生的交流損耗,也就是渦流損的產生。 

 

主題六:超導充磁 

        一般的充磁技術是利用外加的龐大磁場瞬間充磁,而超導充磁技術則是利用超導環境之下再加上特殊的設計,使得充磁只需要小型的外加磁場以及時間的累加效果,即可充磁完成;雖然超導充磁需耗費比較長的時間及特殊的環境,但在充磁母機方面,因不需要提供龐大的磁場產生,而使得成本可以大幅的下降。

 

 

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Prof. Charles Pollock 

        從學校的理論研究設計轉入商業界的實務運用產品,Prof. Charles Pollock成功的跨越過這道關卡,將其15年的研究精華Flux Switching Motor正式的以產品的方式推出,並且還再不斷的進步與發展當中,以高明的設計技巧來達到商品低成本的特點,是個能直接站在商品化觀點來開發設計的教授。 

 

主題一:Power Tools for “Black and Decker” 

採用八槽四齒的定轉子設計,能產生一單相四極的馬達系統,定子上共有四組繞阻線圈,其中標示F的為兩組具方向性的磁場線圈,A為兩組電樞線圈,切換其電流方向使轉子因定子磁通方向的改變而運轉。 

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交流電壓先經過整流器後,成為直流電源送入磁場線圈內,再使用四個開關元件產生交流電源系統送入電樞線圈之中。 

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與傳統有刷的串激馬達相比較,磁通開關馬達在高扭力輸出的情況下,依然保持較高的馬達轉速,並不會因為負載過高而降低轉速,則馬達的輸出功率可大幅增加。 

 

主題二:Automotive Hydraulic Pumping Application for “TRW” 

        採用相同的八槽四齒定轉子設計,為一單相四極的馬達系統,但在電樞線圈的設計部份則將原本兩組線圈分為四組,使得控制電路簡易化。

 

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直流電源直接送入磁場線圈及電樞線圈之中,因電樞線圈全部一分為二,且線圈繞向設計顛倒,選擇不同的線圈通電就可達到切換電流方向的效果。 

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此一磁通開關馬達設計的特點在其電樞線圈上,卻可達到簡化的馬達控制方式與降低電子材料使用的成本的特點。

 

主題三:Shower Pumps for “Kohler Mira” 

        磁通開關馬達在震動噪音上的表現不如永磁無刷馬達的效果,因此嘗試以加大馬達氣隙的長度來降低頓轉轉矩所產生的震動噪音,並與同規格大小的有刷串激馬達來做比較。 

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        雖然加大磁通開關馬達的氣隙可略為降低所產生的震動噪音,但馬達的效率卻大幅的下降,原設計氣隙是優於有刷串激馬達,但加大氣隙後就遠劣於有刷串激馬達。 

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在熱的表現上可細分為磁場線圈與電樞線圈兩部份,則無論是那一部份的溫度都是加大氣隙的磁通開關馬達為最高溫的,而有刷串激馬達在磁場線圈的部份是優於原設計的磁通開關馬達,但電樞部份則是原設計的磁通開關馬達較具有優勢,因磁通開關馬達無論是磁場線圈或是電樞線圈都是捲繞在定子上,散熱較為容易也較有效果。 

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主題四:Sensorless Control 

        磁通開關馬達在運轉時,電樞線圈會持續的切換送電,此時在磁場線圈部份會因為冷次定律及轉子位置不同,而產生不同方向的電流變化。

 

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        磁場線圈上會因電樞線圈的切換及轉子位置不同而有相對應的電流變化產生,因此在磁場線圈上利用額外的電感設計,使得V=L‧di/dt則可產生一組可供控制使用的電壓變化訊號。 

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        Sensorless在要啟動時會有無法確定轉子位置的情況產生,因此會在100uS的時間內於一電樞線圈上送電,並同磁量測磁場線圈上的電流變化來得之轉子位置再加以控制轉向運轉。 

當使用PWM控制馬達轉速變化時,會因PWM的切換使得電樞線圈上會持續產生電流變化,而磁場線圈上也會感應出相同的電流變化,引此需能辯別開關切換與PWM切換的差異才能加以正確控制馬達運轉。 

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 主題五:R.S Motor With Permanent Magnets 

        將磁通開關馬達的磁場線圈完全用磁鐵取代,可提高馬達的效率,將磁場線圈所產生的銅損完全的消除,但在馬達特性上則會與單相永磁無刷馬達相同。 

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        以輔助的性質於磁場線圈外側部份加入同極向的磁鐵,當磁場線圈磁力不足時能起很大的輔助效果,但磁場線圈與磁鐵都通過同一路徑,對馬達整體的效益就起的作用就不明顯,甚至於磁場線圈能提供較大磁力的的情況下會有受到磁鐵限制的反效果產生。 

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        修改輔助磁鐵的位置,將其改於磁場線圈的內側,避免與磁場線圈所產生的磁力會通過同一區域,磁鐵與磁場線圈則會產生相輔相成的效果,使得馬達整體效率都有所提升。 

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        將部份的磁場線圈改以磁鐵取代,其餘部份仍維持使用磁場線圈,此種方式使馬達可兼具磁通開關馬達與永磁無刷馬達的特性,對於馬達整體效益的增加更為顯著。 

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主題六:Flux Switching Generators 

        使用磁通開關馬達製作發電機時,需要依靠少量的磁鐵使得啟動時也能提供一定程度的反電動勢。

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        在電路控制部份,電樞線圈會先輸出不穩定的交流電源,經過電子開關元件整流成直流電源系統,可供給磁場線圈並利用電子開關來控制磁場狀態,使得電樞線圈的電源輸出為可控制的,最後再將直流電源經過變頻器來輸出所需的電壓大小及頻率。

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主題七:Multi-Phase Flux Switching Motor

         磁通開關馬達在相切換時,扭矩會從零升至最高在回復到零,因此扭矩的變動十分大,也會有振動及死點的情況產生,將磁通開關馬達改為雙相的系統,則可避免死點的情況產生,適合用於起動轉矩較大的使用。 

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        三相磁通開關馬達提供了較大及穩定的轉矩,除了與永磁無刷馬達相同的控制系統之外,還可改變磁場線圈的輸入電壓來做強磁或弱磁的控制。

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Prof. Zi Qiang Zhu 

雪菲爾,曾經被稱為「鋼鐵之都」,是位於英格蘭北部的鋼鐵大城,如今已由過去的製造業,轉而成為蓬勃發展教學活動的重鎮,而理工科技知識早以深耕在校園之內;雪菲爾大學具有一針對馬達科技專精的研究團隊,目前由Prof. Zi Qiang Zhu帶領,為全球馬達研究開發中心,無論是歐洲、美洲或日本的產業界都投入高達上億英鎊的資金,供其團隊進行馬達先期研究開發工作。

 

主題一:Electrical machines- basic theory types and topologies 

馬達轉矩的產生: 

        在一磁場B內,有一長度L的導體通過一電流I,則會產生一F的力量,其力產生的方向可依照安培右手定則指出;而其力量( F )的大小就來在於磁場的強度( B )乘以電流強度( I )及導體長度( L )。

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將導體捲繞成一迴旋的形狀,其中有效導體部份長為L,而導體迴旋直徑長為D,兩側導體內的電流方向是顛倒的,因此兩側產生力F的方向是相對的,則導體會依照軸中心而開始旋轉,這種旋轉的力量就稱為轉矩T;轉矩( T )的大小就來自於磁場強度( B )乘以導體電流強度( I )、有效導體長度( L )及導體迴旋直徑( D)。 

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若導體數量增加時,除了增加導體數的係數N之外,還有電樞線圈所產生的力與磁場所產生的力之間所交錯的角度係數δ,因此轉矩強度( T )就為磁場強度( B )乘以電流強度( I )、導體有效長度( L )、導體迴旋直徑( D )、導體數量( N )及電場與磁場正交角度( Sin δ)。

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        由磁場所產生的轉矩會依照角度的不同( Sin δ),而產生週期性的轉矩,如要維持最大轉矩則電樞角度與磁場角度要盡可能保持正交狀態。

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磁阻力Ft的產生主要來自於兩種導磁的材料間的吸引力,夾角δ為兩定子齒中間線到轉子部份的角度,D則為轉子的外徑,因此磁阻轉矩強度( T )為磁阻力( Ft )乘以轉子外徑( D )及定轉子夾角( Sin 2δ),其轉矩週期頻率較高。

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馬達轉矩分析: 

一圓形物體的旋轉,主要來自於旋轉物體的表面上有剪力的作用,因此轉矩可表示為轉子表面積部份( 2πR2L )乘上剪力(σ)。

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在馬達中的剪力主要來自於磁裝載與電裝載的正交作用,因此可將剪力(σ)直接轉為磁裝載( B )乘以電裝載( Q )。

 

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磁裝載就是永磁或電磁鐵所產生的磁力強度,單位是Tesla,而電裝載部份則是線圈電流所產生的力量,單位是A/m。 

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        若改以轉子外徑來表示,馬達轉矩的形成就主要分為轉子尺寸及電裝載與磁裝載這三大部份來產生。 

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主題二:Electrical machine materials 

        馬達中常使用的矽鋼片稱為軟磁材料,是指容易磁化與去磁的材料,因此材料的磁滯曲線必須很窄,具有磁滯損失小、渦流損失小、高導磁率及高飽和磁率的特性。

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        一般而言會常使用含矽量約3%左右的矽鋼片,此一材質能通過較高的磁通密度B( T ),約在1.6~1.8之間,是個導磁性良好的軟磁材料。

 

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        硬磁材料在做過磁化處理後,磁性不易消失,也就是所謂的永久磁鐵,其具有高飽和磁化強度(Ms)、較大的抗磁力(Hc)及殘存磁通密度(Br)等特性,在磁滯曲線上會顯示既寬又高的曲線,特別是涵蓋第二象限的面積,就代表磁鐵保有磁位能的大小。 

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        (BH)MAX是將第二象限的BH做乘積所算出的最大值,通常可用來表示磁鐵的優裂之分,不同材料所做成的磁鐵,其性能好壞也可以此做為區分。 

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        磁鐵的性能還會受到溫度的影響,每種材料的會有所不同,但大多是往壞的方面去改變,因此在使用上還需特別注意工作溫度,以免造成退磁情況產生。

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        實際使用上還必須注意磁力工作點的問題,最佳工作點就在(BH)MAX處,如工作點位於磁滯曲線的膝點之後,工作之後會依照原磁滯曲線回復原有磁性,就會產生退磁現象。

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磁性材料的損失主要來自於渦流損、磁滯損及外部激發的渦流損這三個部份,跟材料的厚度、工作頻率、磁場強度等有關,也因此矽鋼片的厚度往往會選擇在0.5mm以下。 

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 主題三:Power electronic switching device 

二極體( Diode )為順向導通元件,當送入順向電壓超過一Ef值時就能瞬間導通,若反向送入電壓則無法導通,但電壓值大於元件崩潰電壓時,造成二極體損壞而導通。 

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半導體閘流管( Thyristor ),其特性類似於二極體,但其導通與否是可以控制的,要利用閘極( Gate )端的輸入電壓來加以決定電流是否可以通過。 

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BJT( Bipolar junction transistor )電晶體為電力開關元件的一種,因其持續工作時的損失較高,所以都做電子開關來使用,工作原理是利用基極( Base)輸入電流大小來控制集極( Collector )電流是否可以導通及導通電流大小限制;一般會選用NPN接面的電晶體可提供較高的電壓電流比值,而此種開關切換的頻率可達到10K Hz。

 

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        MOSFET( Metal oxide semiconductor field effect transistor )電晶體,同樣作為電力開關元件,工作方式類似於BJT,但改以閘極( Gate )端輸入的電壓大小加以控制導通開關及電流大小,其切換頻率可達到20K Hz。

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        IGBT( Insulated gate bipolar transistor )是結合了BJT及MOSFET優點的一種電晶體,擁有較高的輸入阻抗、較低的工作損失及大電壓電流容量,因此大功率的電力系統中都使用IGBT當做開關元件。

 

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        開關元件在使用時需注意元件的緩衝時間,無論是開啟或是關閉,都還需要一些緩衝時間來達到動作完成,雖然可額外設計一些電路來降低緩衝時間,但在操作時還是必須把這些緩衝時間考慮進去。

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        電力開關元件在使用時會產生一些損失,除了元件內阻所造成的工作損失( Pon )之外,在開關切換之間會有切換損失(Psw )的產生,這些損失部份都會轉變成熱能的產生,因此開關元件的散熱就必需要特別注意了,大部份都會加裝散熱片幫忙傳導熱能,避免元件燒毀。

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主題四:Power electronic drives 

        單極換流器( Single Pole of a Voltage Sourced Inverter ),利用上下臂的兩個開關元件及二極體來控制送入電壓的正反向。

 

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        H橋式換流器( H-Bridge Voltage Sourced Inverter ),一個直流電源系統可以利用兩組上下臂的四個電力開關元件之間的切換,使其產生正負電壓值的輸出,也可同時控制輸出的頻率。

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        三相換流器( Three-phase Voltage Sourced Inverter ),使用三組上下臂的開關設計,利用六個開關元件的切換可輸出三相電源系統。

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        在無刷馬達驅動的電力系統中,就是先將室電的三相電源( AC )整流成直流( DC )電源系統後,再利用三相換流器輸出三相電源( AC)給馬達使用,只需要改變換流器的電源輸出頻率就可以調整馬達運轉速度。 

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        在使用上下臂的開關設計時,需注意上下臂的開關不能同時導通,會造成電路短路電流過大而燒毀,因此在上下開關要切換時會加入一個延遲時間 (Deed Time ),這延遲時間的長短取決於開關元件的開關緩衝時間。

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        在馬達驅動控制系統中,有分強電與弱電兩個部份,其中強電是屬於馬達驅動電路,依實際送入馬達內的電源功率大小而定,弱電是指控制驅動IC的電路,一般是5V的系統,當強電的電源系統功率過高時,需進行隔離以免破壞弱電控制系統,因此需要在上臂處與強電接點作隔離電路設計。 

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        在電源方向切換的系統之中,二極體從順向轉為逆向時,會需要一反相恢復時間trr,才能正常運作將反向電流完全截止,因此在忽然反向的瞬間,還是會有反向的電流Irr流過,在使用時需注意,以免破壞整體電路系統。

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 主題五:PM brushless machine drives 

       無刷馬達基本驅動模型,是利用位置感測器來量測馬達轉子位置,再經過控制IC的分析後,加以控制驅動電路上的開關元件,使其輸入電源進入馬達定子線圈內產生與轉子上的磁場交互作用,造成轉矩來驅使轉子旋轉,一直的重復偵測轉子位置而改變送入馬達的電源,可達到持續不斷運轉的工作。

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        無刷馬達可依其產生的反電動勢分為交流( AC )與直流( DC )兩種,若反電動勢為AC電源時,則使用AC電源驅動馬達效果較佳,反之亦然;在DC系統中,三相電源依序送電,往往是兩相導通一相不同的情況,而AC系統則是三相都導通且持續在變化,因此DC系統在控制上是較為簡單的。 

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在馬達驅動分析方面,當三相馬達在運轉時實際上會產生三個角度相差120度的運動向量,但從馬達結構來觀察則是習慣以d-q軸的正交系統來表示,因此會有一轉換公式的產生,將馬達向量轉為d-q軸以方便分析並加以控制。                pic61  

         以d-q軸系統分析馬達所產生的轉矩,則會得到下列公式,其中p為磁鐵極數,λm為磁鐵所產生的磁鏈 ( Flux-linkage ),Lq及Ld為d-q軸方向的電感值,iq及id為電流值。

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DTC ( Direct Torque Control )轉矩直接控制法,是將量測到的馬達參數經過計算得到轉動轉矩,與設定轉矩值來做比較,再調整輸入電壓大小以達到設定轉矩的馬達控制法。

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主題六:Thermal management of electrical machines 

        馬達在運轉工作時會產生熱,熱會影響馬達的效率及壽命問題,而這熱能的產生源就是馬達效能的損失,無論是銅損、鐵損及摩擦損等,這些損失都會變成熱的型式發散,而馬達一熱之後效率就更差,損失也就更大,如此惡劣的循環直到增加的溫度與散熱的溫度平衡為止,因此熱的產生與馬達的散熱在馬達設計中都是必須要考量的。   

        大部份的馬達中,主要的損失來自於漆包線圈的銅損,其次才是磁性材料所帶來的鐵損,最後則是稱之為雜散損,銅損所佔的比例往往超50%以上,且會隨著溫度的上升而跟著上升。 

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        散熱方面可分為熱傳導、熱對流及熱輻射;在熱傳導方面主要是針對材料內部的熱傳導,其中的k為材料的熱傳導係數,A為面積,t是厚度,△T是厚度兩端的溫度差。

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         若是兩物體間的熱傳導,往往會因為接觸面不夠緊密,在中間會有空氣介面的殘留,而往往實際接觸面積低於10%以下的情況產生,使的兩物體的熱傳導效果變差,因此在需要熱傳導的接觸面上要仔細處理並加壓,才能達到預期效果。

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熱對流一般是指熱與氣體或液體之間的對流傳遞,其中的△T是熱跟對流物的溫度差,h則是對流物的溫度傳導係數,大部份馬達的散熱都是依靠空氣的熱對流。

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       熱輻射在馬達中的散熱效果較不明顯,其中的e為熱源的表面發射率,ks為Stefan Boltzmann 常數,依顏色的不同而有不同的常數,Tf為熱源表面的溫度,Ts為周圍環境的溫度。

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        在熱傳導的模擬分析中,可用簡單的模擬電路來表示,其中Q為物體內部的熱產生源,而熱容量Ct則是物體的質量m乘上比熱c,R則是熱傳導的界面,在經過計算各點T的數據,可就評估各點的傳導溫度變化量

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主題七:PM brushless machine topologies   

徑向磁通馬達與軸向磁通馬達

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旋轉馬達與線性馬達

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內轉式馬達與外轉式馬達

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有槽式馬達與無槽式馬達

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表面磁石型轉子與內藏磁石型轉子

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分布繞定子與集中繞定子

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 輻射狀充磁與Halbach充磁

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        氣隙磁通密度的強弱也就代表馬達內的磁裝載強度,因此會針對轉子的磁石部份作各種造型與位置的設計,以盡可能增加氣隙磁通密度的數值。

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        設計各種轉子磁鐵的樣式,除了增加氣隙磁通密度之外,有些設計還可增加馬達磁阻力的產生,以提高馬達運作的轉矩。

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 主題八:Winding dispositions for pm brushless motors 

        在某些特殊的場所,如航空系統中所使用的馬達,除了工藝技術需求要高之外,還必須特別考量安全性的問題,因此特地研發一種容錯型馬達,可在部份馬達線圈損壞後繼續正常運作;此種容錯型馬達在繞線上採用集中繞方式,且每隔一定子齒槽才捲繞一圈,避免互相干擾。

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        從磁力線來觀察,單一線圈的短路或開路,雖然會對馬達整體的效益會有影響,但並不會去干擾到其餘磁力線的路徑,僅在該線圈所在的定子齒部產生改變,因此若單一線圈損毀則馬達依然可以運行。

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在線圈上面製造隔離效果,在電路上也必須如法炮製,每一組線圈由單一驅動電路控制,雖然在成本上會增加許多,但在安全性的考量上還是必須的。

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容錯型馬達是個多相系統,其相數越多則損壞線圈對馬達所造成的影響就越小,但成本也會相對的增加,若將損壞的影響及製作成本進行評比則可推得最合理的選用相數。

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        容錯馬達在正常運轉時,控制方式與一般無刷馬達相同,當線圈損壞時,控制電流就會轉變,成為一特殊的型態使得馬達能維持正常的穩定轉矩,讓馬達正常工作運行。 

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        渦流損雖然不是馬達中最大的損失,但在大功率的馬達中,這損失所產生的熱量也是相當可觀的,因此利用一些簡單的設計就可以大幅降低渦流損的產生,是十分值得的。 

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主題九:Fractional slot PM brushless machines 

        以磁鐵與定子齒槽的磁鏈角度來看,當齒數與極數相同時則可達到最大的磁鏈值,但馬達在這種情況下是很難轉動的,會產生龐大的頓轉轉矩。

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        將齒數與極數相差一個,則馬達可以順利轉動,但馬達在運轉時會有不平衡的磁場現象,其對馬達造成的影響是不良的,會有噪音及震動等強況發生。 

 

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        將齒數與極數的差異加大至二,馬達運轉時的磁場力就呈現平衡狀態。

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        齒極數相差二的交鏈磁通差異不大,但在反電動勢的表現上則完全與相同齒極數的一樣,遠優於傳統的齒極配的設計。

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        嘗試以繞線的方式達到齒極數相等的效果,原本集中繞是每一齒都捲繞線圈,現在改以隔一齒捲繞,跟容錯型馬達相同。

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隔一齒繞線還是無法完全達到齒極數完全相同,因此再次修改齒型,使用不同齒寬大小的特殊設計,加寬繞線的齒寬,縮小沒有繞線的齒,以達到齒極數完全相同的效果。

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        將三種型式的馬達來做比較,發現有做大小齒的設計,其反電動勢角度是最大的,而每齒繞與隔齒繞的差異不大。 

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將大小齒的數據與齒極數相同的馬達做比較,發現兩條曲線幾乎是完全重疊的,達到了當初期望的目標。

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主題十:Cogging torque and its reduction 

        磁鐵與導磁材料互相感應時會產生磁力,這力可分解為正向力與切向力,其中正向力為馬達中轉矩產生的磁力,而切向力則形成了頓轉轉矩。  

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馬達中的頓轉轉矩與極數及槽數有關係,其中Np就是極數,Ns為槽數,而Nc則是Np與Ns的最小公倍數,CT值越大則頓轉轉矩越大。 

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因此可以設計一些假槽或假齒來增加槽數與極數的最小公倍數,來減少頓轉轉矩的產生,而又不直接影響到馬達。

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        另外還可以用磁鐵的展開角度來加以修改設計,在每一種槽極數的馬達,都會有一組以上最佳的每極磁鐵展開角度,能夠使頓轉準矩變小。

 

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將磁鐵修成麵包形狀是傳統常用的方式,可以有效的降低頓轉轉矩。 

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               將轉子作斜槽也是解決頓轉轉矩常用的方式,但斜槽的角度也是需要經過計算,才能得到較佳的效果。

 

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        磁鐵要做斜槽設計在製作及成本上都比較不利,因此採用折衷的辦法將磁鐵安裝角度錯開,達到類似斜槽的效果。

 

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主題十一:Control of PM brushless machines 

        一般的無刷馬達控制迴路,是將位置感測器的訊號交給IC控制器去依序開啟開關元件將電源送入馬達內,位置訊號又可以轉換為速度訊號,與設定的速度作比較,再去調整控制器的PWM調整馬達轉速。

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直流無刷馬達在控制時,常採用六步方波的架構,利用位置訊號來決定三相馬達中的兩相需要送入電源,是一種較為簡單的邏輯迴路控制。

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        交流無刷馬達的控制較為複雜,因三相為同時導通,而電流大小隨時間不斷的變化,在控制上大多轉為d-q軸以便控制。

 

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        交流無刷馬達的整體控制架構上也較為龐大,在其控制器中需來回的進行座標軸轉換,將三相的運動向量轉為d-q軸之後與控制訊號做比較,在轉回三相的運動向量加以控制馬達運轉。

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無刷馬達在控制送入電源時,需要知道馬達轉子的位置,才能正確的送入電源運轉,因此往往都會外加位置感測器,但在某些場合中無法加裝感側器,因此發展出了Sensorless的控制法,是利用永磁轉子在旋轉時,會在定子線圈上產生一反電動勢,而這反電動勢又會因永磁極性的不同而有正負之分,造成了上下波動的曲線,也反應出目前轉子的位置訊號。

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        Sensorless的控制架構差異,只是將拉出的電流訊號進行處理成位置及速度訊號,較先前的架構來說少了使用元件,但增加了控制器的運算數量。  

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            以上的心得報告,為本人參考於英國訓練課程期間的講義整理而成,內容中的圖表全都取自於講義內容,其中的中文解說部份為個人見解,因課程內容層面十分廣泛,是眾多教授聯合授課,為其所學之精華,以一人之力實在難以完全消化,只能盡力而為,因此可能在某些觀念及認知上會有錯誤之處,還請見諒,也十分歡迎指教。  

   

參考資料: 

英國馬達科技培訓課程        講義及簡報      西元2007年

 

路昌工業網站:http://lutron-ind.weebly.com/       

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