1、11馬達設計自編教材適用學生：四技四級二技二級研究所一級南開技術學院電機系電機設計實驗室鄭世平 編撰 20072永磁馬達設計技術總鄭世平博士南開技術學院電機系電機設計實驗室T ： (O)049-2563489 ext 2822C ： 0919-936877Email ： jcpnkc.edu.tw23認馬達 馬達的功能 :電能 磁能 機械能 馬達包含那些材？ 導電材 導磁材 (含永久磁石 ) 絕緣材 其他組件 馬達包含那些技術？ 設計分析 製造4 馬達設計 電磁設計 繞組設計 機構設計 通風卻 (熱傳 )設計 振動噪音設計 馬達分析 分析麼 電磁特性 溫升 分析工具 有限元素法 (Finite
2、 Element Method)35馬達發展概要 馬達的史源自19世紀前半的許多電磁現象被發現開始，直馬達和感應馬達等等各種馬達的原型，到19世紀後半為止，都已研究開發並試作完成，到20世紀初期已經實用化。 從1920代到1970左右的近代產業的發展相呼應之下，對於各種馬達在化、大容化、小型輕化、高可靠性化等等的需求，在實現的過程中都有顯著的進步。 接著，半導體元件的顯著進步，伴隨著變頻器 (Inverter)等電轉換器的高性能低價化，和控制用微處機使用的控制技術的實用化，加上電電子技術的急速進步等條件下，馬達已進入新的發展階段。6 現代有關產業機械、機器人、電動汽、生活家電、資訊機器、及環保
3、機器、社會福用機器、娛用機器以及涵蓋尖端域的鍵盤技術等皆為可或缺的技術。 史上最早的是直馬達，其控制性能的優點使得可變速馬達長久以有其相當的地位，但因為使用機械的整機構，維護是可或缺的。目前，取而代之的感應馬達及同步馬達等交可變速系統已成為主。 感應馬達有構造簡單、堅固的特性，變頻器的驅動系統的可靠也高。但感應馬達的原一定要有轉差，轉子內部會產生銅損。相對的同步馬達沒有轉差，特別是採用高性能永久磁石的同步馬達，無激磁損失，功因，轉矩/電，效等各方面都較優。47 永磁馬達，在1930的鋁鎳鈷磁石(AlNiCo)發現的同時就已實用化，但鋁鎳鈷磁石有保持及減磁耐等問題，只限於小容馬達。且當時如變頻器
4、等變頻電源尚未實用化，必須直接接到交電源，所以一定要裝馬達啟動用的阻尼線圈，使得同步馬達原的優特性無法充分發揮，只限於紡織用的定速馬達等特殊用途。 隨著1950代的氧化鐵磁石和稀土磁石的發明及以IGBT為代表的高性能可以自己消弧電極的實用化，永磁馬達得以飛快的進展成為高效能高效的馬達。8馬達種直有刷馬達 直永磁馬達傳統型交感應馬達 交同步馬達59永磁馬達換式磁阻馬達 同步磁阻馬達(內藏型 )(表面型 )新型10永磁馬達轉子構造611永磁馬達的分 分為表面型(SPM)、嵌入型(Inset PM)、內藏型(IPM)三種表面型 崁入型內藏型12永磁馬達的基本結構 永磁馬達 是將機械的整換成半導體開關
5、，將永久磁石置於轉子，電樞繞組置於定子所設計的旋轉磁場形的構造。 永磁同步馬達 ： 將直馬達的碳刷和換向器等機械整作用換成半導體的開關作用的馬達的通稱。產生的反電勢為弦波，使用 180通電 (弦波 )形式的變頻器驅動的馬達。 無刷直馬達 ：產生的反電勢為方波 (或梯形波 )，使用 120通電 (方波 )形式的變頻器驅動的馬達。 下圖為對應轉子位置作控制，命變頻器驅動的永磁馬達的基本架構。713電源變頻器控制迴 位置檢出PMSM PSf永磁馬達的基本架構14表面型與內藏型比較(1) 高速用的 表面型 為防止心導致的磁石飛散現象，外圍必須設計有非磁性體的保護管 。內藏型 因為是固定在轉子內部，就需
6、要此種因考慮機械強而設計的保護管，為其優點。(2) 保護管因槽波所致的渦損，以及變頻器的載體所致的高頻損失使得效低，但內藏型因轉子表面是矽鋼鐵芯，所以此種問題較少。(3) 需要保護管的內藏型因其等效氣隙較小，與使用相同磁石的表面型相較之下，具有較高的導磁，可以使磁石的動作點的磁通密得以向上提昇。815(4) 磁石端部會有磁通產生。(5) 磁石的形及配置可以有大的自由選擇空間。(6)表面型 必須使用圓弧的磁石，但 內藏型 可以使用方型的磁石，可以低製造成本。(7) 電磁轉矩可以加上磁阻轉矩一併使用，而得到高轉矩化。(8)內藏型 與 表面型 相較之下，特別是其 q軸的電感較大，致 q軸的電樞反應也
7、較大，端電壓容上升，且容受到磁飽和的影響。(9) 用其逆凸極性，能夠從一開始啟動時就做無感測運轉。16驅動系統之基本構成 驅動系統之基本構成如下頁圖所示。 永磁馬達之驅動變頻器 (Inverter)經常須依據轉子的位置做最適當的控制，故轉子的位置資是可或缺的，偵測轉子的轉動位置有解碼器 (Resolver) 、 編碼器 (Encoder)及霍爾偵測器 (Hall Sensor)等專用的位置偵測器，及以電壓或電之信號作位置偵測的方式。 在空調機等用途，無法設置偵測器，一般使用反電勢越過點 (zero cross)的位置偵測方式。 在驅動主回中，使用三相電壓變頻器，其驅動方法有：(1) 電控制型之
8、 PWM變頻器，是以正弦波電驅動。(2) 120通電型之變頻器，是以方波電驅動。917驅動系統之基本構成18 在正弦波電驅動時必須有電回授，故控制系統稍微複雜，電向控制的自由也變大，可以充分的發揮正弦波感應電壓 內藏型 的特徵。 使用 120通電型換器之場合，每一週期有次 60沒有通電期間出現，故使用反電勢越過點的簡位置偵測。 此種方式對於適用於梯型感應電壓的永磁馬達，當在包含啟動及低速域運轉期間，通常偵測出感應電壓的。1019磁性材 磁性材分為 軟磁材 (Soft materials) 及 硬磁材 (Hard materials) 。 這種分與材的軟硬無關 。 馬達使用的鐵心導磁材通常稱為軟
9、磁材，亦即通稱的導磁鐵心材，因為它具有窄的磁滯迴 (hysteresisloop)，低的保磁，及高的導磁等特性。高導磁可使磁之磁阻低，低保磁可使磁滯損失減少。 由於永久磁石 (Permanent magnet, PM)具有相當高的能密，因此已被廣泛應用在電機機械上，以取代傳統繞線式激磁場。比起一般軟磁材，永久磁石具有一個較寬的磁滯迴線，因而被稱為硬磁材 。20軟磁材 軟磁材加入少的矽可以提高電阻性，低保磁，及改善磁性的穩定。在鐵合中加入3%的矽，電阻可以提高為純鐵合的四倍，但加入超過5%時，會使軟磁材變得碎，加工。通常以加入13%的矽較為普遍。H(A/m)B(T)0.20.60.40.81.0
10、1.21.41.61.82.0500 1000 1500 2000 2500 30000M-36 29-gauge鑄鋼鑄鐵三種同軟磁材磁化曲線的比較1121-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0-1000 -750 -500 -250 0 250 500 750 1000Magnetic Field Strength (A/m)MagneticFluxDensity(Tesla)DC Hysterisis Curves25cm Epstein TestCSC 50CS1300Bm = 1TBm = 1.5T22表 1美規模軟磁材特性等級 飽和磁通密(Gauss)鐵損 (
11、瓦 /磅 ) 15KGauss 60Hz0.014”29G0.0185”26 G0.025”24 GM-15 19,900 1.45 1.68 NAM-19 19,900 1.58 1.74 2.08M-36 20,200 1.90 2.05 2.40M-43 20,400 2.00 2.30 2.70馬達常用的軟磁材特性1223表 2 歐規模軟磁材特性等級飽和磁通密H = 5KA/m鐵損 (瓦 /磅 ) 1.5T and 50Hz0.35mm 0.50mm 0.65mmTransil3301.66 2.90 3.15 NALosil6001.70 NA 5.10 5.50Newcor8001
12、.72 NA 6.20 7.4024表 3 日規模軟磁材特性區分 鐵損 (W/Kg) 磁通密 (T)標稱 厚(mm)W10/50W15/50W10/60W15/60B25B5035A23035A25035A27035A30035A36035A4400.350. 870. 931.031.141.291.542.102.252.402.632.953.461.101.191.301.431.611.872.672.822.983.283.684.251.571.571.581.591.591.611.661.661.681.681.691.7050A25050A27050A29050A31050
13、A35050A40050A47050A60050A70050A80050A100050A13000.501.021.071.141.231.341.451.672.072.652.963.313.702.402.532.602.733.003.303.704.605.706.407.208.101.321.381.451.581.711.822.122.603.313.724.194.593.043.193.283.483.814.184.675.807.108.159.399.821.591.591.591.591.601.601.611.621.641.661.661.671.671.67
14、1.671.681.691.691.701.701.731.751.76176註 ： W10/60代表 60Hz時在磁通密為 10Kgauss時之鐵損B50代表磁場強為 50A/cm時所產生的磁通密 (T)1325永久磁石 剩磁與保磁剩磁 (Br)與保磁 (Hc)，簡單的，永磁經充磁後，即使磁場強減為，仍然保有磁性，此時磁通密之大小即稱為剩磁。磁場強以反向沿減磁曲線增加，直到磁通密為，此時磁場強即稱為抗磁 (矯頑磁 )。斜趨近於 0BrHc26 能積與最大能積沿減磁曲線上任意點之 B與 H乘積的絕對值稱為能積 (Energy product) 。能積的最大值，稱為最大能積，能積為磁石的重要之一
15、 。它並非為真正儲存的磁石能，能積只是衡永磁強的指標之一，此值可用分磁石的等級，但重要的是，它代表磁石對外在環境所能提供的能 。1427 使用單位SI 制下的 H 與單位為 A/m ，而物學家常用Oersted(Oe)為單位，其關係如下 :SI制下的 B與單位為 Tesla(T)， 1 T相當於 1，物學家用 Gauss為單位，其關係如下 :1T = 10,000 Gauss = 10KGauss1Gauss = 0.0001TSI制下的能積為，但常用。 1 = /25 MGOe。OeOemA2310256.1104/1= OemKA 4/1 =mAOe /577.7910)4/(113= 2
16、8永久磁石材 目前用於電機機械的永久磁石分為 合磁石 (Alnico) 陶瓷磁石 (Ceramic, Ferrite magnets) 稀土磁石 (Rare-earth magnets)等1529合磁石 或稱鋁鎳鈷磁石，是最早發展的硬磁，含適的鈷、銅及鈦的鋁鎳鐵合，幾乎含碳。 製造法有鑄造與燒結種，一般採用鑄造法。在磁特性方面分為等方性及方性種，方性磁石是在磁場中熱處、在磁場中卻，以改善一方向的磁性，故磁性比等方性強。30 合磁石具有高的剩磁，可提供高的氣隙磁通，故適用於較大氣隙的場合；溫係很低，最大操作溫為5200C。但其保磁很小，減磁曲線為非線性，但於充磁也於去磁。 使用在大氣隙的馬達時，
17、電樞反應磁通對磁石影響甚小，過有時為防止電樞反應磁通對磁石的影響，會在磁石上加一塊軟磁鐵極套(Pole shoe)。又因保磁小，故必須在較長的方向充磁，以免極太接近，而相互抵消，同時可以得到所需的磁動勢。1631合磁石的一些應用子32陶瓷磁石 或稱為肥磁石及氧化鐵磁石，有鋇 (Barium)及鍶 (Strontium)系肥磁石。 具有高的保磁，也分等方性及方性種，材成本低，價格宜，適合大生產。重輕，固有電阻高，故渦損小，但脆。 它的剩磁高，溫係也大，最大操作溫為4000C。 設計使用肥磁石時，因剩磁低，必須使磁石充磁方向的截面積儘大而長短的扁平。其減磁曲線為線性。1733陶瓷磁石的一些應用子3
18、4稀土磁石 包括第一為 SmCo5，具有高的剩磁、保磁及能積，減磁曲線為線性，同時溫係也低，如剩磁的溫係約為 0.030.045%/0C，最大操作溫為 2503000C，保磁的溫係約為0.140.40%/0C。缺點是價格高。 第二為銣鐵硼 (Neodymium-iron-boron, NdFeB)，也具有高的剩磁、保磁及能積，減磁曲線為線性，剩磁的溫係約為 0.0950.15%/0C，最大操作溫為 1500C，保磁的溫係約為0.400.70%/0C。可溫對它的影響很大，另外，它遭腐蝕。1835900 010030050070000.20.40.60.81.01.21.4B(T)-H(KA/m)
19、SmCoNdFeBAlNiCoFerrite各種永久磁石材減磁曲線之比較線36電機基礎電阻 歐姆定vRi1=功消耗)(22瓦RvRivip =電阻值計算)(=SRl 為電阻 -m1937克希荷夫定克希荷夫電定任意時間，任意封閉迴之總電壓和等於克希荷夫電壓定任意時間，入任意節點之電和等於出該節點之電和由節點 a : I1 = 3A由節點 b : 1+2+I1 = I2, I2= 6AV-V1-V2-V3 = 0, V3= 5V38基本磁學磁源 磁 場有個源，一為由經導線的電，另一為永久磁石導線產生的 磁 場永久磁石產生的 磁 場H導線電 I2039磁學 基本物 (I)A 磁通密 B為單位面積之總
20、磁線 ，單位為韋伯 /平方公尺 ，或 Tesla ，或 Gauss ，1T = 10,000Gauss 磁通 為磁系統中之總磁線 ，單位為 韋伯 (Weber)基本關係 = B A40磁學基本物(II) 磁場強 H ， 單位為安培 / 米 (A/m)，B / H = ， 稱為導磁係2141電的磁效應 安培定 磁場強 H 沿任意封閉之線積分等於該封閉內之總電和，寫成學式為 式子右邊代表磁動勢 F 可以用計算 磁場強 H= IdHclrrRIaH2rr=RI磁場強為cF42電與磁RcRg+-NI磁VR1R2I電F=NI磁 磁動勢 F=NI, 磁通 , 磁阻 R (A-T) (Wb) (1/H)電
21、電動勢 V , 電 I, 電阻 R (V) (A) ( )2243電磁作用弗明左手定則弗明右手定則馬達設計基本觀 旋轉式馬達的分轉子外觀轉矩轉動原增加凸極 凸極加線圈及電 三相線圈 極與相 極、槽及齒 機械與 電機 馬達尺寸4323旋轉式馬達的分44轉子外觀4524轉矩 定義 線作用在有效半徑 單位 Oz.in, lb.ft, N.m, g.cm 1N.m = 1019.72 g.cm, 1N.m = 0.7376 lb ft46轉動原磁棒並沒有最佳的靜止點，因其端均產生大小相等方向相反之徑向吸引環形鐵，此與磁棒之任何方向無關，無法產生淨亦即無轉矩產生。4725增加凸極增加個凸出部份或極，如前
22、所述磁棒端會產生大小相等但方向相反的徑向。磁棒慢慢旋轉，磁棒將在如圖上所示的位置停住。0=48凸極加線圈及電Alignment and repulsion torque4926三相線圈定子上增加三組線圈，經由激定子使其上之凸極與磁棒間產生相互吸引及推斥，磁棒因而持續旋轉。50極與相 二至五十極或多 較少極成本愈低 二或三相可減少電子元件之用5127極、槽及齒分佈繞集中繞52機械與電機 為在轉子上的磁極，則電氣角 及機械角關係式可寫成電氣與機械間的頻或速關係如下其中及分別為電氣及機械頻，單位為徑 /秒。mNmmeN2 =emmmeN2 =5312345678928馬達尺寸 設計馬達最基本問題為
23、“多大的馬達才能產生所需的轉矩？ ”。就徑向磁通馬達而言，答案如下之關係 上式中 T 為轉矩， k為常值， D 為轉子直徑， L 為轉子軸長。LkDT2=5456有限元素法簡介2957有限元素法發展的史 1956， Turner(波音公司工程師 )， Clough(土木工程教授 )， Martin(航空工程教授 )及 Topp(波音公司工程師 )等四位共同在航空科技期刊上發表一篇文章，名為 Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures，用計算飛機機翼之強，一般認為這是工程學界上有限元素法的開端。 1960， Clough教授在美
24、國土木工程學會 (ASCE)之計算機會議上，發表另一篇名為 The Finite Element in Plane Stress Analysis，將應用範圍擴展到飛機以外之土木工程上，同時有限元素法 (Finite Element Method)之名稱也第一次被正式提出，在之前稱為剛性法 (Stiffness)。58 最先將有限元素法應用到電機工程上的是 Winsolw，他在 1965發表一篇名為 Magnetic Field Calculation in an Irregular Triangular Mesh的文章，以有線元素法分析發電機鐵心飽和效應。 1970， Silvester教授和他的高徒 Chari發表一篇相當有名的文章， Finite Element Solution of Saturable Magnetic Field Problem，以有限元素法建建解析電磁場非線性變分法之算則。3059為麼要使用有限元素法 可以處規則幾何結構 可以處材的電或磁非線性問題 可以處非等向性材 可以處外接線 可以處非正弦波電源60何謂有限元素法有限元素法是 ： 微分方程式的一種值解析法，為表示其近似解，以多項式代表微分方程式中的變 。步驟是：將解析問題之域分割成許多小區域，即所謂的元素(Element)，微分方程式的變在各元素中以多項式近似，再將所有元素組合起一起解之 。
