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祜笞黎
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1 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 200 年 2 月 3-4 日外轉子輪軸馬達設計之研究 Study of the Exterior-otor Hub Motor Design 連家祥 2 黃茂川葛世偉 Chi-Hsing Lien Mu-Chun Hung Shih-Wei Ku 高雄應用科技大學電機工程系 2 富田電機股份有限公司台灣高雄市台灣台中縣 Deprtment of Electricl Engineering Deprtment of eserch & Development Ntionl Kohsiung University of Applied Sciences FUKUTA Elec. & Mch. CO., LTD Kohsiung, TAIWAN Tichung, TAIWAN @cc.kus.edu.tw m.hong@fukut-motor.com.tw 摘要本文使用有限元素分析法進行輪軸電動車的設計, 分別就影響馬達特性的因素 : 反電動勢輸出轉矩頓轉轉矩氣隙磁通密度轉速 - 轉矩與轉速 - 功率及磁力線分佈等加以討論, 並藉由 MgneForce Brushless DC 軟體模擬以驗證設計之磁路分佈, 比對實驗室輪軸電動車之特性並比較相異極數的外轉子輪軸馬達特性與磁路關鍵字 : 有限元素分析法輪軸電動車外轉子馬達 Abstrct This study is tlking bout the design of using Finite Element nlysis to produce Hub Motor of Electric Vehicles. First, it discusses the fctors which cn ffect motor s chrcteristic: Bck electro motive force, Output torque, Cogging torque, Air-gup flux density, Speed-Torque & Speed-Power nd Flux lines distribution. Secondly, it tests the mgnetic circuit distribution s design through the imittion of MgneForce Brushless DC, nd compres with the chrcteristic of Hub Motor of Electric Vehicles. Thirdly, it compres the different poles of Exterior- otor Motor's Chrcteristic nd mgnetic circuit. Keywords:Finite Element nlysis, Hub Motor of Electric Vehicles, Exterior-otor Motor I. 前言環保觀念的演進, 綠能技術的抬頭, 對於地球的生態保護越來越重視, 目前雖然有風能太陽能地熱能生質能潮污能等再生能源來取代石化煤能源, 但是並非可以完全取代, 因此節約能源成為目前的熱門議題傳統上直流伺服馬達其效率高速度轉矩特性為線性, 然而因其換向刷 (brush) 的磨損常造成換向銅環被火花擊穿必頇更換, 如此以來就會造成生產線停擺影響生產成本因此被永磁無刷馬達 (Permnent Mgnet Brushless Motor) 取代然而京都議定書實施以來, 世界各國為達成目標,2000 年以後, 推廣綠色科技 (Green Technology), 期使達成馬達效率提昇響應速度加快低耗能體積小生產技術無污染, 報廢時易回收等要求又產業機械動力需求為快速時間響應 (Fst Time esponse) 高精度 (High Precision) 高起動轉矩 (High Strt Torque) 體積小 (Smll Volume) 等需求時, 則必頇使用伺服馬達 (Servo Motor) 因此開始發展永磁無刷馬達 (Permnent Mgnet Brushless Motor) 早期永久磁鐵即為民生國防工業上一項不可欠缺的材料, 特別是 30 年代出現的 AlNiCo( 鋁鎳鈷 ) 50 年代問世的 Ferrite( 鐵氧磁體 ) 70 年代與 80 年代稀土類磁鐵 ( 釤鈷 (SmCo) 磁性材料與銣鐵硼 (NdFeB))[][2] 出現, 因為永磁式電機使用永久磁鐵 ( Permnent mgnets) 作為激磁場, 免去了繞線式激磁場的銅損, 同時可省掉使用電刷換向器等設備, 故體積可以降低, 達到高效率高功率密度以及小型化等優點引起工業界的關注釤鈷為永磁性材料中抗氧化性較高的材料, 其磁場強度和溫度穩定性較鋁鎳鈷和陶瓷材料為高, 一般用於環境比較嚴苛的地方 ; 反觀銣鐵硼具有很高的磁場強度, 但抗氧化性和溫度的穩定較釤鈷差, 表為各種磁性材料優缺點比較表各磁鐵優缺點比較種類優點缺點鋁鎳鈷鐵氧磁體釤鈷銣鐵硼. 溫度穩定度高 2. 適用於高溫場合 3. 具有高剩磁. 耐氧化耐腐蝕重量輕 2. 價格較低材料來源豐富. 小型化 2. 不易退磁 (Hc 高 ) 3. 抗氧化性較佳. 小型化 2. 不易退磁 (Hc 高 ) 3. 機械強度較佳. 易消磁 (Hc 低 ) 2. 硬且脆, 加工不易. 剩磁 (Br) 小 2. 溫度穩定度低. 價格很高 2. 產量小 3. 機械強度低加工不易. 價格高 2. 溫度穩定性較差 3. 易氧化需表面處理轉子磁路結構不同, 相對著馬達的運轉特性亦不同, 根據永久磁鐵在轉子上位置的不同, 可分為內轉子 (Interior-otor) 與外轉子 (Exterior-otor), 現今許多馬達設計都採用內轉子型式去分析, 或者針對內部參數的更改磁鐵與矽鋼片的不同以及驅動方式的不同來做研究分析, 所能提升的特性有限, 所以本文採取採用外轉子的型式來進行探討電動機車外轉子馬達為探討驗證, 如圖所示 308

中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 200 年 2 月 3-4 日圖輪軸電動車本文使用有限元素分析軟體 MgneForce Brushless DC, 分析選擇適當的定轉子參數磁鐵與矽鋼片繞線方式驅動器等等, 並模擬出其特性曲線磁力線分佈與磁通密度等等, 最後透過 Microsoft Excel 紀錄每筆特性曲線各點數值並繪出特性曲線圖加以分析與比較,

無刷直流馬達因永磁無刷直流馬達具有良好的機械特性與調速範圍寬, 因此內部損失可以減少體積可以縮小, 近而達到高效率低損失以及小型化的需求, 本文以設計 2 極 72 槽與 72 槽外轉子永磁無刷直流馬達為模擬對象, 由於永磁材料銣鐵硼磁鐵的熱穩定特性, 經過充磁之後, 不用再外加其他能量就能在周圍建立磁場, 又由電動機等效電路知悉設計時參數對轉速與電流之影響 3.

e, e b, e c : 分別表示為三相感應電動勢, L M : 分別表示為每相電阻與電感馬達的感應電動勢電流轉矩和轉速等, 這些與馬達的氣隙磁通密度分佈與繞組型式有密切關係, 即用下面各式來決定 [7] 2 p n e eb ec 4W Bl (3) 60 每相電阻 ( ) 為 W 2lw (4) s 則馬達轉矩為 4 p T W I (5) i 由轉矩與已知轉速可得到馬達輸出功率為

2 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 200 年 2 月 3-4 日圖輪軸電動車本文使用有限元素分析軟體 MgneForce Brushless DC, 分析選擇適當的定轉子參數磁鐵與矽鋼片繞線方式驅動器等等, 並模擬出其特性曲線磁力線分佈與磁通密度等等, 最後透過 Microsoft Excel 紀錄每筆特性曲線各點數值並繪出特性曲線圖加以分析與比較, 因此利用所得到的曲線進而驗證實作馬達的特性電池 II. 驅動原理 [3][4] 驅動器圖 2 變流架構圖為方便測試所設計的馬達, 因此選用變頻式的驅動器, 如圖 2 所示量測流經馬達的電流, 以換算其轉矩大小輸出功率以及效率, 驗證參數對馬達特性 Ⅲ. 無刷直流馬達因永磁無刷直流馬達具有良好的機械特性與調速範圍寬, 因此內部損失可以減少體積可以縮小, 近而達到高效率低損失以及小型化的需求, 本文以設計 2 極 72 槽與 72 槽外轉子永磁無刷直流馬達為模擬對象, 由於永磁材料銣鐵硼磁鐵的熱穩定特性, 經過充磁之後, 不用再外加其他能量就能在周圍建立磁場, 又由電動機等效電路知悉設計時參數對轉速與電流之影響 3. 無刷直流馬達之數學模式及其特性 [5][6] d [ V ] [ ][ I][ i] ([ L M ][ I][ i]) [ e] () dt V 0 0i L M 0 0 i e Vb 0 0 ib 0 L M 0 p ib e (2) b V c 0 0 ic 0 0 L M ic ec 其中 v, v b, v c : 分別表示為三相相電壓 i, i b, i c : 分別表示為三相相電流 e, e b, e c : 分別表示為三相感應電動勢, L M : 分別表示為每相電阻與電感馬達的感應電動勢電流轉矩和轉速等, 這些與馬達的氣隙磁通密度分佈與繞組型式有密切關係, 即用下面各式來決定 [7] 2 p n e eb ec 4W Bl (3) 60 每相電阻 ( ) 為 W 2lw (4) s 則馬達轉矩為 4 p T W I (5) i 由轉矩與已知轉速可得到馬達輸出功率為 P Tn (6) 其中 W, B,l : 分別表示為匝數, 氣隙磁通密度, 導體長度, p, n : 分別表示為極距, 磁極數, 轉速, w l : 分別表示為繞組的電阻率與線圈長度, s : 分別表示為並聯路徑數與導體截面積 i,, I : 分別表示為常數, 額定電壓, 額定電流 P,T : 分別表示為功率, 轉矩由以上式得知, 在設計一部馬達時, 必頇考慮所有可能影響馬達性能的參數 [7], 並根據以上設計公式, 將可以整理出馬達設計流程圖 Ⅳ. 永磁無刷直流馬達結構設計依據式 (3) (4) (5) (6) 知無刷馬達影響其輸出因素有 : 繞組組抗電流與轉速等, 如圖 4 為馬達設計流程 V V b V c L M L M L M 圖 3 等效電路如圖 3 所示在三組定子線圈與永久磁鐵在轉子上, 每一組的電組與電感都相同, 可得到電路方程式 i i b i c e e b e c n 圖 4 馬達設計流程圖 309

3 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 200 年 2 月 3-4 日本文所規範設計的馬達如表與表 2 所示 [8][9][0], 並將表與表 2 引入 MgneForce Brushless DC 軟體得到圖 5, 是兩部外轉子結構, 轉子上的磁極使用銣鐵硼 (MAX-44H) 永久磁石, 表 3 為銣鐵硼性能比較, 其 M-H 磁性曲線如圖 6 所示, 固定在轉子外殼內部, 以徑向方式充磁, 因為多極的磁路設計, 可以減少軛鐵厚度並且可以使體積與重量降低, 所以採用 2 極與互相比較定子鐵心使用的矽鋼片堆疊而成, 如表 4 與圖 7 所示, 鐵心厚度為 80mm, 共有 72 槽如圖 8 所示, 定子設計為 3 相, 方波式, 採集中繞組, 每相佔 24 槽, 槽內由兩個電流方向相同的線圈繞製而成, 每相線圈繞製 3 匝, 並使用 mm 的銅線繞製而成表設計規格相數 3 相額定轉速 600(rpm) 輸入電壓 0V 頻率 60Hz 輸出轉矩 40(N-m) 極數 2 槽數 72 定子外徑 50(mm) 轉子外徑 250(mm) 鐵心積厚 80mm 繞線匝數 3( 匝 ) 氣隙長度 3(mm) 永久磁石 NEO 矽鋼片 MAX-44H 材料線徑 mm 繞組連接 Y 連接並聯路徑數 24 繞線方式疊繞表 2 設計規格相數 3 相額定轉速 600(rpm) 輸入電壓 0V 頻率 20Hz 輸出轉矩 33(N-m) 極數 24 槽數 72 定子外徑 50(mm) 轉子外徑 250(mm) 鐵心積厚 80mm 繞線匝數 3( 匝 ) 氣隙長度 3(mm) 永久磁石 NEO 矽鋼片 MAX-44H 材料線徑 mm 繞組連接 Y 連接並聯路徑數 48 繞線方式疊繞表 3 銣鐵硼磁性能與物理特性圖 6 永久磁石銣鐵硼 MAX-44H 之 M-H 磁性曲線圖表 4 日本 JIS 的無方向性電磁鋼板規格圖 5 永磁無刷直流馬達圖矽鋼片之 B-H 曲線圖 30

T(N-m) Bg(Tesl) P(w) Tcog(N-m) 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 200 年 2 月 3-4 日如圖 2 為每相之反電動勢, 峰值約為 40. 72 V 與 57.68 V 兩者間的差距為極數與槽數的不同組合所造成的 2.0.5 2 極.0 0.5 0.0-0.5 圖 8 定子繞線結構圖 Ⅴ.

靜態電磁場分析在無載情況下, 磁動勢由永久磁鐵所提供, 所有繞阻的電流值均為零, 圖 9 分別為不同磁極數的無載磁力線, 圖中磁力線為對稱的狀態因為定子與轉子的磁通經由氣隙互相交鏈, 所以氣隙磁通密度顯得格外重要, 圖 0 為氣隙磁通密度分佈圖, 從 0 度到 720 度的氣隙磁通密度分佈, 最大氣隙磁通密度為 0.

3 負載測試由 (6) 式中可以得知在爬坡轉矩 - 速度轉矩 - 功率與轉矩 - 功率, 轉速上升導致轉矩下降功率上升, 如圖 3 圖 4 與圖 5 所示 5800 圖 9 無載磁力線分佈 5300 4800 4300.0 0.8 0.6 0.4 2 極 3800 3300 2800 2300 800 2 極 0.2 300 0.

4 T(N-m) Bg(Tesl) P(w) Tcog(N-m) 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 200 年 2 月 3-4 日如圖 2 為每相之反電動勢, 峰值約為 V 與 V 兩者間的差距為極數與槽數的不同組合所造成的極圖 8 定子繞線結構圖 Ⅴ. 分析結果與比較本節以使用有限元素分析軟體 MgneForce Brushless DC 分析靜態電磁場與動態電磁場 [] 5. 靜態電磁場分析在無載情況下, 磁動勢由永久磁鐵所提供, 所有繞阻的電流值均為零, 圖 9 分別為不同磁極數的無載磁力線, 圖中磁力線為對稱的狀態因為定子與轉子的磁通經由氣隙互相交鏈, 所以氣隙磁通密度顯得格外重要, 圖 0 為氣隙磁通密度分佈圖, 從 0 度到 720 度的氣隙磁通密度分佈, 最大氣隙磁通密度為 Tesl 與 0.82 Tesl 兩者間的差距為磁極數的不同所造成的 degrees 圖頓轉轉矩分佈圖 2 反電動勢分佈 5.3 負載測試由 (6) 式中可以得知在爬坡轉矩 - 速度轉矩 - 功率與轉矩 - 功率, 轉速上升導致轉矩下降功率上升, 如圖 3 圖 4 與圖 5 所示 5800 圖 9 無載磁力線分佈極極 degrees 圖 0 氣隙磁通密度分佈 (rpm) 圖 3 轉速 - 功率比較 2 極 5.2 開路測試經分析馬達的頓轉轉矩 [2], 最大值為. 85 N-m 與 N-m, 如圖所示然而無載電磁場分析可以計算出每相繞組的磁通量, 由轉子順時針轉動進行無載電磁場分析, 可求得電氣度 0 度到 720 度每相繞組的磁通量與磁通變化量, 即可求出 600rpm 時之反電動勢, (rpm) 圖 4 轉速 - 轉矩比較 3

中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 200 年 2 月 3-4 日圖 5 轉矩 - 功率比較 5.

轉子轉動 0 度磁力線分佈圖 7 轉子轉動 30 度磁力線分佈圖 8 轉子轉動 60 度磁力線分佈圖 20 輸出轉矩 Ⅵ.

提升馬達的性能以及效率進而達到節能的效果參考文獻 [] 田民波, 磁性材料, 初版, 清華大學出版社, 北京, 2005 年 8 月 [2] 魏靜微, 小功率永磁電機原理設計與應用, 初版, 機械工業出版社, 北京,2009 年 3 月 [3] 黃昌圳孫清華, 最新無刷直流馬達, 初版, 全華科技圖書, 台北, 民 90 [4] 江炫樟, 電力電子學,

IEEE Trnsctions on Mgnetics,Vol.39,No.5,Sep. 2003 [6] Prgsn Pilly nd.krishnn, Modeling of Permnent Mgnet Motor Drives, IEEE Trnsctions on Industril Electronics, Vol. 35, No. 4,Nov.

5 中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 200 年 2 月 3-4 日圖 5 轉矩 - 功率比較 5.3 暫態與動態測試以 0V 直流電壓為輸入, 進行暫態測試分析, 圖 6 圖 7 圖 8 圖 9 為轉子轉動 0 度 30 度 60 度 90 度的磁力線分佈圖, 由圖中可以得知在動態的情況下, 因電樞反應的影響磁力線呈非對稱狀態圖 20 所示為輸出轉矩圖, 輸出電流大小與輸出轉矩成正比關係, 從圖中可以看出平均轉矩約為 43 N-m 與 30 N-m 圖 6 轉子轉動 0 度磁力線分佈圖 7 轉子轉動 30 度磁力線分佈圖 8 轉子轉動 60 度磁力線分佈圖 20 輸出轉矩 Ⅵ. 結論與未來展望從本文中可以發現, 增加磁極數可以改善外轉子無刷馬達特性, 唯獨頓轉轉矩隨著磁極數增加而上升, 只有設計好定子槽數與轉子極數, 即可降低頓轉轉矩, 其與實際圖試作的特性一致, 在未來也會繼續鑽研把外轉子磁路結構應用在其他電機中, 改善無刷馬達之特性, 對於現在綠色科技的不斷成長, 電動車的盛行, 所設計模擬的馬達運用在這方面上, 提升馬達的性能以及效率進而達到節能的效果參考文獻 [] 田民波, 磁性材料, 初版, 清華大學出版社, 北京, 2005 年 8 月 [2] 魏靜微, 小功率永磁電機原理設計與應用, 初版, 機械工業出版社, 北京,2009 年 3 月 [3] 黃昌圳孫清華, 最新無刷直流馬達, 初版, 全華科技圖書, 台北, 民 90 [4] 江炫樟, 電力電子學, 第三版, 全華科技圖書, 台北,2008 年月 [5] Te Heoung Kim,Je-Hk Choi,Kwng Cheol Ko,ndJu Lee, Finite-Element Anlysis of Brushless DC Motor Considering Freewheeling Diodes nd DC Link Voltge ipple, IEEE Trnsctions on Mgnetics,Vol.39,No.5,Sep [6] Prgsn Pilly nd.krishnn, Modeling of Permnent Mgnet Motor Drives, IEEE Trnsctions on Industril Electronics, Vol. 35, No. 4,Nov.988. [7] 黃國治傅豐禮, 中小旋轉電機設計手冊, 初版, 中國電力出版社,2007 年 3 月 [8] 王政友, 電機設計, 初版, 五洲出版社, 台北, 民 65 [9] 邱國平邱明, 永磁直流電機實用設計及應用技術, 初版, 機械工業出版社, 北京,2009 年 3 月 [0] D.C.Hnselmn, Brushless Permnent Mgnet Motor Design, McGrw-Hill,994 [] 黃昌圳, 有限原素法在電機工程的應用, 初版, 全華科技圖書, 台北,2005 年 0 月 [2] Z.Q.Zhu,nd Dvid Howe, Influence of Design Prmeters on Cogging Torque in Permnent Mgnet Mchines, IEEE Trnsctions on Energy Conversion,Vol.5,No.4,Dec.2000 圖 9 轉子轉動 90 度磁力線分佈 32

外轉子多及永磁同步發電機之特性分析與設計

外轉子多及永磁同步發電機之特性分析與設計中華民國第三十一屆電力工程研討會台灣台南 00 年月 3-4 日外轉子永磁風力發電機設計之研究 Suy of he Exerior-Roor Permnen Mgne Win Turbine Deign 連家祥陳品清葛世偉 Chi-Hing Lien Pin-Ching Chen Shih-Wei Ku 高雄應用科技大學電機工程系富田電機股份有限公司台灣高雄市台灣台中縣 Deprmen