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系統識別號 U0002-1507200508484300
中文論文名稱 直驅式軸向磁通車輪馬達研製
英文論文名稱 Development of a Direct-Drive Axial Flux Wheel Motor
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 趙英志
研究生英文姓名 Ying-Zhi Zhao
電子信箱 692340747@s92.tku.edu.tw
學號 692340747
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-07-08
論文頁數 111頁
口試委員 指導教授-楊勝明
委員-廖聰明
委員-龐大成
中文關鍵字 軸向磁通  車輪馬達  磁力軸承 
英文關鍵字 Axial flux  wheel motor  magnetic bearing 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文主要目的在設計一個小型直驅式的軸向磁通車輪馬達。其流程先以基本磁路觀念計算出軸向磁通馬達的特性,再依據訂定的規格求得軸向磁通馬達最短的軸向尺寸,並搭配Ansoft公司的Maxwell EM 3D軟體加以驗證,最後依據最終設計的尺寸實作一車輪馬達。此外亦利用磁力軸承具有徑向力的特性,設計一組降低負載能力的混合式軸承,以提高馬達軸承的使用壽命,達到電動機高效率且免維護的理念。除了理論分析與模擬外,本論文亦提供實驗驗證結果。
英文摘要 The purpose of this paper is to design a direct-drive axial flux wheel motor. The motor dimensions are determined based on the required rating. A set of magnetic circuit models are used to calculate the basic motor characteristics and the design which has the shortest axial length is selected. The static and dynamic performance of the designed motor are calculated and verified with a finite element software. A prototype motor and driver is built to verify the performance of the motor experimentally. Finally, a passive magnetic bearing is designed to reduce the radial force acting on the motor bearings; the analysis shows that the bearings’ life can be extended with this design.
論文目次 目錄

中文摘要
英文摘要
目錄 I
圖目錄 III
表目錄 VII
符號說明 VIII
第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 軸向磁通馬達回顧 3
1.2.1 軸向磁通馬達 3
1.2.2直驅式車輪馬達 9
1.3 論文大綱 10
第二章 軸向磁通馬達簡介 11
2.1 磁路與材料特性 11
2.2 軸向磁通馬達結構 18
2.3 無槽繞線比較 24
2.4 轉矩分析 27
第三章 馬達設計 30
3.1 規格與尺寸 30
3.2 主要尺寸設計 32
3.3 反電動勢與氣隙磁通密度 35
3.4 繞線的限制 38
3.5 馬達驅動 40
3.6 效率計算 44
3.7 結果與討論 46
第四章 有限元素分析 49
4.1 分析工具介紹 49
4.2 二維靜態分析 51
4.3 三維靜態分析 54
4.4 三維動態分析 57
4.5 結果與討論 61
第五章 實驗結果 62
5.1 實驗系統 62
5.2 控制系統 66
5.3 馬達特性量測 69
5.4 電流與速度控制結果 75
第六章 馬達軸承改良設計 84
6.1 混合式軸承設計 84
6.2 被動式徑向磁力軸承 87
6.3 徑向磁力軸承強化設計 94
6.4 混合式軸承設計結果 97
第七章 結論與未來展望 99
7.1 結論 99
7.2 未來工作 100
附錄一 無槽軸向磁通馬達組合圖 101
附錄二 無槽軸向磁通馬達繞組串聯照片圖 102
附錄三 FEA動態分析參數 103
附錄四 馬達設計與實作馬達之比較 104
參考文獻 105

圖目錄

圖1.1 單邊結構軸向磁通馬達 4
圖1.2 雙邊結構軸向磁通馬達 5
圖1.3 多邊內轉子結構軸向磁通馬達 5
圖1.4 扇形繞線示意圖 6
圖1.5 無槽黏著繞線示意圖 6
圖1.6 無槽緊繞繞線示意圖 7
圖2-1 鐵芯模型圖 12
圖2-2 磁路與電路關係圖 13
圖2-3 鐵磁性材料磁化曲線 15
圖2-4 永久磁鐵工作曲線 16
圖2-5 永磁磁鐵之磁路模型 17
圖2.6 徑向磁通內轉子馬達示意圖 18
圖2.7 軸向磁通馬達示意圖 18
圖2.8 環形鐵圈與磁鐵示意圖 19
圖2.9 有凸極結構環形鐵圈與磁鐵示意圖 19
圖2.10 轉矩與角度的關係圖 20
圖2.11 激磁方向與磁鐵極性同相示意圖 21
圖2-12 三相馬達結構示意圖 21
圖2.13 使用相吸磁極而作動之軸向磁通馬達示意圖 21
圖2.14 軸向磁通之定子與轉子疊片方式 22
圖2.15 軸向磁通馬達之凸極製造過程示意圖 23
圖2.16 黏著繞線展開圖 24
圖2.17 緊密繞線展開圖 25
圖2.18 繞組剖面圖 25
圖2.19 軸向馬達磁通圖 27
圖2.20 軸向磁通馬達磁路圖 28
圖2.21 簡化後等效磁路圖 28
圖3.1 馬達設計流程圖 31
圖3.2 軸向磁通馬達幾何尺寸符號示意圖 33
圖3.3 磁通與轉子相對位置的關係圖 36
圖3.4 電氣角與磁通鏈關係圖 37
圖3.5 單一線圈平均繞線長度之示意圖 39
圖3.6 繞線限制示意圖 40
圖3.7 馬達理想電氣波形 41
圖3.8 理想換相訊號示意圖 42
圖3.9 線圈設計圖 43
圖3.10 霍爾元件擺放示意圖 44
圖3.11 兩相激磁示意圖 45
圖4.1 Maxwell磁路計算流程圖 50
圖4.2 馬達剖面展開圖 51
圖4.3 ME1純鐵之BH曲線 52
圖4.4 準確度2﹪時之網格圖 52
圖4.5 氣隙磁通密度分佈圖 53
圖4.6 定子與轉子鐵芯磁通密度分佈圖 53
圖4.7 三維馬達模型示意圖 54
圖4.8 三維轉子鐵芯磁通密度分佈圖 55
圖4.9 三維氣隙磁通密度平面圖圖 55
圖4.10 三維定子鐵芯磁通密度分佈圖 56
圖4.11 動態分析電路 57
圖4.12 三維動態分析結果 59
圖5.1 硬體控制架構圖 63
圖5.2 馬達驅動器示意圖 63
圖5.3 實驗系統照片 64
圖5.4 軸向磁通馬達之定子照片 65
圖5.5 軸向磁通馬達 65
圖5.6 控制系統架構圖 66
圖5.7 速度估測器方塊圖 67
圖5.8 程式流程圖 68
圖5.9 靜摩擦量測示意圖 69
圖5.10 氣隙磁通密度 70
圖5.11 驅動器效率量測示意圖 71
圖5.12 量測的直流電源之電流與馬達相電流 72
圖5.13 不同輸入電流與驅動器效率關係圖 72
圖5.14 額定轉速下三相反電動勢 74
圖5.15 電流命令1A,轉速100rpm時A相的電流響應圖 75
圖5.16 電流命令2A,轉速100rpm時A相的電流響應圖 76
圖5.17 轉速為100rpm時各相電流命令與霍爾元件關係圖 77
圖5.18 以量測速度為回授之速度控制響應圖速度估測器響應圖 78
圖5.19 以估測速度為回授之速度控制響應圖 80
圖5.20 相同轉速下不同負載時之速度與電流命令響應圖 82
圖6.1 具有混合式軸承之車輪馬達剖面圖 86
圖6.2 混合式軸承的受力示意圖 86
圖6.3 環型磁鐵方向定義示意圖 87
圖6.4 不同充磁方向之磁鐵示意圖 88
圖6.5 徑向與軸向磁力軸承示意圖 88
圖6.6 軸向移動示意圖 89
圖6.7 徑向移動示意圖 90
圖6.8 不同徑向移動下徑向力與軸向位移關係圖 90
圖6.9 不同徑向位移下軸向力與軸向位移關係圖 91
圖6.10 磁力軸承尺寸限制示意圖 92
圖6.11 不同厚度之磁力軸承示意圖 92
圖6.12 不同長度磁力軸承之示意圖 93
圖6.13 堆疊式磁力軸承示意圖 95
圖6.14 兩互斥磁鐵的磁力線示意圖 95
圖6.15 堆疊式磁力軸承磁力線示意圖 95
圖6.16不同Halbach角度示意圖 96
圖6.17不同Halbach角度磁力線示意圖 96
圖6.18 混合式軸承設計示意圖 98

表目錄

表1.1 各國環境負荷比較表(1995) 1
表1.2 高效率下徑向磁通與軸向磁通的比較 9
表2.1 磁路與電路對應關係 14
表3.1 祥儀自走車馬達規格(IG42改良型) 30
表3.2 軸向磁通馬達額定與相關數據表 32
表3.3 馬達幾何尺寸參數表 34
表3.4 馬達額定與電氣計算之參數 46
表3.5 相同額定數據不同磁通密度所對應馬達尺寸表格 47
表3.6 最後決定的軸向磁通馬達設計尺寸 48
表5.1 際馬達額定數據表 73
表6.1 不同厚度與徑向力大小之數據表 93
表6.2 不同長度與徑向力之數據表 93
表6.3 各種徑向磁力軸承綜合比較 97
參考文獻 參考文獻

[1] 交通部網頁。http://www.motc.gov.tw/
[2] 中華民國電動機車推廣現況」,行政院環保署,1997年。
[3] 羅應照,“電動車輛用馬達之趨勢分析” ,機械月刊,第30卷,第6期,2004。
[4] B. Hredzak, S. Gair, and J. F. Eastham, “Control of torque fluctuations in a PM disc motor”, IEEE Transactional Symposium on Industrial Electronics vol. 2, 1996, pp. 844-849.
[5] R. Hanitsch, R. Belmans, and R. Stephan, “Small axial flux motor with permanent magnet excitation and etched airgap winding”, IEEE Trans. on Magnetics, vol. 30, no. 2, Mar. 1994, pp. 592-594.
[6] Z. Zhang, F. Profumo, and A. Tenconi, “Axial flux wheel machines for electric vehicles”, Electric Machines and Power Systems, vol.24, 1996, pp. 883-896.
[7] ROBOT WORLD CUP。http://www.robocup.org/
[8] FIRA CAP。http://www.fira.net/
[9] F. Caricchi, F. Crescimbini, and O. Honorati, “Low-cost compact permanent magnet machine for adjustable-speed pump application”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 34, no. 1, Jan/Feb. 1998.
[10] 錢坤喜、茹偉民、曾培與袁海宇, “永磁磁浮在心臟泵及其它應用中的穩定平衡”,江蘇大學自然科學板,第24卷,第1 期,2003。
[11] R. M. Hart, “Bearingless blood pump and electronic drive system”, America Patent, no: 6071093, Jun. 2000.
[12] R. K. Wampler and D. M. Lancisi, “Active Magnetic Bearing System for Blood Pump”, America Patent, no: 6302661, Jul. 2001.
[13] P. S. Khanwilkar, “Electromagnetically suspended and rotated centrifugal pumping apparatus and method”, America Patent, no: 6302661, Oct. 2001.
[14] T. S. Low, M. A. Jabbar, and T. S. Tan, “Design aspects and performance of a slotless PM motor for hard disk drives”, IEEE Trans. on Industry Applications Magazine, vol. 3, no. 6, Nov/Dec. 1997, pp. 43-51.
[15] H. C. Lovatt, V. S. Ramsden, and B. C. Mecrow, “Design of an in-wheel motor for a solar-powered electric vehicle”, Electrical Machines and Drives, 1997 Eighth International Conference on (Conf. Publ. no. 444) 1-3, Sep. 1997, pp. 234 -238.
[16] F. Sahin, A. M. Tuckey, and A.J.A. Vandenput, “Design, development, and testing of a high-speed axial-flux permanent-magnet machine”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 3, Sep./Oct. 2001, pp. 1640- 1647.
[17] R. Ficheux, F. Caricchi, F. Crescimbini, and O. Honorati, “Axial-flux permanent magnet motor for direct-drive elevator systems without machine room”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 1, Oct. 2000, pp. 190-197.
[18] R. J. Hill-Cottingham, P. C. Coles, J. F. Eastham, F. Profumo, A. Tenconi, and G. Gianolio, “Multi-disc axial flux stratospheric aircraft propeller drive”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 3, Sep./Oct. 2001, pp. 1634-1639.
[19] J. F. Eastham, F. Profumo, A. Tenconi, R. Hill-Cottingham, P. Coles, G. Gianolio, “Novel axial flux machine for aircraft drive: design and modeling”, IEEE Trans. on Magnetics, vol. 38, no. 5, Sep. 2002, pp. 3003-3005.
[20] X. Ren, and Z. Wang, “Multi-stage PM disc motor for ship propulsion application”, ICEMS 2003. Sixth International Conference on Electrical Machines, and Systems, vol. 1, Nov. 2003, pp. 52-55.
[21] F. Caricchi, F. Crescimbini, F. Mezzetti, and E. Santini, “Multistage axial-flux PM machine for wheel direct drive”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 32, no 4, Jul./Aug. 1996, pp. 882-888.
[22] 陳金濤與辜承林,“軸向磁場無鐵心無刷永磁盤式電機的設計”,微電機,第35卷,第5 期,2002。
[23] Y. Chen, J. Shen, and Z. Fang, “Topology and preliminary design of slotless brushless DC motor”, in Conf. Rec. IEEE International on Electric Machines, and Drives, 18-21, pp. WB2/7.1-WB2/7.3, 1997.
[24] S. M. Jang, S. S. Jeong, D. W. Ryu, and S. K. Choi, “Comparsion of three types of PM brushless machines for an electro-mechanical battery”, IEEE Tran. on Magnetics, vol. 36, no. 5, Sep. 2000, pp. 3540-3543.
[25] A. A. Arkadan and R. Vyas, “Effects of toothless stator design on dynamic model parameters of permanent magnet generators”, IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 8, no. 2, Jun. 1993, pp. 243-250.
[26] A. Cavagnino, M. Cristino, M. Lazzari, F. Profumo, and A. Tenconi, “A simple method to predict the induced EMF waveform and the d-axis and q-axis inductances of an axial flux interior PM synchronous motor”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 1, Oct. 2000, pp. 208-214.
[27] K. T. Kim, K. S. Kim, S. M. Hwang, T. J. Kim, and Y. H. Jung, “Comparison of magnetic forces for IPM and SPM motor with rotor eccentricity”, IEEE Trans. on Magnetics, vol. 37, no. 5, Sep. 2001, pp. 3448 -3451.
[28] D. C. Hanselman, Brushless Permanent-Magnet Motor Design, International Edition, McGraW-Hill, 1994.
[29] L. Chang, “Comparison of AC drives for electric vehicles - a report on experts' opinion survey”, IEEE AES System Magazine, vol. 9, no. 8, Aug. 1994, pp.7-10.
[30] A. cavagn, M. Lazzari, F. Profumo, and A. Tenconi, “A comparison between the axial flux and the radial flux structures for PM synchronous motors”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 38, no 6, Nov./Dec. 2002, pp.1517-1524.
[31] H. Shimizu, J. Harada, L. Chan, K. Kawakami, and J. Ochiai, “Development of a high performance electric vehicle”, Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, Proceedings of the 1996 IEEE IECON 22nd International Conference on, vol. 1, Aug. 1996, pp. 14 -19.
[32] C. Miraoui, A. Kauffmann, and J. M. Electric, “Optimal design of an high torque DC brushless in-wheel motor”, Electric Machines and Drives Conference, IEMDC'03. IEEE International, vol. 3, June. 2003 pp. 1402-1409.
[33] C. C. Chan, K. T. Chau, J. Z. Jiang, W. Xia, Meiline Zhu, and Ruoju Zhang,“Novel permanent magnet motor drives for electric vehicles”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 43 no. 2, Apr. 1996, pp. 331-338.
[34] M. Terashima, T. Ashikaga, T. Mizuno, K. Natori, and M. Yada, “Novel motors and controllers for high-performance electric vehicle with four in-wheel motors”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 44, no.1, Feb. 1997, pp .28-37.
[35] F. Caricchi, F. Crescimibini, O. Honorati, A. D. Napoli, and E. Santini, “Compact wheel direct drive for EVs”, IEEE Industry Applications Magazine, Nov./Dec. 1996, pp. 29-32.
[36] 劉佳熹,“軸向磁通車輪馬達最佳化設計”,台灣大學機械工程學系碩士論文,民國87年。
[37] 王以真,實用磁路設計,全華科技圖書,1990。
[38] J. F. Gieras,R. J. Wang, and M. J. Kamper, Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines, International Edition, Kluwer Academic , 2004.
[39] 祥儀馬達。http://www.shayye.com.tw/
[40] 孫清華與黃昌圳,最新無刷直流馬達,全華科技圖書,1991。
[41] 曾泳源,“直流馬達特性曲線簡介”,Motor Express,第112期,2005。
[42] 陳添智與任才俊“無刷直流馬達速度控制之設計”,Motor Express,第3期,2002。
[43] D. G. Luenberger, “An Introduction to Observers”, IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 16, no. 6, Dec. 1971, pp. 596-602.
[44] S. M. Yang and S. J. Ke, “Performance Evaluation of a Velocity Observer for Accurate Velocity Estimation of Servo Motor Drives”, IEEE-IAS Conference Record, Oct. 1998.
[45] 張家驥,軸承的應用與潤滑,五洲出版社,1977。
[46] 楊義雄,“長壽命之軸承鋼之開發及長壽命化之現況”,機械月刊,第22卷,第11期,1996。
[47] SKF。http://www.skf.com
[48] J. P. Yonnent, “Permanent magnet bearings and couplings”, IEEE Trans. on Magnetics, vol. MAG-17, Jan. 1981, pp.1169-1173.
[49] J. P. Yonnet, “Stacked structures of passive magnetic bearings”, J. Appl. Phys., vol. 70, no. 10, Nov. 1991.
[50] J. F. Antaki, B. Paden, G. Burgreen, and N. J. Groom, “Blood pump having a magnetically suspended rotor”, America Patent, no: 6447266 B2, Sep. 2002.
[51] C. C. Wang, S. J. Wang, H. K. Hsu, and Y. H. Chang, “Magnetic bearing”, America Patent, no: 6703736, Mar. 2003.
[52] Z. Q. Zhu and D. Howe, “Halbach permanent magnet machines and applications: a review”, Electric Power Applications, IEE Proceedings vol. 148, No. 4, Jul. 2001, pp.299- 308.
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