系統識別號 | U0002-1507200508484300 |
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DOI | 10.6846/TKU.2005.00292 |
論文名稱(中文) | 直驅式軸向磁通車輪馬達研製 |
論文名稱(英文) | Development of a Direct-Drive Axial Flux Wheel Motor |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 機械與機電工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 93 |
學期 | 2 |
出版年 | 94 |
研究生(中文) | 趙英志 |
研究生(英文) | Ying-Zhi Zhao |
學號 | 692340747 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
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 |
關鍵字(中) |
軸向磁通 車輪馬達 磁力軸承 |
關鍵字(英) |
Axial flux wheel motor magnetic bearing |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
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. |
第三語言摘要 | |
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 |
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