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28.永磁發電機設計之磁石修弧對頓轉矩的改善策略 張書瑋
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  • 1. Design and arc-shaped magnet to reduce the cogging torque of permanent-magnet synchronous generator 鄭超元 張書瑋 Chao-Yuan Cheng Shu-Wei Chung 聖約翰科技大學電機工程系 Department of Electrical Engineering, St. John’s University
  • 2. 大綱
    • 一、前言
    • 二、材料介紹
    • 三、電機設計
    • 四、結論與建議
    • 五、參考文獻
    2-1 磁鐵材料 2-2 鐵芯材料 3-1 電機結構基本設計 3-2 初步設計永磁電機進行初步分析 3-3 利用修弧來探討頓轉矩
  • 3. 一、前言 風力發電設備 發電機的效率 厚薄大小 形狀設計 材料種類 形狀設計 厚薄大小 銅線種類 銅線線徑與圈數 繞線方式 材料種類
  • 4. 二、材料介紹 永磁電機的性能、設計、應用與永磁材料非常密切,種類眾多,若能慎選磁石的等級與大小,可大幅降低製造的成本,性能也能提高。 A. 鋁鐵鈷材料 B. 鐵氧材料 C. 稀土永磁材料
  • 5. 高 溫 度係數比鐵氧材料低,穩定性好,但材質較硬而脆,抗拉和抗彎強度均較低,價格上較為昂貴 稀土永磁材料 分為三種 稀土鈷 (rare-earth magnets) 銣鐵硼 (Nd-Fe-B magnets) 膠粘磁鐵 (bonded magnets) 剩磁感應強度 Br 稀土鈷 (rare-earth magnets)c 磁感應矯頑力 Hc 最大磁能積 (BH) max
  • 6. 磁通磁場的定義 μ
  • 7. 磁石種類優缺點比較表
  • 8. A. 以矽鋼沖片堆疊製成,而它是含矽高達 0.8 % -4.8 %的電工矽鋼,經熱、冷軋製成。 B. 一般厚度在 1mm 下,故稱矽鋼薄板,矽鋼片廣義為板材類 C. 矽鋼薄板具有優良的電磁性能 D. 為儀表或電訊工業中不可缺少的軟性磁性材料
  • 9. 矽鋼片軟磁材料特性介紹圖
  • 10. 三、電機設計 旋轉電機可分為內轉式與外轉式二種 : 電機之轉子結構方式: (a) 內轉式; (b) 外轉式 外轉式 : 為定子固定在內部,而轉子套在定子外面 內轉式 : 為定子在外面,轉子在內側 , 通過轉子電機外部 的軸承與其他機器聯接,以傳遞機械功率
  • 11. 凸極式 非凸極式
  • 12. 本研究分析使用之分析軟體為 Ansoft 的 RMxprt 與 Maxwell V11 STEP 1 : 設定定子槽型與轉子的尺寸與形狀 參數 STEP 2 : 設定定子材料 參數 STEP 3 : 設定磁鐵材料與 設計 磁鐵形狀 參數 STEP 4 : 設定繞組形式及數量 參數 後段 求解器求得靜態磁場與磁路飽和程度
  • 13. 本研究以一 10 極 12 槽作為研究的範例 相同 定子體積 、材料種類、尺寸參數 相同磁石體積、材料種類、尺寸參數 相同銅線繞組匝數 相同 線徑 、繞法 改變磁極弧度
  • 14. 磁力吸引造成頓轉矩 頓轉矩的發生為轉子永久磁石與定子槽位置改變時,氣隙磁阻隨著位置變化,磁路的磁通與磁場能量也會隨之變化,進而產生振動及噪音。
  • 15. 10 集 12 槽發電機設計參數 10 極 12 槽 600Rpm 200W 之發電機 額定轉速 (Rpm) 600 額定電壓 (VAc) 110 槽數 (Ns) 12 S 極數 (Nm) 10 P 定子材料 Steel Type 50H600 磁鐵材料 Magnet Type N35H 定子內徑 / 外徑 (mm) 53 / 94 轉子內徑 / 外徑 (mm) 12 / 52 磁石厚度 (mm) 3 p 銅線線徑 (mm) 0.6 匝數 280
  • 16. 三相 12 槽繞組繞法 定子對應繞組槽數圖
  • 17. Stator Rotor NdFeB Magnet Coil 10 極 12 槽發電機構造
  • 18. 本研究共有試驗五種修弧狀況,分別為 1/2 、 1/3 、 2/3 、 3/4 、 1/4 積厚修弧距離 1 效降低頓轉矩發生的可能性 修 弧時,頓轉矩降低的最佳化比例與飽和點 瞭解磁鐵修弧對電機的效率與特性中間的關係
  • 19. 所謂磁石修弧即磁石中央高度 m1 距離不變,以調整磁石厚度 m2 距離,改變弧表面弧長 (pole Arc ) ,如此來觀察氣隙磁通變化,頓轉矩對發電機效率之影響程度
  • 20. B. 修弧 3/4 ,距離 0.75mm ,頓轉矩之受力情況 A. 以距離 3mm 時,完全不修弧,頓轉矩之受力情況
  • 21. B. 修弧 2/3 ,距離 1mm ,頓轉矩之受力情況 A. 以距離 3mm 時,完全不修弧,頓轉矩之受力情況
  • 22. A. 以距離 3mm 時,完全不修弧,頓轉矩之受力情況 B. 修弧 1/2 ,距離 1.5mm 時,頓轉矩之受力情況
  • 23. B. 修弧 1/3 ,距 2mm ,頓轉矩之受力情況 A. 以距離 3mm 時,完全不修弧,頓轉矩之受力情況
  • 24. B. 修弧 1/4 ,距離 2.75mm ,頓轉矩之受力情況 A. 以距離 3mm 時,完全不修弧,頓轉矩之受力情況
  • 25.
    • 當全部設計參數不變更的情況下,將磁石弧極做加大變更,將會有效降低頓轉矩。
    • 當磁石積厚超過一定比例時,頓轉矩的變化將到達一定飽和程度,若再降低,則改善效果不明顯。
    • 當降低轉子磁石剩磁 0.01T 時,永磁發電機頓轉轉矩會比原始剩磁強度的頓轉轉矩小 40%
    • 其他降低頓轉轉矩的技術尚待進行分析;改變定子齒部寬度 、 改變靴部寬度,都可以用二維的有限元素套裝軟體進行分析。
    四、結論與建議
  • 26. 本研究係利用學理基礎與結構設計能力,建構電磁分析與 電氣設計核心技術,提供電機設計之參考依據,有效縮短開發 時程,以增加產品競爭力提高附加價值; 其研究重點將鎖定在: 未來研究方向: ‧ 高飽合磁通分析設計 ‧ 低鐵損高導磁矽鋼片優配技術分析 ‧ 低諧波磁路分析設計 ‧ 低頓轉轉矩設計 ‧ 感應電動勢分析設計
  • 27. 五、參考文獻 [1] M. Aydin ,「 Proceedings of the 2008 International Conference on Electrical Machines 」 Paper ID 1186 [2] 1 黃昌圳, 2 郭景全,資訊電機工程碩士在職專班碩士論文「降低永磁無刷馬 達頓轉轉矩之研究」 [3] 1 丁家敏, 2 周信宏,財團法人工業技術研究院經濟部工業局 99 年度,機械產 業藍領及白領人才培訓計畫,「馬達與驅動器開發與設計」, 16 、 48~53 頁。 [4] 1 葉勝年, 2 蕭鈞毓,國立台灣大學電機工程系碩士專班 碩士學位論文 「六相及雙三相繞組永磁式同步電機之分析及設計」。 [5] Hanselman, “ Brushless Permanent Magnet Motor design ” 2007 , 59~236 頁。 [6] Krishnan, “permanent magnet synchronous and brushless dc motor drives”2009 , 50~10
  • 28.
    • Thanks For Your Attention

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