Design and Analysis of Brushless Permanent Magnet Motors and

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Design and Analysis of Brushless Permanent Magnet Motors and Powered By Docstoc
					         Design and Analysis of
      Brushless Permanent Magnet
         Motors and the use of
       Electrical Machine Design
                  Tools
               Dr David Dorrell
            University of Glasgow
               Training Course
            8th – 9th August 2006
                 CPC Taiwan
2006/8/15     CPC Brushless PM Motor Training   1
                         Course
                  Course Programme
                                       DAY 1

• Lecture 1 – 1 hour: Introduction
• Outline design considerations
      – Applications; sizing, topology; A.C. or D.C. Control; thermal aspects
        and thermal ratings
•    Lecture 2 – 1.5 to 2 hours: Theory
•    Rotor Topologies – surface magnets, embedded magnets, etc
•    Machine equations – voltage constant and torque constant
•    Winding strategies
•    Pole number
•    Power Electronic control
•    Alternatives and competitors

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                                       Course
• Lecture 3 – 1.5 to 2 hours: Design Considerations
• Materials – magnet and steel characteristics
• Losses and efficiency
    – control of iron losses and copper losses; steel selection; frequency
      consideration; stator and rotor topology
• Mean torque, cogging torque, skew, slot number

                                    DAY 2

•   Lecture 4 – 1 hour: Modern Design tools
•   Use of analytical design CAD packages (SPEED PC-BDC)
•   Finite element analysis (SPEED PC-FEA and Cedrat Flux 2D)
•   Thermal modelling (Motor Design’s MotorCAD)
•   Lecture 5 – 1 to 2 hours: Design Procedures and Examples
•   Interactive design of motors from specifications

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                                      Course
                  課程 1
                  簡介
             設計考量概要




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                       Course
                     簡介
• 已有多本專書討論到永磁式無刷馬達的設計,其中
  最著名的是 Hendershot 與 Miller,以及 Gieras、
  Wing、Hanselman 的著作。
• 過去有一本愛爾蘭出版的書中,討論了馬達設計的
  一些層面,Kenjo、Nagamori 也有所討論(無刷直
  流馬達)。
• 馬達的設計程序並不一定有明確的定義,例如轉子
  結構、繞線佈局、控制、熱能等,都視為個別的主
  題目,分章加以說明。
• 永磁式馬達的設計,最重要的層面有哪些?

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                決定基本尺寸
     • 要決定馬達的尺寸,可能十分複雜
     • 有許多的考量重點:
            – 長度或直徑有沒有限制?
            – 是不是應用在敏感或危險的環境?
            – 應用力矩有哪些要求?
            – 負載循環為何?
            – 馬達如何有效冷卻?



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      • 設計的限制:
            –   極數
            –   通量密度
            –   電氣負荷
            –   溫度
            –   其他因素
      • 這些因素會決定最大氣隙剪力 σ(產生力矩)
      • 每單位轉子體積的力矩,能夠有效判定一具
        馬達有「多好」。每單位轉子體積力矩與應
        力的關係,可由下式表達:

                  TRV               = 2σ
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                       Course
            不同類型的馬達通常具有的 TRV 數值:

馬達類型                            TRV (kNm/m3)       TRV (lbft/ft3)


小型全密閉外扇冷卻式工業馬達                  1.4 – 4            29.2 – 83.5

整合型全密閉外扇冷卻式工業馬達                 15 – 30            313 – 626

高性能工業伺服馬達                       20 – 45            417 – 940

航空馬達                            45 – 75            940 –1566

極大型液冷馬達                         130 – 220          2714 – 4594



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 • 本課程討論的設計準則包括:
   – 轉子之磁化 – 氧化磁石與銣化磁石
   – 直流與交流馬達 – 繞組與轉子之佈置
   – 正確的助融與導磁係數
   – 「普通」類型馬達目前的評等
   – 高速運轉 – 鐵增加的影響




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                       Course
               變速箱之使用

• 功率 = 力矩 × 速度
• 高速運轉
     – 降低尺寸
     – 需要變速箱
• 慣性與齒輪比平方
  成比例




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                          Course
        磁石的選擇與導磁係數(電路磁阻)

 • 磁石類型對於馬達效能與成本,有重大的影響
 • 高能磁石會增加成本,但是所需要的磁石材質也能夠減
   少。
 • 不同的磁石在25ºC的殘磁與回復導磁數值如下:

     材質                                       Br (T)   µREC
     鋁鎳鈷合金(高度非線性             )                1.35     1.9
     陶瓷或鐵質                                    0.41     1.1
     燒結釤鈷                                     0.95     1.03
     燒結銣鐵硼                                    1.2      1.1

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                       Course
• 特定磁石的非線性特性,應加以分析。
• 此處不應使用磁石,同時要有足夠的設計公差,
  讓磁石即使在超過荷載的情形下也不會退磁。
• 計算導磁係數以及電負載效果,可以求得操作
  點。
• 鐵氧式磁石馬達,通常至少需使用 8 顆極心
  (PC),但是就稀土類磁石馬達來說,由於磁石效
  能較強且較為線性,所以極心數目可以減少。



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                       Course
             PM BH 曲線與負載線
    降低馬達電路的磁阻
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             Grade 5
             Grade 1
             Crumax 2830                                       1
             Load line - PC = 1
             Load line - PC = 2                                0.8
             Load line - PC = 6




                                                                     B (T)
                                                               0.6

                                                               0.4
        斜率 = 反跳線
                                    良好的操作點
                                                               0.2
                                  不良的操作點
                                                               0
      -900    -700          -500      -300              -100
                             H (kA/m)

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            整體維度幾何
 • 幾何往往取決於規格,不過極數增加時,軸長
   對徑向直徑比通常會減小(從長圓柱狀轉變為
   碟狀)。
 • 首先要記住的關鍵是,定子軛厚度取決於每個
   磁極的磁通量(因為磁極需承載這個通量),
   因此極數增加時,磁通量就會減少。




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                       Course
   • 在完全密封的馬達中,小型鐵氧式磁石馬達的
     每單位轉子體積力矩,通常會介於7-14
     kNm/m3;而粘接式銣鐵硼磁石則為20
     kNm/m3;稀土類磁石則介於14-42 kNm/m3,
     到這個階段,如果不使用非常特別的結構,數
     值很難再增加。
   • 如果使用高能磁石,就可設計出高效馬達,而
     且馬達的外型體積也可以縮小。


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                     控制

• 有兩種可能的控制策略 – 直流控制和交流控制
• 直流控制來自於整流器馬達運轉,主要目標是使繞
  組感應電動勢呈現梯形的形狀,並以梯形電流反饋
  繞組,而獲得平順的力矩。
• 交流控制來自於同步馬達運轉,而且繞組感應電動
  勢以及電流,都必須盡可能呈現正弦曲線的形狀。




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                       Course
• 直流控制:
     – 集中式繞組
     – 功率密度較高
     – 霍爾效應探針偵測正確的電流切換位置
• 交流控制:
     – 分佈式與分數槽繞組
     – 更佳的控制
     – 軸編碼器控制電流



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                       Course
      • 一般而言,除非將磁場減弱,否則電流的位
        置應該在q軸。
      • 應用在高於基底轉速時,因此時變頻器電壓
        已經耗盡,無法控制電流,也達不到最大電
        流。
      • 變頻器切換前移,這樣的效果可能維持到
        15 至 20 電角度,要依機器而定,如下圖
        所示。


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                        Course
                               使用相位前移
                    1.2

                     1
      Torque (Nm)




                    0.8
                    0.6
                                No phase advance
                    0.4

                    0.2         20 electrical degree phase advance
                     0
                          0   500   1000       1500       2000    2500   3000
                                         Speed (rpm )
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                                           Course
            轉子的選擇
   • 轉子可以應用多種不同的結構。
   • 許多直流馬達與交流馬達,都使用了基本的表面附
     著型磁石轉子,具有相同的 Xd 和 Xq。
   • 轉子也可能使用嵌入式磁石,這種磁石是用在交流
     馬達(不過也可應用在直流馬達)。這些馬達具有
     q 軸凸極效應(亦即 Xq > Xd)。
   • 優點在於鋒值力矩可以推離 q 軸,偏離 d 軸的角度
     大約可達到100至120電角度。
   • 也就是說,如果電流在 q 軸時出現暫態過載,就可
     有額外的力矩將馬達帶回到正確的點火角,進而防
     止磁極滑移。
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                       Course
                     表面型磁石




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                       Course
                     嵌入式磁石




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                       Course
                   輻狀磁石




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                       Course
            繞組的選擇 – 直流或交流操作

  • 永磁無刷馬達的繞組原理,與感應馬達略有不
    同。
  • 伺服類型的馬達通常採用分數槽繞組,原因在
    於為了降低頓轉力矩所選擇的槽數∕極數比。
  • 然而,我們應該記住,次諧通量波可能影響軛
    通量密度與鐵耗損,導致軛厚度可能大於主通
    量和磁極數所顯示的水準。



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                           Course
      用於交流電的 18 定子槽 8 磁極馬達的一個相位——
     正弦反電動勢(可產生額外的氣隙通量波與磁軛通量)




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                        Course
                      直流馬達中,線圈節距電動勢的變化——
                      輸出功率(以及力矩)= 電流 × 反電動勢
                  4 .5                                                                                20
                                                                           B a c k - e m f in 3 -
                  3 .5                                                     s lo t ( 18 0 d e g )      15
                                                                           w in d in g
                  2 .5                                                     B a c k - e m f in 2 -     10
                                                                           s lo t ( 12 0 d e g )
                  1 .5                                                     w in d in g




                                                                                                            Current (A)
                                                                           P h a s e c u rre n t      5
   voltage (V)




                  0 .5
                                                                                                      0
                 - 0 .5   0        45        90        13 5   18 0   225     2 70      3 15     360

                                        T o r q ue
                                                                                                      -5
                 - 1 .5
                                        p r o d uc t io n
                                                                                                      -10
                 - 2 .5

                 - 3 .5       W id er em f w av e allo w s Hall                                       -15
                              p r o b e p o s it io ning er r o r
                 - 4 .5                                                                               -20
                                               Ele c t r ic a l d e g r e e s

2006/8/15                                     CPC Brushless PM Motor Training                                             28
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                     冷卻
  • 可能難以正確模擬。
  • 一個簡單的技術是,將磁石與繞組的操作
    溫度設定在合理範圍,並以合理的繞組電
    流密度進行電磁的設計,即可獲得具有良
    好效率的馬達。
  • 接下來,馬達冷卻系統的設計,必須足以
    因應電磁設計中的耗損。


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                       Course
              其他重點
 • 馬達內的線槽容量是常見的問題,新手所設計
   的線槽容量,往往是無法達到的。
 • 完全密封風扇冷卻式馬達的電流密度,通常介
   於 5 A/mm2 至 7 A/mm2,但若馬達內有壓流循
   環時(例如較大型的交流與直流馬達),電流
   密度就會提高。
 • 永磁馬達的鐵耗損通常較低,但高速運轉可能
   增加鐵耗損,因此鐵的類型選擇十分重要。

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                       Course
                         設計套件

• 市面上有一些設計套件,而許多公司也會自行撰
  寫。
• 我們使用的套件是:
      – SPEED PC-BDC
            • 適合電磁設計,也結合了一些熱模型
      – Motor-CAD
            • 適合熱設計
• 我們也會探討有限元素分析。


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                                 Course
                     結論

    • 本簡介針對許多設計要點,做了簡短的說
      明。
    • 在接下來的課程,會針對各項要點進一步
      說明。




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