陽毅平臺灣大學：機械工程學研究所陳仕賢Chen, Shih-HsienShih-HsienChen2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61354本文針對本實驗室設計之直流無刷車輪馬達作最佳驅動方式之研究。首先，利用以能量法推導之力矩方程式討論電流與反電動勢之關係，得到當電流波形等於反電動勢波形時，能得到最大力矩，則最佳電流波形即反電動勢波形。再來利用有限元素分析軟體，建立三維模型，模擬馬達之反電動勢波形，並將得到的反電動勢波形解析為不同階數之弦波，然後加以比較馬達的力矩輸出與力矩漣波，最後得到一最適合之電流波形。並將馬達雛形製造完成，最後利用實驗的方式測試最佳波形之效能，以及以其他波形驅動之效能比較。 實驗結果中馬達反電動勢波形與模擬結果相當接近，可間接證明馬達力矩亦與模擬結果接近，但實驗結果發現馬達受到換相訊號偏移的影響，因此力矩表現約減少了20%，建議使用編碼器以改善訊號偏移的問題。The thesis proposes a novel design and optimal driving current wave for a brushless DC wheel-motor. First, we obtain the realization of current and back EMF waveform from the torque equation of motor constructed by energy method. The wheel motor has a maximum torque as the current and the back EMF waveform are proportional, i.e., the optimal current waveform follows the back EMF waveform. Second, we establish a 3-D model by the finite element analysis software, and obtain the results of simulation of the back EMF waveform. In the 3-D finite element analysis model, we decompose the back EMF waveform into different order of partial sums to analyze the corresponding torque and torque ripple. Then, the best current waveform is determined. Finally, we fabricate a prototype for the wheel motor and drive it with square, sinusoidal, and optimal current waveforms to test the wheel-motor’s performance. It is shown by experiment that the back EMF waveform is similar to that obtained by finite element analysis, which reveals that the wheel motor must produce satisfactory torque. However, the torque from experiments reduces about 20% because of the malfunction of encoder signals. More improvement of the wheel motor is to expected before the implementation on a passenger car.誌謝 I 中文摘要 II 英文摘要 III 目錄 IV 圖目錄 IX 表目錄 XII 符號說明 XIII 第1章 導論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 各章摘要 4 第2章 電磁模型與馬達力矩方程式 5 2-1 磁場與磁路 5 2-1-1 基本磁場與磁路模型 5 2-1-2 永久磁鐵的磁路模型 10 2-2 磁通鏈與電感 12 2-3 感應電動勢 13 2-4 馬達力矩方程式的建立 15 2-4-1 能量不滅定理 15 2-4-2 單激磁場系統 16 2-4-3 複激磁場系統 18 2-4-4 具有永久磁鐵之系統 21 2-5 馬達力矩方程式的分析 24 2-6 馬達效率計算 26 2-6-1 銅損 26 2-6-2 鐵損及其他損失 26 第3章 電動汽車車輪馬達規格與製造 28 3-1 馬達動力需求 28 3-2 馬達結構與製造加工方式 29 3-3 馬達最佳化設計結果與修正 34 3-3-1 最佳化設計結果 34 3-3-2 最佳化結果修正 35 3-4 馬達熱傳分析 37 3-4-1 馬達熱傳導路徑 37 3-4-2 散熱片形狀 37 3-4-3 分析軟體 38 3-4-4 馬達最佳化尺寸熱傳分析結果 39 3-4-5 馬達最佳化尺寸修正後之熱傳分析 41 3-5 馬達與車輪之配置 44 第4章 最佳驅動電流波形 46 4-1 對正力矩與反電動勢 46 4-2 最佳電流波形的推導 48 4-3 有限元素分析軟體 54 4-4 馬達最佳化設計尺寸之有限元素分析 55 4-4-1 反電動勢波形的分析 55 4-4-2 靜磁場的力矩分析 59 4-4-3 旋轉狀態下的性能分析 61 4-4-4 電樞效應對感應電壓的影響 63 4-5 馬達最佳化尺寸修正後之有限元素分析 67 4-5-1 反電動勢波形的分析 67 4-5-2 靜磁場的分析 69 4-5-3 旋轉狀態下的性能分析 70 4-5-4 電樞效應對感應電壓的影響 71 4-6 馬達啟動之暫態分析 74 4-6-1 等效慣性矩 74 4-6-2 負載力矩 75 4-6-3 輸入電流 76 4-6-4 模擬結果 76 第5章 繞組串並聯與性能計算 79 5-1 馬達電壓方程式推導與轉速的計算 79 5-2 繞組串並聯與定子串並聯的探討 82 5-2-1 相電壓、繞組端電壓與轉速的關係 82 5-2-2 定子原始串並聯的性能計算 82 5-2-3 繞組串並聯改變後的性能 84 5-3 馬達繞組組合的決定 89 5-4 最佳化設計與修正後製造尺寸之比較 90 第6章 驅動架構與控制器原理 92 6-1 驅動架構 92 6-1-1 全橋驅動電路 92 6-1-2 隔離電路 94 6-1-3 過電流保護電路 95 6-2 控制器原理 99 6-2-1 脈寬調變電流控制原理 99 6-2-2 電流命令、電流迴授訊號 100 6-2-3 位置迴授訊號 101 6-2-4 方波/最佳波形PWM訊號產生器 102 6-2-5 失效時間產生器 103 第7章 馬達性能測試 104 7-1 實驗設備 104 7-2 實驗項目 107 7-3 實驗結果與討論 109 7-3-1 反電動勢波形 109 7-3-2 方波驅動下力矩與電流關係 109 7-3-3 正弦波驅動下力矩與電流關係 111 7-3-4 實際反電動勢波形驅動下力矩與電流關係 113 7-3-5 實驗結果討論 114 第8章 結論與未來展望 116 8-1 本文結論 116 8-2 未來展望 119 參考文獻 1214244514 bytesapplication/pdfen-US車輪馬達最佳電流波形有限元素分析wheel motoroptimal current wavefinite element analysisthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61354/1/ntu-94-R92522830-1.pdf