｜應用於無人飛行載具之整合式起動馬達-發電機研發

摘要：本文旨在敍述研製應用於無人飛行載具之整合式起動馬達-發電機，可直接驅動並起動載具引擎，當引擎起動後便發電提供航電儀器使用。此一體式及直驅設計可減少空間與重量、降低齒輪損耗，達到提升效率之目的。文內所舉之起動發電機係使用高性能稀土磁鐵，具有高功率密度、高轉矩密度、高效率與少維修等優勢。然而考量稀土磁鐵之組裝與充磁問題，在文內提到以「組裝後充磁」製程技術來設計製作起動發電機。文內並評估負載需求與後充磁限制，制訂起動發電機規格，並以等效磁路設計其尺寸，再透過有限元素分析模擬其特性與性能。在組裝後充磁方面，文章內有分析各種充磁接線方式所造成之不同線圈阻抗，以及其如何影響充磁電流與充磁磁場，並選定一種接線方式進行充磁實作。最後，以實驗方式比較驗證「組裝後充磁」與「充磁後再組裝」之起動發電機性能
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Abstract: This paper develops an integrated starter generator system for unmanned aerial vehicles. The designed permanent magnet starter generator (PMSG) can start up the engine by direct drive. The PMSG then generates electricity for avionic instruments after the engine starts. This design reduces the weight, saves space and needs no gearbox, thus enhancing the overall efficiency. The rare-earth PMSG possesses advantages such as high power density, high torque density, high efficiency and low maintenance. However, considering assembly problems and demagnetization associated with rare-earth components, a post-assembly magnetization technique is developed for the PMSG. The specifications of the PMSG are defined through the load requirement and constraints from post-assembly demagnetization. The PMSG is then designed using magnetic circuit model then simulated with finite element analysis. Analysis of magnetizing the PMSG using various winding connections to the magnetizer is also conducted. Finally, the performances of the PMSG manufactured by pre-magnetization and post-assembly magnetization are compared.

關鍵詞：雷射披覆、碳膜、金屬雙極板、燃料電池

Keywords：Motor design, Generator design, Post-assembly magnetization, Integrated starter gnerator, Brushless permanent-magnet machine

前言
一般無人飛行載（unmanned aerial vehicles, UAV）以引擎為動力，而其航電儀器所需電力則由電池所提供，若配備有發電機（generator），則可對電池充電或直接供電給航電儀器，可大大提升其航程。此發電機通常僅在航行時操作，引擎起動則須藉由地面特定的起動器與高扭力起動馬達（starter motor），以提供起動所需動力。如此一來，起動較為不便，且在航程中失去動力時，亦無重新起動之機會。故若能結合起動馬達與發電機，成為整合式或一體式起動發電機，將可有效解決問題。隨著混合電動車（hybrid electric vehicle, HEV）的發展，整合式起動發電機（integrated starter generator, ISG）[1]已被廣泛發展，做為車載電力系統重要的一環。ISG利用一部電機取代以往分別的起動馬達與發電機，在不同的工作條件下達成起動或發電的功能，可有效減少體積、空間、重量、廢氣排放，並增加燃料與整體效率，極為適用於UAV上。傳統載具架構與ISG架構的差別，如圖1[1]所示，顯然ISG可簡化系統並降低重量。

在ISG相關文獻方面，Walker等人[2]提出一永磁式軸向起動發電機，證實高壓ISG能夠提升燃油的經濟效益。Hsu等人[3]比較各式起動發電機的特性。Chen等人[4]設計一15 kW永磁表面型同步起動發電機，效率高達94 %，並具備低轉矩漣波與高操作範圍。Carcchi等人[5]發表一3-kW永磁式軸向起動發電機並實際與引擎連結測試。較早期的研究，例如Ferreira等人[6]提出一個應用在飛機引擎上的30-kW開關磁阻起動發電機。Radun等人[7]提出一250-kW的雙通道開關磁阻起動發電機。Vries等人[8]則利用開關磁阻式作為一個車用的5-kW起動發電機。感應馬達方面，則有Chen等人[9]採用皮帶驅動（belt-driven）之感應起動發電機。

從上述文獻可發現，稀土永磁式起動發電機（paermanent magnet starter generator, PMSG）較其他電機具有高效率、高功率密度、高轉矩密度、易於控制及維護等優點[1,5,10]，非常適合應用於UAV空間狹小、輕載與高巡航距離之需求。然而稀土永磁無刷電機因磁力極強，組裝不易，因此製程上有改善空間。此外，也因裝置於UAV上，其空間小、散熱不易，且操作環境較為惡劣，必須同時考慮磁鐵可能的退磁問題。針對上述兩點問題，文內談到發展「組裝後充磁」（post-assembly magnetization）製程技術以設計與製作PMSG。此技術將PMSG轉子與定子完全組裝後，利用其定子及自身線圈當作充磁軛，通以高電流脈衝對轉子磁鐵進行充磁，充磁後即完成PMSG組裝。此高電流脈衝有損及線圈之虞，然而因PMSG操作環境因素，可選用絕緣與耐溫等級較佳之銅線，其耐電流程度相對提高，因此可行性極高。

在後充磁相關研究方面，Zheng等人[11]以後充磁法來解決直流無刷馬達應用在混合動力車的組裝問題，並發現後充磁法必須透過更大電流方能使磁鐵充至飽和。Lee等人[12,13]使用後充磁法，對三種不同馬達規格與馬達結構進行充磁模擬與分析。Hsieh等[14]所提出之後充磁法能確保磁力線能均勻通過磁鐵，最後並用實驗加以驗證。此外，Hsieh等人[15]亦提出後充磁製程之馬達設計方法，可同時計算出所需充磁電流。