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極高速永磁同步電動機效率優化與設計

刊登日期：2020/07/01

摘要

本文研究針對極高速永磁馬達提出一系統化之設計流程，其著重於高速運轉效率優化，同時考量不同驅動方式造成之性能差異。以往馬達設計大多著重於力矩密度提升與諧波抑制，但馬達高速化更能有效提高其體積功率密度，然而轉子徑向力、機械強度、導入轉子套筒之渦流損耗以及控制及驅動方式，皆顯著影響高速馬達的性能與限制。本文旨在提出高速馬達設計流程，試圖克服上述多項限制。此外考量控制器頻寬限制，高速馬達傳統利用六步方波驅動使其轉速最大化，因此本文亦比較方波與弦波驅動對高速馬達的性能差異。本文於設計階段即透過有限元素法(Finite Element Analysis, FEA)模擬，並完成一顆8萬轉初版馬達設計，進行樣機製作及後續性能測試。

Abstract

This study proposes a systematic design process, which optimizes the motor efficiency at high-speed operation. The performance of different drive methods are also considered for ultra-high-speed permanent magnet motors. Conventional motor design focuses on torque density improvement and harmonic suppression. However, high-speed design can effectively increase volumetric power density. The radial force, which affects rotor, mechanical strength, eddy current loss in the rotor sleeve, and the drive methods are of the main considerations. This paper proposes a process to design a typical motor. Additionally, due to the bandwidth limitation of the controller, the high-speed motor generally uses six-step square wave drive to maximize the speed. Therefore, the performance between the square wave drive and sine wave drive is also compared in this paper. Furthermore, finite element analysis (FEA) is adopted to supply detailed system dynamic characteristics for validation. The prototype of 80k rpm high-speed motor was designed for validation.

前言
近年來全球節能意識興起，相關法規亦相繼推動以促進能源效率提升，帶動高效率技術發展及高功率設備研製，其中高速永磁同步馬達因其轉子以永久磁石作為激磁來源，且具有無接觸式磨損、高功率密度、高轉換效率、高轉矩密度、低噪音低維護需求等優勢而備受矚目。於實際應用中，大至工具機如切削機主軸、離心機、旋轉塗佈機、泵浦設備及飛機與汽機車引擎，小至牙醫治療用手機、烘手機、吹風機、吸塵器及旋轉攪拌機等民生應用，皆須極高轉速以達使用需求。因此本文將針對極高速永磁馬達提出一系統化設計流程，藉由優化設計以提高轉矩密度與效率。
以往低轉速馬達設計皆著重於力矩密度提升與諧波成分的抑制[1],[2]，但就單位體積下所能提供的轉矩，除熱傳考量之外，主要受材料特性所限制，因此轉矩密度提升幅度有一定極限。功率為轉矩與轉速之乘積，故若改以提高轉速亦可成就高功率電機，然而轉速對體積相依性不如轉矩對體積，故以相同功率而言，高速馬達相較於低速馬達往往有更佳的體積功率密度表現。又因在相同功率下，高速馬達的輸出轉矩低於低速馬達，即高速馬達對於電流的需求低於低速馬達，這使得功率元件及其周邊被動元件得以縮小，意味著馬達高速化除了能降低電機本身體積，也能連帶降低驅動器之體積，全面達到提高體積功率密度之目的。
以往我們熟悉的馬達設計主要是考量在低轉速下的出力表現，具體是著重齒槽幾何設計，以及對於材料特性的掌握與應用。然而高速馬達設計除了須考量上述項目外，亦須考慮轉子受徑向力[3]所造成的擺振[4]與噪音[5]、轉子及磁石機械強度等問題都因高速運轉而被放大，而在同步電機設計中常被忽略的轉子損耗，在高速馬達設計卻也成為極重要的議題[6]，因高速化而得以縮小體積的馬達，亦使得散熱議題更加嚴峻，故其損耗分布與優化也必須被關注。針對轉子擺振，已知為非對稱定子設計本質上存在不可避免的徑向合力，常見如奇數槽皆屬此範疇，本文在設計階段亦有考量分析徑向力之影響。轉子方面，表貼式磁石會因為高速運轉下的離心力導致磁石飛脫造成機械系統故障，為了確保運行安全，一般都會加入一非導磁性材料的套筒，固定方式需要被確保得以因應超高速運轉需求，一般是於磁石外側增加一套筒以防止脫落，考量套筒強度與加工性，採用非導磁之高延展性之金屬，如銅、不鏽鋼、鎳基合金和鈦合金等[7]，是現階段較可行的辦法，然而高導電性的金屬套筒增加額外的導電路徑加劇了轉子渦流損耗[8]，故本文將在設計階段採用市面上主流之電磁場有限元素分析套裝軟體協助進行量化加入套筒後的影響並作為優化指標之一。
為了更全面的了解馬達在高轉速下的特性變化，不同的馬達驅動方式及其所帶來的影響也須予以關注。現今業界中，磁場向量控制 (Field Orientation Control, FOC) 搭配脈寬調變 (Pulse-Width Modulation, PWM) 儼然成為高性能馬達驅動及控制的主流方式，在馬達低速操作下，驅動器輸出電流可視為一正弦波，然而當馬達轉速大幅提高，甚至令其電氣基頻接近 PWM 切頻，這時電流將不再能被等效為正弦波，可觀的諧波成分將對馬達特性及效率造成影響。因應馬達轉速提升，另一種方式是採用六步方波驅動配合 DC-DC 直流電壓控制形成脈幅調變 (Pulse-amplitude Modulation, PAM)，其在相同馬達轉速下開關元件切換次數低於 PWM 故可減少驅動元件能量損耗，且無論馬達轉速，其輸出電壓皆為方波，此驅動方式更利於高速驅動，而驅動器輸出電流則等效為方波而不再是正弦波。可見無論採用 PWM 或 PAM 在馬達高速運轉下都將引入電氣諧波造成特性及效率劣化[9]。
本文內容皆透過有限元素法針對非線性的材料電磁特性進行詳細的模擬，本文參照一款來自日本廠商之商品化高速馬達作為設計目標規格，將其規格作為市場主流，其主要規格列於表1。最後本文實作一顆初版的8萬轉馬達雛形，日後將被組裝來進行未來的性能測試。

表1 測試用電機主要規格表

Characteristics        Values
Rotor poles              2-pole
Rated power            400 W
Rated speed            80k rpm (1.33kHz elec. frequency)
Rated current          10 A
DC bus voltage        48 V
Stator Outer radius 58 mm
Rotor outer radius   12.5 mm

馬達雛型設計
本節將提出數種可應用於高速馬達之設計雛型。為因應高速運轉需求，轉子首先採用二極設計使機械轉速與電氣頻率之比值最小，參考市面上二極電機產品多半搭配三槽定子設計，而本文欲提出並分析對稱式定子對轉子徑向力之改善，故定子將著重於三槽與六槽設計，更高的槽數因考量小體積馬達不利製程而在此不予以評估。其中，二極三槽只有一種可行的平衡三相繞組配置，即「二極三槽雙層繞跨槽一槽」，以下簡稱2P-3S-2L-CS=1設計。二極六槽則可發展成三種可行的平衡三相繞組配置包含 2P-6S-2L-CS=1、2P-6S-2L-CS=2、2P-6S-1L-CS=3設計，其中2P-6S-2L-CS=1設計之繞組因數遠低於其他組合，故本文著重於後兩種設計之比較與分析。至此，可應用於高速馬達之設計已有三個初步方向，其馬達雛型設計截面圖如圖1所示，為最大化體積功率密度及避免退磁風險，本文使用N50H釹鐵硼磁石且令三款初始設計之槽空間銅鐵配比幾乎相同，作為後續優化之起始條件。