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高功率馬達設計與驅動技術

刊登日期：2020/07/01

摘要

永磁馬達具有高功率密度、高響應、體積小等優點，近年來廣泛應用於電動載具與工業自動化製程設備。在馬達設計方面，依照需求的扭力轉速曲線進行電磁分析開發，馬達驅動器採用弱磁控制與最大轉矩電流比方法執行馬達控制功能。本文將分別說明高功率馬達電磁設計流程與高速馬達驅動控制方法，並使用軟體進行模擬驗證。

Abstract

Permanent brushless magnet motors have advantages of high power density, fast response, and small size. In recent years, they have been widely used in electric vehicles and industrial automation process equipment. In motor design, engineers carry out electromagnetic analysis according to the characteristics of torque-speed curve. The motor driver uses the field weakening control and the maximum torque per amp method to perform the motor control function. This article explains how the high-power motor electromagnetic design is processed and how the high-speed motor drive control method is applied. Finally, the simulation result will be verified in the demonstration.

前言
現今馬達廣泛應用於各種工商業場合，乃至一般居家生活。永磁無刷馬達可用於自動化產業，汽車，機器人，船舶和飛機等多個領域。因為考量到體積與重量關係，大多數應用採用永磁無刷馬達，在稀土磁性材料進步的今日，永磁馬達不僅設計得更強大但質量較低，轉動慣量較低，具有效率高，結構簡單的特點，易於控制等。藉由變頻驅動的永磁馬達成為運動控制應用的可行選擇，如機器人技術，工具機，電動載具等。隨著電力電子技術的快速發展和成本下降，使得變頻驅動的永磁無刷馬達已被廣泛用於工業，詳情請見參考文獻[1]。
將無刷馬達操作在高速的應用場合中，常見的如冰水機、雕刻機、拋光機等等，而以冰水機而言，使用磁浮軸承最為常見，雖然透過磁浮軸承可以降低大量的摩擦力，但馬達還是需要做高效率與高轉速的應用，相較於傳統低速的感應馬達，透過高轉速的無刷馬達作為基礎，可讓體積縮小、轉速提升且效率也跟著提升，並且搭配數位式的驅動器後，可讓效率再往上攀升，達到高速與節能的效果。
目前電動載具如公車與卡車，其使用永磁無刷馬達作為動力來源，以BMW i3為例，所使用之馬達與驅動器如圖1所示，包含了定轉子各組件及其驅動器，其使用的馬達為125 kW，11000 rpm的永磁無刷馬達，輸出扭力最大為250 Nm，使用電流530 A，從參考文獻[2]-[3]中可見其設計細節。

圖1 BMWi3零組件[2]

因此本文以高功率馬達設計與驅動技術作為文章討論主題，並分別論述。
馬達設計
馬達設計流程會依據不同工程師所考量的步驟與計算方程式都有所不同，在參考文獻[4]-[11]中，有不同的流程，在本文中，馬達的設計流程描述如下：
Step 01.先獲得馬達規格，也就是輸出額定數據
Step 02決定槽數與極數
Step 03決定感應電壓
Step 04計算馬達電流，與輸出規格扭力
Step 05決定轉子疊積，轉子外徑比例，氣隙單邊厚度
Step 06先決定一組轉子疊積與轉子外徑
Step 07調整匝數，滿足輸出規格扭力
Step 08計算齒寬與軛寬
Step 09決定槽深
Step 10計算槽電流密度
Step 11調整槽深，槽電流密度滿足某一範圍，否則step 9
Step 12計算定子外徑
Step 13使定子外徑與定子內徑比例滿足某一範圍，否則step 6
Step 14調整磁鐵徑向厚度與寬度，氣隙磁通密度滿足某一數值
Step 15計算磁鐵去磁比例程度，滿足某一數值，否則step 14
Step 16完成一組設計，進行另外一組可能性設計，step 5
Step 17進行有限元素軟體模擬，分析可能性設計，挑選較優者進行細部修改。
上述流程中，馬達設計者會從廠商或需求客戶端獲得馬達輸出額定數據，例如是馬達線電壓，馬達額定轉速，額定功率等數值。然後決定馬達極數與定子槽數，在參考文獻[12]中，有提到不同槽極數的選擇，會造成其頓轉矩特性有所不同，在台灣的馬達製造商在決定槽極數的過程中，其選擇方式大部份採用較少的槽極數配置，其背後的原因主要為考慮製程時間與人力成本，但是其頓轉矩的大小就往往很難藉由其它尺寸設計去調整與降低，造成馬達特性與應用場合受限。一般永磁馬達其無載下感應電壓佔其線電壓的比例約在一定的範圍之間，估算出感應電壓範圍後，就可以進行下一步驟的電流估算。