市場前線｜三相BLDC馬達模擬CAE數位分身

前言
馬達是將電能轉換為機械能的磁性器件。其類型很多，其中，無刷直流馬達(BLDC)因為高效率及優異的可控性，廣泛用於各種應用中。相對於其他類型馬達，BLDC馬達具有許多優勢。第一，BLDC馬達可提供大功率，原因在於此類馬達可持續運作在最大旋轉力上。其他類型馬達如有刷馬達旋轉時只有在特定位置才能達到最大扭力。所以此類有刷馬達若要提供與BLDC馬達相同的扭力，必須使用效能更佳的磁鐵，如此將增加成本。另一優勢是它的可控性。利用反饋機制，我們可控制BLDC馬達精準的提供所需要的扭力及轉速，並降低能量損耗。第三，因為沒有電刷，BLDC馬達具備高耐用性且產生的電氣雜訊較低。若為有刷馬達，電刷會因為持續移動接觸而磨耗，並在接觸時產生火花與電器雜訊。以上優勢讓我們在不同應用如洗衣機、空調、風扇、吸塵器中經常選用BLDC馬達。
而馬達的設計並非易事，我們可透過數值模擬等電腦輔助工程技術(Computer-Aided Engineering (CAE))，建置BLDC馬達的數位分身(Digital Twin)。透過物理模型的建置計算轉子的受力並精準預測不同幾何、材料設計之下電器特性的效能。
轉軸模擬數位分身
以物理模型建置的數值分析需耗費計算資源與時間，因幾何對稱性，我們建置2D模型。其幾何如圖1所示。三相線圈繞在鐵芯周圍，內部定子。將產生時變磁場。而外部轉子由外殼ABS與內部永久磁鐵組成。此內部永久磁鐵將隨時變磁場轉動。

圖1 BLDC馬達幾何

此馬達轉速為8000 rpm。模擬設計過程中我們也發現重要幾何參數如氣隙大小、鐵芯內徑、外徑、外部厚度，與永久磁鐵厚度。模擬人員可將不同參數輸入以模擬出所造成的力矩大小。為加速研發，若能讓非CAE模擬人員一樣可透過簡單介面做此類參數測試，則可大大增進研發效率。
目前數值分析方法，用來輔助設計馬達，不僅可以節省馬達研發至上市的時間和降低實驗成本，並且很重要的是可以進行任意的參數研究，最佳化設計，目前馬達設計除計算磁通密度和電磁力與力矩外，也必需考慮到電路驅動與溫度造成的效應，COMSOL Multiphysics 軟體將影響馬達效應的全部耦合物理方程式考慮進來。這是市面上其他馬達設計軟體不能考量的特點。COMSOL Multiphysics 軟體專業為馬達設計可以同時耦合電磁能消耗成熱能，造成溫度升高、材料屬性的非線性改變和磁熱互致影響的特性。
數位分身應用App
COMSOL Multiphysics多物理模擬軟體中增加了應用程式創建器(Application (APP) Builder)。此功能可讓CAE研發人員依據已作好的模擬開發成簡單操作的APP模擬器。我們將此逆運算模型設計為數位分身APP如圖2。

圖2 BLDC三相馬達模擬數位分身APP

此APP中瀏覽案件可讓使用者輸入轉速、氣隙大小、鐵芯內徑、外徑、外部厚度，與永久磁鐵厚度等參數。輸入完後，使用者可按幾何繪製按鈕，先觀測設計書的氣件幾何設定幾何尺寸圖。並透過計算按鈕進行計算。呈現力矩。為更了解馬達運作。使用者也可透過動畫按鈕繪製磁場變化動畫。
數位分身獨立執行檔
COMSOL公司發表之COMSOL Compiler™模組，可將App 模型介面程式編譯成一執行檔，分享此執行檔給沒有安裝COMSOL Multiphysics軟體的電腦使用，成為可計算的獨立應用程式。此程式可在Windows®、Linux®操作系統和MacOS使用。讓CAE人員將模擬分享給長官，實測工程師，如此可大大加速BLDC馬達設計研發。此APP也可分享給公司內部不同單位人員作為教育訓練。
結論
此研究我們透過物理模型，建置BLDC馬達模擬數位分身。此數位分身可讓使用者在簡易操作的介面中輸入重要幾何參數並模擬力矩。使用者也可透過動畫按鈕繪製磁場變化動畫。此數位分身APP分享給非CAE模擬人員，加速研發。
誌謝
本文為皮托科技股份有限公司之年度主題研究之計畫，由於COMSOL公司與皮托科技股份有限公司提供軟體和鼓勵支持，使本研究得以順利進行，特此致謝。
參考文獻
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Brushless_DC_electric_motor