永磁同步馬達振動預測與驗證平台研製

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姓名

劉承胤(Cheng-Yin Liou) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

永磁同步馬達振動預測與驗證平台研製

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摘要(中)

本論文建置預測技術平台主要是針對集中捲嵌入式永磁同步馬達（Interior permanent magnet synchronous motor , IPMSM）的振動問題進行有限元素法求解。針對低功率永磁馬達建置振動預測系統，以電磁-結構之雙重物理耦合場解析為目標，運用有限元素軟體(Maxwell)對馬達的電磁場進行求解，求出電磁力作用在轉、定子上的分佈及大小，後續將此電磁力數據匯入，進行電磁-結構雙重物理耦合場問題求解，以模擬逼近真馬達真實振動歷程。後續設計振動驗證平台，透過此平台進行馬達振動與噪音物理量直接量測，將模擬和實測數據進行一致性比較，建立振動預測系統之可性度。在建立高可性度之低功率永磁馬達振動、噪音預測系統之後，可調控馬達相關機結或電磁參數，以研究調控參數對振動與噪音的響應，並找出各個參數對振動的敏感度，從而提出振動改善之具體方案。

摘要(英)

This paper studies how to establish a vibration prediction system of IPMSM. There are two parts of this research, The first part is using FEM software to simulate vibration of the motor, by utilizing ANSYS Maxwell to solve the electromagnetic forces acting on the tooth tips, then import these data to ANSYS Workbench to solve the vibration of motor.
The second part is to build an experiment platform and use it to verify the result of simulation. After establishing the reliable simulation platform, we will obtain an optimal design from the FEM model to reducing the motor vibration.

關鍵字(中)

★ 永磁同步馬達
★ 振動預測
★ 耦合場

關鍵字(英)

論文目次

中文摘要 i
Abstract v
目錄 vii
圖目錄 xiii
表目錄 xxi
符號說明 xxii
第一章緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 論文大綱 3
第二章研究內容與方法 4
2-1 馬克斯威方程式[10] 4
2-2 感應電動勢[11] 6
2-2-1 兩極式定子線圈內的感應電動勢[11] 6
2-2-2 三相線圈組的感應電動勢[11] 10
2-2-3 三相定子電動勢的均方根值[11] 11
2-3 功率換算與損失[11] 12
2-4 三相電力系統[11] 14
2-4-1 Y型連接的電壓和電流[11] 15
2-4-2 ∆型連接的電壓和電流[11] 18
2-4-3三相電路中的功率關係[11] 20
2-5 模態分析 24
第三章模擬方法與模型建立 28
3-1 模擬說明 28
3-1-1 馬達型號及參數 28
3-1-2整體流程 29
3-2 ANSYS Maxwell磁路模擬分析流程 29
3-2-1 二維靜磁分析 29
1. 二維分析設定，如圖13。 29
2. 靜磁求解器設定，如圖14。 30
3. 單位設定，如圖15。 30
4. 匯入CAD模型，如圖16。 31
5. 修改CAD模型至所需要的物件，如圖17。 31
6. 繪製Region，如圖18。 32
7. 邊界條件設定，如圖19、圖20。 32
8. 轉子、定子、磁石…所需之材料設定，如圖21、圖22。 33
9. 磁石極性方向座標設定，如圖23、圖24。 34
10. 網格設定，如圖25、圖26。 35
11. 分析細節設定，如圖27。 36
12. 進行求解並觀察馬達參數，如圖28、圖29。 36
3-2-2 二維暫態分析 37
1. 暫態求解器設定，如圖30。 37
2. 重複上述3.~10.步驟。 38
3. 電氣參數設定，如圖31。 38
4. 線圈設定，如圖32。 38
5. 繞組設定，如圖33。 39
6. 繪製氣隙輔助層使網格更密、解更精確，如圖34。 39
7. 繪製Band，如圖35。 40
8. 轉動設定，如圖36、圖37。 40
9. 分析細節設定，如圖38。 41
10. 進行求解並觀察馬達參數，如圖39。 42
3-3 ANSYS Workbench振動模擬分析流程 42
3-3-1 模態模擬 42
1.Modal求解器設定，如圖40。 42
2.進入Engineering Data進行材料參數設定，如41。 43
3.材料參數設定步驟，如圖42、圖43、圖44、圖45。 43
4.在Geometry點右鍵匯入模型，如圖46、圖47。 44
5.進入Model進行分析設定，如圖48。 45
6.設定物件材料，如圖49、圖50。 45
7.設定邊界條件，如圖51、圖52、圖53。 46
8.Analysis Settings設定欲觀測之模態數，如圖54。 47
9.求解，如圖55。 47
10.模態振型後處理，如圖56、圖57。 48
3-3-2 振動加速度模擬 48
1.匯出Maxwell齒部徑向受力，如圖58、圖59、圖60。 48
2.Transient Structral求解器設定，如圖61。 50
3.進入Geometry處理模型，如圖62、圖63、圖64。 50
4.將欲觀測的點當原點建立座標，如圖65、圖66、圖67、圖68。 51
5.利用觀測點座標切割模型表面，如圖69、圖70、圖71、圖72、圖73、圖74、圖75。 52
6.重複5.切割步驟，將圖原本選擇切割Y軸改選擇切割X軸，如圖76、圖77。 54
7.進入Model分析設定，如圖78。 55
8.在Analysis settings中，將Maxwell匯出的齒部受力時間步長手動匯入如圖79、圖80、圖81、圖82、圖83。 55
9.加載齒部受力設定，如圖84、圖85、圖86、圖87。 57
10.邊界條件設定，如圖88、圖89。 58
11.求解，如圖90。 59
12.振動加速度後處理，如圖91、圖92、圖93。 59
第四章實驗平台規劃 61
4-1 實驗架構介紹 61
4-1-1 實驗架構實際照片 62
4-1-2 電阻式負載 62
1. 發電機連接電阻負載等效電路 62
2.額定工況負載，如圖95。 63
3.阻值大小調整方式 63
4-2 實驗平台硬體介紹 63
4-2-1 上套子 63
4-2-2 下套子 64
4-2-3 （左）基座、（右）基座2 65
4-2-4 心軸 65
4-2-5 圓柱 66
4-2-6 支撐圓柱 66
4-2-7 鋼片夾緊式撓性聯軸器 67
4-2-8 （左）深溝式滾珠軸承、（右）斜角式滾珠軸承 68
4-2-9 組合圖 69
4-2-10 組合半剖視圖 70
4-2-11 可調式電阻器 70
4-3實驗設備介紹 71
4-3-1加速規(型號:352C65) 71
4-3-2 Aglient動態訊號分析儀（型號：35670A） 71
4-3-3 YOKOGAWA動力計（型號：WT210與WT230） 72
4-4-4 Tektronix示波器（型號：TDS 3014C） 72
4-4-5 IPDU控制器 73
第五章模擬與實驗結果 74
5-1 模擬結果 74
5-1-1 3600rpm頓轉轉矩 74
5-1-2 3600rpm轉矩漣波 75
5-1-3 3600rpm轉子、定子所受之淨合力 76
5-1-4 3600rpm齒部徑向力大小 77
1.靜態偏心0.1mm 77
2.動態偏心0.1mm 78
5-1-5 3600rpm定子結構參數化研究 79
1. 原始定子結構 80
a 六齒部徑向受力情形 80
b 振動響應 81
位置1 81
位置2 82
2. 軛部加厚3mm 83
a 六齒部徑向受力情形 84
b 振動響應 85
位置1 85
位置2 86
3. 齒部加厚3mm 87
a 六齒部徑向受力情形 87
b 振動響應 88
位置1 88
位置2 89
4. 靴部加厚3mm 90
a 六齒部徑向受力情形 91
b 振動響應 92
位置1 92
位置2 93
5. 結果比較 94
a. 齒部結構改變之受力比較 94
b.齒部結構改變之振動響應比較 95
5-2 實驗結果 97
5-2-1 空載馬達電流波型 97
a.1800rpm 97
b.3600rpm 98
c.4000rpm 99
5-2-2負載馬達電流波型 100
a.1800rpm 100
b.3600rpm 101
c.4000rpm 102
5-3 模擬與實驗結果比較 103
5-3-1感應電動勢 103
5-3-2 自然頻率 104
5-3-3 轉矩 105
5-3-3馬達振動訊號 106
1. 觀測位置 106
a. 模擬 106
b.實驗 106
b. 模擬位置編號與實驗位置編號比較 108
2.空載 109
a. X位置 109
1800rpm 109
3600rpm 110
4000rpm 112
b. Y位置 113
1800rpm 113
3600rpm 115
4000rpm 116
c. X1位置 118
1800rpm 118
3600rpm 119
4000rpm 121
d. Y1位置 122
1800rpm 122
3600rpm 124
4000rpm 125
3.負載 127
a. X位置 127
1800rpm 127
3600rpm 129
4000rpm 130
b. Y位置 132
1800rpm 132
3600rpm 133
4000rpm 135
c. X1位置 137
1800rpm 137
3600rpm 138
4000rpm 140
d. Y1位置 141
1800rpm 141
3600rpm 143
4000rpm 144
第六章結論與未來展望 146
6-1 結論 146
6-2 未來展望 146
參考文獻 147
附錄一 148
不鏽鋼（UNS S30400） 148
鋁合金（UNS A96061） 148
合金鋼（UNS G41400） 149
矽鋼片 149

參考文獻

[1] Yue Ming, Jian-Xin Shen, “Research on conducted EMI and vibration characteristics of PM BLDC motors with different stator structures”. IEEE, pp.1–6, 2011.
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[4] Z. Q. Zhu and D. Howe, “Influence of design parameters on cogging
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vol. 15, no. 4, pp. 407–412, Dec. 2000.
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BLDC motor for improving mechanical vibration and EMI characteristics,”J. Elect. Eng. Technol., vol. 5, no. 3, pp. 462–467, Sep. 2010.
[6] Experimental Verification and Effects of Step Skewed Rotor Type IPMSM on Vibration and Noise.
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[8] 楊肅慶，「旋轉機械故障之振動診斷研究」，中原大學機械工程學系碩士論文，1998年。
[9] 王漢璋，「旋轉機械診斷系統之研發」，國立中正大學機械工程所碩士論文，2006年。
[10] 趙博，張洪亮，Ansoft 12 在工程電磁場中的應用，一版，中國水利水電出版社，北京，2009年。
[11] 王順忠，陳秋麟，電機機械基本原理，五版，東華書局，2014 年。

指導教授

董必正

審核日期

2015-8-19

推文