祐謙科技 電機顧問 陳志豪
電磁模擬軟體進行電機設計已是目前的主流。可考慮非線性特性外，也能進行參數化來找尋最佳設計。本文將以Altair公司發行的 Flux電磁設計軟體(圖一)進行8極12槽，額定功率984W的電機設計，並佐以設計理論進行說明。
Flux的參數化設計體現在幾何建模及物理設定上，如圖二所示，參數化設計幾何尺寸，令設計者可快速找到最佳性能尺寸設計。除幾何設計外，匝數，電流，轉速等物理量也可進行參數設定，如圖三所示。達到同時分析電機在不同狀態下性能差異。
幾何尺寸建立，材料設定，規劃物理性質，設定好控制電路與網格後。Flux可快速的進行模擬分析，來觀察設計者希望得知的各物理特性，條列如下。
(重要材料為鐵心：35CS250。磁石：N45H，漆包線：一種PEW)
- 磁通密度飽和：磁通密度飽和會造成電機額外熱源，最終性能下降，且對驅動端也造成不易控制特性，故電機設計的第一步就是確認馬達是否進入飽和狀態。Flux可直接圖示磁通密度來確認(圖四)，也可設定觀測線來擷取磁通密度(圖五)。
- 頓轉轉矩：電機頓轉會造成轉矩漣波，低轉速不穩與定位電流較高等問題。Flux可直接觀察頓轉的幅值以及週期(圖六)。設計者藉由此資料即可進行降低頓轉轉矩的優化設計。
- 反電動勢：電機轉矩為反電動勢與電流的乘積，對於電機設計與製造品檢來說，反電動勢皆為重要指標之一。Flux不僅可顯示反電動勢的波形(圖七)，更可以進行快速傅立葉分析，觀察反電動勢諧波(圖八)，進而改善轉矩漣波問題。
- 額定轉矩與額定電流：Flux設定輸入的電流電路(圖九)，就可觀察轉矩數值與波動(圖十)。也可由此取得電機重要參數，轉矩常數Kt以及反電動勢常數Ke。
Kt：9.41/7.07=1.88 (N*m/Arms)
Ke：66*3/1/104.72=1.89 (Vrms/(rad/s))
(Kt與Ke幾乎相同)
- dq軸電感值：對於驅動端而言，電機dq軸電感為必要的輸入資料。Flux可得知dq軸角度(圖十一)，更可以求出dq值電感值(圖十二)。
電機效率與損耗為下一步要注意的事項，Flux可輕易算出主要的三種損耗
- 銅損：相電流^2*相電阻即為銅損(圖十三)，5^2*3*0.99=74.3W。
- 鐵損：Flux內建的LS鐵損估算可得(圖十四)。20W
- 渦電流損：Flux內電路圖加入磁石(圖十五)，可得知磁石渦電流損(圖十六)。3.5w
效率=輸出功率/(輸出功率+銅損+鐵損+渦電流損)
(1.88*5000/9.55)/(1.88*5000/9.55+74.3+20+3.5)=91.0%
藉由CFD軟體(Simlab)，計算電機各零件部品的溫度，再加入磁石的退磁膝點(圖十七)，檢驗電機是否會發生退磁的失效模式(圖十八)。並可進一步觀察退磁對轉矩的影響。(圖十九)
經由上述的設計分析可得知電機的穩態特性。模擬的電路為電流源，且無回授發生(圖二十)。但實際上驅動器供給電機為電壓，並包含回授。為了達到這一現象，日後將再由另文說明如何建立機電整合模型，並觀察速度與電流響應。
除電機設計外，藉由Flux也可界定製造過程中的各控制點。以及零件與製程品質變異(零件公差與組裝公差)對電機性能的影響。達成最終高品質的電機產品。此部分日後也將撰寫說明文件。
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