【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）使用Excel輔助感應(yīng)馬達設(shè)計軟體開發(fā)-電機工程

1 圣約翰科技大學(xué)專題研究 使用 單 位 ： 電 機 系 職 級 ： 副 教 授 姓 名 ： 楊 明 達 2008年 3月 日 期 ： 97 年 3 月 11 日 2 摘要 本專題為 產(chǎn)學(xué)合作計劃案 ，其主旨為利用手算法的步驟建檔于分析單相感應(yīng)馬達和三相感應(yīng)馬達。 經(jīng)由手算一步一腳印的計算方式，能實際了解到馬達設(shè)計流程，需注意哪些重點，也知道每一個數(shù)值從哪里來，也就更能了解馬達。 讓馬達廠商或是想要更深入了解馬達的朋友覺得馬達設(shè)計也能夠非常 容易。 經(jīng)過馬達廠商的測試過后，軟體使用的結(jié)果非常滿意，提升他們在馬達設(shè)計上的效率 。且 在整個產(chǎn)學(xué)合作的過程，可更加了解馬達設(shè)計的相關(guān)流程及知識，最后的產(chǎn)出更可用于教學(xué)上，故是創(chuàng)造了雙贏的局面。 3 目錄 摘要 圖目錄 第一章、 緒論 1 1究動機 1 1究背景 1 1究目的 2 1究的重要性 2 1告架構(gòu) 3 第二章、馬達闡述 4 2達種類及原理介紹 4 2流馬達 4 2流馬達 8 2應(yīng)馬達 11 第三章、 使用程式介紹 15 3 擬程式種類 15 3式選擇 16 第四章、專題研究過程與成果 18 4 4題制作之流程圖 18 4題制作之手算法流程解說 20 附錄 39 參考文獻 40 5 圖目錄 圖 1 直流馬達基本構(gòu)造圖 5 圖 2 直流馬達包含定 子磁場、電刷、整流子及轉(zhuǎn)子 6 圖 3 電腦軟式磁碟機中轉(zhuǎn)動磁碟片的馬達 6 圖 4 定子磁場的線圈如左，轉(zhuǎn)子為右之永久磁鐵 7 圖 5 直流馬達應(yīng)用在時鐘 7 圖 6 直流馬達應(yīng)用在吹風(fēng)機中 8 圖 7 單相交流馬達基本構(gòu)造圖 9 圖 8 單相的交流電 10 圖 9 三相的交流電 10 圖 10 電風(fēng)扇使用單相交流馬達及分相容 11 圖 11 鼠籠轉(zhuǎn)子構(gòu)造 13 圖 12 感應(yīng)馬達 (鼠籠式 )結(jié)構(gòu)簡圖 14 圖 13 單相感應(yīng)馬達設(shè)計流程圖 18 圖 14 三相感應(yīng)馬達設(shè)計流程圖 19 圖 15 主要外型尺寸 20 圖 16 鐵心的主要尺寸記號 21 圖 17 磁動勢分布 23 6 圖 18 線圈的配置 23 圖 19 定子槽的尺寸 25 圖 20 轉(zhuǎn)子 槽與端環(huán)的尺寸 26 圖 21 槽節(jié)距的尺寸記號 28 圖 22 線圈的尺寸記號 29 圖 23 各槽的導(dǎo)體數(shù) 32 圖 24 此圖告知沒個位置的記號 33 圖 25 轉(zhuǎn)子槽開口部尺寸 34 圖 26 端環(huán)的尺寸記號 35 圖 27 槽的漏磁通 36 圖 28 線圈端的尺寸記號 37 圖 29 曲折漏磁通 37 圖 30 轉(zhuǎn)差率 38 7 第一章、 緒論 1馬達是制造業(yè)耗能的主體，近 10 多年來，日益嚴重的能源問題促使先進國家政府針對馬達能源效率訂定日益嚴苛的管制標(biāo)準(zhǔn)，亦推動馬達業(yè)者持續(xù)投入提升馬達效率的研發(fā)。 目前世上已有許多馬達設(shè)計軟體，對于馬達廠商或想要更深入了解馬達的朋友來說，是一大利多，馬達設(shè)計軟體，的確對于馬達設(shè)計上有很大的幫助，只需輸入一些參數(shù)，就能獲得馬達性能圖表，對于傳統(tǒng)馬達廠商或想要更深入了 解馬達的朋友來看，可說是十分神奇，但卻有種知其然不知所以然的復(fù)雜感覺。所以馬達設(shè)計手算方法，經(jīng)由手算一步一腳印的計算方式，能實際了解到馬達設(shè)計流程，需注意哪些重點，也知道每一個數(shù)值從哪里來，也就更能了解馬達。 1究背景 馬達的應(yīng)用在種產(chǎn)業(yè)中扮演非常重要之角色。為配合各種不同用途需求或提升原有產(chǎn)品之應(yīng)用范疇及競爭性，不能只藉由控制方法來解決相關(guān)問題，而是必須從改良馬達本體的設(shè)計工作著手。而馬達之開發(fā)設(shè)計，須分析產(chǎn)品的特性需求，應(yīng)用磁路分析軟體設(shè)計與模擬，并配合實際實驗測試來達成。對于大型的馬達制造廠商 及研究單位，不管是設(shè)計、研發(fā)、驗證等研究之工作，此種設(shè)計軟體可說是十分的 8 便利，增加不少的助益。但是對于中小企業(yè)的傳統(tǒng)廠家而言，基于成本的考量，往往沒有能力購買這些設(shè)計軟體，僅能依據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗來繼續(xù)以往的工作。本專題利用許溢適教授編譯的實用電動機設(shè)計手冊為馬達設(shè)計依據(jù)。以 由一步步的計算方式，實際充分地了解馬達的設(shè)計流程，可知道需注意那些重點，也清楚整個數(shù)值的來龍去脈，因此也就更能了解馬達的設(shè)計，進而能掌握設(shè)計的重點。 1坊間大廠商所使用的馬達 設(shè)計軟體價格昂貴，設(shè)計人員僅需從視窗上輸入?yún)?shù)，就能獲得馬達的相關(guān)性能圖表，可說是十分便利。但這些軟體的價格通常是中小企業(yè)所望塵莫及的，因此如果能自行開發(fā)實用又具教學(xué)性能的設(shè)計軟體，則可在有限資源下創(chuàng)造出最大的利潤。 在整個產(chǎn)學(xué)合作的過程，參與研究同學(xué)可更加了解馬達設(shè)計的相關(guān)流程及知識，最后的產(chǎn)出更可用于教學(xué)上，故是創(chuàng)造了雙贏的局面。 1馬達的設(shè)計，不僅僅是一門實用的科技，更可說是引人入勝的藝術(shù)。好的設(shè)計不僅提升整體的效率，更能節(jié)省相關(guān)的成本。不好的設(shè)計則可能使馬達更加耗 能，也浪費更多廠商及使用者的資源。 9 到底如何才能做好馬達的設(shè)計工作，最好的方法就是一步一腳印的從基礎(chǔ)開始著手，并且通盤考量所有的細節(jié)。這種務(wù)實的作法，必能達到最佳設(shè)計。 1本報告的架構(gòu)安排如下，第二章我們將介紹馬達種類、優(yōu)缺點、以及運用、功能特色等等介紹。 在第三章我們將介紹 市面上馬達設(shè)計軟體特性之介紹，及我們選擇設(shè)計軟體之種類和原因。 在第四章里我們說明利用選擇之軟體，如何設(shè)計單相感應(yīng)馬達和三相感應(yīng)馬達，設(shè)計項目包含 :馬達規(guī)格、外觀尺寸、轉(zhuǎn)子、定子等等參數(shù)，藉由方塊流程圖位各位介紹。 在第五 章我們 利用手算法的步驟建檔于 分析單相感應(yīng)馬達和三相感應(yīng)馬達，當(dāng)改變馬達外觀設(shè)定和輸入的變化對馬達的影響，并加注公式以及說明 。 10 第二章、馬達介紹 2電動機如依照其使用的目的來分類，則種類相當(dāng)龐雜，如以轉(zhuǎn)動和移動而分類則，如前面所介紹的可分成普通電動機和線型電動機，而普通電動機因其使用之電源有交流電及直流電，而有所謂的交流馬達和直流馬達，在使用馬達前需先了解其使用的電源是直流電還是交流電，如果是交流電，還需知道它是三相還是單相的交流電，接錯電源會 導(dǎo)致不必要的損失和危險。除此之外，應(yīng)了解不同電動機的特性及啟動方法。 不同設(shè)計的馬達有不同的啟動方式和動力特性，而適用于不同用途的機械中，例如有些馬達有高轉(zhuǎn)矩和扭力，而有些馬達則能定速旋轉(zhuǎn)，或者轉(zhuǎn)幾分之一圈，一般而言驅(qū)動機器的能力以輸出的功率來計算，馬達輸出功率的單位為馬力（ 稱 1馬力（ =746瓦特（ W），馬力愈高在單位時間里輸出的功也愈大，在機械中主要的驅(qū)動馬達，都需要比較大的動力，而作為控制用途如定位、定速等的馬達，則輸出功率較小。 2DC 直流馬達的基本工作原理是靠電流在放置在磁場內(nèi)的線圈 (電樞 ) 中流動，根據(jù) s 時線圈會產(chǎn)生動 11 力 (即扭矩 ) 從而使其轉(zhuǎn)動，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)至與磁力線平行時，換向器會把由炭刷傳來的電流掉換方向，使線圈能夠繼續(xù)轉(zhuǎn)動。就這樣，線圈便能不停地在軸心上旋轉(zhuǎn)了。 傳統(tǒng)的直流馬達可分為串激式 (并激式 (類 ,串激式意即將電樞與制造電磁場的線圈 (即上圖中的磁鐵 ) 以并聯(lián)的方式接連起來；而并激式則把電樞與線圈以串聯(lián) 的方式接連起來 ,并激式的優(yōu)點是由于它的電阻較小 ， 因此會產(chǎn)生較大的扭力 * (所以在早期的電動列車中 ， 多數(shù)會采用并激式馬達 ， 但它雖然能夠產(chǎn)生較大的扭力 ， 但它的扭力是固定不能調(diào)校的 ， 但列車在行駛時所需的扭力則是不斷地變化的 ， 所以有時候它會因所施的扭力過大而導(dǎo)致機件損壞。 直流馬達的基本工作原理是靠電流在放置在磁場內(nèi)的線圈 (電樞 ) 圖 1 直流馬達基本構(gòu)造圖 一般的直流馬達如圖 2 所示，包含周圍磁場（永久磁鐵或電磁鐵）、電刷、整流子等元件，電刷和整流子將外部所供應(yīng)的直流電源， 12 持續(xù)地供應(yīng)給轉(zhuǎn)子的線圈 ，并適時地改變電流的方向，使轉(zhuǎn)子能依同一方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)。 圖 2 直流馬達包含定子磁場、電刷、整流子及轉(zhuǎn)子 直流馬達的優(yōu)點有速度調(diào)整容易，啟動轉(zhuǎn)矩較大等，但是電刷與整流子保養(yǎng)維修不易，因此有所謂的無刷型直流馬達，如圖 3所示為電腦軟式磁碟機中轉(zhuǎn)動磁碟片的馬達，定子磁場的線圈如圖 4左，轉(zhuǎn)子為圖 4右之永久 磁鐵。 圖 3 電腦軟式磁碟機中轉(zhuǎn)動磁碟片的馬達 13 圖 4 定子磁場的線圈如左，轉(zhuǎn)子為圖五右之 永久磁鐵。 直流馬達廣泛地用在消費電子產(chǎn)品及玩具，如電動刮胡刀、錄音機、錄影機、 盤、模型汽車、火車等，而大輸出功率的直流電動機則使用在電車、快速電梯、工作母機等。圖 5 直流馬達應(yīng)用在時鐘。圖 6直流馬達應(yīng)用在吹風(fēng)機中（交流電經(jīng)整流成直流電）。 圖 5 直流馬達應(yīng)用在時鐘 14 圖 6 直流馬達應(yīng)用在吹風(fēng)機中 2單相交流馬達的基本工作原理與直流馬達差不多 ， 只不過是因為交流電是由正負電壓循環(huán)而成 ， 以致交流馬達并不需要轉(zhuǎn)換器 ， 只需靠匯電環(huán)將電流送到電樞便可 ， 而這種馬達亦被稱為同步馬達。但在實際上所應(yīng)用的交流馬達 ， 則是下圖中的感應(yīng)馬達 (它的工作原理是利用三 對固定的電磁鐵 (定子 ) 對稱地分布在圓周上 ， 而中間則放置一個裝有銅棒的鐵質(zhì)圓柱 (轉(zhuǎn)子 )。當(dāng)三組電磁鐵都接通交流 (三相 *) 電源時 ， 轉(zhuǎn)子將被一個旋轉(zhuǎn)磁場所環(huán)繞 ，這時由于電磁感應(yīng)而在銅棒內(nèi)產(chǎn)生的渦電流 (便會使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 (s 15 圖 7 單相交流馬達基本構(gòu)造圖 由于交流電的電壓和電流隨時間而變動，因此將交流電通過馬達的定子線圈，所產(chǎn)生的磁場并不是一個固定的磁場，而是隨時間而變化 極的變動磁場，利用此特性，可經(jīng)設(shè)計讓周圍磁場 在不同時間、不同的位置推動轉(zhuǎn)子，使其持續(xù)運轉(zhuǎn)，就如同周圍站了一圈的同學(xué)，大家順序伸手去推中間那一位同學(xué)轉(zhuǎn)動一樣，大家推的時間不一樣，因此轉(zhuǎn)子的和力不等于零，因此若要轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)，我們必須讓周圍的磁場在不同的時間來產(chǎn)生 極，所以周圍磁場的線圈常分為幾組，通以不同相位的交流電。 市電提供單相（圖 8）和三相（圖 9）的交流電，一般家庭都使用單相的電源，因此家庭里使用的都是單相的交流馬達，為了在周圍磁場產(chǎn)生不同的相位，電容啟動馬達在一組周圍磁場線圈串接一個電容器（分相電容），以使與其他組線圈產(chǎn)生相位差，如電風(fēng)扇 、家庭用水加壓機等，如 (圖 10)為電風(fēng)扇使用單相交流馬達及分相電容。 16 在工廠里三相的交流電動機，因結(jié)構(gòu)單純、動作確實而廣泛地被采用，其接線如圖，需反方向旋轉(zhuǎn)時，只需將三相電源中的 相兩條線交換即可。 圖 8 單相的交流電 圖 9 三相的交流電 17 圖 10 電風(fēng)扇使用單相交流馬達及分相容 2應(yīng)馬達 1. 電源相數(shù)分類 (1)單相感應(yīng)馬達 (全為鼠籠式 ) 。 (2)多相感應(yīng)馬達 二相、三相 。 (分為 :繞線型、鼠籠型 ) 。 2. 轉(zhuǎn)子構(gòu)造分類 (1)繞線型轉(zhuǎn)子 : 轉(zhuǎn)子放有三相平衡繞組，經(jīng)由碳刷滑環(huán)接到外面之電阻，改變外 加電阻值，可以得所需啟動特性及并可改變速度。 (2) 鼠籠型轉(zhuǎn)子 : 轉(zhuǎn)子為一些短路銅條，無法如繞線式轉(zhuǎn)子繞組之電阻?？擅芊?、少維護、體積小。 18 3. 電源電壓分類 (1)單電壓 低壓 220V、 380V、 440V。 高壓 (2)雙電壓 形接法 20V。 串并聯(lián)接法 20V、 220/440V。 4. 極數(shù)分類 (1)單極： 2極、 4極、 6極、 8極、 12極、 24極、 48極。 (2)雙極： 2/4極、 4/6極、 4/8極、 6/8極、 6/12極。 5. 使用額定分類 (1)連續(xù)額定。 (2)短時間額定。 (3)反復(fù)額定。 6. 轉(zhuǎn)矩特性分類 常啟動轉(zhuǎn)矩，正常啟動電流，低轉(zhuǎn)差率。 常啟動轉(zhuǎn)矩，低啟動電流，低轉(zhuǎn)差率。 啟動轉(zhuǎn)矩，低啟動電流，低差率適中。 啟動轉(zhuǎn)矩，低啟動電流，高轉(zhuǎn)差率。 19 7. 絕緣等級分類 (1)高容許溫度 105 c。 (2)高容許溫度 120 c。 (3)高容許溫度 130 c。 (4)高容許溫度 155 c。 (5)高容許溫度 180 c。 馬達的設(shè)計上，除了利用交流電相位的變化以產(chǎn)生變動的磁場外，更可以利用變動的周圍磁場，以感應(yīng)中間轉(zhuǎn)子以產(chǎn)生磁場，如此轉(zhuǎn)子可以不必再纏繞線圈 ，亦不需有炭刷等構(gòu)造，而可簡化轉(zhuǎn)子的構(gòu)造，如感應(yīng)電動機（單相和三相）的鼠籠轉(zhuǎn)子，在積迭的鐵心中穿插銅棒或鋁棒，兩端利用短路環(huán)短路變成鼠籠型，經(jīng)周圍變動磁場感應(yīng)，產(chǎn)生渦流及磁力而旋轉(zhuǎn)，如圖 13。 圖 11 鼠籠轉(zhuǎn)子構(gòu)造 20 圖 12 感應(yīng)馬達 (鼠籠式 )結(jié)構(gòu)簡圖 這種馬達由于是全靠電磁感應(yīng)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電 流而轉(zhuǎn)動，而無需靠碳刷去把電流傳到轉(zhuǎn)子上，所以能夠大幅減少保養(yǎng)工作，另外它的簡單構(gòu)造亦使生產(chǎn)變得容易，直接減低制造成本。在早年，因為難以有方法去改變交流電的頻率去控制其轉(zhuǎn)速，但自從變壓變頻技術(shù)能作實際應(yīng)用后，使三相交流馬達成為驅(qū)動列車的主流。 21 第三章、 使用程式介紹 3一般市面上設(shè)計馬達軟體有 ， 等等 1 . 定比較不人性化。 2 . 是也沒好多少啦， 可以對不只馬達做分析只要跟磁，溫度，噪音有關(guān)的，適合做一些較創(chuàng)新的研究本身有簡單的馬達設(shè)計軟體，可以輸出給 3 . 一次就不太想碰。 4 . 面蠻容易上手，運算也很快但我總覺得，有時候設(shè)定不知為啥無法分析有些功能沒有完成，現(xiàn)在的版本不知有沒好點本身有簡單的 可以輸出到 5 . 后來用過以上軟體后，再用 可以自己創(chuàng)造定轉(zhuǎn)子自由度很高，你就算定轉(zhuǎn)子都是磁鐵也可以 (當(dāng)然是不會轉(zhuǎn) )所以他沒有串激模組，他的 2 圈定子就變串激，也就是說你一個轉(zhuǎn)子可以做串激也可以做 有的自由度但是也造成它有別人沒有的缺點 猜都是以算試去計算馬達特性，所以很快得到結(jié)果而 以速度很慢但他得到的馬達輸出資料，我又覺得比 3 一開始原本是想購買其中一套軟體來研究，但是發(fā)現(xiàn)市面上的馬達軟體都非常昂貴，專題研究經(jīng)費無法資助購買，且在購買前有做一點研究，發(fā)現(xiàn)他們都有一些缺點，且不益上手，對于所學(xué)有限的我們實在很不方便，甚至有些軟體還沒有中文，因此決定用 我們會用 他有很多自動計算 的功能，符合當(dāng)我們在設(shè)計馬達需要設(shè)定不同的參數(shù)來做比較時，較容易隨時修改，不用一步步的去做，提高我們在做設(shè)計時的效率，因此我們選擇 馬達廠商 或是想要更深入了解馬達的朋友覺得馬達設(shè)計也能夠非常容易。 23 我們利用手算法的步驟建檔于 分析單相感應(yīng)馬達和三相鼠籠式感應(yīng)馬達，當(dāng)改變馬達外觀設(shè)定和輸入的變化對馬達的影響，并加注公式以及說明，計算的步驟十分繁瑣，表單中藍色字體，是需要個人設(shè)計，紅色為設(shè)計范圍值，其余皆為電腦計算數(shù)值。 24 第四章、專題研究成果 4題制作之流程圖 圖 13 單相感應(yīng)馬達設(shè)計流程圖 25 圖 14 三相感應(yīng)馬達設(shè)計流程圖 26 4題制作之手算法流程解說 單相感應(yīng)馬達 第一步 設(shè)定馬達的規(guī)格 一些基本參數(shù)，想改變的數(shù)值 1例如：電壓、頻率和極數(shù) ) 7就好小于 1500(參考范圍值 ) 圖 15 主要外型尺寸 27 第二步 設(shè)計外觀尺寸 輸入我們想要的外觀參數(shù) 1123都告訴我們參考值 圖 16 鐵心的主要尺寸記號 28 第三步 幫我們計算出 主線圈 )的數(shù)據(jù) 28下來的是我們利用設(shè)計出來的軟體計算出的結(jié)果，此數(shù)據(jù)可計算硅鋼片各部份的持通密度 檢查是否發(fā)生飽和。 29 圖 17 磁動勢分布 圖 18線圈的配置 30 第四步 幫我們計算出 輔助線圈 )的數(shù)據(jù) 46有告訴我們的參考值，匝比要由使用者輸入，為主輔線圈的比例值，使用主輔線圈產(chǎn)生 90電氣角，不足的不份再以電容加強。 31 第五步 定子部份設(shè)計 尺寸設(shè)計的影響 72、 75、 76會給參考值， 以電流密度加以計算，因此就要依此顆馬達算熱和漆包線的耐溫程度來設(shè)計。 圖 19 定子槽的尺寸 32 第六步是設(shè)計轉(zhuǎn)子部分 主要是以銅跟鋁的導(dǎo)磁能力以及轉(zhuǎn)子與定子中的磁通密度比，其實應(yīng)該有更嚴謹?shù)挠嬎惴绞剑粫r還未能找到，故使用此一經(jīng)驗數(shù)值。 圖 20 轉(zhuǎn)子槽與端環(huán)的尺寸 33 第七步激磁特性 其中須輸入的部份為硅鋼片的特性，輸入在某一磁場強度時，此類硅鋼片的磁化力數(shù)據(jù)。 34 圖 21 槽節(jié)距的尺寸記號 第八步是計算電阻部份 其中需要輸入輔助線圈徑的部份，不同于主線圈，不需考量電流密度及溫升的問題，主要是以槽內(nèi)所剩面積去計算。 35 圖 22 線圈的尺寸記號 第九步是計算感抗部份 其中有一斜槽值要設(shè)定，是以槽數(shù)為單位，般是斜 115槽之間，也可不作斜槽，則輸入零。另外值得注意的，補助電容值也在此步驟設(shè)定，到時可依值選購電容，計算時是以相差 90度角為標(biāo)準(zhǔn)，實際使用時可以稍小于 90度。 36 第十步鐵損值 37 三相鼠籠式感應(yīng)馬達 第一步 設(shè)定馬達的規(guī)格 一些基本參數(shù)，想改變的數(shù)值 1例如： 電壓、頻率和極數(shù) ) 7就好小于 1500(參考范圍值 ) 38 第二步是