【毕业学位论文】（Word原稿）使用Excel辅助感应马达设计软体开发-电机工程

1 圣约翰科技大学专题研究 使用 单 位 ： 电 机 系 职 级 ： 副 教 授 姓 名 ： 杨 明 达 2008年 3月 日 期 ： 97 年 3 月 11 日 2 摘要 本专题为 产学合作计划案 ，其主旨为利用手算法的步骤建档于分析单相感应马达和三相感应马达。 经由手算一步一脚印的计算方式，能实际了解到马达设计流程，需注意哪些重点，也知道每一个数值从哪里来，也就更能了解马达。 让马达厂商或是想要更深入了解马达的朋友觉得马达设计也能够非常 容易。 经过马达厂商的测试过后，软体使用的结果非常满意，提升他们在马达设计上的效率 。且 在整个产学合作的过程，可更加了解马达设计的相关流程及知识，最后的产出更可用于教学上，故是创造了双赢的局面。 3 目录 摘要 图目录 第一章、 绪论 1 1究动机 1 1究背景 1 1究目的 2 1究的重要性 2 1告架构 3 第二章、马达阐述 4 2达种类及原理介绍 4 2流马达 4 2流马达 8 2应马达 11 第三章、 使用程式介绍 15 3 拟程式种类 15 3式选择 16 第四章、专题研究过程与成果 18 4 4题制作之流程图 18 4题制作之手算法流程解说 20 附录 39 参考文献 40 5 图目录 图 1 直流马达基本构造图 5 图 2 直流马达包含定 子磁场、电刷、整流子及转子 6 图 3 电脑软式磁碟机中转动磁碟片的马达 6 图 4 定子磁场的线圈如左，转子为右之永久磁铁 7 图 5 直流马达应用在时钟 7 图 6 直流马达应用在吹风机中 8 图 7 单相交流马达基本构造图 9 图 8 单相的交流电 10 图 9 三相的交流电 10 图 10 电风扇使用单相交流马达及分相容 11 图 11 鼠笼转子构造 13 图 12 感应马达 (鼠笼式 )结构简图 14 图 13 单相感应马达设计流程图 18 图 14 三相感应马达设计流程图 19 图 15 主要外型尺寸 20 图 16 铁心的主要尺寸记号 21 图 17 磁动势分布 23 6 图 18 线圈的配置 23 图 19 定子槽的尺寸 25 图 20 转子 槽与端环的尺寸 26 图 21 槽节距的尺寸记号 28 图 22 线圈的尺寸记号 29 图 23 各槽的导体数 32 图 24 此图告知没个位置的记号 33 图 25 转子槽开口部尺寸 34 图 26 端环的尺寸记号 35 图 27 槽的漏磁通 36 图 28 线圈端的尺寸记号 37 图 29 曲折漏磁通 37 图 30 转差率 38 7 第一章、 绪论 1马达是制造业耗能的主体，近 10 多年来，日益严重的能源问题促使先进国家政府针对马达能源效率订定日益严苛的管制标准，亦推动马达业者持续投入提升马达效率的研发。 目前世上已有许多马达设计软体，对于马达厂商或想要更深入了解马达的朋友来说，是一大利多，马达设计软体，的确对于马达设计上有很大的帮助，只需输入一些参数，就能获得马达性能图表，对于传统马达厂商或想要更深入了 解马达的朋友来看，可说是十分神奇，但却有种知其然不知所以然的复杂感觉。所以马达设计手算方法，经由手算一步一脚印的计算方式，能实际了解到马达设计流程，需注意哪些重点，也知道每一个数值从哪里来，也就更能了解马达。 1究背景 马达的应用在种产业中扮演非常重要之角色。为配合各种不同用途需求或提升原有产品之应用范畴及竞争性，不能只藉由控制方法来解决相关问题，而是必须从改良马达本体的设计工作着手。而马达之开发设计，须分析产品的特性需求，应用磁路分析软体设计与模拟，并配合实际实验测试来达成。对于大型的马达制造厂商 及研究单位，不管是设计、研发、验证等研究之工作，此种设计软体可说是十分的 8 便利，增加不少的助益。但是对于中小企业的传统厂家而言，基于成本的考量，往往没有能力购买这些设计软体，仅能依据以往的设计经验来继续以往的工作。本专题利用许溢适教授编译的实用电动机设计手册为马达设计依据。以 由一步步的计算方式，实际充分地了解马达的设计流程，可知道需注意那些重点，也清楚整个数值的来龙去脉，因此也就更能了解马达的设计，进而能掌握设计的重点。 1坊间大厂商所使用的马达 设计软体价格昂贵，设计人员仅需从视窗上输入参数，就能获得马达的相关性能图表，可说是十分便利。但这些软体的价格通常是中小企业所望尘莫及的，因此如果能自行开发实用又具教学性能的设计软体，则可在有限资源下创造出最大的利润。 在整个产学合作的过程，参与研究同学可更加了解马达设计的相关流程及知识，最后的产出更可用于教学上，故是创造了双赢的局面。 1马达的设计，不仅仅是一门实用的科技，更可说是引人入胜的艺术。好的设计不仅提升整体的效率，更能节省相关的成本。不好的设计则可能使马达更加耗 能，也浪费更多厂商及使用者的资源。 9 到底如何才能做好马达的设计工作，最好的方法就是一步一脚印的从基础开始着手，并且通盘考量所有的细节。这种务实的作法，必能达到最佳设计。 1本报告的架构安排如下，第二章我们将介绍马达种类、优缺点、以及运用、功能特色等等介绍。 在第三章我们将介绍 市面上马达设计软体特性之介绍，及我们选择设计软体之种类和原因。 在第四章里我们说明利用选择之软体，如何设计单相感应马达和三相感应马达，设计项目包含 :马达规格、外观尺寸、转子、定子等等参数，藉由方块流程图位各位介绍。 在第五 章我们 利用手算法的步骤建档于 分析单相感应马达和三相感应马达，当改变马达外观设定和输入的变化对马达的影响，并加注公式以及说明 。 10 第二章、马达介绍 2电动机如依照其使用的目的来分类，则种类相当庞杂，如以转动和移动而分类则，如前面所介绍的可分成普通电动机和线型电动机，而普通电动机因其使用之电源有交流电及直流电，而有所谓的交流马达和直流马达，在使用马达前需先了解其使用的电源是直流电还是交流电，如果是交流电，还需知道它是三相还是单相的交流电，接错电源会 导致不必要的损失和危险。除此之外，应了解不同电动机的特性及启动方法。 不同设计的马达有不同的启动方式和动力特性，而适用于不同用途的机械中，例如有些马达有高转矩和扭力，而有些马达则能定速旋转，或者转几分之一圈，一般而言驱动机器的能力以输出的功率来计算，马达输出功率的单位为马力（ 称 1马力（ =746瓦特（ W），马力愈高在单位时间里输出的功也愈大，在机械中主要的驱动马达，都需要比较大的动力，而作为控制用途如定位、定速等的马达，则输出功率较小。 2DC 直流马达的基本工作原理是靠电流在放置在磁场内的线圈 (电枢 ) 中流动，根据 s 时线圈会产生动 11 力 (即扭矩 ) 从而使其转动，当线圈转至与磁力线平行时，换向器会把由炭刷传来的电流掉换方向，使线圈能够继续转动。就这样，线圈便能不停地在轴心上旋转了。 传统的直流马达可分为串激式 (并激式 (类 ,串激式意即将电枢与制造电磁场的线圈 (即上图中的磁铁 ) 以并联的方式接连起来；而并激式则把电枢与线圈以串联 的方式接连起来 ,并激式的优点是由于它的电阻较小 ， 因此会产生较大的扭力 * (所以在早期的电动列车中 ， 多数会采用并激式马达 ， 但它虽然能够产生较大的扭力 ， 但它的扭力是固定不能调校的 ， 但列车在行驶时所需的扭力则是不断地变化的 ， 所以有时候它会因所施的扭力过大而导致机件损坏。 直流马达的基本工作原理是靠电流在放置在磁场内的线圈 (电枢 ) 图 1 直流马达基本构造图 一般的直流马达如图 2 所示，包含周围磁场（永久磁铁或电磁铁）、电刷、整流子等元件，电刷和整流子将外部所供应的直流电源， 12 持续地供应给转子的线圈 ，并适时地改变电流的方向，使转子能依同一方向持续旋转。 图 2 直流马达包含定子磁场、电刷、整流子及转子 直流马达的优点有速度调整容易，启动转矩较大等，但是电刷与整流子保养维修不易，因此有所谓的无刷型直流马达，如图 3所示为电脑软式磁碟机中转动磁碟片的马达，定子磁场的线圈如图 4左，转子为图 4右之永久 磁铁。 图 3 电脑软式磁碟机中转动磁碟片的马达 13 图 4 定子磁场的线圈如左，转子为图五右之 永久磁铁。 直流马达广泛地用在消费电子产品及玩具，如电动刮胡刀、录音机、录影机、 盘、模型汽车、火车等，而大输出功率的直流电动机则使用在电车、快速电梯、工作母机等。图 5 直流马达应用在时钟。图 6直流马达应用在吹风机中（交流电经整流成直流电）。 图 5 直流马达应用在时钟 14 图 6 直流马达应用在吹风机中 2单相交流马达的基本工作原理与直流马达差不多 ， 只不过是因为交流电是由正负电压循环而成 ， 以致交流马达并不需要转换器 ， 只需靠汇电环将电流送到电枢便可 ， 而这种马达亦被称为同步马达。但在实际上所应用的交流马达 ， 则是下图中的感应马达 (它的工作原理是利用三 对固定的电磁铁 (定子 ) 对称地分布在圆周上 ， 而中间则放置一个装有铜棒的铁质圆柱 (转子 )。当三组电磁铁都接通交流 (三相 *) 电源时 ， 转子将被一个旋转磁场所环绕 ，这时由于电磁感应而在铜棒内产生的涡电流 (便会使转子转动 (s 15 图 7 单相交流马达基本构造图 由于交流电的电压和电流随时间而变动，因此将交流电通过马达的定子线圈，所产生的磁场并不是一个固定的磁场，而是随时间而变化 极的变动磁场，利用此特性，可经设计让周围磁场 在不同时间、不同的位置推动转子，使其持续运转，就如同周围站了一圈的同学，大家顺序伸手去推中间那一位同学转动一样，大家推的时间不一样，因此转子的和力不等于零，因此若要转子持续旋转，我们必须让周围的磁场在不同的时间来产生 极，所以周围磁场的线圈常分为几组，通以不同相位的交流电。 市电提供单相（图 8）和三相（图 9）的交流电，一般家庭都使用单相的电源，因此家庭里使用的都是单相的交流马达，为了在周围磁场产生不同的相位，电容启动马达在一组周围磁场线圈串接一个电容器（分相电容），以使与其他组线圈产生相位差，如电风扇 、家庭用水加压机等，如 (图 10)为电风扇使用单相交流马达及分相电容。 16 在工厂里三相的交流电动机，因结构单纯、动作确实而广泛地被采用，其接线如图，需反方向旋转时，只需将三相电源中的 相两条线交换即可。 图 8 单相的交流电 图 9 三相的交流电 17 图 10 电风扇使用单相交流马达及分相容 2应马达 1. 电源相数分类 (1)单相感应马达 (全为鼠笼式 ) 。 (2)多相感应马达 二相、三相 。 (分为 :绕线型、鼠笼型 ) 。 2. 转子构造分类 (1)绕线型转子 : 转子放有三相平衡绕组，经由碳刷滑环接到外面之电阻，改变外 加电阻值，可以得所需启动特性及并可改变速度。 (2) 鼠笼型转子 : 转子为一些短路铜条，无法如绕线式转子绕组之电阻。可密封、少维护、体积小。 18 3. 电源电压分类 (1)单电压 低压 220V、 380V、 440V。 高压 (2)双电压 形接法 20V。 串并联接法 20V、 220/440V。 4. 极数分类 (1)单极： 2极、 4极、 6极、 8极、 12极、 24极、 48极。 (2)双极： 2/4极、 4/6极、 4/8极、 6/8极、 6/12极。 5. 使用额定分类 (1)连续额定。 (2)短时间额定。 (3)反复额定。 6. 转矩特性分类 常启动转矩，正常启动电流，低转差率。 常启动转矩，低启动电流，低转差率。 启动转矩，低启动电流，低差率适中。 启动转矩，低启动电流，高转差率。 19 7. 绝缘等级分类 (1)高容许温度 105 c。 (2)高容许温度 120 c。 (3)高容许温度 130 c。 (4)高容许温度 155 c。 (5)高容许温度 180 c。 马达的设计上，除了利用交流电相位的变化以产生变动的磁场外，更可以利用变动的周围磁场，以感应中间转子以产生磁场，如此转子可以不必再缠绕线圈 ，亦不需有炭刷等构造，而可简化转子的构造，如感应电动机（单相和三相）的鼠笼转子，在积迭的铁心中穿插铜棒或铝棒，两端利用短路环短路变成鼠笼型，经周围变动磁场感应，产生涡流及磁力而旋转，如图 13。 图 11 鼠笼转子构造 20 图 12 感应马达 (鼠笼式 )结构简图 这种马达由于是全靠电磁感应使转子产生电 流而转动，而无需靠碳刷去把电流传到转子上，所以能够大幅减少保养工作，另外它的简单构造亦使生产变得容易，直接减低制造成本。在早年，因为难以有方法去改变交流电的频率去控制其转速，但自从变压变频技术能作实际应用后，使三相交流马达成为驱动列车的主流。 21 第三章、 使用程式介绍 3一般市面上设计马达软体有 ， 等等 1 . 定比较不人性化。 2 . 是也没好多少啦， 可以对不只马达做分析只要跟磁，温度，噪音有关的，适合做一些较创新的研究本身有简单的马达设计软体，可以输出给 3 . 一次就不太想碰。 4 . 面蛮容易上手，运算也很快但我总觉得，有时候设定不知为啥无法分析有些功能没有完成，现在的版本不知有没好点本身有简单的 可以输出到 5 . 后来用过以上软体后，再用 可以自己创造定转子自由度很高，你就算定转子都是磁铁也可以 (当然是不会转 )所以他没有串激模组，他的 2 圈定子就变串激，也就是说你一个转子可以做串激也可以做 有的自由度但是也造成它有别人没有的缺点 猜都是以算试去计算马达特性，所以很快得到结果而 以速度很慢但他得到的马达输出资料，我又觉得比 3 一开始原本是想购买其中一套软体来研究，但是发现市面上的马达软体都非常昂贵，专题研究经费无法资助购买，且在购买前有做一点研究，发现他们都有一些缺点，且不益上手，对于所学有限的我们实在很不方便，甚至有些软体还没有中文，因此决定用 我们会用 他有很多自动计算 的功能，符合当我们在设计马达需要设定不同的参数来做比较时，较容易随时修改，不用一步步的去做，提高我们在做设计时的效率，因此我们选择 马达厂商 或是想要更深入了解马达的朋友觉得马达设计也能够非常容易。 23 我们利用手算法的步骤建档于 分析单相感应马达和三相鼠笼式感应马达，当改变马达外观设定和输入的变化对马达的影响，并加注公式以及说明，计算的步骤十分繁琐，表单中蓝色字体，是需要个人设计，红色为设计范围值，其余皆为电脑计算数值。 24 第四章、专题研究成果 4题制作之流程图 图 13 单相感应马达设计流程图 25 图 14 三相感应马达设计流程图 26 4题制作之手算法流程解说 单相感应马达 第一步 设定马达的规格 一些基本参数，想改变的数值 1例如：电压、频率和极数 ) 7就好小于 1500(参考范围值 ) 图 15 主要外型尺寸 27 第二步 设计外观尺寸 输入我们想要的外观参数 1123都告诉我们参考值 图 16 铁心的主要尺寸记号 28 第三步 帮我们计算出 主线圈 )的数据 28下来的是我们利用设计出来的软体计算出的结果，此数据可计算硅钢片各部份的持通密度 检查是否发生饱和。 29 图 17 磁动势分布 图 18线圈的配置 30 第四步 帮我们计算出 辅助线圈 )的数据 46有告诉我们的参考值，匝比要由使用者输入，为主辅线圈的比例值，使用主辅线圈产生 90电气角，不足的不份再以电容加强。 31 第五步 定子部份设计 尺寸设计的影响 72、 75、 76会给参考值， 以电流密度加以计算，因此就要依此颗马达算热和漆包线的耐温程度来设计。 图 19 定子槽的尺寸 32 第六步是设计转子部分 主要是以铜跟铝的导磁能力以及转子与定子中的磁通密度比，其实应该有更严谨的计算方式，但一时还未能找到，故使用此一经验数值。 图 20 转子槽与端环的尺寸 33 第七步激磁特性 其中须输入的部份为硅钢片的特性，输入在某一磁场强度时，此类硅钢片的磁化力数据。 34 图 21 槽节距的尺寸记号 第八步是计算电阻部份 其中需要输入辅助线圈径的部份，不同于主线圈，不需考量电流密度及温升的问题，主要是以槽内所剩面积去计算。 35 图 22 线圈的尺寸记号 第九步是计算感抗部份 其中有一斜槽值要设定，是以槽数为单位，般是斜 115槽之间，也可不作斜槽，则输入零。另外值得注意的，补助电容值也在此步骤设定，到时可依值选购电容，计算时是以相差 90度角为标准，实际使用时可以稍小于 90度。 36 第十步铁损值 37 三相鼠笼式感应马达 第一步 设定马达的规格 一些基本参数，想改变的数值 1例如： 电压、频率和极数 ) 7就好小于 1500(参考范围值 ) 38 第二步是