1. Design and arc-shaped magnet to reduce the cogging torque of permanent-magnet synchronous generator 鄭超元 張書瑋 Chao-Yuan Cheng Shu-Wei Chung 聖約翰科技大學電機工程系 Department of Electrical Engineering, St. John’s University

3. 一、前言 風力發電設備 發電機的效率 厚薄大小 形狀設計 材料種類 形狀設計 厚薄大小 銅線種類 銅線線徑與圈數 繞線方式 材料種類

4. 二、材料介紹 永磁電機的性能、設計、應用與永磁材料非常密切，種類眾多，若能慎選磁石的等級與大小，可大幅降低製造的成本，性能也能提高。 A. 鋁鐵鈷材料 B. 鐵氧材料 C. 稀土永磁材料

5. 高 溫 度係數比鐵氧材料低，穩定性好，但材質較硬而脆，抗拉和抗彎強度均較低，價格上較為昂貴 稀土永磁材料 分為三種 稀土鈷 (rare-earth magnets) 銣鐵硼 (Nd-Fe-B magnets) 膠粘磁鐵 (bonded magnets) 剩磁感應強度 Br 稀土鈷 (rare-earth magnets)c 磁感應矯頑力 Hc 最大磁能積 (BH) max

6. 磁通磁場的定義 μ

7. 磁石種類優缺點比較表

8. A. 以矽鋼沖片堆疊製成，而它是含矽高達 0.8 ％ -4.8 ％的電工矽鋼，經熱、冷軋製成。 B. 一般厚度在 1mm 下，故稱矽鋼薄板，矽鋼片廣義為板材類 C. 矽鋼薄板具有優良的電磁性能 D. 為儀表或電訊工業中不可缺少的軟性磁性材料

9. 矽鋼片軟磁材料特性介紹圖

10. 三、電機設計 旋轉電機可分為內轉式與外轉式二種 ： 電機之轉子結構方式： (a) 內轉式； (b) 外轉式 外轉式 ： 為定子固定在內部，而轉子套在定子外面 內轉式 ： 為定子在外面，轉子在內側 ， 通過轉子電機外部 的軸承與其他機器聯接，以傳遞機械功率

11. 凸極式 非凸極式

12. 本研究分析使用之分析軟體為 Ansoft 的 RMxprt 與 Maxwell V11 STEP 1 ： 設定定子槽型與轉子的尺寸與形狀 參數 STEP 2 ： 設定定子材料 參數 STEP 3 ： 設定磁鐵材料與 設計 磁鐵形狀 參數 STEP 4 ： 設定繞組形式及數量 參數 後段 求解器求得靜態磁場與磁路飽和程度

13. 本研究以一 10 極 12 槽作為研究的範例 相同 定子體積 、材料種類、尺寸參數 相同磁石體積、材料種類、尺寸參數 相同銅線繞組匝數 相同 線徑 、繞法 改變磁極弧度

14. 磁力吸引造成頓轉矩 頓轉矩的發生為轉子永久磁石與定子槽位置改變時，氣隙磁阻隨著位置變化，磁路的磁通與磁場能量也會隨之變化，進而產生振動及噪音。

15. 10 集 12 槽發電機設計參數 10 極 12 槽 600Rpm 200W 之發電機 額定轉速 (Rpm) 600 額定電壓 (VAc) 110 槽數 (Ns) 12 S 極數 (Nm) 10 P 定子材料 Steel Type 50H600 磁鐵材料 Magnet Type N35H 定子內徑 / 外徑 (mm) 53 / 94 轉子內徑 / 外徑 (mm) 12 / 52 磁石厚度 (mm) 3 p 銅線線徑 (mm) 0.6 匝數 280

16. 三相 12 槽繞組繞法 定子對應繞組槽數圖

17. Stator Rotor NdFeB Magnet Coil 10 極 12 槽發電機構造

18. 本研究共有試驗五種修弧狀況，分別為 1/2 、 1/3 、 2/3 、 3/4 、 1/4 積厚修弧距離 1 效降低頓轉矩發生的可能性 修 弧時，頓轉矩降低的最佳化比例與飽和點 瞭解磁鐵修弧對電機的效率與特性中間的關係

19. 所謂磁石修弧即磁石中央高度 m1 距離不變，以調整磁石厚度 m2 距離，改變弧表面弧長 (pole Arc ) ，如此來觀察氣隙磁通變化，頓轉矩對發電機效率之影響程度

20. B. 修弧 3/4 ，距離 0.75mm ，頓轉矩之受力情況 A. 以距離 3mm 時，完全不修弧，頓轉矩之受力情況

21. B. 修弧 2/3 ，距離 1mm ，頓轉矩之受力情況 A. 以距離 3mm 時，完全不修弧，頓轉矩之受力情況

22. A. 以距離 3mm 時，完全不修弧，頓轉矩之受力情況 B. 修弧 1/2 ，距離 1.5mm 時，頓轉矩之受力情況

23. B. 修弧 1/3 ，距 2mm ，頓轉矩之受力情況 A. 以距離 3mm 時，完全不修弧，頓轉矩之受力情況

24. B. 修弧 1/4 ，距離 2.75mm ，頓轉矩之受力情況 A. 以距離 3mm 時，完全不修弧，頓轉矩之受力情況

26. 本研究係利用學理基礎與結構設計能力，建構電磁分析與 電氣設計核心技術，提供電機設計之參考依據，有效縮短開發 時程，以增加產品競爭力提高附加價值； 其研究重點將鎖定在： 未來研究方向： ‧ 高飽合磁通分析設計 ‧ 低鐵損高導磁矽鋼片優配技術分析 ‧ 低諧波磁路分析設計 ‧ 低頓轉轉矩設計 ‧ 感應電動勢分析設計

27. 五、參考文獻 [1] M. Aydin ，「 Proceedings of the 2008 International Conference on Electrical Machines 」 Paper ID 1186 [2] 1 黃昌圳， 2 郭景全，資訊電機工程碩士在職專班碩士論文「降低永磁無刷馬 達頓轉轉矩之研究」 [3] 1 丁家敏， 2 周信宏，財團法人工業技術研究院經濟部工業局 99 年度，機械產 業藍領及白領人才培訓計畫，「馬達與驅動器開發與設計」， 16 、 48~53 頁。 [4] 1 葉勝年， 2 蕭鈞毓，國立台灣大學電機工程系碩士專班 碩士學位論文 「六相及雙三相繞組永磁式同步電機之分析及設計」。 [5] Hanselman, “ Brushless Permanent Magnet Motor design ” 2007 ， 59~236 頁。 [6] Krishnan, “permanent magnet synchronous and brushless dc motor drives”2009 ， 50~10