篇論文榮獲2012電力電子研討會優秀論文獎!!

以印刷電路板實現軸向式馬達定子繞組於電動自行車之應用


楊甫尊、鄒應嶼

電力電子系統與晶片實驗室
國立交通大學 電機與控制工程學系

2012911

 目  錄 

1. 簡介

2. 印刷電路板定子繞組設計方法

3. 單片印刷電路板定子繞組測試方法
 

4. 測試結果與分析

5. 結論

參考文獻

本論文針對應用於電動自行車且採用無鐵心(coreless)設計之軸向式馬達(axial-flux motor)進行分析與探討,因其定子繞組並非固定於矽鋼片上,而是以特殊樹脂材料加以固定線圈,因此,此類馬達定子繞組在製作上須賴以手工繞製而使其無法進行大量生產及產生品質不一等缺點,為改善上述之缺點,本論文利用印刷電路板(printed circuit board, PCB)取代既有以銅線纏繞之軸向式馬達定子繞組,針對在相同轉子磁通量分布下提出印刷電路板之定子繞組設計方法,包括印刷電路板佈線設計、測試平台的建立以及樣品之實測結果分析。在馬達測試方面,本論文針對此馬達分兩部份進行單片印刷電路板定子繞組測試,其一為馬達操作於發電機模式時,量測其所感應之反抗電動勢,藉由三相反抗電動勢波形估測其反抗電動勢常數、總諧波失真(total harmonic distortion, THD)、磁通量分布及參數鑑別等,可推論所設計之馬達其反抗電動勢近似正弦波,總諧波失真約為7%。其次則為馬達操作於電動機模式時,針對其單片定子繞組進行驅動控制測試,其利用線性型霍爾感測器訊號做為轉子位置之參考,以正弦脈波寬度調變(sinusoidal PWM, SPWM)進行驅動控制之模擬與實驗分析,並進行溫度及集膚效應等相關測試。測試結果得以驗證軸向式馬達使用印刷電路板定子繞組的可行性與效能。

Note: 本文僅為部分摘要原稿發表於2012年第 十一屆台灣電力電子研討會,並榮獲『優秀論文獎』。

[頒獎實況]

1.

 軸向式馬達(axial-flux motor)有別於一般徑向式馬達(radial-flux motor),其磁力線流動方向與定子轉軸相互平行,而定子線圈則沿著徑向纏繞,且因馬達外表多為圓盤形狀,故亦稱為碟型馬達(disk motor)或薄型馬達(pancake motor)[1]。此外,軸向式馬達屬永磁同步馬達的一種,具備了永磁同步馬達基本的特性與優點,在軸向式馬達的應用中,其馬達結構由一組定子繞組搭配單一轉子,例如:磁碟機主軸馬達等,但此結構造成馬達作用力不平衡等缺點,因此,藉由改變馬達結構為雙轉子搭配一組定子繞組(外轉式)或雙定子繞組搭配單一轉子(內轉式)結構,便可使馬達作用力平衡且提升整體效能,也因其特殊結構之設計,故多應用於發電系統或電動載具等[2][3]。
目前市面上之電動自行車多以無刷直流或永磁交流輪毂馬達為主,而其內部包含減速機構,例如:行星齒輪(planet-gear)等,且多置於前輪或後輪進行驅動控制,此外,其所使用之電池電壓為24至36伏特,而使得能達成的性能有限。本論文所使用之軸向式馬達為「中置同軸」設計,以前齒盤經由鏈條帶動後齒盤轉動,此外,此軸向式馬達採用無鐵心(coreless)之設計,即其定子繞組並非固定於矽鋼片上,而是以特殊樹脂材料加以固定線圈,因此,此類馬達定子繞組在製作上須賴以手工繞製而使其無法進行大量生產或發生品質不一等缺點。為解決上述之缺點,本論文利用印刷電路板(printed circuit board, PCB)取代既有以銅線纏繞之軸向式馬達定子繞組,針對在相同轉子磁通量分布下提出印刷電路板之定子繞組設計方法。PCB定子繞組設計目前多為低功率馬達、變壓器與電感等之應用[4]-[7],其目的主要為消除不必要的線圈繞組以減少體積;而在高功率的應用,則有以PCB定子繞組線圈所設計應用於水力發電之軸向式永磁發電機[8]。在電動自行車的應用中,此類型之PCB定子繞組並無相關的研究提出,因此,本論文提出應用於電動自行車的軸向式馬達且以直流鏈電壓為48伏特之PCB定子繞組設計流程與方法並建立馬達測試平台針對單片PCB定子繞組進行實測與分析。
 

考量參數

限制

轉子外徑[mm]

165

轉子內徑[mm]

50

轉子厚度[mm]

15×2

永久磁鐵厚度[mm]

5

PCB銅箔厚度[oz]

2

PCB銅箔層數[layer]

4

 

表1 軸向式馬達PCB定子繞組設計考量規格

圖2 軸向式馬達定子繞組連接示意圖

 

2.印刷電路板定子繞組設計方法

A.設計目標與流程說明

既有的軸向式馬達其定子繞組是依據轉子永久磁鐵的形狀、位置與磁通量分布等資訊進行設計,而因繞線範圍及體積的限制,導致與線圈與磁場切割之有效路徑無法達到較佳的設計,因此,本論文主要目標乃針對在相同轉子磁通量分布下利用印刷電路板佈線方式取代既有以銅線纏繞之定子繞組,藉以改善其缺點並獲得較佳的設計方法。在設計規格方面,須考量其轉子體積之限制與永久磁鐵之厚度以及PCB製程之限制等,如表1所示。
針對PCB定子繞組之設計方法,本論文依下列步驟進行分析與設計。首先,先針對既有軸向式馬達定子繞組進行分析,了解其繞線方式、線圈匝數以及基本參數鑑別;其次,則進行PCB定子繞組設計,以轉子永久磁鐵其形狀、位置等為依據,做較佳的線圈設計,再針對所設計之繞組計算其反抗電動勢與轉矩常數以及功率密度等;最後,進行馬達整體之效能測試,以正弦脈波寬度調變(sinusoidal PWM, SPWM)及線性霍爾感測器(linear hall-effect sensors)做開迴路電壓模式與閉迴路電流模式控制,並評估測試結果而進行改善或重新設計。在上述的設計過程中,反抗電動勢與定子繞組等效電阻為主要之設計考量,因此,本論文以直流鏈電壓48V為依據決定反抗電動勢峰值大小並將等效電阻降至最低。

圖3 軸向式馬達反抗電動勢感應原理

圖4 軸向式馬達PCB定子線圈初步設計圖

 

3.單片印刷電路板定子繞組測試方法

A.反抗電動勢量測方法

PCB定子繞組在進行測試時,因仍須考慮相互疊合時的連接問題,故以單片PCB定子繞組進行測試,並建立一套相對測試標準用以評估此設計是否合乎需求。在反抗電動勢測試中,第一部分為驗證其反抗電動勢常數並探討其線性度。測試方法是使用直流馬達經鏈條帶動待測馬達,並由馬達三相及中性點輸出端量測其波形,圖11為所量測之三相反抗電動勢波形,可計算出其反抗電動勢常數值為 。而在不同轉速下之反抗電動勢如圖12所示,其反抗電動勢峰值大小於不同轉速時,仍維持一線性關係,故可推論反抗電動勢常數為固定而不會有所波動。
     第二部份則針對反抗電動勢形狀之總諧波失真(total harmonic distortion, THD)與合成磁場向量進行分析。圖13為所量測之反抗電動勢與理想之正弦波比較,可知其仍有誤差計算所量測之反抗電動勢頻譜如圖14所示,藉此計算其三相反抗電動勢之THD各為7.01%、6.71%與6.62%,故可推論三相之反抗電動勢近似於正弦波。另一方面,在合成磁場的探討中,圖15(a)說明三軸與二軸座標間的轉換關係,故求得所量測之反抗電動勢的合成磁場,而理想之正弦波其合成向量為圓形,由圖15(b)可知,反抗電動勢的合成磁場亦近似圓形。由上述之測試與分析可知,反抗電動勢之波形須以弦波之電流進行驅動控制才能產生平穩的轉矩。

圖15 反抗電動勢合成磁場向量分析結果圖(a)計算方法(b)計算結果

 

4.測試結果與分析

從反抗電動勢的測試中可知,由單片PCB定子繞組所測得之反抗電動勢常數為 ,而反抗電動勢的大小與通過磁場中有效導體的匝數成正比,故本論文所設計之單片PCB定子繞組應疊合並串聯至6片便可達到所需之要求。而在反抗電動勢分布形狀方面,所計算之THD約為7%,可推論其近似於正弦波並使用弦波電流控制以達到良好的轉矩輸出。在進行驅動控制下PCB軸向式馬達穩定運轉,可推論其所產生之轉矩與輸出功率等經單片PCB繞組相互疊合後可符合所預期的響應。而在溫度測試的結果中,可知單片PCB定子繞組之熱阻係數與熱時間常數的變化,但溫度與PCB疊合數量成正比,故須特別考量散熱問題以降低馬達內部溫度。集膚效應為既有馬達不易克服的缺點之ㄧ,而在PCB定子繞組中,因導體為扁平設計,故集膚效應的影響相較於既有銅線繞組有顯著下降。

Parameters

Specifications

Thickness of printed circuits [oz]

15

No. of PCB layers

4

Connection method for each PCB

Series

Connection method for each layer

Series

Stator winding ESR [Ω]

0.3712

 

3 PCB軸向式馬達製程設計參考表(以銅箔層厚度為主)

 

Parameters

Specifications

Thickness of printed circuits [oz]

2

No. of PCB layers

15

Connection method for each PCB

Series

Connection method for each layer

Parallel

Stator winding ESR [Ω]

0.56

 

4 PCB軸向式馬達製程設計參考表(以佈線層數為主)

 

 

5.結論

 本論文以PCB實現了應用於電動自行車之軸向式馬達的定子繞組,不僅將與磁場切割之有效導體路徑發揮極致,更有效的克服既有銅線纏繞方式所造成的限制與缺點,並經分析與測試得以驗證其可行性與效能。針對PCB的製程中,本論文提出兩種設計方法如表3與表4所示。銅箔厚度與佈線層數為本研究的主要限制,銅箔的厚度主要影響電阻的變化,隨著厚度的增加而使得定子繞組等效電阻有效降低進而減少溫度的產生;另一方面,佈線層數則決定馬達的最大圈數與各層連接方法,若層數得以增加,單片PCB定子繞組各線圈的圈數增加經疊合後而使得馬達反抗電動勢常數增加進而提升輸出轉矩大小,此外,亦能藉由各片PCB以並聯方式連接來減少等效電阻值。因此,本研究未來將以單片PCB定子繞組進行疊合並分析與測試其效能,更針對PCB製程的限制進行改善而設計符合電動自行車需求之軸向式馬達。

參考文獻

[1]    D. Hanselman, Brushless Permanent Magnet Motor Design, Second Edition, The Writers’ Collective, 2003.

[2]    P. Wannakarn, T. Tanmaneeprasert, N. Rugthaicharoencheep, and S. Nedphograw, “Design and construction of axial flux permanent magnet generator for wind turbine generated dc voltage at rated power 1500 w,” Forth International Conf. on the Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Tech. (DRPT), pp. 763-766, Aug. 2011.

[3]     D. R. Chikkam, “Performance of disc brushless dc motor applied as gearless driver for wheelchair,” Louisiana State University, Agricultural and Mechanical College, 2002.

[4]     M. C. Tsai and L. Y. Hsu, “Design of a miniature axial-flux spindle motor with rhomboidal pcb winding,” IEEE Trans. Magnetics, vol. 42, pp. 3488-3490, Sep. 2006.

[5]     G. J. Yan, L. Y. Hsu, J. H. Wang, M. C. Tsai, and X. Y. Wu, “Axial-flux permanent magnet brushless motor for slim vortex pumps,” IEEE Trans. Magnetics, vol. 45, pp. 4732-4735, Sep. 2009.

[6]     C. Yan, F. Li, J. Zeng, T. Liu, and J. Ying, “A novel transformer structure for high power, high frequency converter,” IEEE Power Electron. Specialists Conf. (PESC), pp. 214-218, Oct. 2007.

[7]     H. Dong, Y. S. Zhu, and B. S. Zhao, “Research on the electromagnetic radiation of a pcb planar inductor,” Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC), vol. 1, Mar. 2006.

[8]     S. Moury and M. T. Iqbal, “A permanent magnet generator with pcb stator for low speed marine current applications,” First International Conf. on the Dept. in Renewable Energy Tech. (ICDRET), pp. 1-4, Apr. 2010.


得獎紀錄

 


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Last update: 20013/09/25
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