永磁無刷馬達介紹

輸出軸上的圓柱插銷數目𝑁_𝑤，受到擺線輪大小的限制，當尺寸較小時若圓柱 插銷數目過多，將影響擺線輪的強度。一般設計時，會根據環齒輪的半徑R_{𝑟_𝑝𝑖𝑛}去 做選擇，常用的配比如下表 2-5；而銷孔圓位置半徑𝑅_𝑤則依照式( 2-13 )，以輸入軸 的中心點為圓心，需大於輸入軸半徑與柱銷半徑之合，值則依照結構強度決定。

表 2-5 圓柱插銷數目參考值 針齒圓位置

半徑𝑅_{𝑟𝑜𝑙𝑙𝑒𝑟} (mm) ≤50 >50~100 >100~150 >150~200 ≥ 200

柱銷數目𝑁_𝑤 6 8 10 12 ≥ 12

𝑅_𝑤 > 𝑅_𝑛+𝑑_{𝑟_𝑟𝑜𝑙𝑙𝑒𝑟}

2 ( 2-13 )

2.3 永磁無刷馬達介紹

永磁無刷馬達與其他各類馬達相比具有功率密度高、效率高、體積較小、效 率高、出力大、啟動轉矩大、可控性高、方便且靈活等一系列優點，因此廣泛用 在要求高的調速與位置控制系統中，在這領域佔有主導的地位達百年之久，廣泛 用於電動載具上。永磁無刷馬達的主要構造分為定子與轉子兩個部分，定子是馬 達中固定不動的部分，轉子則會繞軸轉動。圖 2-8 為一個四極十二槽內轉式的徑 向馬達之內部構造圖。轉子由轉子背鐵與永久磁鐵所構成，並帶動旋轉軸轉動;而 定子是由定子鐵芯以及線圈(coil)所組成，一般使用的材料為具有高導磁性的矽鋼 片，為了減少渦電流(eddy current)的產生，定子鐵芯是由數片細薄的矽鋼片沿著與 磁通垂直的方向堆疊而成，可降低磁通流經的磁阻，更有效率地將電能轉化為機 械能。

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N

N S

S

線圈 永久磁鐵

定子鐵芯

轉子背鐵

圖 2-8 馬達構造[71]

依照氣隙磁通的方向，可將馬達分為軸向磁通馬達(axial flux permanent magnet motor)與徑向磁通馬達(radial flux permanent magnet motor)，以下討論此兩種馬達之 特性。

2.3.1 軸向磁通馬達

氣隙中磁通方向，若為平行馬達旋轉軸方向，則稱之為軸向磁通馬達。馬達 透過定子端繞組與永久磁鐵，在氣隙間產生磁通而生成力矩，影響其產生力矩的 主要因素有磁通面積、繞組電流、線圈匝數、氣隙長度、磁鐵性質與背鐵材料然 而;軸向磁通馬達的氣隙愈小，所能產生的力矩越大，但是，定轉子間的軸向力也 愈大，故在設計上需考慮軸承所能承受的軸向力問題；在製造方面，磁通馬達的 矽鋼片堆疊結構，軸向磁通馬達的矽鋼片必須先經過沖壓再捲繞，製造困難度較 高，其誤差易使精度降低，故近年開始改用一種新型材料:軟磁複合材料(soft magnetic composite:SMC)，此種材料最大的特點就是可以使用模具加工，相較於矽 鋼片捲繞可以改善精度問題以及降低製作成本；此外，磁通面積越大，力矩越大，

為了增加磁通面積，可以增加半徑或增加定、轉子方式來增加其磁通面積，圖 2-9 (b)為雙定子、單轉子結構，可增加一倍磁通面積。

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轉子

永久磁鐵

線圈

定子

定子

線圈 永久磁鐵

轉子

永久磁鐵

線圈

定子

(a)單轉子、單定子 (b)單轉子、雙定子

圖 2-9 (a)單轉子、單定子 (b)雙定子、單轉子軸向磁通馬達結構

2.3.2 徑向磁通馬達

氣隙中磁通方向，若為垂直馬達旋轉軸方向，則稱之為徑向磁通馬達。在製 造方面，擁有成熟技術的徑向磁通馬達應用較軸向磁通馬達廣泛，而軸向磁通馬 達需要克服的問題包含定子矽鋼片捲繞不易、精度不高、組裝時的磁鐵軸向吸引 力過大和成本昂貴等等。

徑向磁通馬達產生力矩的方式與軸向磁通馬達相同，而影響其力矩的因素也 大致相同，不同的是磁通面積增加的方向，若要增加徑向磁通方向則需增加軸向 長度與半徑。依照轉子上的永久磁鐵放置方式，將徑向磁通馬達分成兩種，分別 是表面貼磁式永磁馬達(surface-mounted permanent magnet motor，簡稱 SPM)與內 藏式永磁馬達(interior permanent magnet motor，簡稱 IPM)。如圖 2-10 (a)為 SPM 馬達，永久磁鐵直接黏著於轉子表面，此種作法結構簡單、成本較低，但缺點是 高轉速時磁鐵容易脫落且由於磁鐵的導磁率如同空氣，因此有效氣隙較大，使得 馬達性能較差；圖 2-10(b)為 IPM 馬達，因磁鐵嵌入轉子中，結構更為強健，適合 高速運轉，但是製作上較 SPM 馬達困難，成本較高。IPM 馬達的弱磁效果佳，使 得馬達可操作的轉速範圍更廣，且永久磁鐵較不易退磁。

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N

N

S S

N

S N

S

(a)表面貼磁式(SPM) (b)內藏式(IPM)

圖 2-10 (a)表面貼磁式(SPM) (b)內藏式(IPM) 永磁式馬達

定子

線圈 永久磁鐵

轉子

永久磁鐵

線圈

定子

SPM 馬達由於永久磁鐵直接放置於氣隙，故可以提供比 IPM 馬達大的磁通量。

除了對正力矩(alignment torque)之外，IPM 由於其 D-軸與 Q-軸電感值差異的關係，

還可以額外產生不小的磁阻力矩(reluctance torque)，這會增大力矩漣波，但可以減 少永久磁鐵的用量，並可以有效提升力矩密度，其主要差異整理成下表 2-6。

表 2-6 SPM 與 IPM 徑向磁通馬達的比較

SPM IPM

氣隙磁通量 高 低

磁阻力矩 較小 較大

力矩漣波 較小 較大

弱磁控制 不適合 適合

永久磁鐵用量 較多 較少

結構強度 較弱 較強

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