4-1 研究方法與步驟
本研究主要是模擬出一台風力發電用之直驅式外轉子永磁發電 機，需求規格如表 4-1 所示。此永磁發電機之轉子是採用外轉子的 型式。為了可以有效率且精確地得到該發電機之輸出相關特性，本 研究將使用有限元素法來與田口方法模擬與分析永磁發電機特性，
進而達到所設定之規格。
表 4-1 外轉子永磁發電機規格 額定功率 15kW 額定轉速 90rpm 負載電壓 240V 轉子外徑 600mm
相數 3 相
研究之步驟流程如圖 4-1 所示，首先是選擇可能會影響永磁發 電機的一些參數作為其控制因子，然後決定控制因子水準數，再選 用適合的田口直交表，選定直交表後，依照田口品質工程法的實驗
上述之前處理完成後，給予模型之材料型式以及相關等參數，而後 設定並開始進行計算，以求得出發電機之負載電壓、鐵損、銅損以 及總損失等。並經由後處理得到永磁發電機之其它特性，如磁場強 度、磁通密度，電動勢等等。模擬的結果再將利用田口品質工程法 分析，找出對永磁發電機負載電壓、與損失最小的最佳化參數組合。
圖 4-1 研究步驟流程圖
4-2 發電機最佳化之參數選用
在使用田口品質工程法做永磁發電機之分析，求發電機之負載 電壓、銅損、鐵損以及總損失之前，必須決定會影響永磁發電機相 關之因素作為控制因子，然後再決定取用幾個水準數以及各水準數
選擇控制因子、水準與直交表
前處理
軟體計算
模擬結果
模擬結果以田口品質工程法分析
得最佳化參數
最佳化參數確認實驗
後處理
結果與討論
4-2-1 控制因子與水準大小
影響永磁發電機的負載電壓以及各種的損失有許多的因素，在 此將其分為兩大類，第一類為材料的部份，如永磁體材料(如圖 4-2 所示)、鐵心材料(如圖 4-3 所示)與銅線，第二類為尺寸的部份，如 鐵心積厚(如圖 4-4 所示)與定子轉子間之氣隙(如圖 4-5 所示)等都會 對永磁發電機有所影響，在以不改變永磁發電機外徑的尺寸與線槽 尺寸之情況下，選定幾個有可能對永磁發電機之性能影響較大的相 關參數來作研究探討與分析，也就是決定田口品質工程法內的控制 因子。最後決定在兩大類裡，各選擇二種會影響結果的參數來作為 因素。因此所選擇的為永磁體材料、鐵心材料、定子與轉子間之氣 隙、鐵心積厚來作為四個控制因子，並選取各三個水準數(如表 4-2 所示)，進行田口品質工程法之排列組合並以之進行後續之各項模 擬。
圖 4-2 永磁體示意圖
圖 4-3 鐵心示意圖
永磁體
定子鐵心 轉子鐵心
圖 4-4 鐵心積厚示意圖
圖 4-5 定轉子間氣隙示意圖 定轉子間氣隙
表 4-2 控制因子與水準
控制因子 水準大小
1 2 3
A:永磁材料 NdFe30 NdFe35 NdFe40 B:鐵心材料 M19_24G M27_24G M36_24G C:鐵心積厚(mm) 180 195 210 D:定轉子間氣隙(mm) 1 1.5 2
4-2-2 控制因子與水準大小
控制因子與水準數大小決定好之後，選用田口品質工程法裡的 直交表，在田口品質工程法直交表的選擇上，依照所選擇之控制因 子種類以及水準數，根據田口品質工程法裡的公式(4.1)、(4.2)計算 出其總自由度，計算後得其總自由度為 8，在選用直交表的時候，
須選取實驗次數至少要有 8 次以上之直交表，才可以進行分析，因 此將選用 L9(34)直交表，實驗規劃後(如表 4-3 所示)，依照直交表所 排列的方式進行研究，並將永磁發電機參組合分為九組進行其模擬 實驗，求出永磁發電機之負載電壓、銅損、鐵損與總損失之最佳化 組合。
fn level n 1 (4.1)
N B
A
r f f f
f (4.2)
表 4-3 田口直交表 L9(34)實驗規劃
實驗案例
控制因子及水準 品質目標
A B C D 負載電壓 銅損 鐵損 總損失 Case 1 1 1 1 1 A1 B1 C1 D1 Case 2 1 2 2 2 A2 B2 C2 D2 Case 3 1 3 3 3 A3 B3 C3 D3 Case 4 2 1 2 3 A4 B4 C4 D4 Case 5 2 2 3 1 A5 B5 C5 D5 Case 6 2 3 1 2 A6 B6 C6 D6 Case 7 3 1 3 2 A7 B7 C7 D7 Case 8 3 2 1 3 A8 B8 C8 D8 Case 9 3 3 2 1 A9 B9 C9 D9
4-2-3 軟體模擬實驗
藉由 Ansoft 軟體模擬可以求得永磁發電機之負載電壓、銅損、
鐵損以及總損失等結果值，再利用田口品質工程法的分析找出永磁 發電機符合負載電壓以及銅損、鐵損與總損失小的最佳化參數組合。
軟體模擬主要可分為前處理、軟體計算和後處理等三個部份，前處 理部份是將永磁發電機建立模型、網格劃分、相關參數設定與邊界 條件設定等。前處理完成後進行模擬求解，求出其負載電壓、銅損、
鐵損與總損失結果值。完成求解後再進行後處理，後處理的部份就 是將求解所求得的數據結果資料轉變成為圖型以利研究與分析。
1. 前處理(Preprocessing)
在前處理階段部份，配合田口品質工程法設計因子與水準，
決定了九組永磁發電機的參數，建立永磁發電機模型，對模型 進行網格劃分、設定相關參數與邊界條件，完成設定後將模型 進行模擬分析。前處理流程(如圖 4-6 所示)。
圖 4-6 前處理流程圖 建立模型
網格劃分
相關參數設定
設定邊界條件
建立模型
以田口品質工程法的組合，將搭配不同之參數的永磁發 電機模型，利用軟體本身的建模工具進行建模(如圖 4-7 與 4-8 所示)。
圖 4-7 外轉子永磁發電機結構剖面圖
圖 4-8 外轉子永磁發電機結構立體圖
網格劃分
永磁發電機之模型建立後，將模型作網格的劃分(如圖 4-9 ~ 4-11 所示)，在網格的劃分上可以分為兩種，一種 是手動劃分，另一種是自動劃分。手動劃分就是自行設 定網格劃分的大小，自動劃分也就是讓軟體自行決定網 格的大小，在此將使用軟體自動劃分網格大小。
圖 4-9 外轉子永磁發電機網格劃分剖面圖(1)
圖 4-10 外轉子永磁發電機網格劃分剖面圖(2)
圖 4-11 外轉子永磁發電機網格劃分立體圖
相關參數設定
在永磁電機模擬時，必須於軟體中輸入相關的設定參數，
如表 4-4 所示。
表 4-4 輸入模擬相關設定參數
項目 輸入參數
額定功率 15 kW
額定電壓 240V
極數 80
頻率 60 Hz
轉子型式 外轉式
接線方式 Y 接
槽數 81 槽
定子外徑 558 mm
定子內徑 300 mm
斜槽角度 0 度
積厚 195 mm 矽鋼片材料 M19-24G
繞線匝數 7 匝
線圈跨距 1 槽
股數 14 股
線徑 0.812 mm
氣隙長度 1 mm
轉子外徑 600 mm 轉子積厚 195 mm 轉子矽鋼片材料 M19-24G 磁鐵展開角與節距角比值 0.9 度
磁鐵厚度 9 mm
磁鐵材料 釹鐵硼 NdFe 40
設定邊界條件
永磁發電機的邊界條件設定上，採用無窮邊界條件，在 電磁場模擬時，無窮邊界的條件定義上，就是說在永磁 發電在運轉時，永磁發電機本身的週圍，並無可以干擾 發電機電磁場或者是其它的因素，如果在模擬永磁發電 機時，考慮過多的因素，將導致模擬的變數過大，因此 本研究都不考慮其它的因素，只針對永磁發電機本身進 行模擬實驗。
2. 模擬結果
經由軟體的計算，可以得到永磁發電機九組模擬後的數據 (如表 4-5 所示)，數據結果包含永磁發電機負載電壓、銅損、
鐵損與總損失。
表 4-5 田口直交表 L9(34)實驗規劃
實驗案例
控制因子及水準 品質目標
A B C D
負載電壓 ( V )
銅損 ( W )
鐵損 ( W )
總損失 ( W ) Case 1 1 1 1 1 214.53 698.79 297.41 996.20 Case 2 1 2 2 2 220.80 796.22 356.10 1152.32 Case 3 1 3 3 3 228.23 910.53 414.97 1325.90 Case 4 2 1 2 3 222.78 810.60 338.85 1149.44 Case 5 2 2 3 1 261.53 1195.56 449.54 1645.10 Case 6 2 3 1 2 224.34 764.13 422.57 1186.70 Case 7 3 1 3 2 252.17 1111.48 389.49 1500.97 Case 8 3 2 1 3 215.65 706.14 380.54 1086.67 Case 9 3 3 2 1 257.14 1079.9 495.39 1575.25
4-2-4 模擬結果以田口品質工程法分析
經由模擬結果得到了永磁發電機負載電壓、銅損、鐵損與總損 失數據後，用田口品質工程法分析，做其變異數分析與 S/N 比因子 的反應分析，分析完成後決定四個控子因子在永磁發電機中，各別
對其負載電壓伏特數與銅損、鐵損及總損失的瓦數找出最佳化的組 合。
1. 負載電壓均方偏差與 S/N 比因子反應分析
分析永磁發電機負載電壓時取田口品質工程法中的望大特 性，經由公式計算後得到的均方偏差 MSD 及 S/N 比分別於表 4-6 及表 4-7 所示，並以均方偏差 MSD 表與 S/N 比表中反應數 值繪出負載電壓的反應圖 4-12 與圖 4-13 所示。從表與圖中可 以看出影響負載電壓的因子由大至小排列分別為鐵心積厚、2.
定轉子間氣隙、永磁材料及鐵心材料。
表 4-6 負載電壓均方偏差 MSD 表 控制因子
水準
永磁材料 鐵心材料 鐵心積厚 定轉子間氣隙
1 221.2 229.8 218.2 244.4 2 236.2 232.7 233.6 232.4 3 241.7 236.6 247.3 222.2 Delta 20.5 6.7 29.1 22.2
Rank 3 4 1 2
表 4-7 負載電壓 S/N 比表 控制因子
水準
永磁材料 鐵心材料 鐵心積厚 定轉子間氣隙
1 46.89 47.21 46.77 47.73 2 47.44 47.30 47.35 47.31 3 47.64 47.46 47.85 46.93 Delta 0.75 0.26 1.08 0.79
Rank 3 4 1 2
圖 4-12 負載電壓均方偏差 MSD 反應圖
圖 4-13 負載電壓 S/N 比反應圖
2. 銅損均方偏差與 S/N 比因子反應分析
分析永磁發電機銅損時取田口品質工程法中的望小特性，
經由公式計算後得到的均方偏差 MSD 及 S/N 比分別於表 4-8 及 4-9 所示，並以均方偏差 MSD 表與 S/N 比表中反應數值繪出 銅損的反應圖 4-14 與圖 4-15 所示。從表與圖中可以看出影響 銅損的因子，由大至小排列分別為鐵心積厚、定轉子間氣隙、
永磁材料及鐵心材料。
表 4-8 銅損均方偏差 MSD 表 控制因子
水準
永磁材料 鐵心材料 鐵心積厚 定轉子間氣隙
1 801.8 873.6 723 991.4 2 923.4 899.3 895.6 890.6 3 965.8 918.2 1072.5 809.1 Delta 164 44.6 349.5 182.3
Rank 3 4 1 2
表 4-9 銅損 S/N 比表 控制因子
水準
永磁材料 鐵心材料 鐵心積厚 定轉子間氣隙
1 -58.03 -58.66 -57.18 -59.7 2 -59.13 -58.85 -58.95 -58.87 3 -59.52 -59.17 -60.55 -58.11 Delta 1.49 0.51 3.88 1.59
Rank 3 4 1 2
圖 4-14 銅損均方偏差 MSD 反應圖
圖 4-15 銅損 S/N 比反應圖
3. 鐵損均方偏差與 S/N 比因子反應分析
分析永磁發電機鐵損時取田口品質工程法中的望小特性，
經由公式計算後得到的均方偏差 MSD 及 S/N 比分別於表 4-10 及 4-11 所示，並以均方偏差 MSD 表與 S/N 比表中反應數值繪 出鐵損的反應圖 4-16 與圖 4-17 所示。從表與圖中可以看出影 響鐵損的因子，由大至小排列分別為鐵心材料、永磁材料、鐵 心積厚及定轉子間氣隙。
表 4-10 鐵損均方偏差 MSD 表 控制因子
水準
永磁材料 鐵心材料 鐵心積厚 定轉子間氣隙
1 356.2 341.9 366.8 414.1 2 403.7 395.4 396.8 389.4 3 421.8 444.3 418.0 378.1 Delta 65.6 102.4 51.2 36.0
Rank 2 1 3 4
表 4-11 鐵損 S/N 比表 控制因子
水準
永磁材料 鐵心材料 鐵心積厚 定轉子間氣隙
1 -50.95 -50.63 -51.20 -52.14 2 -52.06 -51.90 -51.84 -51.79 3 -52.44 -52.93 -52.41 -51.52 Delta 1.49 2.3 1.21 0.62
Rank 2 1 3 4
圖 4-16 鐵損均方偏差 MSD 反應圖
圖 4-17 鐵損 S/N 比反應圖
4. 總損失均方偏差與 S/N 比因子反應分析
分析永磁發電機鐵損時取田口品質工程法中的望小特性，
經由公式計算後得到的均方偏差 MSD 及 S/N 比分別於表 4-12 及 4-13 所示，並以均方偏差 MSD 表與 S/N 比表中反應數值繪 出總損失的反應圖 4-18 與圖 4-19 所示。從表與圖中可以看出
經由公式計算後得到的均方偏差 MSD 及 S/N 比分別於表 4-12 及 4-13 所示，並以均方偏差 MSD 表與 S/N 比表中反應數值繪 出總損失的反應圖 4-18 與圖 4-19 所示。從表與圖中可以看出