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系統識別號 U0026-1608201620370200
論文名稱(中文) 高速永磁發電機之設計
論文名稱(英文) Design of a High Speed Permanent Magnet Generator
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 系統及船舶機電工程學系
系所名稱(英) Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生(中文) 杜慶鴻
研究生(英文) Cing-Hong Du
學號 P16034109
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 126頁
口試委員 指導教授-謝旻甫
口試委員-蕭鈞毓
口試委員-黃柏維
中文關鍵字 高速電機設計  平行磁通方向磁鐵電機  磁路分析  永磁發電機 
英文關鍵字 High speed machine  Parallel magnetization  Magnetic circuit  Permanent magnet generator 
學科別分類
中文摘要 本文針對應用於微渦輪發電系統之高速發電機作設計,探討其特點並提出高速永磁表面型發電機設計流程及要點,如材料選用、轉子設計以及特殊磁鐵保護套的結構等。
本文於轉子設計中提出了使用的磁鐵充磁方式不同之設計要點,並考量齒槽、漏磁通、氣隙邊緣效應等之影響,藉由磁路分析得到全圓氣隙磁通密度,依此展開針對使用平行充磁方向磁鐵之電機的優化設計。此外,並點出與使用徑向充磁方向磁鐵的電機分析方式之差異,特別對於槽數高極數低的電機可以大幅減少矽鋼片材料用量。以本內文討論之設計實例而言,可節省達32%的定子矽鋼片材料,效率僅減少0.61%,輸出功率則上升5%左右。
本文根據高速電機設計條件及限制,配合上述的磁路分析,設計並實做一60000rpm高速發電機。透過有限元素分析軟體Maxwell分析其電機性能並將理論值與實驗結果比較,驗證本文提出之永磁高速發電機設計。
英文摘要 The goal of this thesis is to design a high speed permanent magnet generator for micro turbine power generation system. First, the property and the design process of the high speed machine are elaborated. The magnetization pattern of magnet is also considered in the design in order to improve the performance of surface permanent magnet (SPM) machine. The equivalent magnetic circuit method is developed by considering the influences of magnetization of magnets, fringing effect, magnetic flux leakage and the slot effect. From finite element simulation, the design with parallel magnetization of magnets can save the material usage of the stator up to 32%. A high rotary speed SPM generator is then designed using the analytical method developed in this thesis. The proposed design of the high speed SPM generator is verified by the Maxwell simulation and experiments on a prototype.
論文目次 考試合格證明 II
誌謝 III
摘要 IV
Extended Abstract V
目錄 X
表目錄 XV
圖目錄 XVI
符號表 XXI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 產業發展 2
1.1.2 汽電共生系統 4
1.2 微型渦輪發電機系統簡介 6
1.2.1 微型渦輪發電機之應用 8
1.2.2 我國微型渦輪發電機之發展問題 8
1.3 研究動機與目的 9
1.4 本文架構 12
第二章 文獻回顧 13
2.1 微渦輪發電機之發展 13
2.2 高速電機研究現況 14
2.3 高速電機設計 20
2.3.1 轉子考量 21
2.3.2 定子考量 23
2.4 磁鐵充磁方向討論 24
2.5 文獻回顧總結 27
第三章 磁路分析 28
3.1 磁路概述 28
3.2 基本等效磁路分析 31
3.3 氣隙有效截面積 34
3.4 磁鐵漏磁通考量 36
3.5 齒槽對於磁路之影響 37
3.6 詳細磁路模型 39
第四章 充磁方向對於電機設計之影響 43
4.1 兩種充磁方向於設計上之考量 44
4.1.1 使用徑向磁通磁鐵之表面型永磁電機定子設計 45
4.1.2 使用平行磁通磁鐵之表面型永磁電機定子設計 46
4.2 設計使用徑向磁通磁鐵之定子 48
4.3 以模擬比較兩種充磁方向之結果 51
4.3.1 氣隙磁通密度分布 51
4.3.2 磁通分布圖 53
4.3.3 發電機效能比較 56
4.4 優化使用平行充磁方向磁鐵之表面型電機設計流程 65
4.5 優化設計之結果 66
第五章 高速永磁發電機設計流程 70
5.1 電機種類決定 71
5.2 規格尺寸決定 72
5.3 材料選擇 73
5.3.1 永磁材料 74
5.3.2 定子材料 76
5.3.3 其餘部分材料 82
5.4 轉子設計 84
5.4.1 轉動慣量考量 84
5.4.2 設計與實作 85
5.4.3 磁鐵及氣隙考量 87
5.5 定子設計 88
5.6 繞線設計 90
5.7 設計結果 99
第六章 有限元素模擬與實驗驗證 102
6.1 模擬設置 102
6.2 分析結果 104
6.3 實驗結果 109
6.3.1 電機實體 109
6.3.2 轉子磁通量測實驗 112
6.3.3 三相繞組量測實驗 113
6.3.4 發電機特性量測 114
第七章 結論與建議 120
參考文獻 121
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