進階搜尋


下載電子全文  
系統識別號 U0026-2307201117035500
論文名稱(中文) 電動手工具之直流無刷馬達最佳化設計與實現
論文名稱(英文) Optimal Design and Implementation of BLDC Motor in Electric Hand-held Devices
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 機械工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Mechanical Engineering
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生(中文) 鄭峰書
研究生(英文) Feng-Shu Cheng
電子信箱 n16981737@mail.ncku.edu.tw
學號 n16981737
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 132頁
口試委員 指導教授-蔡明祺
口試委員-何世江
口試委員-謝旻甫
口試委員-江瑞利
中文關鍵字 馬達設計  電動手工具  永磁馬達  頓轉扭矩  有限元素法  田口法  多重性能特性指標 
英文關鍵字 Motor design  Electric hand-held device  Permanent-magnet motor  Cogging torque  Finite element method  Taguchi method  Multiple performance characteristics index 
學科別分類
中文摘要 手持式電動手工具因具備攜帶方便及多功能性等需求,輕量化、體積小是必備要件。因電動手工具朝小型化發展,所以搭配之永磁馬達體積須小。基本上,馬達體積與輸出扭力成正比關係,小馬達若需較大的輸出扭力,可靠輸入電流以提高轉矩;但電流一高,銅損就提高,效率就變差,因此市面上電動手工具馬達的效率普遍不高。此外,市售電動手工具之永磁馬達頓轉扭矩較大,易引起噪音、機械震動及輸出的轉矩漣波。有鑑於此,本研究重點為電動手工具機的直流無刷馬達改良設計,以降低頓轉扭矩及提昇馬達效率為主旨。本研究使用具新穎性的多重性能特性指標之模糊推論田口法,以達到多重品質目標。並採用有限元素法作為分析永磁馬達之頓轉扭矩與效率的工具,結果顯示,該方法能獲得合適的馬達幾何參數以降低頓轉扭矩及提昇馬達操作效率。
英文摘要 Portability and multi-functionality are the primary desirable features of electric hand held devices; thus, weight and volume have become the prominent factors that need to be considered when designing electric hand-held devices, particularly light-weight and small volume In addition, a small permanent-magnet motor is required for these small devices. Basically, the volume of the motor is directly proportional to its output torque. Hence, a large current input is needed for producing a high torque. However, when the current input is high, copper loss may occur, reduces the efficiency of a Brushless Direct Current (BLDC) motor. In addition, the electric hand-held tools available on the market have larger cogging torques, which cause acoustic noise, mechanical vibration, and torque ripple. Considering this, this paper proposes an optimal design for a BLDC motor in electric hand-held devices, which aims to reduce cogging torque in the motor, thereby enhancing motor efficiency.
In this paper, a novel systematic approach is developed to create a robust design for a brushless permanent-magnet motor with both lower cogging torque and higher efficiency to be used in a portable electric power drill. The fuzzy inference-based Taguchi method is utilized with a multiple performance characteristics index. The proposed method establishes the orthogonal array that is required by the Taguchi method. Then, the multiple targets are coordinated by the fuzzy inference mechanism to obtain a better combination of the geometric parameters for achieving multiple quality targets.
The Finite Element Method is employed as the tool for analyzing the cogging torque and performance of the permanent-magnet motor. Results indicated that the proposed method can obtain suitable motor geometric parameters for reducing the cogging torque and enhancing the operating efficiency.
論文目次 中文摘要 I
Abstract II
誌謝 IV
目錄 VI
表目錄 IX
圖目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與文獻回顧 1
1.2.1 研究動機 1
1.2.2 文獻回顧 10
1.3 論文架構 19
第二章 永磁無刷馬達概述 20
2.1 永磁無刷馬達之簡介 20
2.2 永磁無刷馬達之驅動原理 21
2.2.1 方波電流驅動 24
2.2.2 弦波電流驅動 28
2.2.3 方波電流驅動與弦波電流驅動方式之比較 29
第三章 可攜式電動手工具之直流無刷馬達 30
3.1 市售手持式電動手工具 30
3.2 手持式電動手工具之永磁直流無刷馬達特性 33
3.3 直流無刷馬達分析 36
3.3.1 模擬工具 36
3.3.2 直流無刷馬達規格、模型建立 38
3.3.3 直流無刷馬達特性分析 41
3.3.4 問題與討論 44
3.4 馬達性能改良 44
3.4.1 馬達參數定義 44
3.4.2 永磁無刷馬達磁路模型 47
3.4.3 磁鐵尺寸 51
3.4.4 等效磁路分析 55
3.4.5 定子尺寸 56
3.4.6 電氣設計 59
3.4.7 反電動勢模擬驗證 65
3.5 四極六槽與八極十二槽馬達模擬比較 68
3.6 故障分析 73
3.6.1 Simplorer軟體介紹 73
3.6.2 直流無刷馬達驅動電路建立 74
3.6.3 馬達故障分析 76
3.7 總結 79
第四章 馬達最佳化設計 81
4.1 品質特性定義 82
4.2 田口實驗法 83
4.2.1 田口式子分析 83
4.2.2 田口法 85
4.2.3 控制因子 87
4.2.4 實驗因子配置直交表 89
4.2.5 單一目標:頓轉扭矩 90
4.2.6 單一目標:效率 93
4.3 多重性能特性指標之模糊推論田口法 94
4.3.1 模糊推論步驟 94
4.3.2 歸屬函數 96
4.3.3 模糊推論規則以及多重性能特性指標分析 97
4.3.4 變異數分析 103
4.4 最佳化設計結果 105
4.5 總結 108
第五章 馬達實作與測試 109
5.1 原始設計之八極十二槽馬達實作 109
5.1.1 原始設計之八極十二槽實品 109
5.1.2 原始設計之馬達性能量測 112
5.2 最佳化後之八極十二槽馬達實作 117
5.2.1 最佳化後之八極十二槽馬達實品 117
5.2.2 最佳化後之馬達性能測試 119
5.3 總結 124
第六章 結論與未來研究建議 126
6.1 結論 126
6.2 未來研究建議 127
參考文獻 128
自述 132

參考文獻 [1]. D.C. Hanselman, Brushless Permanent Magnet Motor Design, The Writers' collective, Cranston, Rhode Island, 2003.
[2]. D.C. Hanselman, Brushless Permanent-Magnet Motor Design, McGraw-Hill, New York, 2003.
[3]. Festool, http://Festool.com。
[4]. H. T. Wang, Z. J. Liu, S. X. Chen and J. P. Yang, 「Application of Taguchi Method to Robust Design of BLDC Motor Performance,」 IEEE Trans. on Magnetics. Vol.35, No.5, pp.3700-3702, Sept. 1999.
[5]. J. F. Gieras, 「 Analytical Approach to Cogging Torque Calculation of PM Brushless Motors,」 IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 40, No. 5, pp. 1310-1316, Sept./Oct. 2004.
[6]. J.R. Hendershot and T. Miller, Design of Brushless Permanent-Magnet Motors, Oxford University Press, New York, 1994.
[7]. L. Dosiek and P. Pillay, 「Cogging Torque Reduction in Permanent Magnet Machines,」 IEEE Trans. on Industry Applications, Vol.43, No.6, pp.1565-1571, Nov. 2007.
[8]. M. Hwang, J.-B. Eom, G.-B. Hwang, W.-B. Jeong and Y.-H. Jung, 「Cogging Torque and Acoustic Noise Reduction in Permanent Motor by Teeth Pairing,」 IEEE Trans. on Magnetics. Vol.36, No.5, pp.3700-3702, Sept. 2000.
[9]. M. S. Islam, S. Mir and T. Sebastian, 「Issues in Reducing the Cogging Torque of Mass-Produced Permanent-Magnet Brushless DC Motor,」 IEEE Trans. on Industry Applications, Vol.40, No.3, pp.813-820, May/June 2004.
[10]. N. Bianchi and S. Bolognani, 「Design Techniques for Reducing the Cogging Torque in Surface-Mounted PM Motor,」 IEEE Trans. on Industry Applications, Vol.38, No.5, pp.1259-1265, Sept./Oct. 2002.
[11]. T. Kenjo and S. Nagamori, Brushless Motors-Advanced Theory and Modern Applications, Sogo Electronics Press, 2003.
[12]. T. Li and G. Slemon, 「 Reduction of Cogging Torque in Permanent Magnet Motors,」 IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 24, No. 6, pp. 2901-2903, Nov. 1988.
[13]. T. Miller, Brushless Permanent Magnet and Reluctance Motor Drive, Oxford University Press, New York, 1989.
[14]. Z. L. Gaing, F. S. Cheng and M. C. Tsai, 「Application of Fuzzy-based Taguchi Method to Robust Design of Brushless PM Motor for Portable Electric Power Drills,」 IEEE INTERMAG 2011 Conference, Taipei, Taiwan, April 2011.
[15]. Z. Q. Zhu and D. Howe, 「 Influence of Design Parameters on Cogging Torque in Permanent Magnet Machines,」 IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 15, No. 4, pp. 407-412, Dec. 2000.
[16]. 上海理工大學學報(社會科學版),第二十六卷,第三期,2004年9月。
[17]. 台灣日立公司,http://Hitachi.com.tw。
[18]. 台灣牧田公司,http://Makita.com.tw。
[19]. 台灣經濟研究院,http://www.tier.org.tw/。
[20]. 台灣羅伯特博世股份有限公司,http://www.bosch.com.tw/content/language1/html/index.htm。
[21]. 田口玄一,田口式品質工程概論,中國生產力中心出版。
[22]. 石光勝,產品造形特徵在電動工具設計之研究,東海大學工業設計系碩士論文,2008。
[23]. 有限元在線網站,http://buyixiaochuan.big5.made-in-china.com/。
[24]. 江瑞利,模糊推論田口法於直驅式輪轂馬達強韌設計,電機月刊第二十捲第十二期,2010。
[25]. 吳建諭,永磁馬達特性快速檢測系統設計,國立成功大學機械工程學系碩士論文,2009。
[26]. 吳建諭,磁阻馬達轉矩漣波分析,馬達科技數位學習網,馬達電子報,第337期,2009。
[27]. 李輝煌,田口方法品質設計的原理與實務,高立圖書公司,2002年。
[28]. 金屬產業智網 www.wii.itis.org.tw。
[29]. 茆尚勳,直驅式跑步機用直流無刷馬達之分析,國立成功大學機械工程學系碩士論文,2002。
[30]. 許裕昇,新型推進器馬達之磁路分析與設計,國立成功大學系統與船舶機電工程學系碩士論文,2005。
[31]. 陳正虎,戴維志,鄭銘揚,「高效能永磁同步馬達驅動電流分析」,馬達科技中心電子報,第100期,2004。
[32]. 陳秋麟,電機機械基本原理,東華書局股份有限公司,1995。
[33]. 陳航生,永磁無刷馬達電磁力與振動之研究,國立成功大學機械工程學系博士論文,2009。
[34]. 曾仁志,無感測器驅動系統於薄型馬達之設計與實現,國立成功大學機械工程學系碩士論文,2007。
[35]. 維基百科,http://zh.wikipedia.org/。
[36]. 蔡名曉,軸向磁通式輪轂馬達之最佳化設計與驅動器之研發,高苑科技大學電機工程學系碩士論文,2009。
[37]. 鄭彥廷,具能量回生與電子式變速之電動載具設計與實現,國立成功大學機械工程學系碩士論文,2010。
[38]. 鄭峰書,小體積永磁馬達之頓轉扭矩優化,馬達科技數位學習網,馬達電子報,第416期,2011。
論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2016-08-01起公開。
  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2016-08-01起公開。


  • 如您有疑問,請聯絡圖書館
    聯絡電話:(06)2757575#65773
    聯絡E-mail:etds@email.ncku.edu.tw