Design Method of High Power Density Permanent Magnet Synchronous Motor for HEV

本論文以提升複合動力車用100kW驅動馬達的功率密度為研究主軸，建立一套三步驟的轉子優化流程，包含磁石夾角優化、極弧係數優化、磁障設計優化。優化過程中同時探討磁極間空氣槽影響、磁石間隔磁槽影響、d、q軸電感差值變化、反電動勢諧波影響與抗退磁的能力。使用本研究建立的轉子優化流程，能使一初始的永磁電機設計，在不更動電機大多數幾何尺寸下，得到功率密度的提升。而在永磁電機中依繞組設計不同又可分為集中式繞組與分佈式繞組，選擇不同型式繞組其電機特性就有很大的不同，因此本研究針對兩種不同繞組電機，分別進行設計並使用此三步驟轉子優化流程，比較兩者功率密度增加的幅度差異，並得到兩種電機優化後的性能與特性差異性。最後，透過本研究建立的功率密度提升流程，可得到功率密度最大化的馬達優化設計。The objective of this study is to enhance the power density of 100 kW traction motor for HEV. In this study presents a three steps rotor optimization process including magnet arrangement angle optimization, pole embrace optimization and flux barrier design. Through this process can enhance saliency ratio, reduce back emf harmonics and reduce demagnization area. In this study also compare the additional barrier between poles or magnets would influence the motor performance. Using this rotor optimization process can improve the power density of an original motor without changing too many motor design parameters. But in motor design, the winding type will influence motor’s properties a lot. This study compares the difference between FSCW motor and ISDW motor using the three steps rotor optimization process. Finally get a motor design with high power density and high performance for HEV.致謝 I 摘要 II ABSTRACT III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章：緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究背景與動機 4 1.3 研究方法與論文架構 5 1.4 使用軟體簡介 7 1.4.1 Maxwell Rmxprt/2D 7 1.4.2 Abuqus 7 1.4.3 CATIA 8 第二章：理論背景與文獻回顧 9 2.1 永磁同步馬達理論背景 9 2.1.1 磁場與等效磁路介紹 9 2.1.2 磁性材料特性介紹 11 2.1.3 馬達的損失與效率 15 2.2 文獻回顧 17 2.2.1 現今驅動馬達研究方向探討 17 2.2.2 繞組型式比較 23 2.2.3 永磁馬達槽極數比較 27 2.2.4 磁石擺放型式比較 30 2.2.5 轉子形狀比較 32 2.2.6 小結 33 第三章：100 KW集中繞組驅動馬達設計 35 3.1 設計目標與限制 36 3.1.1 EVX4複合動力系統介紹 36 3.1.2 100kW驅動馬達規格展開 38 3.2 初版馬達設計概念 40 3.3 初版馬達分析過程與結果 44 3.3.1 模型建立 45 3.3.2 激勵源設定方法 46 3.3.3 分析結果 48 3.4 V型磁石擺放優化設計 50 3.4.1 轉子模型簡化與參數位置定義 50 3.4.2 磁石夾角敏感度分析 53 3.4.3 極弧係數敏感度分析 59 3.4.4 磁障設計 62 3.4.5 結果比較 68 3.5 小結 69 第四章：100 KW分佈繞組驅動馬達設計 71 4.1 槽極比選擇 71 4.2 定子參數設計 76 4.3 轉子參數設計 78 4.3.1 磁石夾角敏感度分析 79 4.3.2 極弧係數敏感度分析 80 4.3.3 磁障設計 82 4.3.4 設計結果 85 4.4 小結 86 第五章：高功率密度馬達設計結果 88 5.1 集中繞組馬達與分佈繞組馬達設計結果比較 88 5.2 設計總結 93 第六章：結構強度分析與退磁分析 96 6.1 轉子應力分析 97 6.1.1 材料性質與邊界條件設定 97 6.1.2 結果討論 99 6.2 磁石退磁分析 102 6.2.1 分析方法 102 6.2.2 結果討論 103 第七章：結論與未來方向 105 7.1 研究成果 105 7.2 未來趨勢與改進方向 106 參考文獻 10