應用於自動鑽孔攻牙機之內藏型永磁同步機之設計與分析

前言

多年來，由於感應機的結構堅固、維修少、與價位低等優點，因而被廣泛應用於工具機的驅動上[1]，但因轉子所產生的高損失，降低了整體的效率與落後功因，故有逐漸被取代之趨勢。近年來，為了節能、滿足高效率、與高精度操作的需求，永磁電機儼然已成為一個不可或缺的選項，因為比起感應機，永磁電機具有更高的效率與功因[2]。

然而，在高轉速的運用上，永磁電機並非無缺點，例如：表面型的永磁電機（surface permanent magnet motors, SPM），貼在轉子鐵芯上的磁鐵，必須使用套管固定它，因而增加了轉子結構的複雜性[2]，故本文採用內藏型永磁電機（Interior Permanent Magnet Motor, IPM），將磁鐵安裝在轉子鐵芯內，磁鐵形狀通常使用簡單的方型，這種形狀比起表面貼的圓弧型磁鐵便宜，也無須再使用其他零件固定[3], [4]，然而它的最大問題是會出現較大的轉矩脈波，文獻上有許多解決之道[4]-[10]，大致上不是應用適當的設計手段[4]-[6]，[8]-[10]，就是仰賴控制的技巧[7]-[8]，雖然以控制技巧來降低轉矩脈波非常有效，但本文是專注在設計的考量上，並使用模糊田口法結合有限元素分析作優化。

在文獻上，有許優化的方法，其中田口法（Taguchi method）被證明對單一優化目標最有用的優化方法。田口法為一種實驗設計方法，是利用系統參數來完成優化設計的一種品質工程法，它能夠以較少的實驗次數找出目標之優化。然而，多數問題並非只是要求單一的優化目標，在多目標的優化中，各個優化目標間，難免有互相衝突的情形。本文中在完成雛型設計後，擬使用模糊田口法結合有限元素分析作優化，除了要降低轉矩脈波外，也擬提高平均轉矩與效率[11]-[14]，最後完成組裝與測試。

初始設計

首先決定適當的槽極數[8]-[10]，因槽極數對電機的輸出特性有著關鍵性的影響。本設計之電機操控之最高轉速達到24,000 rpm，必須考慮市購驅動器可達到之最高頻率限制，故極數不宜過多，在能達到輸出速度與轉矩需求下，選擇4極18槽，此時每相每極槽數為3/2，即分數槽繞組，通常分數繞組的設計在低頓轉矩、弱磁性能、效率及製程上皆有良好的性能表現。本設計採用銣鐵硼磁鐵（NdFeB），剩磁（Remanence, Br）為1.2 T，回復導磁率（Recoil Permeability, μrec）為1.05，以V字型埋入轉子鐵芯內，即所謂的內藏型，馬達初始設計剖面圖與詳細規格如圖1與表1所示。另外，馬達繞組設計詳細亦如圖1與表2所示，繞組因數達到0.945。

模糊田口法優化

模糊田口法是在田口法中加入模糊邏輯理論，來找出最佳化的參數。一般田口法因為各因子間的交互影響，在執行多目標優化時會遇到參數的衝突問題，此時只能以影響程度來做權衡，選擇單一目標最佳化的參數，因而常無法得到真正優化的參數。

模糊田口法大致可分為四個步驟：建立田口法直交表（Orthogonal Array）、灰關聯分析、建立模糊邏輯理論與選定最佳化組合並驗證，以下將詳述模糊田口法之步驟。

1. 建立田口法直交表

選取四個控制因子A、B、C 及 D，相當於四個設計參數如圖2與表3所示，每一個因子具有三個水準（值），再將這些參數與水準值帶入直交表L9（34）如表4所示，利用有限元素法進行9次實驗，分別記錄每次實驗的平均轉矩（Tavg）、轉矩漣波（Trip）及效率（Eff）的分析結果，如表4所示。