機械工業網 - 機械產業的入口網站

作者:林正軒、張朝信、汪智強、陳譽元、彭文陽高轉速無感測驅控直流無刷薄型馬達技術探討－以智慧吸塵器嵌入式鼓風機驅動設計為例

永磁直流無刷薄型馬達可嵌入於高轉速流機，除了簡化軸承與端蓋等優點，甚至降低系統轉動慣量，降低加減速電流，實現高效直驅的節能效果。現有市面流通的無感測驅控IC能提供的額定電流規格多在1 A以內，且可匹配之電氣頻率偏低限制了與高轉速流機之多極薄型馬達結合的應用性。鼓風機的薄化、節能、智慧化是現有清潔機器人之智慧吸塵模組的重要技術趨勢，本研究開發兩款不同構形之多極薄型馬達，包括其磁路分析模擬與特性預估，實體雛形分別與智慧吸塵器高轉速鼓風機嵌入結合測試，馬達整體尺寸在直徑52 mm及高度10 mm以下，搭配無感測器設計架構，簡化馬達零件與組裝工序，以智慧化模糊邏輯控制驅控技術，改善高轉速之下的能耗，並縮短整定時間，使得依照灰塵量大小即時調整轉速變得可能。實際驗證發現，徑向磁通薄型馬達設計在空載測試時，12 V與0.32 A電流可達額定14,000 rpm；與離心Blower模組直接負載測試時，平均電流在2.3 A以內，驗證其無感測驅控法在高轉速（14,000 rpm）應用下換相時機與電流控制強健性，對於依賴充電電池驅動的智慧吸塵器，與原有直流有刷馬達驅動鼓風機方案比較（電流>4.5 A），平均耗電量下降達50%，可有效降低回站充電頻率。此外，對照組之軸向磁通薄型馬達因為採取無鐵芯設計，氣隙較大，整體馬達效率表現不如有鐵芯的徑向磁通設計，但是其較低的頓矩（cogging）可以獲得較平順的加速曲線，且線圈發熱可直接均勻傳遞至電路底板外，未來結合低鐵損SMC鐵芯，較易實現中空軸設計，仍具薄化嵌入應用之可能性。

作者:蔡明發、李迪章、曾仲熙、陳譽元、林正軒、彭文陽軸向磁通永磁馬達之模型建構與向量控制設計

近幾年來，軸向磁通永磁馬達（Axial-Flux Permanent Magnet Motor, AFPM）因具有高效率、緊密結構與高轉矩密度等特性，吸引著工業界的注目，並已廣泛應用在電動車與飛輪儲能等系統上。在這些應用中，需要馬達平穩的運轉，以避免震動與噪音干擾，因此，精確的馬達模型與其控制器設計，使其性能優化是非常重要的。本文建立一個軸向磁通永磁馬達之模型並設計其向量控制器，首先推導此軸向磁通永磁馬達在三相靜止座標之數學模型，其中電磁轉矩方程式具有頓轉矩漣波，再利用PSIM模擬軟體所具備的電路元件、數學運算與轉移函數等功能來建構與驗證此模型，此模型具有三相電壓輸入端與負載轉矩輸入端，可以很方便直接地將此模型方塊連接到整體馬達驅動器的PWM變頻器；並做負載轉矩與馬達參數不準度和變化等整體馬達驅動器性能的評估與模擬，轉矩響應模擬結果並與利用ANSYS Maxwell有限元素分析法之結果做比較，以驗證其正確性。之後，進一步推導在同步旋轉座標之d-q軸模型，依此軸模型設計以轉子磁場為導向的向量控制器，包含PI解耦電流控制器與二自由度轉速控制器，模擬結果顯示所設計的控制器對轉速命令與負載轉矩的瞬間加入皆有理想的轉速響應，並且馬達轉動慣量參數在 60 %的不準度時，仍有穩定的轉速響應，但在低轉速時可看出轉速響應上有明顯的漣波，是頓轉矩所造成，有待進一步設計更高階的控制器來消除此頓轉矩漣波效應。

作者:徐銘懋、陳譽元、張朝信、彭文陽、林正軒馬達試驗項目概述

馬達為日常或工業最大應用的動力載具系統，尤其是感應馬達的應用更為廣大。現今因為提倡IE3馬達等高效率電機的使用，都會進行電機的特性驗證，以符合國際電工委員會IEC 60034-30-1標準，達到省能的目的。本文主要提出電機常用的多樣測試項目，包含高壓絕緣、層間短路、直流測試等主要電機特性量測。驗證結果為電機使用者或製造者所需知悉的項目，以挑選符合所需的電機或修正馬達製造的參數。

作者:蔡明發、彭文陽、陳譽元、林正軒、葉信典三相交流感應馬達之建模與線上轉矩速度特性模擬分析

交流感應馬達因比永磁馬達有更強健、低成本的特性，因此廣泛地應用在馬達驅動系統中，尤其在較大功率電動車與牽引車的應用上，感應馬達的重要性將逐年增加。在這些應用中，需要分析馬達的轉矩速度特性，使得在適當的速度範圍內產生足夠的轉矩以驅動馬達帶動車體，因此精確的感應馬達模型與建構，在研究感應馬達轉矩速度特性暨其模擬與分析，是非常有用與重要的。

我們建立了一個三相交流感應馬達之相變數模型，以電磁、機電與機械三部份來推導感應馬達的數學方程式，並利用PSIM模擬軟體工具建立該感應馬達的相變數模型方塊，給予輸入信號的頻率與負載轉矩分析，驗證了該模型轉速穩態響應的正確性。所建模型並和PSIM內建與MATLAB/Simulink內建之感應馬達模型相比較，所得到三者的轉速與電流響應一樣，驗證了所建模型其暫態響應的正確性。所建模型的特色有二：一是三相定子輸入端是採用電路元件建立的，可以和馬達變頻驅動電路連接，以便做馬達驅動控制的整合模擬；二是負載轉矩輸入端是以數學函數元件建立的，可以數學函數的形式加入負載轉矩。

我們並提出一個以線上計算方式得出一個待測感應馬達的轉矩速度曲線。利用所建模型，以傳統的直流測試、無載測試與堵轉測試方法進行該待測馬達的參數量測，用所得參數及感應馬達在穩態的轉矩方程式，以線上計算方式即可得出該待測感應馬達的轉矩速度曲線。並用所建模型，仿照動力計的方法，在馬達模型的轉矩輸入端加一斜坡負載轉矩，得出施加負載後的轉矩速度曲線圖。比較仿照動力計的方法和線上計算方法，兩者所得到的轉矩速度曲線相差不大，說明所提線上計算量測感應馬達轉矩速度曲線方法的可行性。

作者:劉建聖、張育豪、李鴻飛、彭文陽、林正軒磁預壓節能型音圈馬達自動對焦致動器的設計

在影像系統中，對焦是其中最重要的功能之一，近年來將具有對焦或變焦功能的數位相機整合到手機裡已經躍升為市場的主流，各種廠牌的手機相機如雨後春筍般的出現在市場上。自動對焦致動器在相機系統中是基本配備，主要功能在於拍照時調整焦距，改善成像品質。常見的自動對焦致動器有：音圈馬達、步進馬達、壓電馬達及液態透鏡等，而音圈馬達因為有成本低、體積小及定位重複性高等優點，因此適合用於手機相機模組中。

傳統的音圈馬達分為開迴路與閉迴路控制兩種，開迴路控制是使用彈片來進行重複性定位，而閉迴路控制則是運用位置感測元件（如霍爾元件）所產生的位置回饋訊號來調整鏡頭的位置。然而產業界目前的問題之一是音圈馬達式的自動對焦致動器有彈片製造組裝困難、耐摔性差及能耗不易降低的缺點。本篇文章主要在提出一創新的無彈片開迴路式音圈馬達的設計來改善其缺點，該創新點在於利用磁預壓力結構設計以取代彈片的預壓力結構，以利往後在製造組裝上更為容易。由實驗結果顯示，本研究所提出利用磁預壓力可替代目前市面上較普遍的彈片式音圈馬達，並以一款8.5x8.5 mm音圈馬達致動器進行驗證發現，在相同對焦位移（0.4 mm）要求下，所需輸入電流下降15%以上，特別適合應用於後續高速動態響應對焦需求的超薄像機模組。

作者:徐銘懋、彭文陽、林正軒、鄭詠仁、楊竣翔、陳譽元鋁轉子IE4+超優質效率三相感應馬達技術

工業製造快速的發展，機械系統載具因具有極大的能源消耗，所以採用優質效率的馬達將受到密切關注。近年來，因為材料、工藝技術和研發能力的精進，馬達效率有極大的的提升，所以達到能源有效利用。國際電工委員會(IEC)於2014年訂定最新的IEC相關等級規範，然後使馬達效率數值具有限制依據。歐洲各國規定相關的推行時程，於2015年1月1日起，推行IE3優質效率感應電動機的施行；在未來有機會推行IE4以及更高效率特性的感應電動機。工業技術研究院針對馬達的節約能源方案，先行研發IE4+的單速超優質效率三相感應馬達，因應推行時程的到來。本文將針對2 HP、4-Pole、220 V、60 Hz的馬達規格，透過磁路分析、有限元素法、損失分析，然後探討原理、設計和實現；研發成果獲得效率數值達89.7%，較傳統感應馬達具有極大的省能效果。

作者:王聰榮、林正軒電推進無人機市場與技術發展趨勢

拜賜於科技的進步與系統整合，無人機已從軍事應用走到商業與消費層級之應用。全球無人機市場規模美國是第一大市場，亞太市場成長率快速已成為第二大市場，無人機市場規模到2025年將達到467億美元，從2019年到2025年的複合年增長率為16.1%，其中軍用/民用分別佔有70%與30%。本文探討無人機產業鏈組成與無人機系統相關應用，以及整機與各項次系統的技術發展趨勢。

作者:徐銘懋、張朝信、林正軒電動車馬達樣式與繞線方式選用概要

作者:石大明、陳一元、吳德常、林正軒無人機山區物流應用技術分析

無人機市場自2000年以後出現大幅的成長，依照2020年的市場評估，無人機市場總值達17.5兆美金，近年來隨著智能化技術的進展，無人機在物流的應用也越來越受到重視。依照研究機構對於無人機物流市場分析，市場總值在2020年將達到11.2兆美金，2027年市場總值也將達到近30兆美金，可見無人機在未來結合物流的應用已為趨勢。台灣部分區域鄉鎮、幅員廣大，居民散住各地，然而偏鄉交通不便。如能結合無人機物流應用，將增加時效且降低成本。因此本文在研究無人機山區物流應用分析、主要研究「各類型無人機在山區飛行」的可行性，主要包括：無人機起降、飛行、載重技術可行性分析。

作者:陳柏志、張存均、林正軒、林建羽高靈敏度磁感測技術研究

本文旨在開發高靈敏度磁感測技術，以突破現有磁感測器的性能限制，並拓展其在各領域的應用。以高靈敏度為開發目標，透過對於現有感測器的理論分析、材料結構與實驗設計，發展創新的技術，以達成高靈敏度磁感測技術。運用基於磁穿隧接合堆疊結構與磁通量導引結構等技術，所研究的感測器在室溫零場下的靈敏度高達4.66×104 %/mT，偵測率估計在1 Hz時約為23 pT/Hz1/2，100 Hz 時為2.3 pT/Hz1/2。整體而言，所研究的磁阻感測器在室溫高靈敏度低場測量方面具有巨大的應用潛力。本研究成果將有助於推動磁感測技術在汽車工業、導航、生物醫學、材料科學等領域的應用。

作者:何亞奇、林正軒、胡恩蘭、吳采亮電動車石墨烯浸潤式冷卻電池熱管理系統技術

本文主要探討浸潤式冷卻技術在電動車電池系統中的應用。電動車因高馬力的輸出與快速充電的需求逐年提升，導致電池的發熱量不斷增加，然而高溫對電池性能和壽命的不良影響成為一個關鍵問題。利用石墨烯浸潤式冷卻技術可以提供更穩定的溫度控制，延長電池的壽命，同時提高車輛的性能和安全性。隨著對電動車需求的增加，浸潤式冷卻技術有望在未來得到廣泛應用。

作者:謝秉錡、陳一元、林正軒非接觸式遞送的無人機研究

因應電子商務蓬勃發展，已衍生如行動電商、行動支付等先進技術生態鏈。而對比於以車輛為運送載具，無人機在天空可避開地面交通問題，加上速度快與配送彈性可望減少大量勞動力需求。隨著COVID-19的出現，物流業面對消費者及外送員暴露感染風險，所以使用無人機作為遞送的服務研究已日趨重要，但無人機在取放貨物接觸時有較高的風險。因此，非接觸式遞送亦是研究的重點課題。本文將透過文獻整理，完成一非接觸運送模式特色配送模式的分析整理，同時以一實際應用案例說明無人機與起降落平台的協作方式，探討三度空間物流基礎研究，逐步建構空中廊道整合方案。

歷史雜誌