第3章线性马达压缩机磁路模型-Mipaper.PDFVIP

第3章 線性馬達壓縮機磁路模型 本章主要是以簡單電磁學與電機機械理論為基礎，建立一磁路 分析模型。磁路分析是將馬達內部磁通類比為電路，利用克希荷夫 (Gustav Robert Kirchihoff )電路定理來簡化磁場磁通的問題，利用此 磁路模型可以在線型馬達設計上提供設計方程式。 3.1 磁性元件基本構型 由於磁路模型為一簡化磁場物理行為的結果，因此在設計上必須 先考慮磁性元件的基本構型，避免複雜的磁通與磁漏，以提高磁路分 析的準確性。並且適當的設計磁性元件位置可減小壓縮機的體積，以 最小的幾何尺寸達到所要的性能要求。 由於磁性材料的長足進步 ，永久磁鐵( Permanent Magnet, P.M.) 的殘磁( Remanence )和矯頑磁力( Coercivity )的增加使得磁能積大幅 提高。對馬達設計而言，永久磁鐵的應用可以大幅縮小體積與增加效 率。本文所設計的線型馬達也採用永久磁鐵為設計元件進行最佳化設 計。在動件選擇上，一般旋轉永磁電動機其轉子可為線圈或是永久磁 鐵，而較小的動件質量可提高系統頻寬 ，因此採用移動線圈(moving coil)的方式是一個較好的選擇。 3-1 利用永久磁鐵來設計線性壓縮機，依磁鐵的配置方式可分為徑向 結構與軸向結構(圖 3- 1 所示) 。在設計上，增加磁鐵寬度 Wm 除可以 增加磁鐵使用體積外也可減小磁鐵本身磁阻 ，增加氣隙磁通密度。從 圖 3- 1 可看出，增加磁鐵寬度,Wm 對徑向磁鐵結構是增加壓縮機軸向 長度 L ，而對軸向磁鐵結構則是增加壓縮機外徑。由於壓縮機體積 V= π(D /2)2 L ，增加軸向長度 L ，體積呈現一次函數的線性增加，而 o 增加外徑 D ,體積卻是以二次函數的增加。考量壓縮機體積與重量 o 下，徑向磁鐵的結構是較好的選擇。並且 ，徑向磁鐵結的氣隙磁通是 由永久磁鐵直接提供，較軸向磁鐵結構可以提供線圈均勻的磁場 ，因 此本文所從事的設計是採用徑向磁鐵與移動線圈的結構。 圖 3- 1 磁線元件基本結構圖(a)徑向磁鐵結構(b)軸向磁鐵結構 3-2 在永久磁鐵( P.M. )的選擇上，除了考慮磁能積的大小之外，由於 物理性質較高的線性程度可以幫助在建立模型的準確性 ，因此磁鐵導 磁係數( Permeability )的線性化程度也相當重要。圖 3-2 為各式永久磁 鐵磁能積之比較 ，表 3- 1 為常用永久磁鐵特性 。 圖3-2 各式永久磁鐵磁能積比較[2] Alnico 磁鐵 Ba-ferrite 磁鐵 NdFeB 磁鐵 Alnico3 Alnico5 Indox1 Indox5 Compression Sintering 殘磁密度 kG 6.9 12.0 2.20 3.84 5.7~7.3 9~12 B T 0.69 1.2 0.220 0.384 0.57~0.73 0.9~1.2 r 保磁力 Hc Oe 470 600 1,830 2,000 4,700~5,900 9,000~1,1000 kA/m 37.6 48.0 146 159 374~470 700~900 最大磁能積 MG.Oe 1.3 5.0 1.0 3.5 7.5~11.0 28 (BH)max 溫度係數 o %/ C -0.022 -0.016 -0.19 -0.19 -0.15 -0.1 密度 g/cm3 7.0 7.3 4.7