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研究生: 王翊仲
Yi-Chung Wang
論文名稱: 應用於柴油引擎啟動機之混合激磁型 直流馬達特性分析與設計
Analysis And Design of Hybrid Excitation DC Motor Used on Diesel Engine
指導教授: 蕭弘清
Horng-Ching Hsiao
口試委員: 王順源
Shun-Yuan Wang
胡能忠
Neng-Chung Hu
蕭鈞毓
Chun-Yu Hsiao
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 91
中文關鍵詞: 啟動馬達有限元素法混合激磁型馬達輸出功率功率密度
外文關鍵詞: Starter Motor, Finite Element Analysis Method, Hybrid Excitation Motor, Output Power, Power Density
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  • 本論文先以市售之應用於柴油引擎起動機之串激式直流馬達進行還原,發現與廠商實測結果有誤差;遂而提出一永磁式直流馬達進行比較,發現兩者模擬結果皆與實測存在誤差。推測可能原因為減速機之機械損導致,因此透過理論計算得到減速機之效率,並與有限元素分析軟體之馬達模擬結果搭配,以更貼近實測結果。
    本論文在不改變體積之條件下以提升輸出功率為目標,對串激式、永磁式及混合激磁型直流馬達做設計,並對其輸出功率、功率密度、馬達重量及材料成本進行評估。
    根據有限元素分析軟體模擬結果,永磁式直流馬達相較於原本串激式直流馬達,其最大輸出功率提升1.12 kW、功率密度提升1.15倍、馬達重量下降0.6 kg、材料成本減少2.02 USD;混合激磁型直流馬達相較於原本串激式直流馬達,其最大輸出功率提升1.39 kW、功率密度提升1.18倍、馬達重量上升0.12 kg、材料成本上升4.37 USD。


    The simulation of the commercially available series-excited DC motor for diesel engine starter was proposed at the first of this thesis. It was found that there is an error between the simulation results and the measured results by the manufacturer, therefore a simulation of the permanent magnet DC motor is proposed for comparison, and we confirmed that the errors do exist in both experiments.
    It is speculated that the possible cause is due to the mechanical loss of the reducer, so the efficiency estimation of the reducer was proposed to increase the precision of the motor simulation results with the finite element analysis software.
    The thesis discussed ways to improve the output power without changing the volume. We compared the electric performances among three DC motor structures, thus series exciting, permanent magnet; and hybrid exciting.
    According to the finite element analysis software simulation results, the output power of the permanent magnet DC motor has increased 1.12 kW, a power density has risen 1.15 times, a motor weight reduction is 0.6 kg, and a material cost reduction is 2.02 USD. Comparing with the original series DC motor, the excitation type DC motor has increased the maximum output power of 1.39 kW, a power density has risen 1.18 times, a motor weight increase of 0.12 kg, and the material cost increase of 4.37 USD.

    目錄 摘要 I ABSTRACT II 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 IX 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 1 1.3 文獻回顧 2 1.4 論文大綱 5 第二章 直流馬達介紹 6 2.1 前言 6 2.2 直流馬達結構 6 2.2.1 機殼 7 2.2.2 主磁極 7 2.2.3 電刷 8 2.2.4 換向器 8 2.2.5 鐵心 10 2.3 電樞繞組 10 2.3.1 極距與線圈節距 10 2.3.2 複分數(multiplex) 11 2.3.3 並聯路徑數 12 2.3.4 疊繞與波繞 13 2.3.5 髮夾式扁銅線(hairpin winding) 14 2.4 直流馬達原理 15 2.4.1 反電動勢公式 15 2.4.2 轉矩公式 16 2.4.3 等效磁路 17 2.5 結語 20 第三章 行星齒輪減速機 21 3.1 行星齒輪結構 21 3.2 行星齒輪效率 23 3.2.1 齒輪之嚙合 24 3.2.2 滑動速度(sliding velocity) 25 3.2.3 摩擦係數 26 3.2.4 齒輪嚙合效率 27 3.3 效率計算 28 3.4 結語 30 第四章 直流馬達原型機之有限元素法建模與分析 31 4.1 前言 31 4.2 原型機規格 31 4.2.1 幾何結構 32 4.2.2 原型機材料 34 4.2.3 電路設計 36 4.3 有限元素法軟體分析 37 4.3.1 馬達建模 37 4.3.2 馬達磁路分析 38 4.3.3 馬達特性分析 40 4.3.4 原型機輸出特性模擬與實測比較 40 4.4 永磁式直流馬達 43 4.4.1 幾何結構 44 4.4.2 馬達建模 45 4.4.3 馬達特性分析 46 4.4.4 永磁式直流馬達輸出特性模擬與實測比較 46 4.5 結語 49 第五章 混合激磁型直流馬達介紹 50 5.1 前言 50 5.2 混合激磁型直流馬達原理 50 5.2.1 混合激磁型直流馬達之結構設計與組成 50 5.3 新型機規格 51 5.3.1 磁鐵尺寸決定 51 5.3.2 幾何結構 53 5.4 有限元素法軟體分析 54 5.4.1 馬達建模 54 5.4.2 馬達磁路分析 54 5.4.3 馬達特性分析 55 5.4.4 氣隙磁通密度分析 57 5.5 結語 61 第六章 馬達效益評估 62 6.1 前言 62 6.2 功率密度比較 63 6.3 馬達重量與成本比較 64 6.3.1 馬達結構重量分析 64 6.3.2 馬達結構成本分析 68 6.4 效能提升評比 69 6.5 結語 70 第七章 結論與建議 71 7.1 結論 71 7.2 建議與未來研究方向 72 參考文獻 73 作者簡介 76  

    參考文獻
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    無法下載圖示 全文公開日期 2024/08/28 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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