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研究生: 許乃文
Hsu, Nai-Wen
論文名稱: 具雙機械端口之磁性齒輪電機建模研究及具步進馬達應用
The Study of Dual-Mechanical-Port Motoring-Gear Modeling and Its Application for Stepper Motors
指導教授: 蔡明祺
Tsai, Mi-Ching
共同指導教授: 胡家勝
Hu, Jia-Sheng
秦威瑟
Ubadigha, Chinweze
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2024
畢業學年度: 112
語文別: 中文
論文頁數: 115
中文關鍵詞: 磁性齒輪電機步進馬達馬達建模轉矩特性模擬
外文關鍵詞: Motoring-Gear, Stepper Motor, motor modeling, torque-speed curve Simulink
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  • 傳統馬達驅動性能驗證常使用實體電機與驅動器進行驗證,存在高成本、儀器損壞等缺點,因此藉由建置馬達數學模型進行驅動器模擬與驗證的方式較易實現高性能驅動器及減少開發時程,目前文獻上常見的數學模型以永磁同步馬達為主,特殊結構之馬達數學模型較為稀少,本文提出的馬達為一雙氣隙架構之磁性齒輪電機,發展此電機架構起因是因為永磁同步馬達需透過齒輪箱來達到變速比效果,但是機械齒輪容易造成磨損及噪音,在技術進步下,發展出同軸式磁性齒輪藉由內外層永久磁鐵改變磁場並由調磁鐵芯環作調製,以非接觸傳動方式降低機械齒輪的問題,但是同軸式磁性齒輪需依靠外部動力,故後續又提出磁性齒輪電機架構,改以線圈繞組激磁產生電磁場帶動永久磁鐵環並保留減速比特性,能由激磁方式主動傳遞動力。
    本研究首先分析與建置磁性齒輪電機之方塊圖,著重說明三環轉矩關係及電樞電氣角度與轉子電氣角之間的關聯,模擬磁性齒輪電機轉速和轉矩減速比關係,此外根據步進馬達結構將磁性齒輪電機之調磁鐵芯環鎖固,以此等效至步進馬達模型,且為貼近實際馬達運作,將於步進馬達模型中加入頓轉轉矩進行模擬並驗證及繪製其轉矩特性圖。

    Traditional motor drive performance verification often uses physical motors and drivers for verification, which has shortcomings such as high cost and instrument damage. Therefore, to achieve high-performance drivers and reduce development time, building mathematical model of motors for driver simulation and verification is a good choice. At present, there are relatively few mathematical models of motors with special structures in the literature. In this study, the motor proposed is a magnetic gear motor with a double air gap structure. This motor structure makes the permanent magnet synchronous motor (PMSM) to achieve the functions of variable speed ratio just like a mechanical gearbox but without the wear and noise problem associated with mechanical gearboxes.
    The motor, dubbed “motoring-gear” is developed based on the structure of coaxial magnetic gear, but have two mechanical ports and one electrical port. One of the PM rotors of the coaxial magnetic gear is been replaced with a stationary three-phase wound stator to generate electromagnetic field, and retains the gear ratio characteristics, and can actively transmit power through the excitation.
    This study first analyzes and constructs the block diagram of the motoring-gear, focusing on torque relationship, the armature magnetic field angle and the rotor electrical angle. Toque and rotational speed of each port were simulated. A special feature of the motoring-gear can be achieved by locking the modulator thus, making the motoring-gear equivalent to the stepper motor model. In order to make the mathematical model close to the actual operation, the detent torque is added to the stepper motor model, the torque-speed curve (TN curve) of the proposed motor is plotted using the mathematical model to provide insight into motor characteristics.

    中文摘要 I Abstract III 致謝 XIV 目 錄 XVI 表目錄 XIX 圖目錄 XX 符號表 XXV 第一章、緒論 1 1.1研究背景 1 1.2研究方法 2 1.3文獻回顧 3 1.4論文章節概要 8 第二章、磁性齒輪電機分析與方塊圖 10 2.1同軸式磁性齒輪結構與建模 10 2.2磁性齒輪電機 15 2.2.1磁性齒輪電機結構 15 2.2.2磁性齒輪電機方塊圖 17 第三章、步進馬達特性與比較 27 3.1步進馬達數學模型 27 3.2 磁性齒輪電機與步進馬達比較 32 3.3步進馬達轉矩特性 37 3.4頓轉轉矩 41 第四章、模擬驗證與結果分析 43 4.1磁性齒輪電機方塊圖模擬驗證 43 4.1.1磁性齒輪電機轉速與轉矩關係式分析 43 4.1.2磁性齒輪電機反電動勢分析 53 4.2磁性齒輪電機與步進馬達模型轉速關係分析 62 4.3步進馬達轉矩特性分析 67 4.3.1轉矩特性模擬 67 4.3.2頓轉轉矩模擬 75 第五章、結論與未來研究建議 79 5.1結論 79 5.2未來規劃 79 參考文獻 80

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