Simulation of High Speed PM Motor

Simulation of High Speed PM Motor

施建仲

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產品推廣簡界

高速電計設計

磁拉力分析

最佳化分析

產品推廣簡界


Confidential

• 機電事業群

• IABG - Industrial Automation Business Group

• 成立於1995 年；憑藉對電力電子及自動控制知識的深入瞭解，專注於驅動 (Drive)、運動

(Motion) 與控制 (Control) 領域。近年來，在研發團隊持續研發關鍵技術下，開發出很多

應用於工業自動化的產品，適用於食品、紡織、化工、電子、塑膠等行業的工具機、金屬

加工機、製藥、印刷等自動化製造設備，以及樓宇之空調供水節能設備。


Confidential


Confidential

台達VFD交流馬達驅動器系列，憑藉掌握電子技術的核心優勢而迅速發展，並累積了深厚的行業應用知識，目前已在工業自動化市場建立廣大的品牌知名度。

從微型到大功率、從泛用型到行業專機，各系列產品針對不同應用下的力矩、損耗、過載、超速運轉之需求進行最佳化設計，並可依據不同的產業應用屬性作調整。


Confidential7

When the machine rotates at high speed, bearing friction loss, motor control, and system efficiency become

technical barriers ; Delta can provide system solutions or single products according to clients needs

AC

Axial BearingSensor Ring

Motor

Sensor Ring

RadialBearing

RadialBearing

Impellers

DC +

DC -

High Frequency DriveC2000-HS

Active Power FilterAPF3000

* Expected time to market : 2022 / Q4

Active Magnetic Bearing DriveAMBD

Magnetic Bearing Drive

Motor Drive

Motor & Bearing

LC filter

Domain Know How

硬件串流

技術整合

ONE STOP Shop的優勢

品保與售服


Confidential8

• 全球聯保

• 「售後服務」不僅僅是滿足客戶需求，而是成為有價值性的一項產品。我們希望規劃一些更有價值、且能夠帶來利潤的服務，例如為客戶管理庫存、依據客戶需求延長保固、或提供更多加值服務……等等


Confidential

系列變頻器

CH2000

一般負載應用過載能力: 120% 60s, 160% 3s

EX: 輸送帶, 壓縮機, 工具機

變轉矩負載應用過載能力: 120% 60s

EX: 風機, 水泵

重負載應用過載能力: 150% 60s, 200% 3s

EX: 起重, 機床, 沖床

交流馬達變頻器C2000 系列

C2000

CP2000


Confidential10

0

D1

D2

D3

D4

C5

C6

IGBT1

IGBT2

IGBT3

IGBT4

IGBT5

IGBT6

M3 ~

BA

CIM1

D5

D6

Va

Vb

Vc

L1

Rectifier - Diode

DC Reactor

DC Capacitor

Inverter - IGBT

• VFD key components : Diode + DC Cap. (DC Reactor) + IGBT

• IGBT : controllable switch

Key comp. reliability

Key comp. Simulation

System simulation

Operating

Duty cycle

System Reliability


Confidential11

Frame Size D0 D E F G H

Model VFD-_ _ _ C43x-HS 300 370 750 1100 1600 2200 3550

Ou

tpu

t Ra

ting

No

rma

l Lo

ad

Rated Output Capacity (kVA) 48 58 120 175 247 367 544

Rated Output Current (A) 60 73 150 220 310 460 683

Applicable Motor Output (kW) 30 37 75 110 160 220 355

Applicable Motor Output (HP) 40 50 100 150 215 300 475

Max. Output Frequency

IM 1500Hz 1500Hz 1500Hz 1200Hz 1000Hz 900Hz

PM 1000 Hz 1000 Hz 1000 Hz 1000 Hz 1000 Hz 900 Hz

Carrier Frequency (kHz)2~15

(Default 10)2~15

(Default 10)2~15

(Default 8)2~12

(Default 8)2~10

(Default 6)2~9

(Default 6)

Overload Capacity120% of rated output current: 1 minute for every 5 minutes;

160% of rated output current: 3 seconds for every 30 seconds

Inp

ut R

atin

g

Input Current(A) 63 74 157 207 300 400 625

Rated Voltage／Frequency 3 phase AC 380V~~480V (-15% +10%)，50 / 60Hz

Operating Voltage Range 323~528VAC

Frequency Tolerance 47~63Hz

Efficiency (%) 96.50 96.50 97.78 97.50 97.68 97.09 98.39

Power Factor >0.98

Drive Weight 38Kg 40Kg 66Kg 88Kg 138Kg 228Kg

Cooling Method Fan cooling

DC reactor Frame D0–H: Built-in, EN61000-3-12

高載波運行，降額幅度小使用SiC-SBD, 實現高載波低切換損


磁懸浮離心式壓縮機

High Power density

High Efficiency

High reliabilityLow noise

Oilless

Why?


磁懸浮冰機磁懸浮軸承

偏磁力：固定的磁力，用以支撐轉子重量及外加負載。

控制力：隨時調整的磁力，用以將轉子保持在所要求的位置。


磁懸浮冰機磁浮軸承

磁浮軸承_Radial 軸向軸承

Literature Survey


Various rotor topologies for HS PMSMs.

Rotor stress and contact pressure distribution

Temperature Rising


inertial stress of the sleeve

The centrifugal stress on the sleeve


http://www.huyaoyu.com/technical/2017/01/02/rotordynamic-analysis-using-ANSYS-APDL.html

Critical speed Response

http://www.huyaoyu.com/technical/2017/01/02/rotordynamic-analysis-using-ANSYS-APDL.html


高速主軸永磁無刷馬達之設計與分析逢甲黃昌圳教授


台大楊士進教授


Static eccentricity (SE) 靜態偏心‒ 轉子旋轉中心𝑂𝑟不和定子幾何中心𝑂𝑠重疊，固定於一處旋轉。

Dynamic eccentricity (DE)動態偏心‒ 轉子旋轉中心繞著定子幾何中心旋轉。

Mixed eccentricity (ME)混和偏心‒ 轉子旋轉中心偏離定子幾何中心，旋轉中心繞著此偏離中心旋轉。

1. 動平衡技術2. 組裝公差與限位3. Sensor解析度

High Speed motor design

3D-Maxwell


Magnet is divided into 5 pieces and insulated to reduce the eddy current loss of magnets.

Parallel magnetization.


Only adjacent magnets are insulated.


Magnets are insulation with each other, but no insulation with Banding.

Only adjacent magnets are insulated.

Sleeve PM


All magnet surface is insulated.

Unbalanced Magnetic Pull


•

•

•

•

Ecc_dy


• Eccentricity script using “ACT” Ansys customization toolkit

• Automatically modifies existing Maxwell model for rotating part eccentricity, rotating axis eccentricity or both

• Simply specify the offset in same units as in model

• Variables are created which can be changed for parametric simulation

• Leaf model will use rotating part eccentricity dx,dy = 0, 0.2 mm (shaft is off-center vertically upwards)


Max UMP at 不同靜偏心量

(1) Rotating 360 degree , plot [theta_M , Fx](2) Rotating 360 degree , plot [theta_M , Fy](3) Combine (1)(2) Plot [Fx ,Fy]

轉子自旋轉360度下，感受到的X’Y分力總力


Max UMP at 不同動態偏心量

(1) Rotating 360 degree , plot [theta_M , Fx](2) Rotating 360 degree , plot [theta_M , Fy](3) Combine (1)(2) Plot [Fx ,Fy]

轉子自旋轉360度下，感受到的X’Y分力總力

Optimization


因應不同行業應用的發展趨勢，少量多樣之客製化產品需求日益增加所以「與電腦協同作戰」的能效必需提升。

電腦的優勢• 龐大的記憶體• 快速的運算能力• 理性_客觀

人腦的優勢• Know How• 羅輯網• 推理設計

將局部的不確定性，轉成整體的確定性


Motor design ProcedureOperating

Torques

Voltage Constraint

Efficiency(Loss)

Cost

Volume(Sizing)

Multi-Objective

DesignAutomation


Ansys optiSLang提供不同的數學演算法，如下圖所示，我們可以將相同的模擬數據放入”機械學習”中，尋找最合適計算方式。

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