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解決方案

JMAG 在軸向磁通電機的應用

 
隨著對高功率與體積限制的需求不斷增長，軸向電機的應用領域隨之快速發展。在電動車、無人機（UAV）、精密工具等領域展現出高效率、高功率密度與輕量化的優勢。市場研究顯示，AFM 在 EV 與航空領域的採用率正在逐年提升。本文件將說明JMAG在軸向電機的應用。

1. 軸向電機與徑向電機的差異

  • 軸向磁通電機顧名思義其氣隙的磁通密度的方向是以軸向的方向傳遞，而徑向電機的磁通密度則是沿著徑向傳遞。詳細內容如下圖所示。
徑向電機與軸向電機使用

2. 軸向電機的挑戰與模擬需求

  1. 三維磁路效應
    • 因為磁路沿軸向方向前進，傳遞能量，又加上幾何形狀非對稱，在定子鐵心會有明顯的徑向、軸向以及切向混合磁通，因此在幾何上須使用3D的幾何模型，在網格元素上數量會遠大於2D的幾何模型，並直接反應在求解時間上
  2. 散熱與機構設計
    • 因為軸向電機通常是應用在高功率密度的情形下，這會造成熱集中的現象使散熱受限，須強化散熱設計，建議搭配CFD軟體模擬。另外因結構磁路方向會造成強大的軸向力，因此常需搭配止推軸承。
  3. 裝配精度要求
    • 具有高速離心的材料強度需求。另外在定轉子的結構裝配上，對氣隙的精度要求極高。如果氣隙不均勻，會額外增加徑向或是軸向的力矩震盪，引起噪音與振動，這對精密應用來說尤其致命。
  4. 材料選用
    • AFM 的磁通在氣隙主要是軸向方向，但在定子鐵芯內部也會有包括徑向、軸向、切向磁通。傳統矽鋼片是片狀材料，僅能抑制部分方向磁通造成的鐵損，而軟磁複合材料(SMC)，為顆粒絕緣包覆，幾乎各向同性，能更好的應對各種方向的磁通路徑，大幅降低渦電流產生的損失。JMAG在材料庫的部分，目前已經提供多款軟磁複合材料的電磁特性資訊。

3. 軸向電機的模擬需求與JMAG的應用

(i) 軸向電機樣板

    • JMAG-Express中支援雙轉子單定子與雙定子單轉子的軸向電機結構如。可以直接使用樣板調整幾何，並做參數設定後快速得到結果如。另外也可由幾何編輯器中生成幾何形狀。
JMAG-Express方向
軸向電機計算結果

(ii) 3D計算時間

    • JMAG在3D磁場計算上有極高的速度，可以在多核平行運算下，在短時間內得到3D分析的結果。相關計算資訊如下表。
模型網格數 146610
步數
37
SMP
28
使用總核心數
28
計算時間
1分13秒

(iii) 最佳化與AI應用加速計算

    • 同樣輸入電流與電壓上限下，以最大力矩與最低損失為目標函數，結果如，藉由多目標基因演算法，產生大量模型，並逐漸使目標收斂。由於需產生大量模型，因此在計算上也會需要大量時間，搭配代理模型可以用較少的有限元素分析達到相近的結果，詳細資訊如下表。
全FEA 搭配代理模型
FEA案例數
1260
240
模型網格數
146610
步數
37
3D求解器
15
每求解器SMP
2
使用總核心數
30
計算時間
17小時11分
2小時58分
最佳化後以目標函數標示出結果的散佈圖

4. 其他範例說明

(i) 震動噪音

    • 軸向馬達比徑向馬達結構更薄，常用於空間有限的車載馬達。通常，軸向間隙型馬達比引擎安靜，但轉速範圍廣有時會產生振動噪音。為了評估電磁力引起的噪音/振動，需要準確地獲取聲音輻射源，同時了解並考慮馬達的整體固有模態，包括與其相關的情況。在製作原型之前，使用有限元素法進行模擬。
軸向電機的振動分析

(ii) 交流損失

    • 線圈損耗可以根據直流銅損和交流銅損來定義。直流銅損完全可以根據線圈的幾何形狀、電阻率和電流相對輕鬆地計算出來。交流銅損會受到緊密排列的導體所產生的磁場等因素的影響。有些情況下會使用扁線來提高線圈的填充係數，但在這種情況下，由於線圈導線的橫截面積較大，電流很容易分佈，因此透過手動計算進行估算會比較困難。透過使用有限元素分析，可以將線圈損耗視覺化，並且無需製作任何實際機器的原型即可進行分析。
軸向電機的交流銅損分析

5. 實際案例

(i) 使用分段轉子結構的鐵氧體磁鐵軸向電機————————————————–北海道大學

    • 永磁同步電機的稀土磁鐵提供了強而有力的性能，但其價格問題難以克服，因此使用鐵氧體磁鐵替代，並使用JMAG做模擬分析與實驗測試如下圖。
北海道大學軸向電機模擬與實測結果

(ii) 基於軟磁複合材料的 6 kW 軸向磁通馬達用於手持電動工具——————————富世華納

    • 由於大多數馬達都是由矽鋼片製成的，徑向馬達因其簡單性和性能而成為自然的選擇。富士華納使用 JMAG 及其 3D 功能進行了一系列研究，以評估由軟磁複合材料 (SMC) 製成的軸向磁通馬達 (AFM)。分析軸向力結果，並實際做出樣機與原型機比較如下圖。
軸向電機軸向力分析以及與源徑向電機體積比較

6. 參考資料：

(i) JAC 293 Axial Gap Motor Geometry Optimization Using Surrogate Models
(ii) JAC 277 Vibration Analysis of Axial Gap-Type Motor
(iii) JAC 271 Axial Gap Type Motor AC Copper Loss Analysis
(iv) https://www.jmag-international.com/conference_doc/uc2017_19/
(v) https://www.jmag-international.com/conference_doc/uc2011_23/

 

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