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矽钢片设计对无刷马达扭与振动影响研究

矽钢片设计对无刷马达扭矩与振动影响研究简介

无刷马达因其高效率、长寿命和低维护需求，广泛应用于工业自动化、电动汽车及家电等领域。其性能受多个因素影响，其中矽钢片作为定子与转子的核心材料，对马达的电磁性能、输出扭矩及运行时的振动噪声具有重要影响。

本研究主要探讨不同矽钢片材料、厚度、叠片方式及其磁导率等参数对无刷马达输出扭矩与振动特性的影响。通过有限元仿真与实验测试相结合的方法，分析不同设计方案下马达的磁通密度分布、转矩波动及振动加速度变化情况。

研究结果表明，选用高磁导率、低铁损的矽钢片可有效提升马达的输出效率与扭矩密度，同时减小磁滞与涡流损耗，降低温升。此外，适当减小矽钢片厚度或采用斜槽设计，有助于削弱齿槽转矩，从而减少转矩脉动和振动噪声。叠片方式与冲片工艺也对马达的整体刚性和动态响应有显著影响。

综上所述，优化矽钢片设计是提升无刷马达性能、实现高效低振运行的关键途径之一《城市河道水环境综合整治工程设计标准》地方标准（报批稿），对电机设计与工程应用具有重要的指导意义。

由於科技的發達「微小化」、迷你化 很明顯地，現在已成為所有精密機器、電子 和電氯設備的主流。今日各種電子系统，隨 著元件的功率越來越高和速度的越來越 快，使得冷系统格外的重要，而現今電子 元件中最常见的冷系统莫過於冷風扇 市場對於品質的要求日益提昇，不仅對 於馬力上的提升且日對於馬達所產生的

本文主要針對直流無刷馬達其簡化後 的模型(圆1)主要分為七個部份：底板、上盖 板、轴承、定子(Stator)與轉子(Rotor)（圆2)， 其中矽鋼片與線圈是透過承固定在底板 上為定子，永久磁鐵與框架為旋轉的部分 為轉子，本模型未將扇葉加入其牵涉到的 不確定因素太多所以先剔除，纯粹讨電磁 與结構間的振動影響。馬達的规格表如（表 一）。本篇文所用到的有限元素软體為 JMAG舆MSC.Nastran[8]，以前者為主體後 者為證用·在JMAG软體操作中包括了雨 個部份：電磁模组(圖3)與结構模组(圖4)，電 磁模组模型包含了永久磁鐵、矽鋼片、磁框 舆線圈。结構模組模型包含了永久磁鐵、矽 鋼片、磁框、線圈、上盖板、底板舆轴承。

JMAG软體分析出整體的自然频率與 MSC.Nastran软體所分析出的自然频率相 互證，其结果相当的接近如(表二)，以下 列举了前三填模態的動方式。第一模態如 （圖5)所示，動方式為前後撬動。第二模 態如（圖6)所示，動方式也為前後動 第三模態如(圖7)所示，撬動方式為左右 動。

2.2NodeForce奥Torque值

在電磁模组中所分析出的结果可以得 到NodeForce，我們取了一個完全對的模 型用来明如(圖8)，且在三個轴向取對 的節點來分析其各點方向舆大小。如（圖 9)X方向舆Y方向其對的蟹均匀的一個方 向為正的，另一方向就為負的，在大小上虽

有些許的差距但應該是計算上的差，其结 果蟹符合力平衡之現象·但Z方向除了Node 1929舆Node1936為對因Node1936在 Node1929的背面皆在Z轴方向上所以會對 ，其餘的節點Node2208、Node2205、 Node1323、Node1326皆和Node1929在同 一个面上所以其NodeForce所產生的方向 相同。矽鋼片設計如(圖10)~(圖13），Node Force乘上其作用的力臂则可得到Torque值 如(圖14)。以馬達輸出扭力的觀點来看，針 對矽鋼片的外觀型狀來探讨，可以看出 Torque值以型3的表現為最差，其Torque 值線型所包圍的面最小，虽然最大值皆差 不多。型2與型3有些許負值的出現，理 上會造成電動機的反轉（變為發電機的形 式），但由於電動機高速的轉動其惯性作用 會將負值的部份带過，且作用時間極短基本 上不影響馬達單一方向轉動。

2.3Response節點的挑選

由原始模型來看，在底板中我們挑選了 四個地方的節點来作為比较如（圆15)為其 拘束位置落在螺栓孔的地方，(圆16)挑選這 四點的原因為其距離拘束條件位置较遠振 幅相對的會比较大，所以就觀察上而言為理 想的觀察節點。（圖17)為Response節點振 幅比较圖，由圆中可以發現Node2288有最 大的振動量。 線圈绕在矽鋼片上通電之後舆磁鐵 間所產生的電磁力會透過轴承傳到底板 上，由所遥取的四種模型中可以歸類出型1 舆型2其矽鋼片設計较為類似型3與型A较 為類似，型3與型A其振動量為较小，因矽 鋼片舆磁鐵間没有缺口單就结構而言又比 型1舆型2來得稳固，而型A又比型3更為 穩固所以其振動量為最小如（圖18)所示。

2.4完全對模型的振幅比较

將原始模型改成完全對如（圖19)中 的例中可以看出可以看出電磁力的分怖 情形，轉子與定子的偏移舆不對會造成相 當大的Z向電磁力將轉子拉回中間的位 置，其會造成在结構中乙向的振動嚴重， 所以在設計上要考虑進去。以下则是以此為 依據將原始模型改變為完全對模型如（圖 20)與（圆21)所示，變更的地方為矽鋼片的 位置將其調整到中心位置且最外層的磁框 也稍作變更使其為在轴向完全對。分析的 拘束條件舆分析的節點位置如（圆22)所示。 電磁部份分析的结果如（圆23)所示，结 構振動部份分析的结果如（圆24)所示。由分 析圖中可看出電磁力明顯的降低比原始模 型還小，由於電磁力的降低造成结構振動上 也跟著降低所以在設計模型時要考虑Z轴向 的對對於减少振動有助性。

有偏移的發生则會造成相当大的Z 轴向電磁力將其拉回到中間位置，在 例中偏移5mm所產生的電磁力比 偏移10mm的電磁力来得大，原因為 定子與轉子在空間中的接觸面减 少所以相对的電磁力也跟著减少，故 在設計實要考虑到對的结構設計。

（1） 由振幅比较圆中可以清楚看出振動 量型A為最小。單就结構而言又比型 1與型2來得穩固，而型A又比型3 更為穩固所以其振動量為最小。 (2) 將上節讨電磁力的部份考量進 来，將原始模型改為完全對的形式 其電磁力的部份大大的降低，在结構 振動部分也因電磁力的减少，振動的 部份也跟著减低。

（電磁部分） D 任意取對節點的比较，其方向對 的璧均匀的，在分析结果上大小上虽 有些許的差距但應該是計算上的 差，其结果符合力平衡之現象。 2 以馬達輸出扭力的觀點来看，針對矽 鋼片的外觀型状來探讨， 由扭力圖可以看出Torque值以型1 與型A的表現為最佳，Torque值皆 為正值。型2舆型3有些許負值的出 現，理上會造成電動機的反轉（變 為發電機的形式），但由於電動機高 速的轉動其惯性作用會將負值的部 份带過，且作用時間極短基本上不影 響馬達單一方向轉動。 3) 馬達结構的不對如轉子與定子間

本研究承蒙势流科技有限公司在软體 上的支援以及新普科技公司提供馬達模型 舆材料性質，特此申谢。。

（圖3） 電磁模组模型

（圖4）结構模組模型

Studio真MSC.Nastran自

（圖8）完全對种的模型

（圖11)（型2）雨端尺寸相同之矽鋼片

（圖11)（型2）雨端尺寸相同之矽钢片

dbj50／t-381-2021 山地建筑工程逆作法技术标准(附条文说明)（圆12）（型3）同心圆型之矽網片

圆12）（型3）同心圆型之

（圆13）（型A）為型3的缓化

（圆14）Torque值比较圖

（圆17）Response節點振幅比较圖

龙凤河大桥施工组织设计（國20）改後完全對种模型

（圆21）拘束位置與比较節點位置

【圖23）结構振動比较圖