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机械资讯 778期

成型机械设备之无刷马达开发技术

文/丁家敏,张雅玲,周柏寰,周信宏
工业技术研究院 机械与机电系统研究所

近几年全球汽车业减排与轻量化商机成长,全球大型伺服金属成型机械需求倍增,关键零组件中高功率伺服控制系统,国内厂商大多采用进口方式,为了提升国内高功率机电零组件之竞争力,提高国产化高功率机电模组在金属成型设备占比,从设计端着手,工研院机械所藉由经济部技术处科技专案支持,针对金属成型机械中关键零组件永磁无刷马达之设计进行研究,开发马达设计平台,使用者透过马达规格输入,得到初步设计结果,并整合驱动模拟技术,知道马达动态特性数据,评估马达设计是否需要修改,降低马达开发成本,有效缩短开发时程,促使产值提升,并能掌握设备核心竞争力,提高金属成型机械之附加价值。
因此本文将以伺服马达设计为探讨重点,透过工研院开发的马达设计技术,应用于金属冲压加工设备进行介绍,以提升关键机电模组性能,以取得较大的竞争力,增进产业升级。

有限元素软体辅助分析

随着模拟技术的进步,目前采用有限元素软体进行马达分析的方法,已经是现在研发人员在开发过程中所采用,采用有限元素软体进行分析与模拟,将可大幅度降低开发制作错误成本,随着模拟准确度的提升,将可缩短整体开发时程,早期在开发永磁无刷马达,需要进行雏型实体制作,需要进行模具制作与修改测试,造成开发时程过长,现在改用有限元素进行模拟,将可大幅度降低模具制作修改费用与时间成本。近年来数位化设计技术得到迅速的发展,是解决马达设计开发中所面临的许多问题的有效途径。有限元素软体就是电脑辅助技术在分析制造过程中的应用,有效的整合电脑辅助设计与分析等流程(CAD/CAE),满足高精度,成本低,交期短的要求。日商JAMG软体与国际大公司ANSYS所提供之Maxwell软体,在马达分析上是相当强大的工具。
马达设计的流程中,首先需要处理的问题即是电磁设计分析,在图1的架构图之中,RMxprt协助马达设计者进行设计变动时,先进行马达性能初步估算,缩短工程师在CAD软体设计马达尺寸时所花费的时间,在马达性能初步估算后,Maxwell2D/3D软体,可进行较为细腻计算,提高模拟的准确度。
在处理完电磁设计后,接下来需要进行温度场分析,结构分析, 如图2 所列,ANSYS有提供相对应的分析模组,让马达设计者可使用。

最佳化技术提升马达性能

在马达设计者做完如图2的流程后,所设计出来的马达都符合使用者所开出来的特性规格,若无其它需求,则会开始进行制作,在近几年的趋势有需要进行其它分析,如动态响应或成本考量,其中成本考量包含一系列框号开发,最少成本,最高效率等需求。为了缩短设计周期时程,在整个设计流程导入自动化设计方法,并整合最佳化方法,使得自动化最佳设计变成整个趋势发展的主要目标。工研院机械所透过VBScript开发马达设计软体,整合有限元素软体与MATLAB软体,建立马达设计流程自动化模组,建立最佳化设计模组,将整体马达设计分成两阶段,如图3所示。首先,使用者输入规格,透过马达设计流程自动化模组,完成马达设计,包含定转子图面与绕线资料,接着,透过最佳化设计模组完成多目标设计,包含顿转矩最低,成本最低,效率最高等需求目标。
目前科专成果先以功能导向为主,开发出模组,提供使用者,让使用者自行规画人机界面,目前模组功能架构如图4所列。模组可与Excel软体整合,开发者可自行设定计算项目,可自动连结有限元素软体并计算结果,并将其产出回馈到Excel软体中,并自动运行最佳化计算,提供最终设计资料给使用者。

马达驱动数位銮生技术辅助伺服机电模组动态特性

马达设计者最常询问的情况为马达若是采用驱动器控制后,其动态响应如何,越来越多马达开发者需要进行驱动控制模拟,并依据模拟结果修正马达设计,如图5所示。因此,ANSYS与MATLAB这两套软体,都相互开发了驱动模拟工具,提供使用者进行建模分析,但是,这衍生两个问题,第一个问题为是软体模拟时间花费太长,远大于马达分析所花的时间,另外一个问题马达设计者并不太清楚马达驱动器运作原理。因此,这两个问题需要被解决。
首先,两种软体共同模拟的确会拉长整体模拟开发时间。因此,硬体在环技术被提出来,其技术进展如图6所示。硬体在环技术的主体是透过硬体计算,缩短软体计算所花费的时间,跟软体计算最大的差别是硬体计算采用数值求解方法求解一般物理微分方程式。
随着硬体在环技术被提出后,开始往数位銮生的概念发展,数位銮生的概念如图7所示。对马达驱动器而言,不论是装上马达实体,或者是数位銮生模组与马达驱动器连结,驱动器无法分辨出来。若采用数位銮生技术进行马达驱动模拟,将可降低高功率马达验证风险。因为实体高功率马达在运转,需要实体机械运转,其风险较高。
凯登智动化科技有开发马达数位銮生模组MR2,提供给各厂牌驱动器进行驱动控制,其产品如图8所示。图八中,采用台达驱动器与MR2进行连结,可回授马达状态资料到电脑端,提供使用者进行马达驱动控制验证,协助马达驱动器厂商进行驱动器功能开发。
科专后续会继续进行开发,解决前述问题,马达设计者并不太清楚马达驱动器运作原理。将会将驱动器功能整合进数位銮生模组,并将马达设计软体之马达设计方案参数输出到伺服机电HIL中,解决马达设计者并不太清楚马达驱动器运作原理的问题。并会在后续计画中将冲床机构建置数位銮生模组,如图9所示。
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