以往高速發電機的設計多半是以磁氣與電氣負荷作為設計的依據，然而其在高速運轉時，所承受的高應力工作環境已不能忽視而必須加以量化來進行設計。首先在於瞭解並掌握材料的物理性質，以選用轉子材料與尺寸設計—稀土永磁材料能夠提供高剩餘磁性，因此成為首選，但矽鋼片有漏磁及高頻損失等等特性，是必須去面對克服的。本論文以高速旋轉為出發點，整合磁路分析與受拉強度設計做為高速發電機的設計方法，經由設計參數的選取與計算，增加發電機轉子抗拉強度或離心力忍受性。最後輔以有限元素法分析軟體建立實體數值模擬進行結果驗證。

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目錄 …………………………………………………….……I
圖目錄 …………………………………………….………..IV
表目錄 ………………………………………….…………..VI
中文摘要 VII
Abstract VIII



第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究目的與研究方法 4
1-4 論文綱要 5
1-5 磁性材料的介紹 6
1-5.1 鐵心材料 7
1-5.2 鐵損 8
1-5.3 永久磁石材料 8


第二章 磁路分析設計與繞組設計 11
2-1 影響發電機輸出功率的各個參數 11
2-2 高速發電機的轉子構形 16
2-3 磁極數與定子構形、槽數的搭配 20
2-4 磁路設計與分析 25
2-4.1 等效磁路模型的建立與分析 27
2-5 繞組設計 35
2-6 定子槽的限制與導線的選用 39
2-7 效率計算 41


第三章 受拉強度與自然頻率分析 43
3-1 受拉強度分析 44
3-2 轉子外徑計算 46


第四章 整合設計與決定尺寸 48
4-1 套筒厚度計算 50
4-2 選定設計參數 52
4-3 繞線方式與效率檢驗 59


第五章 數值模擬與比較 62
5-1 靜態磁場分析結果 63
5-2 電壓模擬分析 68
5-3 套筒受拉強度分析 70
5-4 轉子模態分析 74


第六章 結論與未來發展 77



參考文獻 79
附錄.…...…………………………………………………….84


圖目錄
圖1-1 旋轉式交流發電機的種類 1
圖1-2 電磁鋼片的磁滯曲線圖 6
圖2-1 徑向磁通式與軸向磁通式的構形示意圖 16
圖2-2 高速發電機的轉子構形 17
圖2-3 高速發電機轉子的剖面圖 18
圖2-4 高速發電機組基本架構圖 19
圖2-5 定子細部規格示意圖 23
圖2-6 磁路方塊圖 27
圖2-7 磁路模型 27
圖2-8 等效電路圖 28
圖2-9 邊緣效應 30
圖2-10 磁極間橋部的磁路 30
圖2-11 磁極間軛鐵的磁路 32
圖2-12 磁極間氣隙的磁路 32
圖2-13 繞組各部位的名稱 35
圖3-1 套筒的橫截面 44
圖3-2a 套筒橫截面受力圖 47
圖3-2b 套筒所受內力圖 47
圖4-1 高速發電機的設計流程圖 48
圖4-2 套筒厚度、磁極弧比對於磁石體積的影響 53
圖4-3 極間軛鐵高度比、磁石極弧比對於磁石體積的影響 54
圖4-4 轉子外徑、磁石極弧比對於磁石厚度的影響 54
圖4-5 磁石極弧比對於磁石厚度的影響 55
圖4-6 轉子外徑、磁石極弧比對於磁石體積的影響 56
圖4-7 轉子外徑、轉子有效長度對於電氣負荷的影響 57
圖4-8 轉子外徑、轉子有效長度對於功率密度的影響 57
圖5-1 數值模擬流程圖 62
圖5-2 網格分布圖 63
圖5-3 磁力線分布圖 65
圖5-4 磁通密度純量分布圖 66
圖5-5 氣隙磁通密度分佈圖 67
圖5-6 發電機的幾何模型 68
圖5-7 電壓波形圖 69
圖5-8 套筒的網格分佈圖 71
圖5-9 套筒的應力分佈圖 72
圖5-10 網格分布圖 75
圖5-11 模態分析圖 75


表目錄
表1-1 各種磁石種類 10
表2-1 電流密度建議值 13
表2-2 與槽極數的搭配建議 22
表2-3 極數與槽數的搭配建議 22
表2-4 定子尺寸之計算式 24
表2-5 電路與磁路參數的類比關係 26
表2-6 線圈電氣角度表 37
表2-7 線圈組合表 38
表3-1 轉子細部規格示意圖 43
表4-1 高速發電機的設計需求與材料性質 52
表4-2 線圈分配表 59
表4-3 線圈選擇表 59
表4-4 四極六槽發電機的繞線佈局 59
表4-5 線材規格 60
表4-6 設計結果列表 61

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