วิเคราะห์สมรรถภาพของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับรถจักรยานไฟฟ้า ด้วยการใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์

Abstract

This thesis presents the performance analysis of direct current motors for electric bicycles with using the finite element method. For this research propose, a direct current electric motor of an electric bicycle should be decent performed. Recently the finite element method can be applied to support for a prototype of the direct current motor with good performance. The original motor is a 350 Watt with a brushed DC motor type, 24 Volt, with ferrite permanent magnet. The designs of motors are applied by using the finite element method with focusing to stator dimension of the motor. Generally, neodymium permanent magnet has high density and is applied for analysis of the motors. There have 50 mm long and 5 mm thick and have 6 sizes of wide, for example, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm, 45 mm and 50 mm respectively.

As the analysis result, a motor with higher maximum magnetic flux density, it has higher motor torque performance. Therefore, the fascinating motors are then built and tested in the laboratory. The original motor has a maximum torque of 9.74 Nm, a maximum output power of 291 Watt and a peak efficiency of 74.68 percent. The 25 x 50 x 5 mm permanent magnet developed motor has a maximum torque of 9.87 Nm, a maximum output power of 295 Watt and the maximum efficiency is 73.57 percent. Moreover, the 50 x 50 x 5 mm permanent magnet developed motor has a maximum torque of 13.00 Nm, a maximum output power of 304 Watt, and a maximum efficiency of 76.67 percent. From the test results, it was found that a 50 x 50 x 5 mm permanent magnet motor has the highest efficiency compared with the original motor that for example maximum torque increasing 33.47 percent, output power growing to 4.46 percent and efficiency upturning near 1.99 percent respectively. Furthermore, the motors are employed to an electric bike for testing to drive with nearly distance of 25 kilometers with the same conditions. It is found that the original motor and the built motor can be used in actual drive situations. Therefore, analysis of the finite element method is helpful for designing and optimizing electric motor performance.

วิทยานิพนธ์นี้นำเสนอการวิเคราะห์สมรรถภาพของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับรถจักรยานไฟฟ้าด้วยการใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ สำหรับเป้าหมายงานวิจัยนี้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงของรถจักรยานไฟฟ้าควรมีสมรรถภาพที่ดี ในปัจจุบันวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์สามารถถูกใช้เพื่อช่วยในออกแบบมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงต้นแบบให้มีสมรรถภาพที่ดี โดยมอเตอร์ต้นแบบเดิมเป็นชนิดมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านขนาด 350 วัตต์ แรงดัน 24 โวลต์ ด้วยแม่เหล็กถาวรชนิดเฟอร์ไรต์ การออกแบบมอเตอร์ถูกประยุกต์ด้วยการใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์โดยมุ่งเน้นที่โครงสร้างสเตเตอร์ของมอเตอร์ โดยทั่วไปแม่เหล็กถาวรชนิดนีโอไดเมียมมีความเข้มสูงมากและถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ในมอเตอร์ โดยมีลักษณะความยาว 50 มม. ความหนา 5 มม. เท่ากันทุกชิ้น โดยเปลี่ยนความกว้างจำนวน 6 ขนาด ได้แก่ 25 มม. 30 มม. 35 มม. 40 มม. 45 มม. และ 50 มม. ตามลำดับ

ผลการวิเคราะห์ มอเตอร์ที่มีความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูงจะส่งผลทำให้แรงบิดของมอเตอร์สูงขึ้น จากนั้นมอเตอร์ที่น่าสนใจได้ถูกทำการสร้างและทดสอบสมรรถภาพมอเตอร์ในห้องปฏิบัติการ ซึ่งผลการทดสอบดังนี้ มอเตอร์ต้นแบบมีค่าแรงบิดสูงสุด 9.74 นิวตันเมตร และกำลังไฟฟ้าด้านออกสูงสุด 291 วัตต์ และประสิทธิภาพสูงสุดที่ 74.68 เปอร์เซ็นต์ และในส่วนของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร ขนาด 25 x 50 x 5 มม. ที่ถูกพัฒนาขึ้น มีค่าแรงบิดสูงสุด 9.87 นิวตันเมตร และกำลังไฟฟ้าด้านออกสูงสุด 295 วัตต์ และประสิทธิภาพสูงสุดที่ 73.57 เปอร์เซ็นต์ อีกทั้งในส่วนของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรขนาด 50 x 50 x 5 มม. มีค่าแรงบิดสูงสุด 13.00 นิวตันเมตร กำลังไฟฟ้าด้านออกสูงสุด 304 วัตต์ และประสิทธิภาพสูงสุดที่ 76.67 เปอร์เซ็นต์ จากผลการทดสอบ พบว่ามอเตอร์แม่เหล็กถาวรขนาด 50 x 50 x 5 มม. มีสมรรถภาพสูงที่สุดเมื่อเทียบกับมอเตอร์ต้นแบบ เช่น แรงบิดสูงสุดเพิ่มขึ้น 33.47 เปอร์เซ็นต์ กำลังไฟฟ้าด้านออกเพิ่มขึ้น 4.46 เปอร์เซ็นต์ และประสิทธิภาพสูงสุดเพิ่มขึ้นประมาณ 1.99 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ อีกทั้งมอเตอร์ต่างๆได้ถูกประยุกต์ใช้ในจักรยานเพื่อทดสอบการขับเคลื่อนจักรยานไฟฟ้าในระยะทางประมาณ 25 กิโลเมตรด้วยสภาพต่างๆที่เท่ากัน พบว่า มอเตอร์ต่างๆสามารถนำไปใช้งานตามสถานการณ์การขับเคลื่อนได้ และการวิเคราะห์ด้วยการใช้ไฟไนต์เอลิเมนต์เป็นประโยนช์สำหรับการออกแบบและพัฒนาสมรรถภาพของมอเตอร์ไฟฟ้า