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系統識別號 U0002-1007200914543900
中文論文名稱 小型軸流式泵之電磁鐵設計及轉子位移量測
英文論文名稱 Actuator Design and Rotor Displacement Measurement for a Miniature Axail Flow Pump
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 黃見龍
研究生英文姓名 Chien-Lung Huang
學號 696370559
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-06-19
論文頁數 81頁
口試委員 指導教授-楊勝明
共同指導教授-李宗翰
委員-王銀添
委員-林逢傑
中文關鍵字 電磁鐵  徑向力控制  磁力軸承  位移量測 
英文關鍵字 Electromagnetic Actuator  Radial Force Control  Magnetic Bearing  Displacement Measurement 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 由於空間的限制,磁懸浮之小型軸流式泵通常只含有一組主動式磁力軸承做轉子軸向位移控制,徑向則以兩組被動式磁力軸承平衡。因為只有軸向有控制,轉子於高速運轉時易產生徑向振盪。為改善轉子振盪問題,本論文提出一新型之主動式磁力軸承用的電磁鐵,此電磁鐵含有四個電流單獨控制之極,若在各極加上適當的電流則電磁鐵除了可產生軸向力外,亦可以產生相當明顯可以控制的徑向力,此徑向力可用來抑制轉子徑向振盪。此外,本論文亦提出一利用六顆單軸霍爾感測元件來量測轉子之軸向及徑向位移之方法,因為使用霍爾感測元件,故量測系統所占空間小,極適合用於小型軸流式泵。除了以理論及有限元素方法分析提出的方法之外,本論文亦包含實驗結果以驗證提出之方法的可行性。
英文摘要 Due to the space limitations, miniature magnetically levitated axial flow pump usually has an active magnetic bearing for rotor axial direction control, and two passive magnetic bearings to balance the radial directions. Since only the axial direction is controlled, rotor is oscillatory in the radial directions. This thesis proposed a new electromagnetic actuator for axial direction control to reduce rotor oscillations. The actuator has four independently controlled poles. When the poles are properly excited, the actuator can produce controllable axial as well as radial forces. In addition, a method which uses six Hall-effect sensors to measure rotor axial and radial displacements is also proposed. The measurement system requires very small space since Hall sensors are used. Therefore, it is suitable for miniature axial flow pump applications. Besides theoretical and finite-element analysis, experimental verifications of the proposed methods are also included in this thesis.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
表目錄 V
圖目錄 VI
符號說明 XI
第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 3
1.3 文獻回顧 4
1.3.1 單軸磁浮軸承系統文獻回顧 4
1.3.2 磁浮轉子位移量測文獻回顧 7
1.4 論文大綱 13
第二章 單軸軸流式泵 14
2.1 單軸軸流式泵簡介 14
2.2 主動式磁力軸承 15
2.3 被動式磁力軸承 15
2.4 無刷直流馬達 19
2.5 單軸軸流式泵之振動問題 19
第三章 新型電磁鐵 22
3.1 電磁鐵設計與分析 22
3.1.1 四極各加上相同電流Io 23
3.1.2 相對兩極加入電流變化△I 24
3.1.3 鐵芯飽和分析 26
3.1.4 銜鐵厚度之影響 28
3.1.5 轉子傾斜之影響 30
3.2 徑向力分析 33
3.3 有限元素分析驗證 39
3.4 控制系統設計 43
3.4.1 軸向控制 44
3.4.2 徑向控制 44
第四章位移量測系統 47
4.1 霍爾感測器介紹 47
4.2 感測器擺設及特性 47
4.3 量測系統設計 52
4.4 位移計算 54
4.4.1 軸向位移計算 55
4.4.2 徑向位移計算 58
4.5 轉子偏移及旋轉對量測位移之影響 58
4.5.1 轉子偏移之影響 59
4.5.2 轉子旋轉之影響 61
4.6 計算流程 66
第五章 實驗結果 68
5.1 電磁鐵實驗結果 68
5.2 轉子位移量測系統實驗結果 72
第六章 結論與未來工作 76
參考文獻 77

表目錄

表3.1 四極電磁鐵規格表。 24


















圖目錄

圖1.1 以磁力軸承懸浮馬達轉子之離心式壓縮機內部結構圖 2
圖1.2 支撐馬達之懸浮力(a)細長型轉子,(b)扁平型轉子 2
圖1.3 單軸磁力軸承系統示意圖。 4
圖1.4 徑向與軸向軸承結構,箭頭為充磁方向(a)徑向軸承,(b)軸向軸承。 5
圖1.5 單軸磁浮系統,g代表電磁鐵與懸浮物間氣隙。 6
圖1.6 崁入式霍爾感測器。 8
圖1.7 垂直式霍爾感測器。 8
圖1.8 單晶片三維霍爾感測器。 8
圖1.9 單晶片霍爾感測器晶片尺寸。 9
圖1.10 溝槽直立式平面霍耳感測器。 9
圖1.11 二維陣列霍爾感測器。 10
圖1.12 磁場集中器。 11
圖1.13 不需經過訊號處理之位移感測器。 11
圖1.14 霍爾感測器安裝於機翼尾翼。 12
圖2.1 機構側視剖面圖 15
圖2.2 被動式磁力軸承之徑向充磁 17
圖2.3 被動式磁力軸承之軸向充磁 17
圖2.4 (a)被動式磁力軸承徑向力分析。(b)被動式磁力軸承軸向力分析。 18
圖 2.5 軸流式泵系統之感測器安裝圖。(a)x-y剖面視圖。(b)y-z剖面視圖。 19
圖2.6 磁浮轉子未運轉懸浮於空氣中之轉子軸向位置、電磁鐵電流及轉子x-y位移。(a) 轉子軸向位置。(b) 電磁鐵電流。(c) 轉子x-y位移。 20
圖2.7 磁浮轉子轉速2000rpm懸浮於空氣中之轉子軸向位置、電磁鐵電流及轉子x-y位移。(a) 轉子軸向位置。(b) 電磁鐵電流。(c) 轉子x-y位移。 20
圖2.8 磁浮轉子轉速4000rpm懸浮於空氣中之轉子軸向位置、電磁鐵電流及轉子x-y位移。(a) 轉子軸向位置。(b) 電磁鐵電流。(c) 轉子x-y位移。 21
圖2.9 磁浮轉子轉速6000rpm懸浮於空氣中之轉子軸向位置、電磁鐵電流及轉子x-y位移。(a) 轉子軸向位置。(b) 電磁鐵電流。(c) 轉子x-y位移。 21
圖3.1 (a)電磁鐵結構圖及電磁鐵尺寸 (b)正視圖,(c)側視圖。 23
圖3.2 ANSOFT模擬訂定之角度及力矩正方向示意圖。 23
圖3.3四極加入相同的電流時,電流與電磁力大小關係:(a)不同角度產生之軸向吸引力。(b) 不同角度產生之徑向力,角度變化由-2°變化到2°。 25
圖3.4 △I與電磁力大小關係。(a)不同角度產生之軸向吸引力。(b) 不同角度產生之徑向力,角度由 -1°變化到1°。 26
圖3.5 有限元素分析物件模型圖 27
圖3.6 五件式電磁鐵結構磁通密度分佈圖。(a)電磁鐵立體圖。(b)電磁鐵側視圖。 28
圖3.7 銜鐵厚度2(mm)磁通密度分佈圖。(a)立體圖。(b)側視圖。 28
圖3.8 銜鐵厚度4(mm)磁通密度分佈圖。(a)立體圖。(b)側視圖。 29
圖3.9 銜鐵厚度3(mm)磁通密度分佈圖。(a)立體圖。(b)側視圖。 29
圖3.10 轉子角度變化示意圖。 30
圖3.11 轉子臨界角度磁飽和分析圖。(a)立體圖。(b)電磁鐵極柱磁通分佈。 30
圖3.12 銜鐵導角為圓弧角磁通密度分佈圖。(a)立體圖。(b)側視圖。 32
圖3.13 銜鐵導角為切角磁通密度分佈圖。(a)切角過深銜鐵。(b)切角深度1(mm)、寬度0.5(mm)銜鐵。 32
圖3.14 銜鐵傾斜2度下磁通密度分佈圖。(a) 切角過深之銜鐵。(b)電磁鐵。 32
圖3.15 銜鐵傾斜2度下磁通密度分佈圖。(a) 切角深寬比為1:0.5之銜鐵。(b)電磁鐵。 33
圖3.16 (a)Actuator 極柱剖面為正方形。(b)力量區塊圖。 33
圖 3.17 (a)A極等效磁路圖。(b)C極等效磁路圖。 34
圖 3.18 路徑S說明圖。(a)整體圖。(b)放大圖。 36
圖 3.19 S實際長度與S於方程式計算結果之比較。 37
圖3.20 (a)銜鐵不同徑向位移x,電流變化與電磁鐵X方向分力關係(b) 銜鐵 不同徑向位移x,電流變化與電磁鐵Y方向分力關係(c) 銜鐵不同徑向位移x,電流變化與電磁鐵Z方向分力關係。 41
圖3.21 (a)銜鐵不同徑向位移y,電流變化與電磁鐵X方向分力關係(b) 銜鐵 不同徑向位移y,電流變化與電磁鐵Y方向分力關係(c) 銜鐵不同徑向位移y,電流變化與電磁鐵Z方向分力關係。 42
圖3.22 雷射位移計電壓與位移輸出關係圖。 43
圖3.23 光學式感測器位移解耦量測。 43
圖3.24 電流控制系統方塊圖 46
圖 3.25 電流回授磁滯控制圖。 46
圖4.1 霍爾感測器擺設方式。 48
圖4.2 量測面朝上之軸向擺設霍爾感測器磁通密度量測與軸向位移關係圖。 49
圖4.3 量測面朝上之徑向擺設霍爾感測器磁通密度量測與軸向位移關係圖。 49
圖4.4 量測面朝下之軸向擺設霍爾感測器磁通密度量測與軸向位移關係圖。 50
圖4.5 量測面朝下之徑向擺設霍爾感測器磁通密度量測與軸向位移關係圖。 50
圖4.6 (a)感測器移動示意圖。(b)軸、徑向擺設量測訊號相除之後與位移關係。 51
圖4.7 磁路不均勻。 53
圖4.8 感測器環。 54
圖4.9 轉子及磁場源。 54
圖4.10 磁場向量分析圖。 57
圖4.11 Vz2/Vz1與軸、徑向位移之關係。 57
圖4.12 Vz1/Vz3與軸、徑向位移之關係。 58
圖4.13 磁浮轉子徑向X軸偏移。 60
圖4.14 磁浮轉子徑向Y軸偏移。 60
圖4.15 、磁浮轉子軸向偏移。 61
圖4.16 xz平面旋轉之軸向z軸量測。 62
圖4.17 yz平面旋轉之軸向z軸量測。 63
圖4.18 xz平面旋轉之徑向y軸位移量測。 64
圖4.19 (a)yz平面旋轉之徑向y軸位移量測。(b)y-z平面旋轉之徑向y軸位移量測。(c)y-z平面旋轉之徑向y軸位移量測。 65
圖4.20 磁浮轉子量測機構。 67
圖4.21 磁浮感測系統計算流程。 67
圖5.1 位置圓實驗驗證。 69
圖5.2 閉迴路實驗驗證。 70
圖5.3 外擾驗證。 70
圖5.4 力量驗證。 71
圖5.5 力量量測機構圖。 71
圖 5.6 磁浮轉子靜態未旋轉情況下所作量測驗證。(a)X及Y從 +0.6~-0.6mm,Z=0處。(b)X及Y從+0.6mm變化至-0.6mm,Z=-0.25mm處。(c)X及Y從+0.6變化至-0.6mm,Z=-0.5mm處。(d)X及Y從+0.6變化至-0.6mm,Z=0.5mm處 73
圖 5.7磁浮轉子運轉情況下所作量測驗證。(a)X、Y皆位於0mm處,Z從+0.6mm~-0.6mm。(b) X、Y皆位於-0.25mm處,Z從+0.6mm~-0.6mm。(c) X、Y皆位於-0.5mm處,Z從+0.6mm~-0.6mm。 74
圖 5.8 (a)顯示的是磁浮轉子位於X、Y、Z軸方向皆為0mm處,六顆霍爾感測器所讀取到的原始訊號。(b)、(c)、(d)、(e)、(f)顯示的是轉子於不同位置時之感測器訊號經過DSP運算後所輸出之量測結果。 75

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