本文目的在於設計一磁力軸承專用之感測器系統，用以量測磁力軸承轉子之徑向與軸向位移。為兼顧感測器系統之低成本及微小化，本文選擇霍爾感測器作為研究對象，因此感測器系統包含霍爾感測器模組以及感測器用磁鐵。利用有限元素分析軟體進行模組設計，並由分析結果於市售磁鐵形式中，挑選適合本文研究之磁鐵形式，最後並進行感測器系統之整合設計；亦針對感測器系統之訊號回授，設計訊號處理運算。本文並架設一磁力軸承模擬機構，可模擬磁力軸承實際運作情形，利用此機構進行感測器運作實驗。除模擬分析結果，本文亦提供實驗驗證結果。

The main objective of this research is on the design of a position sensing system for magnetic levitated rotors. Linear hall-effect sensor is selected for the sensing system due to its low-cost and miniature size. The sensor system developed includes several hall-effect sensor modules and a ring permanent magnet. The sensor module and the dimension of the permanent magnet are designed via a finite-element analysis software. The circuits to process the output signal of hall-effect sensors are also designed. An experimental system to simulate the operation of magnetic bearing is built for experimental verifications. The test results are provided in the thesis to validate the performance of the sensor system.

中文摘要	I
英文摘要	II
目錄	III
圖目錄	V
表目錄	IX
符號說明	X
第一章 緒論	1
1.1 研究背景	1
1.2 磁力軸承位移感測器與文獻回顧	7
1.3 適用於本文研究之位移感測器	20
1.4 論文大綱	23
第二章 霍爾感測器與永久磁鐵磁場強度量測	24
2.1 霍爾感測器	24
2.2 感測器用磁鐵	26
2.3 磁場分析方法	30
2.4 霍爾感測器擺放方向影響	32
2.5 永久磁鐵磁場影響	46
第三章 磁力軸承專用霍爾感測系統設計	53
3.1 霍爾感測器與初始設計條件	53
3.2 霍爾感測器轉子位移量測系統設計	56
3.3 回授訊號處理	76
第四章 霍爾感測器系統整合設計	84
4.1 多自由度感測器系統設計	84
4.2 轉子傾斜角度影響	90
第五章 實驗結果	95
5.1 實驗系統介紹	95
5.2 靜態實驗	99
5.3 動態實驗	109
第六章 結論與未來工作	115
6.1 結論	115
6.2 未來工作	116
附錄一 常見釹鐵硼磁鐵性能	117
附錄二 實驗系統照片	118
參考文獻	120
作者簡介	123

圖目錄
圖1.1  主動式推力軸承	3
圖1.2  被動式推力軸承	3
圖1.3  主動式徑向軸承	4
圖1.4  被動式徑向軸承	4
圖1.5  被動式輔助主動式徑向軸承	5
圖1.6  電感式位移感測示意圖	9
圖1.7  磁力軸承專用電感式位移感測器示意圖	9
圖1.8  渦電流感測器	9
圖1.9  印刷電路式位移感測器	10
圖1.10 改良型印刷電路位移感測器	10
圖1.11 渦電流感測器量測轉子軸向位移	11
圖1.12 渦電流感測器量測轉子徑向位移	12
圖1.13 兩組渦電流感測器量測轉子徑向位移	12
圖1.14 渦電流感測器量測直立式磁浮軸承轉子徑向位移	13
圖1.15 電容式位移感測示意圖	13
圖1.16 磁力軸承專用電容式位移感測器	15
圖1.17 改良型電容式位移感測器	15
圖1.18 光學式位移感測器示意圖	16
圖1.19 利用霍爾感測器之磁浮式離心泵	18
圖1.20 利用霍爾感測器之磁浮式軸流式泵	18
圖1.21 對稱式磁路迴路引導設計	19
圖2.1  霍爾效應說明	25
圖2.2  霍爾元件量測磁場示意圖	25
圖2.3  磁鐵樣式	27
圖2.4  釹鐵硼磁鐵磁滯曲線	29
圖2.5  磁性材料去磁曲線	29
圖2.6  高斯計與模擬測試點示意圖	31
圖2.7  霍爾感測器擺設方向	32
圖2.8  測試用環形磁鐵的磁力線分佈	34
圖2.9  軸向擺設隨軸向位置變化之磁場量測曲線	35
圖2.10 軸向擺設於磁鐵疊積邊緣之徑向位移量測擺設區	36
圖2.11 軸向擺設隨徑向位置變化之磁場量測曲線	37
圖2.12 徑向量測耦合誤差示意圖	37
圖2.13 軸向擺設於磁鐵疊積邊緣之徑向磁場量測曲線	38
圖2.14 徑向擺設隨軸向位置變化之磁場量測曲線	39
圖2.15 徑向擺設於磁鐵疊積邊緣之軸向位移量測線性區	40
圖2.16 徑向擺設於磁鐵疊積中央之徑向位移量測擺設區	40
圖2.17 徑向擺設隨徑向位置變化之磁場量測曲線	41
圖2.18 徑向擺設於磁鐵疊積中央之徑向磁場量測曲線	42
圖2.19 霍爾感測器最佳擺設方式	44
圖2.20 軸向位移量測之磁鐵厚度影響	48
圖2.21 徑向位移量測之磁鐵厚度影響	48
圖2.22 徑向位移量測擺設區之磁鐵厚度影響	49
圖2.23 軸向位移量測受磁鐵疊積影響	50
圖2.24 徑向位移量測受磁鐵疊積影響	51
圖2.25 徑向位移量測擺設區受磁鐵疊積影響	51
圖3.1  Allegro A3515線性霍爾感測器	54
圖3.2  A3515霍爾感測器輸出特性	54
圖3.3  磁力軸承轉子自由度	57
圖3.4  最佳量測解析度	59
圖3.5  水平排列霍爾感測器模組	61
圖3.6  垂直排列霍爾感測器模組	62
圖3.7  感測器系統磁鐵設計Ⅰ之FEA計算結果	65
圖3.8  感測器系統磁鐵設計Ⅱ之FEA計算結果	66
圖3.9  背鐵形式Ⅰ	67
圖3.10 感測器系統磁鐵設計Ⅰ之磁力線分佈	69
圖3.11 感測器模組加入背鐵之FEA計算結果	70
圖3.12 背鐵形式Ⅱ	71
圖3.13 感測器系統磁鐵設計Ⅱ加入背鐵之磁力線分佈	71
圖3.14 感測器系統最終設計之軸向量測FEA計算結果	74
圖3.15 感測器系統最終設計之徑向量測FEA計算結果	74
圖3.16 霍爾感測器位移量測模組	75
圖3.17 感測器模組輸出訊號處理電路	77
圖3.18 徑向量測感測器輸入與控制器運算輸出之對應關係	79
圖3.19 軸向量測感測器輸入與控制器運算輸出之對應關係	81
圖3.20 徑向與軸向量測訊號處理流程圖	83
圖4.1  曲面耦合誤差示意圖	85
圖4.2  感測器模組整合設計訊號處理流程圖	87
圖4.3  轉子徑向位移之曲面耦合誤差	88
圖4.4  曲面耦合誤差與轉子徑向位移關係	89
圖4.5  曲面耦合誤差與轉子徑向位移之比例關係	90
圖4.6  轉子傾斜軸向位置誤差分析	92
圖4.7  轉子傾斜徑向位置誤差分析	92
圖4.8  轉子傾斜角度影響實驗系統	93
圖5.1  實驗系統架構	95
圖5.2  感測器模組架設圓環	96
圖5.3  階級設計轉子	97
圖5.4  雷射位移計量測轉子絕對位置	98
圖5.5  感測器模組軸向量測實驗值與模擬值比較	100
圖5.6  感測器模組徑向量測實驗值與模擬值比較	101
圖5.7  轉子徑向位移極限示意圖	105
圖5.8  轉子徑向位移量測實驗結果	108
圖5.9  轉子軸向位移量測實驗結果	109
圖5.10 四相模組徑向量測動態波形	110
圖5.11 模組H1徑向量測於不同轉速之動態波形	110
圖5.12 模組H1徑向量測動態波形與雷射位移計比較	111
圖5.13 四相模組軸向量測動態波形	112
圖5.14 模組H1軸向量測於不同轉速之動態波形	112
圖5.15 雷射位移計量測軸向振動	113
圖5.16 磁鐵磁場均度測量機構	113
圖5.17 磁鐵磁場均勻度實驗分析	114

表目錄
表1.1 磁浮力分類	2
表2.1 高斯計量測值與模擬值比較	32
表2.2 徑向量測性能比較	44
表2.3 軸向量測性能比較－整體線性範圍比較	45
表2.4 軸向量測性能比較－固定軸向工作範圍比較	46
表3.1 初始設計條件	56
表3.2 系統設計Ⅰ與系統設計Ⅱ之最大量測解析度比較	73
表3.3 霍爾感測器系統轉子位移量測性能	73
表3.4 軸向量測輸入與輸出對應關係擬合分析結果	82
表4.1 單一傾斜角度分析	94
表4.2 雙傾斜角度分析	94
表5.1 感測器系統軸向量測輸出實驗值與模擬值比較	102
表5.2 感測器系統徑向量測輸出實驗值與模擬值比較	102
表5.3 徑向量測曲面耦合誤差實驗結果	106
表5.4 軸向量測曲面耦合誤差實驗結果	107

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