本文的目的在於無軸承馬達動態模式分析與控制策略改善。本結構為混合式磁力軸承應用於軸流式泵，軸向控制使用一組電磁鐵，徑向由二組被動式永久磁鐵組所組成，此為單軸控制磁力軸承系統。透過有限元素分析以建立磁鐵與電磁鐵力量方程式，並建立轉子軸向動態模式與徑向動態模式，進一步分析震盪實驗結果，探討轉子同步震盪之現象，接著分析軸向位移感測器訊號，得到較佳之訊號處理方式。

The purpose of this paper is the dynamic modeling of hybrid magnetic bearing. The structure of hybrid magnetic bearing is applied in axial fluid pump. The system is controlled by an electromagnet actuator in the axial direction and two pairs of permanent magnet which levitated the rotor in the radial direction. It is a single axis controlled magnetic bearing system. Equations of permanent magnet and electromagnet actuator can be derived by finite element analysis. The experimental analysis of simultaneous vibration on rotor can be provided by dynamic modeling of rotor in the axial and radial direction. To analyze signals of Hall sensors in the axial direction, we will get a better method for signals processing.

目錄
中文摘要I
英文摘要II
誌謝III
目錄IV
圖目錄VI
符號說明X
第一章  緒論1
1.1 研究背景與目的	1
1.2 文獻回顧3
1.3 論文大綱11

第二章  磁力軸承之力分析12
2.1 實驗機構介紹13
2.2 環形電磁鐵力量分析16
2.3 環形被動式永久磁鐵組力量分析33

第三章  轉子動態模式分析40
3.1 轉子軸向模式分析40
3.2 轉子徑向動態模式分析43

第四章  轉子同步震盪分析49
4.1 實驗系統介紹49
4.2 系統量測實驗結果53
4.3 轉子同步震盪原因分析68

第五章  軸向位移感測改善73
5.1 有限元素分析73
5.2 軸向位置量測方法改善78

第六章  結論與未來展望81
6.1 結論81
6.2 未來工作82
參考文獻83

圖目錄

圖1.1  HeartMate II循環輔助器示意圖4
圖1.2  Micromed Debakey循環輔助器示意圖4
圖1.3  Terumo Dura Heart循環輔助器示意圖5
圖1.4  Jarvik循環輔助器示意圖6
圖1.5  Antaki循環輔助器示意圖7
圖1.6  Goldwsky循環輔助器示意圖8
圖1.7  Berlin Heart INCOR循環輔助器示意圖8
圖1.8  Levitronix CentriMag循環輔助器示意圖10
圖2.1  混合式磁力軸承系統3D示意圖12
圖2.2  徑向被動永久磁鐵組13
圖2.3  霍爾效應式感測器之原理圖16
圖2.4  軸向位移感測器擺放圖16
圖2.5  磁力軸承結構示意圖17
圖2.6  環形電磁鐵力量示意圖18
圖2.7  磁力軸承軸向位移示意圖18
圖2.8  電磁鐵不同電流時，X方向徑向位移與X方向力量關係圖20
圖2.9  電磁鐵不同電流時，X方向徑向位移與Y方向力量關係圖20
圖2.10 電磁鐵不同電流時，X方向徑向位移與Z方向力量關係圖20
圖2.11 電磁鐵不同電流時，傾斜角度θx與X方向力量關係圖21
圖2.12 電磁鐵不同電流時，傾斜角度θx與Y方向力量關係圖21
圖2.13 電磁鐵不同電流時，傾斜角度θx與Z方向力量關係圖21
圖2.14 電磁鐵不同電流時，X方向徑向位移與X方向力量關係驗證圖23
圖2.15 電磁鐵不同電流時，X方向徑向位移與Y方向力量關係驗證圖23
圖2.16 電磁鐵不同電流時，X方向徑向位移與Z方向力量關係驗證圖23
圖2.17 電磁鐵不同電流時，傾斜角度θx與X方向力量關係驗證圖24
圖2.18 電磁鐵不同電流時，傾斜角度θx與Y方向力量關係驗證圖24
圖2.19 電磁鐵不同電流時，傾斜角度θx與Z方向力量關係驗證圖24
圖2.20 環形電磁鐵示意圖28
圖2.21 轉子軸向位移示意圖29
圖2.22 激磁電流1A時，氣隙與電磁鐵軸向吸引力關係圖29
圖2.23 轉子徑向位移示意圖30
圖2.24 激磁電流1A時，轉子徑向位移與電磁鐵徑向力關係圖30
圖2.25 轉子傾斜示意圖31
圖2.26 激磁電流1A時，轉子傾斜角度與電磁鐵傾斜力矩關係圖31
圖2.27 激磁電流1A時，轉子傾斜角度與電磁鐵軸向力關係圖32
圖2.28 不同傾斜半徑，轉子傾斜角度與傾斜力矩關係圖32
圖2.29 永久磁鐵組力量分析圖34
圖2.30 環形被動式永久磁鐵組尺寸圖35
圖2.31 轉子軸向位移與磁鐵軸向力關係圖35
圖2.32 轉子徑向位移與磁鐵徑向力關係圖36
圖2.33 磁鐵組傾斜示意圖37
圖2.34 轉子傾斜與磁鐵恢復力矩關係37
圖2.35 磁鐵軸向剛性與徑向剛性關係圖38
圖3.1  磁力軸承軸向位移示意圖40
圖3.2  轉子徑向震盪示意圖43
圖3.3  x軸視角(y-z平面)44
圖3.4  y軸視角(x-z平面)44
圖3.5  磁力軸承結構與力量示意圖45
圖4.1  實驗結構圖50
圖4.2  軸流式泵之結構圖50
圖4.3  硬體控制架構圖51
圖4.4  電磁鐵驅動電路圖51
圖4.5  系統控制架構圖，(a)磁力軸承，(b)無刷直流馬達52
圖4.6  磁力軸承之電流與位置控制迴路流程圖52
圖4.7  雷射位移計架設位置示意圖54
圖4.8  軸向位移感測器擺放示意圖54
圖4.9  磁力軸承系統在400rpm的實驗結果56
圖4.10 轉速400rpm時，轉子前端xy平面位置響應圖58
圖4.11 磁力軸承系統在400rpm的快速傅立葉轉換圖59
圖4.12 磁力軸承系統在1000rpm的實驗結果61
圖4.13 轉速1000rpm時，轉子前端xy平面位置響應圖62
圖4.14 磁力軸承系統在1000rpm的快速傅立葉轉換圖63
圖4.15 磁力軸承系統在1400rpm的實驗結果65
圖4.16 轉速1400rpm時，轉子前端xy平面位置響應圖66
圖4.17 磁力軸承系統在1400rpm的快速傅立葉轉換圖67
圖4.18 轉速1400rpm，四組軸向位移感測器訊號圖69
圖4.19 轉速1400rpm時，軸向位移感測器平均訊號69
圖4.20 磁力軸承系統在1400rpm的快速傅立葉轉換圖70
圖5.1  霍爾感測器輸出電壓特性圖74
圖5.2  轉子徑向位移示意圖74
圖5.3  無徑向位移時，四組感測器訊號變化75
圖5.4  當θ=90∘時，徑向位移0.2㎜，四組感測器訊號變化76
圖5.5  當θ=90∘時，徑向位移1㎜，四組感測器訊號變化76
圖5.6  當θ=45∘時，徑向位移0.2㎜，四組感測器訊號變化77
圖5.7  當θ=45∘時，徑向位移1㎜，四組感測器訊號變化78
圖5.8  工作點上位移角度90∘時，不同訊號處理方式誤差值79
圖5.9  工作點上位移角度45∘時，不同訊號處理方式誤差值79
圖5.10 訊號處理流程圖80

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