目前單軸主動式磁力軸承存在最大的問題就是轉子的徑向震盪，本文所探討之新型四極電磁鐵，在相對之2極電磁鐵上導入兩股不同大小電流，以克服由永磁力形成的轉矩與電磁力的轉矩相互作用的結果，所引發導致轉子在軸向與徑向方面均會隨轉動而產生週期性震盪的問題。電磁鐵機構與磁路以ANSOFT/EM3D 有限元素分析軟體分析與設計，選用矯頑力低、導磁率高之純鐵作為電磁鐵材料。

At present, the radial vibration of a rotor is the most significant problem demanded to overcome in a single-direction active magnetic bearing system. A new 4pole-electromagnet is proposed in this paper. Two controlled currents will be applied to the opposite poles on the electromagnet. It is utilized to overcome the torque which causes the period vibration of the rotor. The torque results from the electromagnetic force interaction between a permanent and an electromagnet. The structure and the magnetic circuits of the electromagnetic actuator will be analyzed by ANSOFT/EM3D. The material of electromagnetic actuator should have a small coercive force and a high permeability.

中文摘要 I
英文摘要 II
目  錄	III
圖目錄	V
表目錄	VIII
符號說明	IX
第一章 序論	1
1.1 研究動機與背景	1
1.2 文獻回顧	3
1.2.1 單軸磁浮軸承系統文獻回顧	3
1.2.2 磁浮軸承系統之電磁鐵設計文獻回顧	7
1.3 研究目的	11
1.4 論文大綱	12
第二章 電磁鐵設計與製作	13
2.1 軸流式泵系統	13
2.2 具有四吸引力極之電磁鐵設計	14
2.3 電磁鐵磁力分析	16
2.4 磁飽和現象	20
2.5 磁場與轉子徑向受力分析	21
2.6 銜鐵加工導角改善磁場不均	28
第三章 電磁鐵力量分析與模式	32
3.1 電流變化與電磁鐵徑向力量分析	32
3.2 電磁鐵力量模式	41
第四章 控制系統	45
4.1 軸向控制	45
4.2 徑向控制	46
4.3 整體控制系統	47
第五章 驗證徑向力實驗結果	49
5.1 實驗系統	49
5.2 實驗系統量測結果	53
5.3 電磁鐵徑向力估算	58
第六章 結論與未來目標	62
6.1 結論	62
6.2 未來目標	63
參考文獻	64

圖目錄

圖1.1 單軸磁力軸承系統示意圖	4
圖1.2 徑向與軸向軸承結構，箭頭為充磁方向	4
圖1.3 單軸磁浮系統結構，g代表電磁鐵與懸浮物間氣隙	5
圖1.4 徑向磁浮軸承	8
圖1.5 軸向止推軸承示意圖	8
圖1.6 運輸懸浮軸承，為混合式電磁鐵	9
圖1.7 四極矩場電磁鐵	10
圖1.8 非線性輸出調節實驗系統	10
圖1.9 電磁鐵與極間物組合示意圖	10
圖1.10 四極混合式電磁鐵示意圖	11
圖2.1 轉子徑向偏移示意圖	14
圖2.2 電磁鐵結構圖	15
圖2.3 電磁鐵尺寸	16
圖2.4  ANSOFT模擬訂定之角度及力矩正方向示意圖	16
圖2.5 四極加入相同的電流時，電流與電磁力大小關係	18
圖2.6 △I與電磁力大小關係	19
圖2.7 有限元素分析物件模型圖	22
圖2.8 一體成型的電磁鐵結構磁通密度分佈圖	22
圖2.9 五件式電磁鐵結構示意圖	23
圖2.10 五件式電磁鐵結構磁通密度分佈圖	23
圖2.11 銜鐵厚度2(mm)磁通密度分佈圖	25
圖2.12 銜鐵厚度4(mm)磁通密度分佈圖	25
圖2.13 銜鐵厚度3(mm)磁通密度分佈圖	25
圖2.14 轉子角度變化示意圖	26
圖2.15 轉子臨界角度磁飽和分析圖	26
圖2.16 轉子所受徑向力與角度變化關係圖	27
圖2.17 轉子角度傾斜過大示意圖	27
圖2.18 銜鐵導角為圓弧角磁通密度分佈圖	29
圖2.19 銜鐵導角為切角磁通密度分佈圖	30
圖2.20 銜鐵傾斜2度下磁通密度分佈圖	30
圖2.21 銜鐵傾斜2度下磁通密度分佈圖	30
圖2.22 徑向力大小與角度變化關係圖	31
圖3.1 電磁鐵力量示意圖	33
圖3.2 銜鐵沿x軸方向徑向位移示意圖	34
圖3.3 銜鐵繞x軸正角度旋轉示意圖	34
圖3.4 銜鐵不同徑向位移x，電流變化與電磁鐵X方向分力關係	37
圖3.5 銜鐵不同徑向位移x，電流變化與電磁鐵Y方向分力關係	37
圖3.6 銜鐵不同徑向位移x，電流變化與電磁鐵Z方向分力關係	37
圖3.7 銜鐵不同徑向位移y，電流變化與電磁鐵X方向分力關係	38
圖3.8 銜鐵不同徑向位移y，電流變化與電磁鐵Y方向分力關係	38
圖3.9 銜鐵不同徑向位移y，電流變化與電磁鐵Z方向分力關係	38
圖3.10 銜鐵不同角度θx，電流變化與電磁鐵X方向分力關係	39
圖3.11 銜鐵不同角度θx，電流變化與電磁鐵Y方向分力關係	39
圖3.12 銜鐵不同角度θx，電流變化與電磁鐵Z方向分力關係	39
圖3.13 銜鐵不同角度θy，電流變化與電磁鐵X方向分力關係	40
圖3.14 銜鐵不同角度θy，電流變化與電磁鐵Y方向分力關係	40
圖3.15 銜鐵不同角度θy，電流變化與電磁鐵Z方向分力關係	40
圖3.16 轉子軸向位移示意圖	41
圖3.17 銜鐵不同徑向位移x，電流變化與電磁鐵X方向分力驗證	43
圖3.18 銜鐵不同徑向位移x，電流變化與電磁鐵Y方向分力驗證	43
圖3.19 銜鐵不同徑向位移x，電流變化與電磁鐵Z方向分力驗證	43
圖3.20 銜鐵不同徑向位移y，電流變化與電磁鐵X方向分力驗證	44
圖3.21 銜鐵不同徑向位移y，電流變化與電磁鐵Y方向分力驗證	44
圖3.22 銜鐵不同徑向位移y，電流變化與電磁鐵Z方向分力驗證	44
圖4.1 雷射位移計電壓與位移輸出關係圖	46
圖4.2 電流控制系統方塊圖	47
圖4.3 徑向位置感測器側視圖	48
圖5.1 徑向力實驗機構示意圖	49
圖5.2 量測機構示意圖	50
圖5.3 徑向力實驗機構實體圖	50
圖5.4 具有四吸引力電磁鐵結構圖	50
圖5.5 實驗結構圖	51
圖5.6 硬體控制架構圖	51
圖5.7 電磁鐵驅動電路	52
圖5.8 四極電流相同i	54
圖5.9  A、C極加入Δi	55
圖5.10  B、D極i=0.25(Amp)	56
圖5.11 方波電流實驗	57
圖5.12 方波電流實驗	58
圖5.13 永久磁鐵組力量分析圖	59
圖5.14 永磁軸承徑向力分析圖	60


表目錄

表一 電磁鐵電氣規格	11
表二 徑向力計算結果	61

[1]	黃忠良,  “磁懸浮與磁力軸承”, 復漢出版社, 民國83年11月。
[2]	D. J. Burke, E. Burke, F. Parsaie, V. Poirier, K. Butler, D. Thomas, L. Taylor, and T. Maher, “The HeartMate II design and development of a fully sealed axial flow left ventricular assist system”, Artificial Organs, Vol. 25, May 2001, pp. 380-385.
[3]	G. P. Noon, D. L. Morley, S. Irwin, S. V. Abdelsayed, R. J. Benkowski, and B. E. Lynch, “Clinical experience with the MicroMed DeBakey ventricular assist device”, Ann Thorac. Surg. 2001; 71: S133-138.
[4]	R. Jarvik, “High reliability cardiac assist system”, America Patent, no: 5613935, Mar. 1997.
[5]	G. L. Bramm and D. B. Olsen, “Magnetically suspended and rotated rotor”, America Patent, no: 5385581, Jan. 1995.
[6]	J. F. Antaki, B. Paden, G. Burgreen, and N. J. Groom, “Blood pump having a magnetically suspended rotor”, America Patent, no: 6447266, Sept. 2002.
[7]	M. P. Goldowsky, “Magnetic suspension blood pump”, America Patent, no: 6716157 B2, Apr. 2003.
[8]	Chiba, T. Deido, T. Fukao and M.A. Rahman, “Analysis of bearingless ac motors”, IEEE Transactions on Energy Conversion 1994, 9, pp. 61-68.
[9]	S. Earnshaw, “On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the luminiferous ether”, Trans. Camb. Phil. Soc., Vol. 7, Part1, 1839, pp. 97-112.
[10]	林俊呈, “應用於軸流式泵之無軸承馬達動態模式分析與控制策略改善”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士論文, 民國96年1月。
[11]	百聯軸承知識網, http://ask.bearing.cn/zcjc2/Index.asp
[12]	Y. Okada, K. Shimizu, S. Ueno, “Vibration control of flexible rotor by inclination control magnetic bearings with axial self-bearing motor”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Volume 6, Issue 4, Dec. 2001, pp.521 - 524.
[13]	Wang Lei, Zhu Huangqiu, Chen Yan, “On Fuzzy PID Controller with Parameters Self-tuning in 2 Degrees of Freedom AC Magnetic Bearings”, Chinese Control Conference, 2007, July 26- 31 2007, pp.403 - 407.
[14]	周子明, “二維磁浮系統之非線性控制”, 清華大學動力機械工程學系碩士論文, 民國85年6月。
[15]	K. Watanabe, S. Hara, Y. Kanemitsu, T. Haga, K. Yano, T. Mizuno, R. Katamura,  “Combination of h" and pi control for an electromagnetically levitated vibration isolation system”, Proceedings of the 35th IEEE, Decision and Control, 1996., Volume 2,  11-13 Dec. 1996, pp.1223 - 1228 vol.2.
[16]	I.D. Silva, O. Horikawa, “An 1-dof controlled attraction type magnetic bearing”, 1999. International Conference IEMD '99,Electric Machines and Drives, 9-12 May 1999, pp.481 – 483.
[17]	林康寧,  “斥力型混合式磁浮軸承系統之雛形設計與分析驗證”, 機械工業雜誌, 第241期,民國86年。
[18]	J.-P. Yonnet, “Permanent magnet bearings and couplings”, IEEE Transactions on Magnetics, Volume 17, Issue 1, Jan 1981, pp.1169 – 1173.
[19]	T. Namerikawa, M. Fujita, “Modeling and robustness analysis of a magnetic suspension system considering structured uncertainties”, 1999. International Conference IEMD '99, Electric Machines and Drives, 9-12 May 1999, pp.481 – 483.
[20]	M. Morishita, T. Azukizawa, S. Kanda, N. Tamura, T. Yokoyama, “A new MAGLEV system for magnetically levitated carrier system”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume 38, Issue 4, Nov. 1989, pp.230 – 236.
[21]	J. Delamare, J.-P. Yonnet, E. Rulliere, “A compact magnetic suspension with only one axis control”, IEEE Transactions on Magnetics, Volume 30, Issue 6, Part 1-2, Nov 1994, pp.4746 – 4748.
[22]	B. Polajzer, “Modeling and control of horizontal-shaft magnetic bearing system”, ISIE '99. Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Volume 3, 12-16 July 1999, pp.1051 - 1055.
[23]	da Silva, O. Horikawa, “Experimental development of a one-degree-of-freedom controlled magnetic linear bearing”, IEEE Transactions on Magnetics, Volume 41, Issue 11, Nov. 2005, pp.4257 - 4260.
[24]	Y. Kawase, H. Kikuchi, S. Ito, “3D nonlinear transient analysis of dynamic behavior of the clapper type DC electromagnet”, IEEE Transactions on Magnetics, Volume 27, Issue 5, Sep. 1991, pp.4238 - 4241.
[25]	Y. Kawase, S. Tatsuoka, T. Yamaguchi, S. Ito, “3-D finite element analysis of operating characteristics of AC electromagnetic contactors”, IEEE Transactions on Magnetics, Volume 30, Issue 5, Part 2, Sep. 1994, pp.3244 - 3247.
[26]	I.-Y.A. Wang, I. Busch-Vishniac, “A new repulsive magnetic levitation approach using permanent magnets and air-core electromagnets”, IEEE Transactions on Magnetics, Volume 30, Issue 4, Part 2, Jul. 1994, pp.1422 - 1432.
[27]	林政良,  “具單一組線圈之永磁同步自軸承馬達研製”, 淡江大學機械工程學系碩士論文, 民國96年6月。
[28]	S.C. Mukhopadhyay, T. Ohjj, M. Iwahara, S. Yamada, “Design, analysis and control of a new repulsive-type magnetic bearing system”, IEE Proceedings -Electric Power Applications, Volume 146, Issue 1, Jan. 1999, pp.33 - 40.
[29]	Yao Cheng and Ching-Shiang-Hwang, “Compensation for field shaking due to magnet vibration”, Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Volume 2, 17-20 May. 1993, pp.1393 - 1395.
[30]	Zongli Lin, M. Glauser, Tingshu Hu, P.E. Allaire, “Magnetically suspended balance beam with disturbances: A test rig for nonlinear output regulation”, 43rd IEEE Conference on Decision and Control, 2004. CDC. Volume 5, 14-17 Dec. 2004, pp.4577 - 4582.
[31]	M. B. Khamesee, E. Shameli, “Pole piece effect on improvement of magnetic controllability for noncontact micromanipulation”, IEEE Transactions on Magnetics, Volume 43, Issue 2, Part 1, Feb. 2007, pp.533 - 542.
[32]	Jiangheng Liu, T. Koseki, “3 degrees of freedom control of semi-zero-power magnetic levitation suitable for two-dimensional linear motor”, Proceedings of the Fifth International Conference on Electrical Machines and Systems, 2001, Volume 2, 18-20 Aug. 2001, pp.976 - 981.
[33]	許智翔,  “應用於軸流式泵之單軸磁力軸承設計與控制改善”, 淡江大學機械工程學系碩士論文, 民國94年6月。