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马达磁铁强度量测装置
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马达磁铁强度量测装置组员姓名:陈豪毅,林之超,吴政伟,洪英舜,蔡员定,张钊齐德霖技术学院机械工程系日五专0912指导老师:谌其骝 老师摘 要开发一个以半自动化全面性的测量磁铁表面的磁场强度,由於马达永久磁铁磁力强度的量测是控制马达品质的重要项目,也是永久磁铁在马达中是主要的磁力来源,它的品质直接影响马达的品质,但过去都是以人工方式用高斯计在永久磁铁表面取数点量测求平均值,如果取的点数太少则求得之平均值不具代表性,如果取的点数太多则花费的检验成本过高,不过比较费时也不能完全量测到磁铁的强度,所以我们计画用以半自动化透过电脑的辅助,以快速而省人力的方法来做到完整的测量,以作为筛选马达磁铁的依据.所谓的磁感测器,其检验出对象为磁能范围包括由处理中心磁图似微弱信号起,以至能处理超导体似强力磁性装置者,因磁即存在於地球本身,故地球也可以说是一种磁性之天体.像这样的磁能,如果各极之磁力强度不同,则各马达线圈瞬时之电压必不相同,而造成各马达线圈瞬时电压不平衡.马达内整体永久磁铁之磁力强度不足,则马达表现的扭力将会不足,所以马达永久磁铁磁力强度的量测是控制马达品质的重要项目.它的用途在於改善马达磁铁强度测试技术,为建立以电脑辅助量测之技术,提升马达品质技术与竞争力.实际上可以检测市面上的马达磁性强度品质是否稳定,为了广大的消费者而制作出一台磁铁磁性测量装置,这台机械的优点是更完整的掌握磁铁表面磁力强度分布的情形,作为筛选马达磁铁的重要依据.致 谢 此次专题,磁铁强度量测装置机构部分研究计画,在各方面的努力下,得以水到渠成.在这几个月以来,过程虽然不能说百分之百都顺利进行,但至少没有遇到太大的问题.在此感谢学校能给我们有如此好的学习课程跟林主任的督导,还有亲自指导的谌其骝老师;由於在谌老师的协助之下,指导 Solid Work等软体还有其他技术方面的教导更是感谢.最后是参与这次计画的同学们,由於大家的努力不懈,即使有小争端也能息事宁人,才没有团体中最失策的利益跟内哄,这是我们组员最感欣慰,最自豪的事情了,谢谢各位同学.一,前言目前国内的现代化科技发展,任何事都讲求效率以节省时间.在工业自动化的普及之下,使机械设备代替人工手动日趋普及.机械自动化对於现代社会之影响,能够增加工业生产的效率,且能培养出开发机械设备的技术人员,提升国家工业科技的发展.一般机械设备中,马达扮演著非常重要的角色,藉由电源动力推动马达运转,而马达运转时带动机械本体转动,藉由齿轮或皮带轮等等的传动过程中,将所需执行的动作完成.在了解的马达的重要性之后,能够使马达的品质性能提升为我们所想要的.所以在这次的专题中,预期开发一个马达永久磁铁磁力强度量测技术的装置,由於永久磁铁在马达中是主要的磁力来源,顾名思义此装置对於提升马达品质技术有很大的帮助,对於产界,工业发展等有效的助长.关於马达磁铁强度的磁铁也很重要,一个电磁辐射把辐射器上的激励电流密度映射为辐射周围空间接收的位置上的电磁,一个磁场传播把入射到传播媒质上的电磁经反射,折射和吸收后映射为空间上的某磁场.一个磁场的强度在其四周会产生特定的重力场,使周遭具有质量的物体受到引力的影响,由於库伦定律的推论会在其周遭产生特定的磁场,使得进入磁场的电荷受到引力或斥力的影响磁场强度.磁场的基本概念是从电阻电路延伸而来的,主要包括磁动势,磁通量以及阻磁等三项,分别与电路中的电压,电流以及电阻作为相对应.二,文献探讨我们接下来所要介绍的是所谓的机构部分,也就是马达,齿轮,磁铁…等等,看完了我们所介绍的机构部分会让您较容易了解我们所做的每一个部分.机构材质:使用铝制材质因不受磁性影响价格虽较一般碳钢高,但易於回收重熔使用.优点:轻量性,强度够,成形性易於加工,无磁性不受电磁气之磁场影响.马达:四相式步进马达的基本构造图.中间转子由永久磁铁所构成,左边为N极,另一边为S极.定子有四组线圈,分别为A,-A,B及-B,各线圈的C端共接电源正极,另一端经由开关接在电源的负极.当我们把开关S1按下,则线圈A通入电流,产生N极磁场,因为磁场同性相斥,异性相吸,使转子的S极被A极吸引过来.其次,放掉开关S1,并且立刻按下开关S2,则A极的磁场消失,B极产生磁场,把转子的S极吸引过来,转子随著顺时针方向90度.像这样依次让定子的四个极通入电流,就可以使转子不停的旋转.如图一图一1.步进马达必须加驱动电路才能转动,驱动电路的信号输出端,必须输入脉波信号,若无脉波输入时,则转子保持一定的位置,维持静止状态;反之,若加入适当的脉波信号时,则转子是以一定的角度称为步角转动.故若加入连续脉波时,则转子旋转的角度与脉波频率成正比. 2.步进马达的一步角一般为1·8度,及一周为360度,需要200步进数才完成1转. 3.步进马达具有瞬间启动与急速停止之优越特性. 4.改变线圈激磁的顺序,可以较轻易的改变马达的转动方向.步进马达依照静子线圈的相数多寡可分为单相,双相,三相,四相和五相等.一般小型的步进马达以四相式为准,这类的马达在定字上有四组相对应的线圈,分别提供相差90度相位的电力.当马达单相激磁时,这四组线圈可在各相的对应处停住转子,当下一个脉冲来到时,转子转动一个角度,这种角度称为步进角.使用步近马达因控制程式较简单的模数 = 0.5.算出马达轴心模数:0.5~1.5公式: 2D + 2H
NM = 16 - 8.5 = 7.5 7.5
15 = 0.5.齿轮:齿形曲线通常传达动力的齿轮使用渐开线齿形.一条缠绕在原筒外缘的细线,将铅笔绑在细线的外端,用铅笔一边张紧细线,一边向外伸展开来,此时笔尖所绘出的曲线称做渐开线.模数module与径节daimetral pitch模数m与径节p是度量齿轮大小地单位.当模数变大或径节变小时,齿轮的大小会变大.模数mm,公厘及径节in ,英吋有下列方程式的关系.m=25.4PP=25.4m压力角压力角以 0 表示 如图二图二齿隙齿隙是一对啮合齿轮间的自由动作或间隙.如图三图三齿轮技术概要根据齿轮轴方向位置的配置,我们可以将齿轮依轴系分为三大类,它们是: 1. 平行轴系齿轮2. 交叉轴系齿轮3. 错交轴系齿轮 正齿轮与螺旋齿轮属於平行轴系齿轮,伞形齿轮属於交叉轴系齿轮,而错交螺旋齿轮,蜗轮与戟齿轮则是属於第三类的错交轴系齿轮.列出以轴的方向来分类的齿轮种类.同时刊载各系齿轮传动效率范围的理论值,这些数值不包括轴承和润滑的损失,当然,在装配上轴的方向及中心距离亦为理想状态.如果考虑实际情形,则传动效率的数值会下降.齿轮种类及其分类 正齿轮是属於圆筒状齿轮,其齿平行齿轮轴.正齿轮是最常被使用及最容易制造的齿轮.如图四图四正齿条是一种直线齿形的齿轮,可和同模数任意齿数的正齿轮啮合.也可以说,正齿条是有著无限大半径齿轮的一部分.如图五图五内齿轮是属於圆筒状齿轮,但其齿是长在圆环的内部,可和同模数的正齿轮啮合.内齿轮通常在行星齿轮机构中使用.如图六图六根据以往的定义,齿轮的齿隙可分为下列几种:节圆圆周方向齿隙 circular backlash ,齿法线方向齿隙 normal backlash ,中心距离方向齿隙 center backlash 及回转角度齿隙 angular backlash 如图七图七轴承:使用滚珠轴承减少摩擦力造成的的能量耗损形成点对点的摩擦,较不会有阻力选用封闭型外径15内径6厚度5.磁铁:磁性材料可分类为三种:永久磁铁,电磁铁与超导磁铁.永久磁铁的组成大部份为铝镍钴AlNiCo,铁氧体Ferrite与稀土永磁材料.磁性较强且受到时间影响的因素比一般软磁铁来得低.永磁材料自1930年开始发展,已商业化且大致可分类为Fe,Al,Co,Ni合金等组成之磁铁,铁氧体磁铁与稀土类磁铁等三种.其中稀土类磁铁於1960年被发现,由於具有较高之磁能积B.Hmax,因此在体积缩小的情况下仍比其它类磁铁之极能效率来得高,迄今为永磁材料发展的主流.稀土金属包含从原子序57开始的镧系金属和原子序数为39与过渡族金属Fe, Co, Ni, Mn等材料.现今发展的材料则为Sm,Co合金,铷铁錋Nd-Fe-B合金与铁白金FePt合金等,具有之磁能积最小都能达到25 MGOe 以上,其中,SmCo5合金最早商业化,铷铁錋合金具有现今最高之磁能积53 MGOe.在应用上,对永久磁铁的要求有:能在某一空间产生一稳定磁场强度,无论是时间改变,温度,振动与冲击等环境变化都需具有稳定表现;本身具有适当的机械性质;适用相关制程,体积与形状的要求;价格合理,制作容易. 铁白金FePt合金材料在序化相之γ1相结构时具有相当高的磁晶格异向能,高矫顽磁力,热稳定性,良好之抗腐蚀性,垂直异向性与相对具有高磁能积等特性,虽较现今已商业化的铷铁錋合金之磁能积小但对於微机电技术具有良好的形状塑性与较小的体积,适合应用在微小化等之微机电元件中,尤其是垂直异向性之特性,特别适合搭配在微致动器之驱动装置.FePt合金以共镀法Co-sputtering搭配功率变化可以调整其成分比,而多层膜结构也是影响晶体组成与磁性质的主要原因之一.此外,FePt层底下之基板与缓冲层对於晶体镀膜方向性与微结构也有蛮大的影响.从文献得知:具200 晶格方向的缓冲层搭配上适当的厚度以及适当的退火制程,可得到完全垂直膜面磁化的FePt偏压层并且获得足够大的矫顽场Hc及磁能积.为达到200方向之晶格结构,缓冲层镀膜方式以溅镀方法制作而成.影响成长200晶格方向之制程因素很多,包含高温镀膜,慢速镀率,真空度,膜厚度,退火与否,退火温度等因素.三,研究方法机构设计:对常用马达磁铁之形状,设计适合之量测载台.并开发磁力感测电路,步进马达驱动装置.决定各机构之尺寸, 材质以便组和装置,先以手绘图方式决定各机构之尺寸以便后序使用电脑绘制.绘制3D立体图和2D三视图:利用3D电脑绘图Solidworks绘制各部分设计出来的机构,再以2D出图进行机构加工.材料选购:各项机构的零件都确定后,进行购买或网路订购.机构加工:把2D三视图交由厂商进行加工.磁力线测量:利用测量机构进行测量.四,结论关於我们所介绍的部分是属於机构部分而已,浅显易懂,容易让人了解它的原理构造,使观看的人能够一看就懂它的功能.下图八 是将各种所完成的零件组合上的完整图,此机构将符合标题『马达磁铁强度量测装置』,此机构再测量时可上下前后移动使得各种想量测的角度皆可调整到想要的位置,有了这新的发明应该可以对以后想要测量类似此机构的人可以来使用它,测试. 图八1. 线性滑台:这滑台的功能是可让底板前后滑动不让底板滑出去且可调高度,使我们有多角度可测量,同时也可以让他撑住磁铁的另一端
如下图九 .
图九 2. 马达磁铁夹持机构:这机构可以转动马达磁铁来测量它的强度
如下图十 .
图十 3. 滑动测量台:此机构可以左右滑动,所延伸出来的支撑量测物件的小型测量机可做上下的调整,使得物件不论高低皆可测量的到
如下图十一 .
图十一 藉由以上各部分机构协同运作,以达到量测马达转子磁铁表面各点磁场强度之目的.五,参考文献马达控制,1997,许允杰编译马达电子技术应用,1999,黄启芳编撰马达传动用具,1972,经济部工业局编马达与发电机,1988,黄华馨编译马达应用电路101选,2000,谷腰欣司著马达驱动电路技术,1999,谷腰欣原著磁铁的研究,200,NHK制作齿轮手册,1978,Darle W. Dudley齿轮加工技术,2000,槌川武男,渡边真著齿轮计算手册,1986,长冈齿轮著齿轮设计法,1994,赖耿阳著齿轮设计便览,1987,机械技术杂志社编齿轮设计实用手册,1987,数值编辑委员会齿轮设计制作实务,2000,仙波正庄原著齿轮解析力学,1974,卜凯汉著图11图10图9The vehicle is streamlined to reduce drag and features a compressor at the
leading face to ingest oncoming air for levitation and to a lesser extent
propulsion. Aerodynamic simulations have demonstrated the validity of this
‘compressor within a tube’ concept (Figure 7)... via
我不太了解这东西，但我想说的是关于气动阻力的。阻力分为两种，压差阻力和摩擦阻力。通常所说的流线型是为了减少压差阻力。而现代的民用客机外形已经优化到压差阻力只占总阻力很小一部分，阻力主要贡献来自粘性。这东西做不做成弹头型还跟吸气部分的压力分布有关，可能做成弹头型会有很大的升力损失，其他我就不知道了。在这个尺寸下，摩擦阻力是他们应该考虑更多的部分可能。
谢邀。首先需要正一下视听。关于Hyperloop，前一段时间国内的网媒和CCAV都有些很无厘头的报道，比如说神马速度高达5Mach，东西海岸横跨只要不到一小时云云，如果真的能这样无论任何实现方式那真的就天顶星了，但还好Musk同志提出的指标还是很地球化的——管道内1/6火星表面气压，基本可以经济实现，速度在0.91Mach左右，避免了音障的问题。目标是建成从LA到SF的轨道。。一个不长不短的距离。首先说明一个问题，从这个alpha document里头看，涡轮风扇吸入的空气方向被向下偏转了90度后当空气垫用，所以在capsule的参照系里，空气在往下喷出时，其轨道方向上的动量基本为0,。根据牛顿第三定律，这种设计如果是在open ground里的话减阻效果非常有限。。涡轮这种阻力系数很高的大平脸还不如一个子弹头型。。但在tunnel里的话是排除capsule前段出现的半密闭空间的增压的有效方式。。Musk在这个文档里对于系统的动力，能源，轨道设置，防地震等问题都做了模拟，而其中电磁动力和电池储能本来就是Tesla Motor的核心技术，这两个我觉得应该不是技术瓶颈，而轨道基座和如今的高铁应该也差别不是太大，虽然加州多变的地形和多地震的环境的确会带来麻烦。作为一个同时修电子和航空工程的学生，我对这个project现阶段最大质疑来自于以下三点。1.Aerodynamic design.以下是半吐槽：Holy crap this is a high subsonic capsule travelling in a freaking tube! And you are using air cushion for levitation! and you tell me that you have not even done any wind tunnel testing in your alpha stage...半吐槽结束Musk说他的两种capsule design，在0.91Mach的时候，一个只有300N的前进阻力，另一个则只有900N。从alpha document里面看这是模拟器做出来的结果，没有任何风洞实验，个人的判断是这种模拟基本没有把湍流考虑进去（毕竟实话说湍流这玩意也没法完全模拟），模拟实验图也只显示了steamline。实际的阻力应该会比这个大不少——管壁的附面层，作为air bearing的侧面气流，下洗气流沿着管道壁的移动等等都是涡流和湍流的来源。。而这些湍流的具体影响不吹风洞是难以完全了解的。而且实话说无论是0.91Mach的速度，还是air bearing control，都从来没有在一个直径只有10feet的管道内实现过，前者会面对frontal pressure build up的问题，后者则会有严重的反向气流干扰。这种干扰对于已经非常成熟的直升机技术而言都一直是个难题，在这种速度，离地面如此之近的情况下达到至少厘米级别的aerodynamic control，个人觉得波音或者NASA可能可以，SpaceX和Tesla Motor貌似还差了点。。2.Control system.其实这一点是接着上面的，由于没有采用磁浮控制，所有的levitation的力量都来自于下洗气流。。关键还要有很高的控制精度，还这么快，还是在管道里。。世界上应该还没有任何控制系统能满足这个要求，即使是F-35B的VTOL，在那么多控制面的帮助下，还配合VTC，在水平速度基本是0的情况下，降落的时候还是会有点晃悠。。但这capsule一晃悠撞壁就直接秀逗了啊。。。用我一位教授的话说是：We do not know yet enough about air to use it for any precise control。那个文件里有个fig 12，是对这个控制气垫的模拟。。看了只能说实在有点糊弄人。。。气流可不会这么乖乖的走，而且只在正下方产生压强的。而且貌似这玩意是无人驾驶。。而现在米军唯一的一款接近这种速度的无人驾驶航空器还是在X阶段。3.尼玛这货貌似没有紧急刹车功能为了让这个capsule足够轻，主要的轨道方向的动力都来自于70英里才一次的boost，但这也意味着即使你知道前面管道出事了，系统进行迅速反应，也可能要在相当于100多公里后才能开始第一次减速有木有，如果是这100公里内出事了那就直接我去年买了个表有木有。。而且在全速的情况下根本不能直接减到0有木有。。神马你说利用和轨道的摩擦减速？尼玛0.91Mach你摩擦丫的航空铝根本就扛不住这个温度啊。。而且停下了以后你根本就是被卡在那个管道里动都动不了有木有。。不说别的。。万一能源供应出现问题。。。高铁被雷劈了还能下车走路呢。。。这玩意。。把逃离问题解决之前我可不敢坐=。=
谢邀关于这方面的技术了解不多，主要研究方向还是基于传统轮轨黏着的高铁装备，所以就姑妄说之，想哪说哪儿了。之前在知网有看过几篇类似的真空胶囊列车论文，在学校的时候也听过沈老一次类似的讲座，这种类型载运工具的技术瓶颈几乎不用过多的考虑空气阻力的问题，更关键的地方似乎是在于气密和制动这部分。胶囊技术的核心就是悬浮+真空（低压）。目前比较可行的悬浮方案就是磁悬浮和空气气垫悬浮，磁悬浮在阻力方面的优势是明显的，但是受制于常温超导材料，先天缺陷暂时无解，运营成本忒高，真心用不起啊……材料里引用的空气气垫悬浮是一个比较优良的替代方案，成本方面的贫民化，让这种悬浮技术更具备操作性，但是核心问题在于气流的不稳定性和控制难度，空气作为气垫悬浮设备的技术早已有之，也算是较成熟的技术，但是胶囊运载是在小空间的高速空气浮载，而涉及流体方面的控制就必须要讨论湍流，湍流这玩意儿作为诺贝尔奖的终极备选大热门，短时间貌似也无解。鱼鹰那两个科幻电影一般的超级螺旋桨就因为没法控制模式转换时的空气湍流而饱受争议，高速时应用气垫悬浮该如何解决类似问题？似乎也只能靠工程师的模拟经验。而这些计算方面的缺失，带来的结果必定是控制方面的不稳定。胶囊运输减阻是必须的，具体理由参考高铁车辆通过隧道时的空气动力分析，那能耗和噪音，真不是拿来吓唬人的。无论是真空还是低压技术，都是用来尽量减少空气阻力的，的确能很好的改善车辆的运行状态，但是一旦车体外面被抽成很低的负压，车辆就像是一个打足了气的大气球，密封性就必须有特别高要求，安全冗余方面也必须要更多的引入，骨架也要设计出很好的弹性，乘坐方面首先就必须像客机一样绑好安全带，不然出了泄漏事故被吸走是一定的了，一旦有了结构破坏的大型事故，几乎也就没救了，伤亡率必定特别高。另一个核心问题是制动，摩擦小在运行方面是极大的优势，但是到了制动这边儿，就是各种缺陷了，让这个胶囊弹起来不是本事，该怎么让它平稳的停下来，才是该打赏的技术活。就目前公布的材料来看，没有看到类似的技术介绍，也很期待看到牛逼的解决方案。
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其运行状态并未改变,只是以前机械能的转化变成了热能。长时间热量积累,电机会被烧掉。,转动停止但扭矩依然存在,
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