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1、磁力传动装置振动量测分析摘要科技进步的今天，精密产业快速兴起，在自动化与精密度的双重要求之下，传动机构的低振动亦成为人类追求的课题。一般的刚性齿轮由于其属于接触式传动，所以驱动侧的振动会藉由接触而传递，在磁力属于超距力的事实下，发展出许多应用磁力传动来达到隔振的目的，磁力齿轮在两齿轮间留有空隙，以非接触的方式来达到传动的目的，可以有效的改善摩擦与振动问题。PW700振动噪音频谱分析仪以傅立叶分析为理论根据，建立时域与频域间互换的傅立叶变换图形。本篇研究主要是分析磁力齿轮之隔振效果，其方法是使用加速度规作为振动讯号撷取，将时域之讯号作快速傅立叶变换(FFT)至频率领域，其讯号意义将会较易于理解根
2、据实验的结果本文将针对讯号之差异进行比较且归纳出原因，并在研究这些现象的同时也可以学习其周边相关之知识进而达到学以致用的目的。目录摘要目录I图目录错误!未定义书签。表目录错误!未定义书签。第一章绪论O1.1 研窕背景O1.2 文献回顾11.3 研窕主题1第二章基本原理32.1 磁滞现象32.2 磁力传动原理42.3 振动量测参数52.3.1 周期、频率、位移振幅52.3.2 自然频率6第三章磁力传动装置介绍83.1 .磁力齿轮介绍93.1.1 磁力齿轮之磁力线分布、最大扭矩与制造原料.93.1.2 滑差103.2 直流马达与转速控制123.3 扭力测量装置153.3.1 扭矩传感器与扭力计显示
3、器153.4 磁滞刹车器163AA磁滞剁车的原理173.4.2电流与扭力183.5振动测量装置203.5.1加速度规、频谱分析仪20第四章实验量测与分析21第五章结果与讨论30第六章参考文献31第一章绪论1.1 研究背景随着时代的进步，人类的生活质量提高，物质需求的质量也提高，包含食、衣、住、行、育、乐。所以在产品的加工上也要求的更精密、交通工具更舒适、居住环境更安静，然而要解决以上问题最有直接关系的就是振动了，所以避振一词就应运而生，我们知道，如果振动越大，噪音就越大、产品精密度就不好掌控、行车就不舒适。人类是聪明的动物，遇到问题就会想办法解决，也会针对问题对症下药，找到振动的来源进而对其解
4、决，因此发明了许多产品来避振：a.气压缸避振器：多用于前叉缓冲装置，里面有高压气体，利用压缩气体的压力高于活塞另一端的压力，来达到避振的目的。b.液压缸避振器：多用于汽车之减振筒，有单筒或复筒两种，里面除了有油，还有不等比例之气体，现今市面上所用的气体大多为高压的氮气。（因为油压缸比较被广泛使用，所以大多直接称为油压缸。）c.磁性联轴器：一般联轴器因主动轴与从动轴互相接触故电机或主动体因运转产生的振动和磨损无法避免，而磁性联轴器因主动轴与从动轴之间留有间隙，而能有效降低因输入轴运转所产生的振动传至输出轴。d.磁力轴承：它是利用磁力使转轴不产生机械摩擦，且不用任何润滑地悬浮在空间中的非接触轴承，
5、因非接触，亦可改善振动所造成的噪音的问题。最早应用磁力轴承的国家是法国在1972年将它用于卫星导航器飞轮支承上，至今已有将磁力轴承应用在自行车上了，使用性可以说非常的广。e.磁力齿轮：两齿轮间留有空隙，以非接触的方式来达到传动的目的，可以有效的改善摩擦与振动问题。因为一般齿轮在传动时会因摩擦而产生粉尘，不适合用在无尘环境而磁力齿轮之特性可符合需求（LCD与PDP皆须在高度干净之环境下制造）。1.2 文献回顾陈武立(1999)研究轴心偏位对磁性联轴器传动性能之影响里提到为了了解磁性连轴器高频制振的效果，首先以一个机械式联轴器连接驱动轴与被驱动轴，并量测与分析其定速旋转与稳态时，所产生的扭力振动讯
6、号。其后再将机械式联轴器换成磁性联轴器，亦撷取其定速旋转稳态时之扭力振动讯号。比较两组讯号可以知道不同联轴器在传动时，其振动讯号在传递上有明显的差异，且答案是肯定的。黄正棋(2006)研究磁性行星齿轮系之设计与特性分析提出，一新型态之磁性行星齿轮系，透过非接触之磁耦合力，以改善传统机械式行星齿轮系之高磨耗、体积大、易过热、及使用寿命短等缺点，且其具有多重磁耦合区，可提高拖动转矩，并兼具高转矩密度、及小体积下高减速比等优点。谢浚泉(1996)研究径向磁耦合的物性模拟及垂直式磁性齿轮的物性提至U,垂直式磁性齿轮的扭力是经由径向磁性耦合所提供的，由实验得到不同极数下的扭力值，并发现对于半径20mm、
7、间距2mm的两个磁性齿轮而言，最大扭力发生在6极与16极之间。磁性齿轮的扭力会随着彼此间距离的增加而降低。对于具有相同磁场强度、但不同极数的磁性耦合而言：在磁性齿轮的间距小于临界间距时，扭力值与极数成正比；但磁性齿轮的间距大于临界间距时，扭力值与极数成反比。其实验使用烧结NdFeB磁铁，所得的临界间距为约IOmmo1.3 研究主题本研究之目的是基于磁力传动属于非接触传动，故能有效的减少因振动所产生的负面影响，进而欲使用计算机软件分析磁力传动装置在运转时之振动，并经由分析来了解到各种形况影响下所产生之振动之意义。除此之外，并藉由研窕此题目进而涉猎平常上课接触机会较少之知识或相关仪器设备，以扩展科
8、学眼界。依本研究之主题，首先必须先了解振动学的基本常识一周期、频率、位移振幅与自然频率等。其次，就是对实验设备之了解与其应用原理之探讨，可分为以下几项介绍：a.磁力齿轮：在本实验装置中扮演传动的角色，并探究其传动原理，以便遇到问题时知道从何处下手解决。b.直流马达：有动力才可谈传动，直流马达即是本实验之动力来源，是以电流控制之脉宽调变(PWM)来调整直流马达之转速。c,扭力量测装置：本实验使用扭力传感器并藉UMV2000软件来撷取传动装置之扭矩、转速之数据。d.磁滞刹车器：本实验将给予传动装置一外加阻力作为负荷，磁滞刹车器即是施予一制动力之装置，其应用原理将从磁滞现象着手，再基于此现象得知其工
9、作原理。e.振动之量测装置：为了完成本研究之主题，振动量测之装置当然是必备的，使用PW700振动噪音频谱分析仪进行量测，并经过计算机快速傅立叶变换(FFT),使原本测量出为时间领域之资料，转换为频率领域容易计算与理解的资料。第二章基本原理本章将介绍在往后实验会使用的基本原理，首先介绍磁滞现象，接着探讨磁力传动原理、与振动量测时所会用到的参数。2.1磁滞现象图2-1磁滞曲线H:外加磁埸强度先了解什么是磁滞曲线，在介绍磁滞曲线时可以一同解释磁滞现象。将一铁磁性物质置于一外加磁场下，使其外加磁场由零逐渐增强，会发现铁磁性物质之感应磁场亦随之增强，当外加磁场增加到某一程度，外加磁场强度H再怎么增加，感
10、应磁场强度M也不会再增大，这就达到了所谓的饱和（C点）。再将外加磁场逐渐减小，铁磁性物质之感应磁场亦会随之减小，但速度变慢，不会沿着原曲线（CBA）返回，亦即此过程是不可逆的。当外加磁场降为零，而铁磁性物质能保有磁性，这就是所谓的磁滞现象，再持续的把外加磁场朝反方向增加，也可以说是去磁作用，要将感应磁场降为零，就至少需将反向的外加磁场增加至E点，而此E点的H值就称为物质之抗磁力或矫顽磁力（coercivity,HC）,或称之为抗磁场强度（Coercivefieldintensity）o相同于正向外加磁场，将反向外加磁场逐渐增大至饱和F点，再减小反向外加磁场至零（G点），铁磁性物质仍会因磁滞现象
11、而保有磁性且方向是负的。持续通以正向磁场，曲线会沿着GC发展，而其所围成的曲线就是所谓的磁滞曲线所围成的面积就是曲线经过每一循环所产生的磁滞热能损失。磁力传动，顾名思义就是以两磁极的相斥或相吸来传递力矩，以达到传动的目的，其特色是在主动件与从动件之间只存在着超距力，故可以减少因接触所产生的振动，而磁性联轴器就是其典型的运用。图22(a)轴向磁性联轴器(b)径向磁性联轴器图22为磁性联轴器的磁极示意图，轴向磁性联轴器(a),在主动轴上装一法兰盘，盘上再固定几块永久磁铁，使N极与S极相间排列。在从动轴上与以相同动作，然后再把主动轴与从动轴相对放置，中间留有间隙，两轴之间就会因磁力作用而联系在一起，
12、当主动轴转动时，从动轴也会跟着转动，当主动轴停止转动，从动轴亦不会转动。在相同条件下，两盘间隙越小，间隙间的相互作用力则越大。当转速较高的情况下，对两轴的同心度也要求较高，以减少磁力损失。径向磁性联轴器(b),在内外两个转子上排列相同对数的永磁体，在同一转子上，N极与S及交错排列，而内外转子的N极与S极方向一致。可知，当主动轴静止时，因两转子后相吸引，以致从动轴也静止，当其中一转子与其他主动体连接起来，而其转子就成了主动转子，经过磁力的作用，从动转子也就跟着运转起来。在本实验装置之磁力传动系统系用磁力齿轮，我们将在3.1磁力齿轮介绍中做详细说明。因本研究是在探讨磁力传动系统在运作时所产生的振动
13、量测与分析，因此,以下将解释一些跟振动学有关的基本名词解释。2.3.1 周期、频率、位移振幅图23质点圆运动之投影以一质点作等速圆运动来解释。若一质点对一参考点作等速率圆运动，则此一质点对参考点绕一圈所花的时间就称为一周期，其Sl单位为秒(s),而周期的倒数就是频率，其Sl单位为赫兹(Hz)。若对此圆运动做投影，可以发现质点做简谐运动(SimpIeHarmonicMotion),质点与平衡点之最大距离就称为位移振幅。2.3.2 自然频率图2.4弹簧质量系统G8l m图24是一个弹簧质量系统一个重量mg(g是重力加速度)的物体挂在弹簧下方，弹簧上方连接一个支撑刚体。在静止时，物体处于静态平衡的位
14、置，在此位置弹簧拉力恰好与物体重量平衡，且弹簧总长为h+3st,屈是弹簧的伸长量，可以得到：mg=kst接下来再将物体往下拉一个距离+X,因此弹簧拉力就变成k(+st)再画自由体图：八k(st+x)In=mIImxmg图25自由体图由牛顿第二运动定律可得:mx=mg-k(x+st)因为mg=k6,可得:mx+k=O假设X=Cet*=C入1尤二C21t,代入上式可得：m2+k=O入=()三inm3E.严mn称为此系统的自然频率由3n的数学关系式可知自然频率与物体的质量平方根成反比，而与弹簧常数的平方根成正比，因此系统的振动频率会因为结构形状、尺寸、材料性质，甚至结构边界状态而有所差异，并不会因振
15、幅或其他外力的大小而有所改变。第三章磁力传动装置介绍本实验是以直流马达来做为动力来源，而在主动轴与从动轴上个别连接一磁力齿轮，以达到磁力传动之目的。在从动轴上有一扭矩传感器，在从动轴再施I负载，即在从动轴之另一端利用皮带接上磁滞刹车器。在机台左侧之计算机是用来控制直流马达，而右侧之计算机则连接振动噪音频谱分析仪，以获得振动数据。图3.1磁力传动装置整体架构3.1. 磁力齿轮介绍图32磁力齿轮3.1.1 磁力齿轮之磁力线分布、最大扭矩与制造材料图3.3磁力齿轮分析模型图3-3为一磁力齿轮之分析模型，其描述磁力齿轮之磁场关系位置，此分析模型有两个永久磁铁且皆具有斜向磁场，下方之永久磁铁为主动齿轮，上方则为从动齿轮。分别将两磁铁安装于主动轴与从动轴上，且互相交叉于正确的角度，并于两磁力齿轮之间留有一距离使其不互相接触U而齿轮上之斜向磁场具有帮助齿轮能平顺转动之作用。磁力齿轮所用之材料为粘结被磁石(Nd-bondedmagnet),其制造成本低于烧结钦磁石，且粘结钛磁石留有大约0.7特斯拉(T)的磁通量密度，是被用于设计磁力齿轮之常用材料。图3-4为磁力齿轮之磁力线
