国立联合大学机械工程学系大学专题.docx

國 立 聯 合 大 學 機 械 工 程 學 系

大 學 專 題

題目：磁力傳動裝置振動量測分析

　 　 U9411090 葉憲彧
學號姓名： U9411097 凌岳銘
U9411065 黃倫修　　

指導老師：　黃勝銘　博士（Dr. San-Ming Huang）　

中華民國九十七年五月三十日

摘要
科技進步的今天，精密產業快速興起，在自動化與精密度的雙重要求之下，傳動機構的低振動亦成為人類追求的課題。一般的剛性齒輪由於其屬於接觸式傳動，所以驅動側的振動會藉由接觸而傳遞，在磁力屬於超距力的事實下，發展出許多應用磁力傳動來達到隔振的目的，磁力齒輪在兩齒輪間留有空隙，以非接觸的方式來達到傳動的目的，可以有效的改善摩擦與振動問題。PW700振動噪音頻譜分析儀以傅立葉分析為理論根據，建立時域與頻域間互換的傅立葉變換圖形。本篇研究主要是分析磁力齒輪之隔振效果，其方法是使用加速度規作為振動訊號擷取，將時域之訊號作快速傅立葉變換(FFT)至頻率領域，其訊號意義將會較易於理解。根據實驗的結果，本文將針對訊號之差異進行比較，且歸納出原因，並在研究這些現象的同時也可以學習其周邊相關之知識，進而達到學以致用的目的。
目錄
摘要 I
目錄 II
圖目錄 III
表目錄 V
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究主題 2
第二章　基本原理 4
2.1 磁滯現象 4
2.2 磁力傳動原理 5
2.3 振動量測參數 6
2.3.1 週期、頻率、位移振幅 6
2.3.2 自然頻率 7
第三章　磁力傳動裝置介紹 9
3.1. 磁力齒輪介紹 10
3.1.1 磁力齒輪之磁力線分布、最大扭矩與製造原料 10
3.1.2 滑差 11
3.2 直流馬達與轉速控制 13
3.3 扭力測量裝置 16
3.3.1 扭矩傳感器與扭力計顯示器 16
3.4 磁滯剎車器 17
3.4.1 磁滯剎車的原理 18
3.4.2 電流與扭力 19
3.5 振動測量裝置 21
3.5.1 加速度規、頻譜分析儀 21
第四章　實驗量測與分析 22
第五章　結果與討論 31
第六章 參考文獻 32
圖目錄
圖2- 1　磁滯曲線 4
圖2- 2 (a)軸向磁性聯軸器 (b)徑向磁性聯軸器 5
圖2- 3　質點圓運動之投影 6
圖2- 4 彈簧質量系統 7
圖2- 5　自由體圖 7

圖3- 1　磁力傳動裝置整體架構 9
圖3- 2　磁力齒輪 10
圖3- 3　磁力齒輪分析模型 10
圖3- 4　磁力齒輪之磁力線分布 11
圖3- 5　磁力齒輪之N－S極分布 11
圖3- 6　外力－摩擦力圖 12
圖3- 7　磁力齒輪之轉動角與扭矩關係圖 13
圖3- 8　Emotion卡 13
圖3- 9　直流馬達 14
圖3- 10 PWM振幅－r.p.m關係圖 15
圖3- 11　扭力計顯示器 16
圖3- 12　扭矩傳感器 16
圖3- 13　磁滯剎車器 17
圖3- 14　磁滯剎車器之內部構造 18
圖3-15　磁滯剎車器運作示意圖 19
圖3- 16　電流-扭矩圖 20
圖3- 17　剛性軸於磁滯煞車器扭力測量 20
圖3- 18　加速度規 21
圖3- 19　頻譜分析儀 21

圖4 - 1　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速231 rpm 無負載) 22
圖4 - 2　磁力齒輪從動軸　(輸入轉速231 rpm 無負載) 22
圖4 - 3　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速231 rpm負載0.108N-m) 23
圖4 - 4　磁力齒輪從動軸　(輸入轉速231 rpm負載0.108N-m) 23
圖4 - 5　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速432 rpm 無負載) 24
圖4 - 6　磁力齒輪從動軸　(輸入轉速432 rpm 無負載) 24
圖4 - 7　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速432 rpm 負載0.108N-m) 25
圖4 - 8　磁力齒輪從動軸　(輸入轉速432 rpm 負載0.108N-m) 25
圖4 - 9　剛性軸驅動側　(輸入轉速231 rpm 予以敲擊) 26
圖4 - 10　剛性軸被驅動側　(輸入轉速231 rpm ) 26
圖4 - 11 　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速231 rpm 予以敲擊) 27
圖4 - 12　磁力齒輪從動軸　(輸入轉速231 rpm ) 27
圖4 - 13　剛性軸驅動側　(輸入轉速432 rpm 予以敲擊) 28
圖4 - 14　剛性軸被驅動側　(輸入轉速432 rpm ) 28
圖4 - 15　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速432 rpm 予以敲擊) 29
圖4 - 16磁力齒輪從動軸　(輸入轉速432 rpm ) 29
圖4 - 17 外力敲擊剛性軸 30
圖4 - 18 外力敲擊磁力齒輪 30

表目錄
表3- 1　直流馬達規格 14
表3- 2 PWM振幅的相關參數 15
表3- 3 扭矩傳感器規格 16
表3- 4 扭力計顯示器規格 16
表3- 5 磁滯剎車器規格 17
表3- 6 電流-扭矩測量數據 19

第一章 緒論
1.1 研究背景
　　隨著時代的進步，人類的生活品質提高，物質需求的品質也提高，包含食、衣、住、行、育、樂。所以在產品的加工上也要求的更精密、交通工具更舒適、居住環境更安靜，然而要解決以上問題最有直接關係的就是振動了，所以「避振」一詞就應運而生，我們知道，如果振動越大，噪音就越大、產品精密度就不好掌控、行車就不舒適。
　　人類是聰明的動物，遇到問題就會想辦法解決，也會針對問題對症下藥，找到振動的來源進而對其解決，因此發明了許多產品來避振：

a. 氣壓缸避振器：
多用於前叉緩衝裝置，裡面有高壓氣體，利用壓縮氣體的壓力高於活塞另一端的壓力，來達到避振的目的。

b. 液壓缸避振器：
多用於汽車之減振筒，有單筒或複筒兩種，裡面除了有油，還有不等比例之氣體，現今市面上所用的氣體大多為高壓的氮氣。（因為油壓缸比較被廣泛使用，所以大多直接稱為油壓缸。）

c. 磁性聯軸器：　　
一般聯軸器因主動軸與從動軸互相接觸，故電機或主動體因運轉產生的振動和磨損無法避免，而磁性聯軸器因主動軸與從動軸之間留有間隙，而能有效降低因輸入軸運轉所產生的振動傳至輸出軸。

d. 磁力軸承：　　
它是利用磁力使轉軸不產生機械摩擦，且不用任何潤滑地懸浮在空間中的非接觸軸承，因非接觸，亦可改善振動所造成的噪音的問題。最早應用磁力軸承的國家是法國在1972年將它用於衛星導航器飛輪支承上，至今已有將磁力軸承應用在自行車上了，使用性可以說非常的廣。

e. 磁力齒輪：
　　兩齒輪間留有空隙，以非接觸的方式來達到傳動的目的，可以有效的改善摩擦與振動問題。因為一般齒輪在傳動時會因摩擦而產生粉塵，不適合用在無塵環境，而磁力齒輪之特性可符合需求(LCD與PDP皆須在高度乾淨之環境下製造)。

1.2 文獻回顧
　　陳武立(1999)研究軸心偏位對磁性聯軸器傳動性能之影響裡提到，為了瞭解磁性連軸器高頻制振的效果，首先以一個機械式聯軸器連接驅動軸與被驅動軸，並量測與分析其定速旋轉與穩態時，所產生的扭力振動訊號。其後再將機械式聯軸器換成磁性聯軸器，亦擷取其定速旋轉穩態時之扭力振動訊號。比較兩組訊號可以知道不同聯軸器在傳動時，其振動訊號在傳遞上有明顯的差異，且答案是肯定的。
　　黃正棋(2006)研究磁性行星齒輪系之設計與特性分析提出，一新型態之磁性行星齒輪系，透過非接觸之磁耦合力，以改善傳統機械式行星齒輪系之高磨耗、體積大、易過熱、及使用壽命短等缺點，且其具有多重磁耦合區，可提高拖動轉矩，並兼具高轉矩密度、及小體積下高減速比等優點。
　　謝浚泉(1996)研究徑向磁耦合的物性模擬及垂直式磁性齒輪的物性提到，垂直式磁性齒輪的扭力是經由徑向磁性耦合所提供的，由實驗得到不同極數下的扭力值，並發現對於半徑20mm、間距2mm的兩個磁性齒輪而言，最大扭力發生在6極與16極之間。磁性齒輪的扭力會隨著彼此間距離的增加而降低。對於具有相同磁場強度、但不同極數的磁性耦合而言：在磁性齒輪的間距小於臨界間距時，扭力值與極數成正比；但磁性齒輪的間距大於臨界間距時，扭力值與極數成反比。其實驗使用燒結NdFeB磁鐵，所得的臨界間距為約10㎜。
1.3 研究主題
　　本研究之目的是基於磁力傳動屬於非接觸傳動，故能有效的減少因振動所產生的負面影響，進而欲使用電腦軟體分析磁力傳動裝置在運轉時之振動，並經由分析來了解到各種形況影響下所產生之振動之意義。除此之外，並藉由研究此題目進而涉獵平常上課接觸機會較少之知識或相關儀器設備，以擴展科學眼界。
　　依本研究之主題，首先必須先了解振動學的基本常識―週期、頻率、位移振幅與自然頻率等。其次，就是對實驗設備之瞭解與其應用原理之探討，可分為以下幾項介紹：

a. 磁力齒輪：
　　在本實驗裝置中扮演傳動的角色，並探究其傳動原理，以便遇到問題時知道從何處下手解決。

b. 直流馬達：
　　有動力才可談傳動，直流馬達即是本實驗之動力來源，是以電流控制之脈寬調變(PWM)來調整直流馬達之轉速。

c. 扭力量測裝置：
　　本實驗使用扭力傳感器並藉UMV2000軟體來擷取傳動裝置之扭矩、轉速之數據。

d. 磁滯剎車器：
　　本實驗將給予傳動裝置一外加阻力作為負荷，磁滯剎車器即是施予一制動力之裝置，其應用原理將從磁滯現象著手，再基於此現象得知其工作原理。

e. 振動之量測裝置：
　　為了完成本研究之主題，振動量測之裝置當然是必備的，使用PW700振動噪音頻譜分析儀進行量測，並經過電腦快速傅立葉變換(FFT)，使原本測量出為時間領域之資料，轉換為頻率領域容易計算與理解的資料。

第二章　基本原理
本章將介紹在往後實驗會使用的基本原理，首先介紹磁滯現象，接著探討磁力傳動原理、與振動量測時所會用到的參數。
2.1 磁滯現象
Ｈ：外加磁場強度

Ｍ：感應磁場強度

圖2- 1　磁滯曲線

　　先了解什麼是磁滯曲線，在介紹磁滯曲線時可以一同解釋磁滯現象。將一鐵磁性物質置於一外加磁場下，使其外加磁場由零逐漸增強，會發現鐵磁性物質之感應磁場亦隨之增強，當外加磁場增加到某一程度，外加磁場強度Ｈ再怎麼增加，感應磁場強度Ｍ也不會再增大，這就達到了所謂的飽和（Ｃ點）。再將外加磁場逐漸減小，鐵磁性物質之感應磁場亦會隨之減小，但速度變慢，不會沿著原曲線（ＣＢＡ）返回，亦即此過程是不可逆的。當外加磁場降為零，而鐵磁性物質能保有磁性，這就是所謂的磁滯現象，再持續的把外加磁場朝反方向增加，也可以說是去磁作用，要將感應磁場降為零，就至少需將反向的外加磁場增加至Ｅ點，而此Ｅ點的Ｈ值就稱為物質之抗磁力或矯頑磁力（coercivity，Hc），或稱之為抗磁場強度（coercive field intensity）。相同於正向外加磁場，將反向外加磁場逐漸增大至飽和Ｆ點，再減小反向外加磁場至零（Ｇ點），鐵磁性物質仍會因磁滯現象而保有磁性，且方向是負的。持續通以正向磁場，曲線會沿著ＧＣ發展，而其所圍成的曲線就是所謂的磁滯曲線，所圍成的面積就是曲線經過每一循環所產生的磁滯熱能損失。
2.2 磁力傳動原理
　　磁力傳動，顧名思義就是以兩磁極的相斥或相吸來傳遞力矩，以達到傳動的目的，其特色是在主動件與從動件之間只存在著超距力，故可以減少因接觸所產生的振動，而磁性聯軸器就是其典型的運用。

圖2- 2 (a)軸向磁性聯軸器 (b)徑向磁性聯軸器

圖2-2為磁性聯軸器的磁極示意圖，軸向磁性聯軸器(a)，在主動軸上裝一法蘭盤，盤上再固定幾塊永久磁鐵，使N極與S極相間排列。在從動軸上與以相同動作，然後再把主動軸與從動軸相對放置，中間留有間隙，兩軸之間就會因磁力作用而聯繫在一起，當主動軸轉動時，從動軸也會跟著轉動，當主動軸停止轉動，從動軸亦不會轉動。在相同條件下，兩盤間隙越小，間隙間的相互作用力則越大。當轉速較高的情況下，對兩軸的同心度也要求較高，以減少磁力損失。
　　徑向磁性聯軸器(b)，在內外兩個轉子上排列相同對數的永磁體，在同一轉子上，N極與S及交錯排列，而內外轉子的N極與S極方向一致。可知，當主動軸靜止時，因兩轉子後相吸引，以致從動軸也靜止，當其中一轉子與其他主動體連接起來，而其轉子就成了主動轉子，經過磁力的作用，從動轉子也就跟著運轉起來。
　　在本實驗裝置之磁力傳動系統係用磁力齒輪，我們將在「3.1磁力齒輪介紹」中做詳細說明。

2.3 振動量測參數
　　因本研究是在探討磁力傳動系統在運作時所產生的振動量測與分析，因此，以下將解釋一些跟振動學有關的基本名詞解釋。
2.3.1 週期、頻率、位移振幅

圖2- 3　質點圓運動之投影

　　以一質點作等速圓運動來解釋。若一質點對一參考點作等速率圓運動，則此一質點對參考點繞一圈所花的時間就稱為「一週期」，其SI單位為秒（s），而週期的倒數就是「頻率」，其SI單位為赫茲（Hz）。若對此圓運動做投影，可以發現質點做簡諧運動（Simple Harmonic Motion），質點與平衡點之最大距離就稱為「位移振幅」。
2.3.2 自然頻率

圖2- 4 彈簧質量系統

　　圖2- 4是一個彈簧質量系統，一個重量mg(g是重力加速度)的物體掛在彈簧下方，彈簧上方連接一個支撐剛體。在靜止時，物體處於靜態平衡的位置，在此位置彈簧拉力恰好與物體重量平衡，且彈簧總長為l0+δst，δst是彈簧的伸長量，可以得到：

mg＝kδst

接下來再將物體往下拉一個距離+，因此彈簧拉力就變成k(+δst)。再畫自由體圖：

圖2- 5　自由體圖

由牛頓第二運動定律可得：

m=mg-k(+δst)

因為mg=kδ，可得：

m+k=0

假設=Ceλt, =Cλeλt,=Cλ2eλt,代入上式可得：

mλ2+k=0

λ=±(-)≡±iωn

ωn=()1/2

ωn稱為此系統的自然頻率，由ωn的數學關係式可知自然頻率與物體的質量平方根成反比，而與彈簧常數的平方根成正比，因此系統的振動頻率會因為結構形狀、尺寸、材料性質，甚至結構邊界狀態而有所差異，並不會因振幅或其他外力的大小而有所改變。
第三章　磁力傳動裝置介紹
　　本實驗是以直流馬達來做為動力來源，而在主動軸與從動軸上個別連接一磁力齒輪，以達到磁力傳動之目的。在從動軸上有一扭矩傳感器，在從動軸再施ㄧ負載，即在從動軸之另一端利用皮帶接上磁滯剎車器。在機台左側之電腦是用來控制直流馬達，而右側之電腦則連接振動噪音頻譜分析儀，以獲得振動數據。

圖3- 1　磁力傳動裝置整體架構
3.1. 磁力齒輪介紹

圖3- 2　磁力齒輪
3.1.1 磁力齒輪之磁力線分布、最大扭矩與製造材料

圖3- 3　磁力齒輪分析模型

　　圖3-3為一磁力齒輪之分析模型，其描述磁力齒輪之磁場關係位置，此分析模型有兩個永久磁鐵且皆具有斜向磁場，下方之永久磁鐵為主動齒輪，上方則為從動齒輪。分別將兩磁鐵安裝於主動軸與從動軸上，且互相交叉於正確的角度，並於兩磁力齒輪之間留有一距離使其不互相接觸。而齒輪上之斜向磁場具有幫助齒輪能平順轉動之作用。磁力齒輪所用之材料為粘結釹磁石(Nd-bonded magnet
)，其製造成本低於燒結釹磁石，且粘結釹磁石留有大約0.7特斯拉(T)的磁通量密度，是被用於設計磁力齒輪之常用材料。
　　圖3-4為磁力齒輪之磁力線分布，可清楚的觀察磁場方向。在Kyung-Ho Ha等的研究中[12]，主動軸之磁力齒輪為24(mm)當磁力齒輪之斜向磁場之斜向角度為45(deg)、永久磁鐵之長度為32(mm)且磁極數為6個(圖3-5)，則磁力齒輪在從動軸會有最大扭矩，且當從動軸之磁力齒輪長度超過32(mm)，其扭矩幾乎不會增加。

圖3- 4　磁力齒輪之磁力線分布

圖3- 5　磁力齒輪之N－S極分布
3.1.2 滑差
　　在實驗的過程，發現在中高轉速時磁力齒輪會有滑動之現象，意即主動軸在持續轉動的過程中，從動軸之齒輪並無被完全帶動，需要有一外力帶動從動軸之齒輪才會平順的轉動。由牛頓第二運動定律可知，故要使一物體開始運動必須施加一外力以克服慣性力，此方程式僅適用於線運動，但在圓運動是類似情形，也就是須加一外力矩，方可使磁力齒輪轉動()，如驅動軸以中高速帶動運轉，因瞬間扭轉加速度較大，所需克服之扭轉慣性力超過磁力齒輪之最大扭矩，而出現滑動現象。在本實驗裝置中有軸承支撐從動軸，但從摩擦力之實驗可知()，故要使從動軸轉動還須克服其最大靜摩擦力矩。從摩擦力實驗中所繪製之外力－摩擦力圖中可知，在物體恰欲運動時摩擦力會瞬間減小，科學家定義為動摩擦力。

fs ：靜摩擦力
fsmax：最大靜摩擦力
fk ：動摩擦力
F ：外力

圖3- 6　外力－摩擦力圖

　　也有另一種可能會使磁力齒輪產生滑差的現象，每一個磁力齒輪都有臨界扭矩，也就是當齒輪之轉動角轉至某一角度會有最大扭矩(圖3-7)，當傳動扭矩超過磁力齒輪之臨界扭矩時，就會造成兩磁力齒輪互相滑動。

圖3- 7　磁力齒輪之轉動角與扭矩關係圖
3.2 直流馬達與轉速控制

圖3- 8　Emotion馬達控制卡

圖3- 9　直流馬達

　　首先將介紹直流馬達的規格與操作程序。

表3- 1　直流馬達規格
DC SERVO MOTOR
TYPE
130-300MS-ZK-L2
PR w/HP
375/0.5
Pole
4
TR kg-cm
12
MAX
36
NR R.P.M
3000
MAX
4000
HEADLINE ELECTRIC CO., LTD

　　直流馬達的執行程序：
　　將eMotion卡接上電源後約3分鐘
開機後用TelNet進入執行，程序如下：
A. 在視窗下執行[開始] [執行] [telnet 192.168.1.2]
B. TelNet視窗中的[終端機] [喜好設定] 中選擇塊狀游標、VT100/ASCII
C. 進入Linux視窗中執行：
login： guest
password： guest
$ su
password： (無password)
cd^/ (“ ^ ”表空格)
#^./emot98
#cd^/smb/simulink
#^./eTTY^192.168.1.136
D. 啟動Matlab 6.1 或以上版本
E. 將Matlab 的路徑，更改到 C：\smb\eACM8
F. 執行exp_acm
G. 螢幕出現直流伺服馬達控制實驗畫面
H. 執行“FPGA程式下載”鍵，下載FPGA的程式
I. 依序執行實驗 1~6的按鍵，進行直流伺服馬達的各項實驗

　　經過測試發現，與直流馬達轉速有關的參數是PWM振幅，以下提供幾組經扭矩傳感器測量出之數據。由以下表格發現，當PWM振幅改變時，直流馬達之轉速也隨之明顯的變化。

表3- 2 PWM振幅的相關參數
PWM振幅
轉速(r.p.m.)
300
230.97378
500
431.8626065
600
517.8005033
700
629.04076
800
723.2058241
900
814.5561276
1000
906.2568448

圖3- 10 PWM振幅－rpm關係圖

3.3 扭力測量裝置
　　本實驗將用扭矩傳感器來測量磁滯剎車器及直流馬達的扭力與轉速。
3.3.1 扭矩傳感器與扭力計顯示器
　　本裝置是以扭矩傳感器連接在傳動軸上（圖3-12），由扭力計顯示器顯示其扭矩、轉速與功率（圖3-11）。表3-3與表3-4分別是扭矩傳感器與扭力計顯示器之規格。

圖3- 11　扭力計顯示器

圖3- 12　扭矩傳感器

表3- 3 扭矩傳感器規格
Dr.Staiger Mohilo
Type
0170/01 MS 50RA
Range
50Nm
Serial No.
83681
date
07.03
Signal output/Sensitivity
5001V
Caliber. value
5000V

表3- 4 扭力計顯示器規格
Dr.Staiger , Mohilo & Co , GmbH
D - 73547 Lorch
Type
UMV 2000
S/N
86035
P/N
1852 (3/4)
P
30 VA
115 VAC / 60 Hz - Fuses : 2*400 mAT / 5*20 mm

3.4 磁滯剎車器

圖3- 13　磁滯剎車器

　　本實驗以磁滯剎車器作為制動之設備，表3-5即為剎車器之行型號與規格。

表3- 5 磁滯剎車器規格
MAGTROL, INC
MODEL
HB - 210 – 2
SERIAL
OBH210067
VOLTS
24

　　將一個相互交錯且中間留有氣隙的定子磁極與一個由FeCrCo材料所製成之轉子(鐵磁性磁滯環Drag cup)與軸組件利用軸承固定在一起但不互相接觸，利用電磁學中的磁滯原理來控制扭力。當磁滯剎車器未通有電流時，轉子可自由轉動，一旦通了電流，定子磁極之間的氣隙即變成一磁場，而轉子也將因磁滯作用而產生制動的效果。對一電力控制的磁滯剎車器來說，扭力的控制是由電磁線圈來進行的，意即調整流經電磁線圈之電流及可控制磁滯剎車器之扭力。磁滯剎車器之制動扭力大小與流經電磁線圈之電流成線性關係，但電流之方向不會影響磁滯剎車器之運行。

圖3- 14　磁滯剎車器之內部構造

3.4.1 磁滯剎車的原理
　　磁滯剎車器，顧名思義即是利用磁滯特性來制動。其利用一直流電源產生一固定磁場，連接於從動軸之磁性磁滯環經正反不同方向之磁場後(圖3-15)其磁化曲線會經過一週期，即形成一磁滯曲線，而磁滯曲線所包圍之面積會有磁滯熱能的損失，其損失會表現在磁性磁滯環上，而將從動軸之動能消耗。所以可以利用電流之大小來控制磁場強度，使磁滯曲線包圍不同大小之面積，來達到不同大小的制動力。

圖3-15　磁滯剎車器運作示意圖

3.4.2 電流與扭力
　　此項目將直流馬達以432rpm之固定轉速進行量測。理想之電流扭矩圖應呈線性關係，但由於人員測量、設備或環境之影響，皆會使實驗結果與理論值有所誤差。因為在測量磁滯煞車器之電流與扭力關係時，磁力齒輪所承受之制動力可用範圍過小，故本實驗使用剛性軸來測量(圖3-17)。

表3- 6 電流-扭矩測量數據
輸入電流(A)
制動扭矩(N.m)
0.03
0.108
0.06
0.220
0.09
0.546
0.12
1.113

圖3- 16　電流-扭矩圖
剛性軸

圖3- 17　剛性軸於磁滯煞車器扭力測量

3.5 振動測量裝置
本實驗是以PW700振動噪音頻譜分析儀來進行振動的量測
3.5.1 加速度規、頻譜分析儀
　　圖3-18為加速度規，其放置接近於振動源以擷取振動訊號，並連接至頻譜分析儀。圖3-19為頻譜分析儀，將擷取之訊號，輸入至電腦，再由電腦做傅立葉變換得到所需之圖形。

圖3- 18　加速度規

圖3- 19　頻譜分析儀
第四章　實驗量測與分析
　　本實驗所選用的轉速為231 rpm、432 rpm，實驗規劃分為三部份，分別為從動軸無負載、從動軸有負載與外力敲擊，且為了讓實驗更有比較性，使剛性軸傳動裝置之驅動側與磁力齒輪傳動裝置之主動軸分別施加外力敲擊(圖4-17、圖4-18)，使其更能明顯比較出之間的差異性。在比較圖與圖之差異時，必須注意縱軸之刻度值之差異。
　　圖4-1與4-2為從動軸無負載時個別的振動訊號圖，其轉速為231rpm，從圖中可以觀察到，振動訊號在轉速頻率時，磁力齒輪能夠明顯的降低振動訊號。

圖4 - 1　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速231 rpm 無負載)

圖4 - 2　磁力齒輪從動軸　(輸入轉速231 rpm 無負載)

　　圖4-3與圖4-4為從動軸負載為0.108N-m時個別的振動訊號圖，其轉速亦為231rpm，從圖中可以觀察到，因轉速與上一組相同，故減振效果亦發生在大約3.85Hz的地方，又因於從動軸加一負載，導致振動訊號在主動軸與從動軸皆變大。

圖4 - 3　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速231 rpm負載0.108N-m)

圖4 - 4　磁力齒輪從動軸　(輸入轉速231 rpm負載0.108N-m)

　　圖4-5與圖4-6從動軸無負載時個別的振動訊號圖，其轉速為432rpm，從圖中可以觀察到，與上述情形相同，振動訊號在轉速頻率時，磁力齒輪能夠明顯的降低振動訊號。

圖4 - 5　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速432 rpm 無負載)

圖4 - 6　磁力齒輪從動軸　(輸入轉速432 rpm 無負載)

　　圖4-7與圖4-8為從動軸負載為0.108N-m時個別的振動訊號圖，其轉速亦為432rpm，從圖中可以觀察到，因轉速與上一組相同，故減振效果亦發生在大約7.2Hz的地方，又因於從動軸加一負載，導致其振動訊號在主動軸與從動軸皆變大。

圖4 - 7　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速432 rpm 負載0.108N-m)

圖4 - 8　磁力齒輪從動軸　(輸入轉速432 rpm 負載0.108N-m)

　　圖4-9與圖4-10是將在驅動側與被驅動側之間連接一剛性軸的個別振動訊號圖，並施ㄧ外力敲擊，轉速為231rpm，從圖中可觀察到，兩圖形在轉速頻率時之振動訊號差異並不大，反而被驅動側之振動訊號比驅動側大，是因為敲擊點較接近被驅動側。

圖4 - 9　剛性軸驅動側　(輸入轉速231 rpm 予以敲擊)

圖4 - 10　剛性軸被驅動側　(輸入轉速231 rpm )

　　圖4-11與圖4-12是磁力齒輪傳動系統之主動軸與從動軸的個別振動訊號圖，並於主動軸上施ㄧ外力敲擊，轉速為231rpm，從圖中可觀察到，兩圖形不只在轉速頻率時之振動訊號差異大，在其他頻率也有極大之差異，由此可證實磁力齒輪有制振之效用。

圖4 - 11 　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速231 rpm 予以敲擊)

圖4 - 12　磁力齒輪從動軸　(輸入轉速231 rpm )

　　圖4-13與圖4-14是將在驅動側與被驅動側之間連接一剛性軸的個別振動訊號圖，並施ㄧ外力敲擊，轉速為423rpm，從圖中可觀察到，其結果與轉速為231rpm時一樣，兩圖形在轉速頻率時之振動訊號差異並不大，反而被驅動側之振動訊號比驅動側大，是因為敲擊點較接近被驅動側。

圖4 - 13　剛性軸驅動側　(輸入轉速432 rpm 予以敲擊)

圖4 - 14　剛性軸被驅動側　(輸入轉速432 rpm )

　　圖4-15與圖4-16是磁力齒輪傳動系統之主動軸與從動軸的個別振動訊號圖，並於主動軸上施ㄧ外力敲擊，轉速為432rpm，且加大了敲擊力道，故從圖中可觀察到，兩圖形不只在轉速頻率時之振動訊號差異比圖4-11、圖4-12更大，在其他頻率之差異亦加大，由此更明確的證實磁力齒輪制振之效用。

圖4 - 15　磁力齒輪主動軸　(輸入轉速432 rpm 予以敲擊)

圖4 - 16磁力齒輪從動軸　(輸入轉速432 rpm )

圖4 - 17 外力敲擊剛性軸

圖4 - 18 外力敲擊磁力齒輪
第五章　結果與討論
　　從第四章之實驗數據圖中可知，磁力齒輪傳動裝置之主動軸經從動軸傳遞動力之後，主動軸之振動最大振幅皆得到明顯的降低，也就是得到隔振之效果，歸納其原因是磁力齒輪之剛性較一般接觸式齒輪小，剛性小，自然頻率就小，若測量頻率超過磁性齒輪之自然頻率，其振動訊號就會衰減。但在從動軸的某些頻率卻比主動軸高，會造成此結果的原因有很多，例如，在從動軸加一負載，以致於制動裝置之振動傳至從動軸；從動軸之某些零組件同心度不夠，以至於傳動裝置在運作時從動軸搖晃，若從動軸之穩定程度與主動軸相等，實驗結果將會得到振幅漸減的情況。這些原因亦能透過傅立葉變換得知此裝置在哪某些頻率震動太大，而進一步將之改善。
　　從圖4-10至圖4-16是剛性軸傳動裝置與磁力齒輪傳動裝置分別施ㄧ外力敲擊之比較圖，從圖中可觀察到，在剛性軸傳動裝置之驅動側與被驅動側兩圖之差異相去不遠，且在被驅動側有幾個頻率響應，意即被驅動側的本身振動訊號，整體來看，就是驅動側被敲擊後的訊號在剛性軸的傳遞之下整個疊加上去。而磁力齒輪傳動裝置，在主動軸與從動軸兩圖有明顯的差異，在此就能夠觀察出磁力齒輪能夠有效制振。
　　在操作本實驗的過程中，由於經驗不足，尚有許多改進空間。在頻譜的意義解讀上還需進一步的探討，例如，於從動軸及主動軸高於主頻的某些倍頻響應，分別代表哪些零組件之頻率，如知道這些倍頻響應代表之意義，就能根據傅立葉變換圖形改善振動的問題。在硬體設施上須熟知各個零組件的頻率換算，軸承、齒輪皆有公式可計算，或是由傅立葉變換圖形之上推估某倍頻響應是由哪個零組件所引起，假如有一八倍頻響應訊號，就可假設此倍頻是磁力齒輪所引起，因為磁力齒輪之極數為八極，但對或錯則必須再進一步的實驗驗證。
第六章 參考文獻
1. 楊錦鋒，“磁滯剎車分析與設計”，碩士論文，清華大學動力機械工程學系，2000。
2. 宋震國，“無貫穿軸磁力連結式真空手臂研究”，中山科學研究院委託業(學)界研究計畫結案報告，清華大學動力機械工程學系，1999。
3. D. Halliday,R. Resnick and J. Walker,“Fundamentals of Physics,”John Wiley & Sons,Inc.7th edition.
4. 劉明昌，“工程數學學習要訣”，台北：博浩出版社，2005。
5. 陳世清，“高中物理”，台南第二高級中學，2004。
6. 李文彬，“磁力應用工程”，北京：兵器工業出版社，1980。
7. Singresu S. Rao,“Mechanical Vibrations,”Pearson Prentice Hall,SI Edition.
8. 陳武立，“軸心偏位對磁性聯軸器轉動性能之影響”，碩士論文，清華大學動力機械工程學系，1999。
9. S. M. Huang and L. Y. Wang,“Design and Analysis of Magnetic Gears Based upon Halbach Array,”9th International Conference on Electrical Machines and Systems, Nov. 20-23, 2006, Nagasaki , Japan.
10. 黃政棋，“磁性行星齒輪系之設計與特性分析” ，碩士論文，成功大學機械工程學系，2006。
11. 謝浚泉，“徑向磁耦合的物性模擬及垂直式磁性齒輪的物性研究”，碩士論文，中正大學物理系，1996。
12. Kyung-Ho Ha、Young-Jin Oh、Jung-Pyo Hong & Young-Jin Oh，“Design and Characteristic Analysis of Non-Contact Magnet Gear for Conveyor by Using Permanent Magnet，”Industry Applications Conference, 2002. 37th IAS Annual Meeting ,Vol. 3, pp.1922-1927.