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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:曾健偉
研究生(外文):Zeng-Jian-Wei
論文名稱:垂直軸磁浮風機抗載盤之扇形磁塊靜、動態穩定性分析
論文名稱(外文):Stability analysis of static and dynamic to the inner fan-shaped magnet of the maglev vertical axis wind turbine
指導教授:胡穗樂胡穗樂引用關係
指導教授(外文):Hu-Sui-Yue
口試委員:張欽然張永瑞
口試日期:2011-07-22
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄海洋科技大學
系所名稱:輪機工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:115
中文關鍵詞:稀土釹鐵錋永磁材料垂直軸風力發電機扇形磁塊
外文關鍵詞:NdFeBMaglev vertical axis wind turbinefan-shaped magnet
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本論文主旨乃針對「垂直軸風力發電機」的「磁浮抗載重盤」內部N35H扇形磁塊,以不同間距配合不同轉速進行靜態、動態模擬抗重分析,進而結合實際發電運作時狀況,探討其穩定性。本研究所使用之扇形磁塊及模擬進行方式,基本上是依照「行政院原子能委員會核能研究所」計畫案中-「前瞻型中小型風機系統」-分析方式執行;主要是依實體結構由Solid works繪圖軟體繪製上、下載盤及「依環狀排列而成之扇形磁塊」,並以相同模式嵌入上、下磁盤內,再以Ansoft Maxwell 3D(磁浮分析軟體),依據永久磁鐵之相吸、斥力原理進行,進而檢視整體「風力發電之機組」各零件之負荷;記錄結果並分析求得其最佳值。
The purpose of this study is to focus on the static and dynamic simulation analysis of "magnet resistance" and "anti-weight" with various gaps and shapes of the inner fan-shaped magnet structure for the "Maglev vertical axis wind turbine" at fixed speed conditions. Furthermore, the stability of this system when facing real–world operational conditions is also discussed. This work was supported by the project, "Advance vertical style of small and medium wind power system", in cooperation with the Institute of Nuclear Energy Research. Mainly by physical structure from Solid works CAD software to do the up-side and down-side load disks and "arranged in the fan by ring magnets, "and embedded on the same model and then by Ansoft Maxwell 3D (magnetic analysis software) .The results indicate, the critical parameters of the system’s stability(including loading) for all components and can be used for future reference when designing the optimal configuration for this system.
摘要 ……………………………………………………………………Ⅰ
Abstract ……………………………………………………………………Ⅱ
致謝 ……………………………………………………………………Ⅲ
目錄 ……………………………………………………………………Ⅳ
圖目錄 …………………………………………………………………Ⅶ
表目錄 ………………………………………………………………ⅩⅡ
第一章 前言 ……………………………………………………… 1
1-1 研究動機 ………………………………………………… 5
1-2 研究目的與問題 ………………………………………… 6
1-3 研究範圍 ………………………………………………… 6
1-4 研究限制 ………………………………………………… 7
1-5 研究設計 ………………………………………………… 7
1-6 專有名詞 ………………………………………………… 9
第二章 文獻探討 ……………………………………………………11
2-1 NdFeB35(N35H)釹鐵硼稀土永磁體簡介……………13
2-2 永磁體應用與磁浮原理運用實例 ……………………… 14
2-2-1 磁力軸承 ………………………………………… 15
2-2-2 磁力驅動裝置 ……………………………………… 20
2-2-3 磁浮列車原理及應用 …………………………… 24
2-2-4 其他磁浮運用實例 ………………………………… 26
第三章 研究方法 ……………………………………………… 31
3-1 磁路方程式 …………………………………………… 32
3-2 磁力公式探討 ………………………………………… 33
3-3 軟體執行重要步驟 …………………………………… 36
3-4 實驗步驟 ………………………………………… 49
第四章 實驗結果與討論 …………………………………………58
4-1 磁浮載盤之N35H扇形磁塊各類數據分析 ……………58
4-1-1 N35H扇形磁塊靜態磁力計算理論數值分析 …… 58
4-1-2 N35H扇形磁塊靜態模擬數值分析 ……………… 60
4-1-3 N35H扇形磁塊抗載重實驗數值分析 …………… 64
4-2 N35H扇形磁塊動態模擬各類數值之分析 …………… 66
4-3 N35H扇形磁塊各類數值綜合討論結果分析 ………… 77
4-3-1 N35H扇形磁塊靜態理論值、模擬值、實驗抗重值綜
合討論結果分析 ……………………………………77
4-3-2 N35H扇形磁塊動態模擬值綜合討論結果分析 …82
第五章 結論與未來展望 ……………………………………… 83
5-1 靜態模擬與實驗結論 …………………………………83
5-2 動態轉動模擬結果 …………………………………84
5-3 未來展望 …………………………………………… 85
參考文獻 ………………………………………………………………87
附錄Ⅰ 公式(8)磁力係數由來……………………………………89
附錄Ⅱ N35H磁滯曲線圖 ………………………………………… 91
附錄Ⅲ 釹鐵硼規格表 ………………………………………………92
附錄Ⅳ 磁浮載盤嵌合及組裝情形 …………………………………93
附錄Ⅴ 動態模擬所有間距及轉速詳細磁析力數據表 ……………95
間距長度5.4cm下各轉速磁析數據………………………………95
間距長度2.9cm下各轉速磁析數據………………………………98
間距長度1.95cm下各轉速磁析數據……………………………100
間距長度1.35cm下各轉速磁析數據……………………………105
間距長度0.85cm下各轉速磁析數據……………………………109
間距長度0.5cm下各轉速磁析數據 ……………………………112


圖目錄
圖1-1 完整實驗流程圖…………………………………………………8
圖2-1 燒結釹鐵硼過程 ………………………………………………14
圖2-2 粘結釹鐵硼過程 ………………………………………………14
圖2-3 磁力軸承簡略構造 ……………………………………………15
圖2-4 主動磁力軸承系統圖(參考文獻14)…………………………16
圖2-5 被動永磁結構類型(參考文獻8)………………………………17
圖2-6 混合式軸承原理圖(參考文獻9)………………………………18
圖2-7 磁力驅動器結構示意圖(參考文獻10) ………………………20
圖2-8 (a) 間隙分散式磁力驅動器永磁排列方式(參考文獻10)…22
圖2-8 (b) 組合推拉式磁力驅動器永磁排列方式(參考文獻10)…22
圖2-9 磁力驅動攪拌器(參考文獻17)………………………………23
圖2-10 (a)簡易懸磁浮等角示意圖…………………………………24
圖2-10 (b)簡易懸磁浮截面示意圖 ………………………………24
圖2-11 德制TR07截面構造及軌道示意圖(參考文獻16)…………25
圖2-12 日制MLU002磁浮列車截面構造圖(參考文獻16)………26
圖2-13 複合磁鐵構造及吸力曲線圖(參考文獻8)…………………27
圖2-14 磁浮抗震裝置(參考文獻8)…………………………………28
圖2-15 永磁同步電機簡易圖(參考文獻20)…………………………29
圖2-16 永磁直流無刷電機簡易圖(參考文獻20)…………………30
圖3-1 永久磁鐵磁滯曲線完整圖(參考文獻21) …………………31
圖3-2 磁場迴路(參考文獻14)……………………………………32
圖3-3 永磁體吸引或排斥示意圖……………………………………34
圖3-4 3D模組轉檔步驟 ……………………………………………37
圖3-5-1 選取檔案 …………………………………………………38
圖3-5-2 匯入圖檔 …………………………………………………38
圖3-6 求解種類 ……………………………………………… 38
圖3-7-1 N35H B-H 特性曲線設定 ……………………………… 39
圖3-7-2 設定材料方向及屬性 …………………………………… 40
圖3-8-1 求解範圍 ………………………………………………… 41
圖3-8-2 求解力示意圖 …………………………………………… 41
圖3-9-1 求解項目設定 …………………………………………… 42
圖3-9-2 磁場分佈設定 …………………………………………… 43
圖3-10-1 調整網格粗細 ………………………………………… 44
圖3-10-2 步驟查核無誤 ………………………………………… 45
圖3-11-1 旋轉區域起點及終點 ………………………………… 46
圖3-11-2 旋轉區域繪製完成圖 ………………………………… 46
圖3-12-1 旋轉種類設定 ………………………………………… 47
圖3-12-2 起始位置設定 ………………………………………… 48
圖3-12-3 轉速設定 ……………………………………………… 48
圖3-13 求解時間設定 …………………………………………… 49
圖3-14-1 上載盤實體圖 ………………………………………… 50
圖3-14-2 上載盤工程視圖 ……………………………………… 51
圖3-14-3 下載盤實體圖 ………………………………………… 51
圖3-14-4 下載盤工程視圖 ……………………………………… 52
圖3-14-5 扇形磁塊 ……………………………………………… 53
圖3-14-6 扇形磁塊工程視圖 …………………………………… 53
圖3-14-7 磁浮抗重組空載機構外觀 …………………………… 54
圖3-15-1 磁塊無轉位角 ………………………………………… 55
圖3-15-2 磁塊有轉位角 ………………………………………… 56
圖3-16-1 抗重盤載重之情形 …………………………………… 57
圖3-16-2 量測間距之情形 ……………………………………… 57
圖4-1 N35H扇形磁塊理論抗重計算曲線 ……………………… 60
圖4-2 矩形磁塊磁滯磁析圖 …………………………………… 61
圖4-3 扇形磁塊磁滯磁析圖 ………………………………………61
圖4-4 N35H扇形磁塊無轉位角抗重模擬曲線圖 ……………… 62
圖4-5 N35H扇形磁塊有轉位角抗重模擬曲線圖 ……………… 63
圖4-6 指針式磅秤及載重鋼板 ……………………………………64
圖4-7 N35H扇形磁塊抗重與間距實驗關係曲線…………………65
圖4-8 N35H扇形磁塊間距5.4cm各轉速比較曲線圖 ………… 66
圖4-9 N35H扇形磁塊間距2.9cm各轉速比較曲線圖 ………… 67
圖4-10 N35H扇形磁塊間距1.95cm各轉速比較曲線圖 …………68
圖4-11 N35H扇形磁塊間距1.35cm各轉速比較曲線圖 …………69
圖4-12 N35H扇形磁塊間距0.85cm各轉速比較曲線圖 …………70
圖4-13 N35H扇形磁塊間距0.5cm各轉速比較曲線圖 ………… 71
圖4-14 N35H扇形磁塊50rpm各間距比較曲線圖 ……………… 73
圖4-15 N35H扇形磁塊60rpm各間距比較曲線圖 ……………… 73
圖4-16 N35H扇形磁塊70rpm各間距比較曲線圖 ……………… 74
圖4-17 N35H扇形磁塊80rpm各間距比較曲線圖 ……………… 74
圖4-18 N35H扇形磁塊90rpm各間距比較曲線圖 ……………… 75
圖4-19 N35H扇形磁塊100rpm各間距比較曲線圖 ……………… 75
圖4-20 N35H扇形磁塊110rpm各間距比較曲線圖 ………………76
圖4-21 N35H扇形磁塊120rpm各間距比較曲線圖 ………………76
圖4-22 靜態理論值與實驗值比較曲線 ……………………………78
圖4-23 靜態模擬值比較曲線 ………………………………………79
圖4-24 靜態模擬值與實驗值比較曲線 ……………………………81
圖4-25 靜態綜合比較曲線 …………………………………………81



表目錄
表4-1 N35H扇形磁塊理論抗重值 ……………………………… 59
表4-2 N35H扇形磁塊模擬無轉位角抗重值 …………………… 62
表4-3 N35H扇形磁塊模擬有轉位角抗重值 …………………… 63
表4-4 抗重與間距載重實驗記錄表 ………………………………65
表4-5 間距5.4cm下各轉速震幅值 ………………………………67
表4-6 間距2.9cm下各轉速震幅值 ………………………………68
表4-7 間距1.95cm下各轉速震幅值 …………………………… 69
表4-8 間距1.35cm下各轉速震幅值 …………………………… 70
表4-9 間距0.85cm下各轉速震幅值 …………………………… 71
表4-10 間距0.5cm下各轉速震幅值 ………………………………72
表4-11 靜態理論值與實驗值關係誤差比較 ………………………77
表4-12 靜態模擬值關係誤差比較 …………………………………78
表4-13 靜態模擬值與實驗值關係誤差比較 ………………………80







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