設計評估與實體設計

良好磁迴路的設計原則為減少磁漏發生和降低磁迴路中的磁阻。磁漏通常 發生在磁迴路截面變化過大以及空氣間隙過大的位置，磁力線將會流出預先規劃 的磁迴路路徑，致使磁能無法有效充分提供給所需工作處所。降低磁阻則要靠選 用高導磁係數的導磁材料和限制空氣間隙。

根據Lord 公司提供的磁黏滯液體之磁通密度與磁場關係曲線圖（附錄 A），

可以得知磁黏滯液體只有較小的導磁性。因此磁黏滯致動單元和空氣間隙在磁迴 路所佔空間比例會影響磁迴路之導磁效果。

從磁黏滯致動單元與磁迴路的關係來看，表3.1(2)、(3)和(4)的磁黏滯液管 則佔整體磁迴路較大比例，所以磁通量會損失較多。以圖3.7 的同心圓式磁迴路 為例，磁力線從中心磁極發出導入磁黏滯液管中，最後再經由徑向配置的導磁元 件回流電磁線圈底部。就磁迴路的設計而言，元件相接處過多也會產生或多或少 的磁阻和磁漏。，所以也必須考量磁迴路元件以及接觸面數量。

導磁棒

磁黏滯液管

導磁片

電磁鐵

磁力線流向 導磁栓塞

以表3.1(6)的設計方案而言，磁力線從中心磁極流出，經過空氣間隙後被磁

矽鋼1 4Si、96Fe - 7,000 0.6 19,700 矽鋼2 3Si、97Fe - 10,000 0.2 20,000 玻莫合金1 45Ni、54Fe 27,000 25,000 0.3 16,000 玻莫合金2 79Ni、4Mo、16Fe 20,000 80,000 0.05 8,700

高導磁合金

75Ni、2Cr、5Cu、

18Fe 20,000 110,000 0.03 7,200 超導磁合金 79Ni、5Mo、15Fe 100,000 800,000 0.004 8,000

美國Lord 公司的兩種磁黏滯液體 MRF-122-2ED 和 MRF140CG，其材料性 質如附錄A 所示。MRF-122-2ED 的磁粉含量最少，所以密度最低，流動性也最 高，但是相對導磁性也最小。MRF-140CG 的黏度最高，導磁性最好，對磁場反 應較敏感；但因為高黏度性質也較不易變形或變形緩慢。磁黏滯液體中的承載液 必須注意其揮發性質，必須防止揮發而改變液體性質。圖 3.9 為 MRF-122-2ED 降伏剪應力對磁場強度的關係圖，顯示磁黏滯液體的降伏剪應力在低磁場時呈線 性上升，高磁場時則達飽和。在減震和制動裝置上磁黏滯液體多操作在低磁場範 圍的線性區域。而磁黏滯致動器必須操作在高磁場範圍，磁引力必須大於磁黏滯 液體的降伏剪應力，才能讓磁黏滯液體產生變形位移。

圖 3.10(a)展示了液囊式磁黏滯線性致動器之架構，永久磁石提供預磁吸 力，使磁黏滯液體能保持住基本狀態且提高磁黏滯液體的降伏剪應力至高磁場區 段。驅動電磁鐵所產生的磁場和永久磁石之磁場相互增減作用，進而使磁黏滯液 體有較大的磁場強度變化，有助於提升致動器的位移和出力。磁黏滯液囊的結構 如圖 3.10(b)，磁黏滯液體置於鋁皿中，上方附上撓性塑膠片，提供變形空間之 外還用以避免液體外漏。致動器之外觀如圖 3.10(c)所示，由於致動器和電磁鐵 分別設計成模組化架構，因此加上最外圍的鋁套筒提供保護和固定的功能。

(a) 致動器之架構

導磁上蓋 浮動平台

鋁製底座 磁黏滯液體

M3 內六角螺栓

永久磁石 導磁片

電磁線圈

中心磁極

外圍磁極

(b) 磁黏滯液囊

(c) 致動器之外觀

圖3.10 液囊式磁黏滯線性致動器之架構

圖3.11 和表 3.3 為常用永久磁石之特性一覽表。銣鐵硼磁石 NdFeB 具有最 大的體積磁能乘積(BH)max=320kJ/m³，單位體機能提供最大磁能，同時抗磁場強 度也高達696kA/m，較不易被消磁。此外導磁係數 μs=1.05 很接近空氣的導磁係 數

μ

塑膠片

鋁製皿 磁黏滯液體

鋁製外殼

電磁鐵

圖3.11 各種永久磁石之

B

H

表3.3 常用永久磁石的特性[32]

Material Composition Remanenc Neodymium-

iron-boron

Nd2Fe14B 1.3 1120 320

致動器磁迴路構成如圖3.12 所示，磁力線磁迴路由中心磁極發出，經過空 氣間隙後，透過導磁上蓋導向外圍導磁套筒，再流回電磁鐵之底部。磁迴路在中 心磁極和導磁上蓋之間形成磁場工作區域，並通過磁黏滯液體，磁黏滯液體會隨 磁場強度產生軸向排列變形，進而轉變成所需位移和出力。

圖3.12 磁黏滯致動器之磁迴路示意圖

磁力線流向

電磁線圈

導磁套筒