一、 緒論與文獻回顧
1.2 文獻回顧
1.2.2 電動輪椅與電動代步車測試
耐久測試(Two Drum Test，如圖 3)［3］，為測試車輛行駛長時間、長距離 而設計的機台。可以模擬車輛行駛於光滑平坦、崎嶇不平的道路、陡坡或長陡坡 的路況。耐久測試最主要是驗證，機械結構(把手、車架、座椅架、轉向系統、
變速箱)及電氣元件(控制器、配線、馬達、電動缸、燈具)或這兩大類之間的交 互影響。
耐久測試(Two Drum Test)依循的國際規範如表 1 所示：
表 1 耐久測試(Two Drum Test)的國際規範
項次 耐久測試(Two Drum Test)依循的國際規範 1 ISO 7176-8 Sec.10.4
2 DIN ISO 7176-8 Sec.10.4 3 AS3696.8 Sec.10.4
4 EN12184 Sec.8 5 BS12184 Sec.8 6 ANSI WC Vol1 Sec.8
耐久測試(Two Drum Test)的測試條件：
(1.) 測試機滾輪的速度為 1±0.1r/s。
(2.) 測試機滾輪的總轉數 200,000 轉，若製造者要求大於 200,000 轉，則 依製造者要求測試之。
(3.) 滾輪上裝置跳塊。
(4.) 裝置適當的假人(dummy)。
耐久測試(Two Drum Test)的判定標準：
(2.) 所有的螺絲、螺帽、螺栓、固定銷或調整零件等，不得有分離或鬆動 的情況發生。
(3.) 不得有電氣接頭鬆脫或失效。
(4.) 所有功能均能依製造者所述正常操作。
(5.) 所有電力操控系統均能正常操作。
(6.) 不得有零組件產生變形、自由作動或喪失調整功能。
圖 3 耐久測試(Two Drum Test)的裝設簡圖
註：TBIRDC：台灣財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心 基本原理是由機台提供一個抗扭矩，抗扭矩（0~1100 kg-cm）通常以電磁煞 車為主，另以測試假人的重量(100~250 kg)為輔，如圖 3 所示。由車輛的驅動輪 帶動耐久測試機的滾輪，此滾輪的軸端即連接電磁煞車，此電磁煞車的抗扭矩可 由測試人員透過耐久測試機電腦輸入。
如何得知我們設定的抗扭矩值是否正確?一般車輛在上耐久測試(Two Drum Test)之前，都會先實施道路實測。例如先測試車輛載重 115 kg 重的人，行駛於 0 度坡(平地)，以電錶量測馬達電流為 12A(安培)；行駛於 8 度坡(斜坡)，以電 錶量測馬達電流為 30A(安培)。我們即以 0°坡 12A(安培)/ 8°坡 30A(安培)，為 設定耐久測試的抗扭矩值標準。
耐久測試機台電腦內含套裝軟體，可以設定、讀取與記錄測試資料，包括車 輛速度、車輪轉速、馬達輸出功率、效率、電流、電壓及扭矩等資料。耐久測試 (Two Drum Test)機台的結構如圖 4 所示，耐久測試(Two Drum Test)機台實際測 試的情況如圖 5 所示。
8M 馬達
機台電磁煞車 機台滾輪
代步車後輪
耐久測試機台
代步車 耐久測試機電腦
26:1 變速箱 測試假人
圖 4 耐久測試(Two Drum Test)機台的結構
圖 5 耐久測試(Two Drum Test)機台實際測試的情況
墜落測試(Drop Test)［4］，為測試車輛承受，由一定高度且連續墜落到地 面而設計的機台。墜落測試(Drop Test)最主要是驗證，機械結構(把手、車架、
座椅架、轉向系統、變速箱)的可靠度。例如，鋁輪圈強度、傳動軸的剛性、碳 鋼車架的焊接強度及整體結構強度的配置。
墜落測試(Drop Test)依循的國際規範如表 2 所示：
表 2 墜落測試(Drop Test)的國際規範
項次 墜落測試(Drop Test)依循的國際規範 1 ISO 7176-8 Sec.10.5
2 DIN ISO 7176-8 Sec.10.5 3 AS3696.8 Sec.10.5
4 EN12184 Sec.8 5 BS12184 Sec.8 6 ANSI WC Vol1 Sec.8
墜落測試(Drop Test)的測試條件：
(1.) 將被測車輛舉高 50±5mm，呈水平與靜止後落下。
(2.) 測試期間，被測車輛的車輪需要轉動，避免每次受力點都相同。
(3.) 總共摔落 6666 次，若製造者要求大於 6666 次，則依製造者要求測試 之。
(4.) 裝置適當的假人(dummy)。
墜落測試(Drop Test)的判定標準：
(1.) 零件不得有任何可見之裂痕或破裂產生。
(2.) 所有的螺絲、螺帽、螺栓、固定銷或調整零件等，不得有分離或鬆動 的情況發生。
(3.) 不得有電氣接頭鬆脫或失效。
(4.) 所有功能均能依製造者所述正常操作。
(5.) 所有電力操控系統均能正常操作。
(6.) 不得有零組件產生變形、自由作動或喪失調整功能。
墜落測試(Drop Test)機台的結構如圖 6 所示，墜落測試(Drop Test)機台實 際測試的情況如圖 7 所示。
代步車後 輪(自由) 代步車
記數器
26:1 變速箱 測試假人
8M 馬達 舉升用的油壓缸
墜落測試 機台 連接用的鏈條
代步車 前輪(自由)
圖 6 墜落測試(Drop Test)機台的結構
圖 7 墜落測試(Drop Test)機台實際測試的情況
第二章 基礎理論
2.1 田口實驗設計法
隨著科技的發展，對產品性能的要求越來越高，如何尋求高品質及快速的生 產技術，以符合最佳設計與經濟效益。因此，各種新技術陸續被開發，其中一種
「製程設計最佳化技術」亦即穩健設計的品質工程(Quality Engineering of Robust Design)是一種以源頭製程為導向的工程與管理方式的設計技術，在工業 先進國家許多產業之產品設計與研發上，一直擔任重要角色。田口實驗法由田口 玄一(Genichi Taguchi)所提倡，其基本方法是實驗設計(Experimental
Design)，屬於統計的應用，結合統計與工程而成為一種工程分析工具，應用於 工程或設計能力的提昇。因此，能花費極少成本而達到改善產品的品質技術。
「製程設計最佳化技術」利用直交表，以少數實驗來研究眾多的決策變數，
同時以信號雜訊比(Signal-To-Noise Ratio，S/N Ratio)為一品質指標，來預測 產品品質性能和成本，符合經濟效益並能兼顧製造者與消費者雙方權益。
「製程設計最佳化技術」或稱「田口實驗設計法」的中心目標是應用統計方法與 工程技術，探討影響製程應變數的關鍵變數(因子)及其水準。以最少的實驗次 數，兼具整個實驗的代表性，可決定製程的最佳組合因子與水準。
另外，也提出直交表與點線圖，來設計有效率的實驗設計和分析；回應表與 回應圖則顯示各因素的效果強弱，來決定最佳製造組合的因素與水準。穩健性 (Robustness)則強調回應圖，降低外在干擾因素對產品製程應變數的影響至最 低。
2.2 電動機基本原理
直流馬達(direct current, DC motor)可說是最早發明，能將電力轉換為機 械功率的電動機，它可追溯到 Michael Faraday 所發明的碟型馬達。法拉第 (Faraday)的原始設計其後經由迅速的改良，到了 1880 年代已成為主要的電力機 械能轉換裝置，但之後由於交流電的發展，而發明了感應馬達與同步馬達，直流
如果扭矩固定不變，則 。
圖 8 扭矩(torque)、功(work)與功率(power)
牛頓定律(Newton's Law)
表 3 牛頓定律
2.2.2 磁場之產生
在變壓器、馬達與發電機的運作過程中，能量常由一種型式轉換為另一種型 式，這種轉換過程的基本機制即在於電磁場(electro-mechanical field)。因此 要瞭解電動機的工作原理，即要明瞭磁場產生的方式，磁場的產生可歸納為下列 幾種方式：一根載有電流的導體會在其周圍將形成磁場，電場的變化在適當的情
況下將造成感應的磁場，反之亦然，因而在電磁的交互作用中達到能量轉換的目 的。一個變化的磁場在其切割的線圈上將產生感應電壓，這是變壓器的基本工作 原理。一根載有電流的導線如置於磁場中，則將感應一力施於其上，這是馬達運 轉的基本原理。一根在磁場中移動的導線則將在導線上產生感應電壓，這是發電 機運轉的基本原理。因此藉由電場與磁場的交互作用，電能與機械能可以互相轉 換，以下將說明其相關的物理定律。
圖 9 一個線圈環繞的鐵心 2.2.3 安培定律
(4) 載有電流的導線會在其周圍形成磁場，其關係即為(4)所示的安培定律，其 中 H 為由淨電流Inet所造成的磁場強度(magneticfieldintensity)，單位為 ampere-turns/meter。我們可以圖 9 一個繞有線圈的方形鐵心為例來說明安培定 律，此鐵心由導磁性材料(ferromagnetic material)所構成，假設線圈電流所造 成的磁場(磁力線)均留在鐵心之內，則安培定律內之路徑迴旋積分即為環狀鐵心 的平均長度Ic，通過磁場積分迴路之淨電流Inet為N ·i，則由安培定律可知 (5)
其中H為磁場強度向量H的大小，由此可計算出H為
(6) 由上式可知，磁場強度與線圈電流與圈數成正比，但與磁路的長度成反比，
因此鐵心愈大，其平均磁路長度愈大，則磁場強度就愈小。磁場強度H可視為造 成磁場的原動力，在鐵心內磁力線的多寡也就是磁通量(magnetic field flux)，
則與鐵心的材料有關，磁通量的大小可以磁通密度B(magnetic flux density) 表示，其與磁場強度之關係為
(7) 其中 H ＝ 磁場強度(magnetic field intensity) (Ampere-turns/meter)
B ＝ 磁通密度(magnetic flux density) (Webers/m2, tesla)
μ＝ 導磁率(magnetic permeability of material) (Henrys/meter) 稱之為導磁性材料的導磁率(permeability)。真空的導磁率定義為μo其值為
(8) 其他的物質相對於真空的導磁率稱之為相對導磁率(relative permeability)定 義為
(9)
相對導磁率，可用來評估一種導磁材料其磁化容易的成度，例如鋼(steel) 常用於馬達的製造，其相對導磁率約介於 2000～6000 之間，這表示同樣的電流，
如果採用矽鋼片作為鐵心，則較空心的線圈能產 2000～6000 倍的磁通量，空氣 的導磁率與真空幾乎是相同的。由此可知在變壓器或馬達鐵心的材料，對其特性 扮演了關鍵性的角色。
由於鐵心的導磁率相當高，因此在圖 9 中的磁力線絕大部份均在鐵心之內，
祗有極小部份的漏磁通(leakage flux)流失於週圍的空氣中。這一小部份的漏磁 通在決定變壓器與馬達的磁通交鏈(flux linkage)與自電感(self inductance) 時卻是非常重要的。
如圖 9 所示之鐵心，其內部之磁通密度B為
(10) 在一指定面積內的磁通量則可計算為
(11)
其中 為單位面積微分量，如果磁通密度向量B與平面A垂直，且流過此平面 的磁通密度是均勻的，則上式可簡化為
由此可知在圖 9 中，鐵心的總磁通量為
(12) 其中A為鐵心的截面積。
2.2.4 磁電路(Magnetic Circuit)
在電路中由電動勢(electro motive force, emf)在一環形電路中經由電阻 形成電流，由歐姆定律可知
(13) 同理，為了便於分析，也可定義磁動勢(magneto motive force, mmf)
(14) 在環形磁路中經由磁阻(magnetic reluctance)形成磁通(flux)，其關係為
(15) 等效電路如圖 10(b)所示，磁動勢的極性可由右手定則決定如圖 11 所示。在磁 路中的磁阻其特性就有如電路中的電阻。由(13)與(15)可知：
(16)
圖 10 (a)電路(electric circuit) (b)磁路(magnetic circuit)
圖 11 決定磁動勢(mmf)在磁路中之極性
圖 12 直流馬達的分解圖
圖 13 直流馬達的基本工作原理
直流馬達的分解圖如圖 12 所示，直流馬達的基本工作原理說明如圖 13 ， 圖 13 (a)直流馬達的剖面圖，包含定子磁鐵、轉子線圈、換向器(commutator) 與碳刷(carbon brush)，圖 13 (b)氣隙磁通(air-gap flux)密度的圓周空間分 佈圖，圖 13(c)碳刷間之電壓
圖 14 實際量測得到的直流馬達氣隙磁密度分佈圖
圖 15 永磁式直流馬達的扭矩轉速曲線
圖 16 並激式與永磁式直流馬達的比較
圖 17 磁場線圈不同繞線式直流馬達扭矩轉速曲線的比較
2.2.5 扭矩方程式
亦須提供增加速度所需之動能。在減速時，動態扭矩 Jdωm /dt會變號，因此會 協助馬達扭矩T，在減速運動中抽出儲存於動能中之能量，這部份的能量如能妥
亦須提供增加速度所需之動能。在減速時，動態扭矩 Jdωm /dt會變號，因此會 協助馬達扭矩T，在減速運動中抽出儲存於動能中之能量，這部份的能量如能妥