第四章 實驗量測與結果討論
4.4 馬達定子結構二性能曲線量測結果
性能曲線僅量測定子結構二，因為定子結構一運轉不佳，施加少許 預壓力後便於法轉動，導致無法進行後續的量測作業。
4.4.1 馬達轉速量測結果
（1） 驅動頻率與轉速曲線
實際驅動馬達時，轉子的重量及預壓力都會造成定子的共振頻率偏 移，雷射都卜勒測振儀量測定子共振頻率時，不包含轉子及預壓力，故 量測到的結果會有不同。進行後續量測前需先量測馬達在給予不同操作 頻率時，所對應的最大轉速。實驗所使用的的函數產生器輸出最大交流
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電壓經放大後為 300Vp-p，故以 300Vp-p交流電壓進行馬達驅動頻率與轉速 曲線的量測。
在選取量測頻率範圍時，由於雷射都卜勒測振儀所量測出的結果顯 示縱向模態與扭轉模態兩共振頻率的頻率值相差甚遠，因此無法由雷射 督卜勒測振儀所得知之結果決定頻率之量測範圍。在此以函數產生器輸 出兩相位差為 90 度的弦波訊號以手動掃頻方式找尋適當的頻率範圍。
圖 4.10 所示為不同頻率驅動超音波馬達正反轉的轉速曲線，沒有施 予預壓力時，驅動頻率範圍為 18.3~19kHz。驅動頻率為 18.45（kHz）至 18.65（kHz）之間時，不鏽鋼轉子逆時針旋轉可達最大轉速 59（rpm）； 驅動頻率為 19.3（kHz）時，不鏽鋼轉子順時針旋轉可達最大轉速 48
（rpm）。
量測結果顯示超音波馬達的最大轉速發生在逆時針轉動時，故採用 逆時針轉動方式進行後續的實驗量測以保持馬達的最佳性能。另考慮馬 達順逆時針轉動性能的差值能夠縮小，選取 18.3（kHz）為後續測試的驅 動頻率。
（2） 驅動電壓與轉速曲線
由圖 4.11 可得馬達的驅動電壓與轉速曲線，未施加預壓力情況下，
驅動電壓達到 140Vp-p時，轉子開始轉動，馬達轉速隨著驅動電壓的增加 而上升並且在最大驅動電壓 300Vp-p作用下，馬達轉速可達 57（rpm）。給 予預壓力 2.94（N）情況下，驅動電壓達到 160Vp-p時，轉子才能開始轉 動，馬達轉速亦隨著驅動電壓的增加而上升，最大轉速 29（rpm）發生在 驅動電壓增加至為 300Vp-p時。由圖中亦可發現馬達轉速在同一驅動電壓 下會隨著預壓力增加而減小，乃因為馬達在運轉時，轉子與定子在預壓
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力不足情況下有間隙產生，導致定子三接觸點沒有同時接觸到轉子。
（3） 函數產生器輸出弦波訊號之相位差與轉速曲線
考慮方形壓電片位置對應接觸點為非對稱情況下，探討在無預應力 施加的情況下，不同頻率下不同相位差的弦波訊號對轉速的影響。如圖 4.12（a）至圖 4.12（f）所示，不同頻率、不同相位差所呈現的轉速皆不 同，於 18（kHz）至 19.5（kHz）頻率範圍內所得之最高轉速較其他頻率 範圍之轉速值高，與先前使用掃頻所找尋適當驅動頻率之結果相符。於 18.3（kHz）頻率下，兩訊號相位差為 100 度時之逆時針轉動的轉速較先 前 90 度相位差的轉速高，故後續實驗的兩訊號相位差更正為 100 度。
4.4.2 馬達扭矩量測結果
（1） 驅動電壓與扭矩曲線
本研究以圖 4.9 所示之實驗裝置進行馬達扭矩量測，將細銅線繞過轉 子上方銅圓柱體邊上的凹槽，銅線的一端懸掛 10（g）重的砝碼，使一固 定的拉力作用沿轉子切線方向作用，一端連接荷重元，量測施加不同的 預壓力下，驅動電壓與馬達扭矩的曲線。
定子結構二的量測結果如圖 4.13 所示，給予的預壓力分別為 0.98（N）、
1.96（N）、2.94（N），在同一預壓力下，馬達扭矩隨著驅動電壓的增加 而上升，在預壓力 0.98（N）作用下，馬達的啟動扭矩為 0.083（N-cm），
此時驅動電壓為 160Vp-p；當預壓力增至 2.94（N）時，馬達能提供的最 大扭矩 0.47（N-cm）。馬達輸出扭矩亦隨著預壓力的增加而上升，當驅動 電壓固定為 200Vp-p時，給予預應力 0.98（N），馬達扭矩可達 0.12（N-cm）；
給予預應力 1.96（N），馬達扭矩可達 0.16（N-cm）；給予預壓力 2.94（N），
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馬達扭矩可達 0.28（N-cm）。
4.4.3 扭矩與轉速性能曲線
扭矩與轉速的曲線可作為超音波馬達的性能指標，本研究所使用之 實驗儀器所能輸出最大驅動電壓為 300Vp-p，因此量測扭矩與轉速性能曲 線時固定驅動電壓為 300Vp-p。藉由改變配掛在扭矩量測裝置的銅絲上砝 碼的重量，量取給予不同預壓力時，馬達的扭矩與轉速性能曲線關係。
定子結構二的馬達扭矩與轉速曲線如圖 4.14 所示，分別給予預壓力 0.98（N）、1.96（N）、2.94（N）。隨著砝碼配重的增加，馬達轉速下降 同時馬達扭矩增加，馬達轉速與馬達扭矩呈現一反比關係。給予預壓力 0.98（N），轉子在未施加負載扭矩時的轉速可達 46（rpm），隨著砝碼配 重增加，馬達轉速降為 8（rpm）時，此時馬達輸出的扭矩為 1.23（N-cm）。
馬達在預壓力增加的情況下逐漸呈現低轉速高扭矩的特徵，給予預壓力 為 2.94（N）時，轉子在未施加負載扭矩時的轉速可達 31（rpm），隨著 砝碼配重增加，馬達轉速降為 7（rpm），此時馬達的扭矩為 2.91（N-cm）。
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