兩塊磁鐵並排

本章將針對磁力煞車系統設計基本架構、系統的整體機構及實驗結果 [41]加以介紹。

3.1 設計基本架構

實驗設計的目標有二：一、一物體，重量分別為 55 公斤~65 公斤，自 1.8 公尺高自由落下，在前 1.7 公尺，也就是磁力煞車區，藉由磁力煞車 系統來調整下降速度的大小，由於用磁阻力無法將物體完全停止，因此，

在最後 0.1 公尺，利用彈簧來減緩物體的速度，使其最後的速度為零。二、

磁力煞車系統來調整下降速度的大小—在此部分使用 air gap(永久磁鐵與 合金導板之間隙)，分別為 1mm、2mm、3mm、4mm、6mm、8mm、10mm、15mm、

20mm 共 9 個距離來調整。圖 3-1 為系統的基本設計架構。

1.7公尺 1.7公尺

磁 力 煞 車 區 磁 力 煞 車 區

緩衝 緩衝區 區 0..1公尺

mass

圖 3-1 系統的基本設計架構

3.2 系統介紹

圖 3-2 為 磁 力 煞 車 系 統 的 機 構 示 意 簡 圖。 整個系統外部結構是 由鐵所構成，而合金煞車板是固定在兩側的鐵樑上，而滑軌為四根磨光圓 棒所構成。系統是藉由裝有永久磁鐵的 U 形鋼座滑過合金煞車板時，在合 金煞車板上會產生渦電流進而產生磁阻力，以達到煞車的作用。

基本上整個系統可以分為三個機構來討論：磁力煞車機構、吊掛機 構、減震機構。下面僅對此三部分作概要性的介紹。詳細實驗架構、尺寸 請參考[41]。

y

x

外部結構 合金導板

3-2 磁 力 煞 車 系 統 的 機 構 示 意 簡 圖 [41]

個 部

可 以 筆 直 下

降 座 的 是 可 用 來 載 運 物 體 的 地 方，在 左 右 兩 側 有 兩 個 U 形 鋼 座

時， 左 右 二 邊

圖 3-3 磁鐵設計原型圖

分 ： 四 根 磨 光 圓 棒 軌 道 、 昇 降 座 與 銅 合 金 煞 車 版 。 軌 道 是 由 磨 光 圓 棒 所 建 構 的，主 要 是 用 來 提 供 昇 降 座

滑 的 路 徑，並 且 軌 道 兩 側 因 為 鑲 有 合 金 導 板 來 做 為 導 體，所 以 可 以 產 生 渦 電 流 進 而 產 生 磁 阻 力 而 使 得 昇 降 座 減 緩 下 降 的 速 度 。

昇

，每 個 鋼 座 內 側 兩 面 共 有 4 塊 6 × 8 × 2 公 分 的 永 久 磁 鐵 ， 左 右 兩 邊 鋼 座 總 計 使 用 8 塊 永 久 磁 鐵 ， 原 本 的 設 計 原 型 如 圖 3-3 所 示 ， 但 是 由 於 同 極 相 斥 的 原 理 ， 磁 鐵 無 法 緊 密 的 並 排 在 一 起 ， 所 以 在 設 計 上 磁 鐵 間 會 有 10mm 的 間 距 ， 如 圖 3-4。

當 昇 降 座 沿 著 四 個 磨 光 圓 棒 軌 道 以 自 由 落 體 往 下 落

U 形 鋼 座 會 通 過 二 片 銅 片，進 而 產 生 磁 阻 力，而 使 速 度 減 慢。

80mm 120mm

兩塊磁鐵並排

130mm

80mm

兩塊磁鐵分離 10mm

圖 3-4 磁鐵設計更改圖

其 次 介 紹 吊 掛 機 構 ， 在 系 統 的 上 方 設 有 起 重 機 ， 在 起 重 機 上 吊 掛

機 構 ，由 前 一 章 知 道，永 久 磁 鐵 無 法 將 整 個 昇 降 座 煞 住

3.3 實驗結果

構量測出速 度 的 結果，合金導板的材質為銅時，在永久 磁鐵

電 磁 鐵，可 用 來 吸 住 昇 降 座 使 之 上 升 至 塔 頂，而 電 磁 鐵 附 有 操 作 開 關 ， 而 實 驗 開 始 時 ， 操 作 開 關 調 至 ON 即 吸 住 昇 降 座 ， 反 之 調 至 OFF 即 釋 放 昇 降 座 ， 使 整 個 昇 降 座 成 自 由 落 體 落 下 以 達 實 驗 需 求 。

至 於 減 震

，昇 降 座 會 以 一 終 端 速 度 下 降，因 此 需 使 用 一 減 震 機 構 來 煞 住 物 體 以 及 減 低 震 盪。實 驗 使 用 四 個 彈 簧 來 作 為 減 震 器，以 減 緩 昇 降 座 的 速 度 且 能 吸 收 震 動 ， 使 其 最 終 速 度 減 為 零 。

我們由量測機

與合金導板之間隙(air gap)的部分有 1mm、2mm、3mm、4 mm、6mm、

8mm、10mm、15mm、20mm，其中每個 air gap 又分別從 55kg 到 65kg 於予 實驗，數據列表如表 3-1 及表 3-2[41]；合金導板的材質為鋁時，在永久 磁鐵與合金導板之間隙(air gap)的部分同上，其中每個 air gap 僅對 55kg 重於予實驗，數據列表如表 3-3 及表 3-4[41]。

表 3-1 air gap 距 離 為 1mm~4mm 之 速 度 (合金導板為銅)[41]

Load

Air gap

1mm 2mm 3mm 4mm

55kg 0.251 0.271 0.305 0.321 56kg 0.256 0.277 0.318 0.337 57kg 0.266 0.286 0.329 0.353 58kg 0.270 0.291 0.339 0.356 59kg 0.277 0.301 0.347 0.370 60kg 0.284 0.310 0.351 0.371 61kg 0.290 0.314 0.358 0.373 62kg 0.306 0.326 0.367 0.392 63kg 0.306 0.333 0.371 0.399 64kg 0.315 0.342 0.387 0.405 65kg 0.323 0.353 0.395 0.422

表 3-2 air gap 距 離 為 6mm、 8mm、 10mm、 15mm、 20mm 之 速 度 (合 金導板為銅)[41]

A Load

8mm 10mm 15mm 20mm

6mm

55kg 0.398 0.469 0.607 0.864 1.189 56kg 0.432 0.496 0.621 0.901 1.242 57kg 0.437 0.522 0.639 0.919 1.293 58kg 0.445 0.542 0.641 0.938 1.332 59kg 0.472 0.559 0.677 0.992 1.351 60kg 0.478 0.565 0.679 0.997 1.362 61kg 0.497 0.573 0.703 0.998 1.368 62kg 0.5 0.597 0.742 1.031 1.375 63kg 0.505 0.611 0.754 1.051 1.445 64kg 0.528 0.615 0.772 1.069 1.455 65kg 0.543 0.653 0.793 1.124 1.463

表 3-3 air gap 距 離 為 1mm~4mm 之 速 度 (合金導板為鋁)[41]

Air gap Load

1mm 2mm 3mm 4mm

表 3-4 air gap 距 離 為 6mm、 8mm、 10mm、 15mm、 20mm 之 速 度 (合金導板為鋁)[41]

Air gap Load

6mm 8mm 10mm 15mm 20mm

55kg 0.398 .469 0.607 0.864 1.189 0

表 3-1~表 m/se

表 3-1 及 3-2 可 得 知，在 載 重 方 面，在 昇 降 座 上 不 斷 增 加 載 重 ， 下 降 速 度 也 越 快 ； 在 下 降 速 度 (velocity) 方 面 ， 擷 取 為 1mm、 4mm、 6mm、 15mm 的 velocity– time， 針 對 合 金 導 板 分 別 為 銅 及 鋁 時，繪 製 成 圖 (如 圖 3-5、圖 3-6 及 圖 3-7)來 作 分 析 比 較 。

首 先 合 金 導 板 為 銅 ： 當 air gap 為 1mm 時 ， 速 度 約 為 0.3m/sec， 而 時 間 耗 時 約 7sec； air gap 為 ４ mm 時 ， 速 度 約 為 0.4m/sec， 而 時 間 耗 時 約 5sec ； air gap 為 6mm 時 ， 速 度 約 為 0.5m/sec， 而 時 間 耗 時 約 4sec； air gap 為 15mm 時 ， 速 度 約 為 0.9m/sec， 而 時 間 僅 耗 時 約 2.5 sec， 比 air gap 為 1mm 時 ， 不 論 在 速 度 上 快 3 倍 ， 且 在 時 間 上 也 省 近 3 倍 。

接 著 ， 合 金 導 板 為 鋁 ： 當 air gap 為 1mm 時 ， 速 度 約 為 0.36m/sec， 而 時 間 耗 時 約 3sec； air gap 為 ４ mm 時 ， 速 度 約 為 0.53m/sec， 而 時 間 耗 時 約 1.5sec ； air gap 為 6mm 時 ， 速

3-4 之 數 據 皆 代 表 速 度 ， 其 單 位 皆 為 c

由

速 度 約 為 1.32m/sec， 而 時 間 僅 耗 時 約 0.3 sec， 與 air gap 為 1mm 比 較 ， 不 論 在 速 度 上 快 4 倍 ， 且 在 時 間 上 也 省 近 10 倍 。

再 比 較 兩 者 合 金 導 板，我 們 發 現 合 金 導 板 為 銅 時，其 所 產 生 的 速 度，比 合 金 導 板 為 鋁 時 來 的 慢；所 花 費 的 時 間 較 鋁 合 金 導 板 為 長 。 由 此 點 可 知 ， 銅 合 金 導 板 所 產 生 的 磁 阻 力 較 鋁 合 金 導 板 所 產 生 的 磁 阻 力 大 。 由 於 銅 合 金 導 板 的 導 電 率 量 測 值 為

⋅ m

×10 Ω 02 .

8

1

，鋁 合 金 導 板 的 導 電 率 量 測 值 為

⋅ m

×10 Ω 18 .

5

1

最 後 ， 由 此 實 驗 我 們 得 到 幾 個 結 論 ：

，

也 就 是 說 ， 導 電 率 較 大 者 ， 將 會 產 生 較 大 的 磁 阻 力 。

， 而 昇 降 座 下 降 速

2. 銅 合 金 導 板 所 產 生 的 磁 阻 力 較 鋁 合 金 導 板 來 的 大 。

， 1. air gap 越 大 ， 所 產 生 的 磁 阻 力 越 小

度 越 快 且 耗 時 也 越 短 ； 反 之 亦 然 。

3. 對 於 此 系 統 ， 可 先 限 制 載 重 的 重 量 ， 再 依 限 制 的 重 量 來 調 整 最 適 當 的 air gap 的 間 隙 ， 使 下 降 過 程 中 ， 其 速 度 既 能 符 合 人 體 所 能 負 荷 的 範 圍 ， 又 能 達 到 快 速 且 安 全 的 目 的 。

圖 3-5 4 種 air gap 之 速 度 與 時 間 的 關 係 圖 (合金導板為銅)

圖 3-6 4 種 air gap 之 速 度 與 時 間 的 關 係 圖 (合金導板為鋁)

圖 3-7 4 種 air gap 之 速 度 與 時 間 的 關 係 圖 (合金導板為銅及 鋁)

3.3.1 討論

在 velocity-time 圖 中 我 們 發 現，依 理 論 來 說，其 速 度 應 該 為 一 等 速 運 動，可 是 在 實 際 數 據 圖 中，卻 呈 現 震 盪，因 此 我 們 根 據 此 一 數 據 加 以 探 討 造 成 誤 差 的 因 素 有 下 列 四 點 ：

1. 磁 通 密 度：由 於 磁 鐵 是 安 裝 在 磁 鐵 固 定 座 中，但 是 磁 鐵 與 磁 鐵 間 有 10mm 的 空 隙 ， 在 計 算 總 磁 通 密 度 時 就 會 有 偏 差 。

2. 導 電 率：由 於 我 們 所 用 的 合 金 導 板 在 製 造 的 過 程 有 滾 鍘 過，造 成 材 質 內 部 的 改 變，因 此 其 材 料 的 導 電 率 會 受 影 響 。

3. 空 氣 間 隙 （ air gap）： 由 於 製 造 的 精 確 度 無 法 很 精 準 ， 所 以 磁 鐵 固 定 座 與 合 金 導 板 間 的 空 氣 間 隙 會 有 些 許 的 誤 差 。

4. 合 金 導 板 ： 合 金 導 板 全 長 約 2 m ， 因 U 型 鋼 座 上 兩 邊 的 磁 鐵 磁 力 很 強，容 易 造 成 合 金 導 板 有 挫 曲 的 現 象，故 將 合 金 導 板 分 割 為 二 段，因 此 使 用 二 片 導 板 固 定 會 有 所 誤 差 產 生 。