齒盤編碼器高速動態磁性模擬分析



計畫名稱

齒盤編碼器高速動態磁性模 擬分析

專案計畫

產學合作研究計畫

計畫期程

109/11/01~110/10/31

計畫經費

NT. 901,000

編碼器是一種機械運動傳感器,可解譯多種物理量信號,並將其轉換為電信號,以做為有關速度、方向、計數或定位之用。

此次計劃主軸有二,一為齒盤的模擬與分析;二為實際齒盤資料擷取與分析。

模擬部份主要參數有四,包含15種齒盤(5種齒數*3種模數)、轉速(1000~25000RPM)、與感測模組距離(0.1~0.3mm)及3種材料(NdFeB、SmCo、AlNiCo),透過電磁模擬軟體JMAG,模擬出最佳參數,配合公司的磁性編碼模組,採用德國imc FAMOUS資料擷取器進行數據的採樣及分析,針對波形的頻率、相位、振幅進行訊號補償與校正。另外,協助公司建立完整的模擬與量測數據資料庫,以利於公司後續磁環編碼器及磁性讀寫頭開發打下良好的基礎。

機構設計步驟

在新的機構設計,可分為以下六個步驟 :

  1. 資料檢索:參考論文、專利及市場上產品,選擇符合產品需求之結構。
  2. 機構設計:此計畫針對3種模數與5種齒數,共15種齒盤去做模擬與設計。
  3. CAD設計:針對15種齒盤,繪製2D/3D CAD圖。
  4. 模型建立:使用已設計完成之CAD圖,匯入至JMAG,再建立模擬所需之相關模型。
  5. 模擬與分析:針對15種齒盤及3種材料,做結構分析、磁性分析、材料分析及熱分析。
  6. 最佳化:設定模擬目標,調整參數及材料等相關數據,做最佳化模擬,另外可設定自動化模擬,節省模擬所需要之時間。

流程圖

模擬分析步驟

利用有限元素方法為其基本分析法,將幾何結構切割,切割率以切割百分比來設定表示,切割成元素後,在每一元素上用一低階多項式來近似其場解,然後利用便分法求解,計算出結點未知數,便可得到每一元素上的場解。以下針對模擬分析步驟說明 :

  1. 建立模型架構 : 建立齒盤編碼器相關物件模型,並針對不同的距離、轉速或磁鐵材料進行模擬。
  2. 訂定物質條件 : 輸入整體模型架構中,各個模型的材料性質。
  3. 選擇模型物件 : 選取模型物件,以建立一般磁力的大小及方向。
  4. 訂定需求標準 : 如執行結果的誤差率或執行次數等等。
  5. 執行結果 : 結果如果正確,進入後處理部分,分析結果,若結果有誤,則重新設定,直到正確為止。
  6. 分析結果 : 分析磁通密度大小及磁場分布情形。

一般齒盤與磁性感測讀取裝置距離(X軸距離),大約落在0.1~0.3mm,此距離愈近,磁通量密度愈高,輸出訊號也會更加穩定。若距離愈遠,則磁場強度愈弱,輸出訊號也就更加不穩定。但是在設計上,不可能將齒盤無限逼近磁性感測讀取裝置,因為製程精度與後續安裝等問題,故市售與磁性感測讀取裝置之距離,都會落在0.15mm以上,因此我們需要透過電磁模擬環境將感測距離最佳參數化。下圖為磁盤與磁性感測讀取裝置之磁通量密度模擬,我們可看到愈接近磁性感測讀取裝置(磁鐵),磁通量密度就愈大,也可透過截面圖看到磁場穿透之深度,藉由磁通密度之強弱與磁場能達到之深度來決定磁感應距離的準則,藉此調整類比感測訊號的靈敏度與線性度,進而達成電磁模組一體化。

磁通密度模擬結果

磁場向量模擬結果

輸出訊號模擬結果

地址

407224

台中市西屯區台灣大道四段1727號-電機工程學系

(東海大學-人文暨科技館)

電話

04-23590121 #33918

服務時段

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