永久磁石與閥門設計之研究 -...
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崑山科技大學 機械工程系
專題製作及報告
永久磁石與閥門設計之研究
指導教授:朱紹舒
製作學生:陳立昌、邱建中
班 級:四機四 C
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民國 94 年 5 月
學生專題電子檔基本之料表
專題學生姓名及學號:
陳立昌 4900H165
邱建中 4900H194
電子郵件信箱 主要聯絡信箱: agassimeme@ yahoo.com.tw
次要聯絡信箱: ricmeal@ yahoo.com.tw
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科系名稱: 機械工程系
學制: 四技日間部
學年度: 93 學年度
學期: 第二學期
專題名稱: 永久磁力閥原理
頁數: 15 頁
關鍵字(中): 電磁閥、線圈、永久磁鐵、電磁鐵
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前 言
現在有很多的產品都會使用到電磁閥,電磁閥在通電與不通電之
間決定閥門是否關閉或開啟,我們的研究是有關利用永久磁石之間的
作用與反作用力驅動磁石旋轉,以便設計或取代現有一般電磁閥門的
設計,改善其現有缺點。因此,我們必須先了解電磁閥的一些作動原
理與閥的設計結構及永久磁石在受到磁力線的作用時所產生的旋轉
和回復角度。
指導老師簽名:
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目 錄 前言
一、 研究成序
(一) 了解有關電磁閥的種類及作動原理
(二) 製作一個平台使用永久磁鐵去研究轉動的角度及距離
(三) 使用漆包線圈替代永久磁鐵
二、 成果
(一) 模擬電磁閥之實驗
(二) 實驗結論
三、 結論
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一、研究程序
(一) 了解有關電磁閥的種類及作動原理
利用電磁力驅動可動鐵心的制動器,稱為電磁鐵,有 AC 及 DC 兩種,在管路中用以調節液體或氣體流量之元件稱為閥,當閥加上電磁
鐵運用時即稱為電磁閥,當電子流流經一導體時,導體周圍會產生磁
場,電磁鐵即利用此原理來動作,(當電流流經線圈時,磁場吸引可動鐵心對外部作機械功),電磁閥是經由電磁石的吸引作用、進行本體開關的閥。係利用電磁石的閥,對電磁石通電而利用其激磁產生的
吸引力來開關閥體,以此進行配管內流體的送、停及轉換。由於因應
速度極快、適合於管路的急速開關或轉變方向之用。 電磁閥的種類有:
1. 依據轉換方向的分類: (1) 雙通電磁閥 (2) 三通電磁閥 (3) 四通電磁閥
2. 依據電磁石保護構造分類: (1) 一般型:其構造適合於屋內無爆炸性氣體、灰塵的場所使用。 (2) 屋外型:裝置於屋外、其構造能耐氣候變化及風雨。 (3) 防爆型:適於爆炸性氣體、灰塵場所使用。 (4) 其他:尚有適應各種使用環境的電磁石,如防水形、熱帶處
理形等。
閥的種類特性及其選用:閥用於管路系統中,處理流體之控制裝置,
選擇閥的第一步驟是必須瞭解各類閥之功能及我們所希冀的閥,在裝
妥之後能完成們所託付的任務與功效。
3. 閥之分類 (1) 閥依其功能,分類如下:
A. 開關閥類—閘閥、塞閥、球閥。 B. 節流閥類—球型閥、針閥、角閥、蝶型閥、隔膜閥。 C. 擺動、升降及雙片式逆門閥、底閥。 D. 壓力控制閥類—減壓閥、釋壓閥、安全閥。 E. 特殊閥類—取樣閥、流量控制閥、排放閥。
(2) 依材質分類:
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A. 非金屬閥類—PVC、塑膠(鋼)、特氟龍。 B. 金屬閥類—鐵、鋼、不銹鋼、合金鋼.、鋁、銅
(3) 依製程方式分類: A. 鑄造閥類—砂模、殼模、脫臘模、壓鑄..等造模法,生
產之閥類件。 B. 鍛造閥類—由模鍛或自由鍛或丸(方)材直接加工,生
產之閥類件。 C. 焊接製造閥類—體、蓋分別由若干部份組合焊接製造而
成,此類閥必須注意焊接程序規範及其鑑定(WPS 與PQR)。
D. 射出成型閥類—-一般用之於 PVC、塑膠等非金屬閥類之製造。
4. 各類閥之特性: (1) 閘閥(GATE VALVES):
閘閥是為了於一管線上某一部位系統需要“全開、全
關"控制且流體流過僅能以微少之壓力降產生時而設計使
用的。當一系統中某一部份需予隔離,不須考慮流體節流
(THROTTING)的控制時閘閥是非常理想而適合的。因當節流使用時,則流體會產生高速流經門座,而造成流體之
沖蝕門、座及殼體(產生拉絲現象),或引起震動而損傷。
(2) 球型閥(GLOBE VALVES)、角閥(VNGLE VALVES)、針
閥(NEEDLE VALVE): 球型閥因球體有球柱狀的外形而稱之,主要是為緊
閉,經常開關及當流體須控制流量之節流作用而設計,最
主要特點是有效的節流,使拉絲現象減至最少因而減少閥
門及閥座之浸(沖)蝕,但因閥座是平行於流線,流體流
經該類閥座時流向之改變,將在閥中產生擾流,以及降力
的下降,僅適合不苛求因壓力降所造成揚程損失時,方可
使用。角閥亦是由塞式球型閥修而來,僅是出口與進口成
90°直角之區別。針閥亦是由塞式球型閥修正而來閥塞為細長型有錐度的針狀,特別適用於低流量範圍的流量控制。
(3) 逆止閥(CHECK VALVES)、擺動式(SWING TYPE)、升降式(LIFT TYPE)、斜盤(門)式(TILTING DISC)、雙片式(DUAL PLATE)、底閥(FOOT VALVES):
此類閥其作用為容許流體朝一方向自由流動,而限制
其反向流動,當流體通過系統時的壓力,把閥門開硌,任
何流體的反向,會把閥門關閉,關閉的完成,是賴止回機
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構的重量或賴反壓,或賴彈簧或賴以上幾種的組合。
(4) 球型停止逆止閥(CLOBE STOP-CHECK VALVES): 止閥類似 3﹒3 之升降式逆止閥,但加裝閥桿及手輪(或
別的輔助操作裝置)做為流體之關斷及止回用,此閥不能
以任何機械傳動方式打開,只靠上游流體壓力將閥門升
舉,離開閥座面。 (5) 塞閥(PLUG VALVES):
此閥由插入閥體中之閥塞(門),為一具有錐度中間開
槽的塞件而名、結構簡單屬古老型式之閥,由全開至金關
只須轉 90°即可、閥塞(門)之流口可為任何尺寸與形狀,也可作成多孔型式來配合三或四條管線連接,而能有多種
不同的流向組合。一般用於全開式全關,不作節流使用(除
非開口特殊鑽石形狀並經處理過)。 (6) 球閥(BALL VALEVS):
球閥是由塞閥修改而來,以球塞代替柱塞,來控制流
體、閥塞(門)內通道截面積,則與配合管線的管徑相同,
流體作直線通過閥體,且只有微小之壓力降。現一般均使
用 PTFE、EPDM…等材料,為閥座,因此,氣泡密封性佳,且改良為防火及防靜電之安全設計,被廣泛使用,但因閥
座為 PTFE 材質,其使用溫度一般受限於 250℃以下。 (7) 蝶形閥(BUTTERFLY VALVES):
此閥的構造,是根據管子擋板的原理,其流動控制元
件是一有傾角的盤(門)(其材質可為金屬或金屬外緣包上
塑膠、特氟隆等),圓盤固定在心軸上,並以能匣來控制開
閉(開、閉只須 90°之旋轉),閥座可為金屬、橡膠、特拂隆…等材料,而固定於閥體璧上,此閥構造簡單,其閥體為薄餅(WAFERD)型、重量輕,不佔空間,適合於節流及開閉之用,尤其用於大流量之控制(不適用於小流量)。
(8) 隔膜閥(DIAPGRAGM VALVES): 此閥實際上不過是“鉗夾"的閥,一個彈性的,可撓
的膜片,用螺樁連接在壓[縮件上,壓縮件是由閥桿所操作而上下移動,當壓縮件上升,膜片就高舉,而造成通路,
當壓縮件下降,膜片就壓在閥體堰上(假使為堰式閥)或
壓在輪廓的底部(假使為直通式),此閥適用於開關及節流
之用。隔膜閥是特別適用於運送有腐蝕性,有粘性的流體,
例如泥漿、食品、藥品、纖維性粘合液…等,因管線中,此閥的操作機構,是不暴露在送流體中,故不具污染性,
也不需要填料,閥桿填料部也不可能會洩漏。
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(9) 安全閥(SAFETY VALVES)、洩壓閥(RELIEF VALVES)、安全洩壓閥:
工廠中,使用高溫、高壓氣體的機會相當大,尤其在
電廠、化學工廠,由於壓力異常而造成塔槽、鍋爐、管線
等壓力容器、設備被破壞而生洩漏,火災或爆炸的機率相
當高,為了防止此類意外事故之發生,使製程穩定操作,
依美國機械工程師協會(ASME)之規定,必須在所有高壓設備均裝設此等安全排放裝置之閥類。此類閥之構造類似
角類,依其作動方式之不同可分彈箕負載式(SPRING LOADED TYPE)及輔助閥作動式(PILOT OPERATED TYPE)。基本上是依力平衡方式作動裝置。一旦閥盤(門)所受之壓力大於彈箕或輔助閥之設定壓力時,閥盤就會被
此壓力推開,其壓力容器內之氣(液)體就會被排出,以
降低該壓力容器內之壓力。安全閥須設計成有全開急洩的
作用,其容量超壓以及沖放必須受 ASME 法規的規定。洩壓閥,設計成在初壓力增加時,閥慢慢開啟,且沒有法規
作依據,亦不必要立刻開啟到全開位置,但壓力增加時要
繼續不斷的啟開。
5.閥之選用要點:
選用適宜閥類需依下列程序,逐一檢核,如此被選用之閥才
能符合其功能,執行所交付之任務。閥之特產與主要執行功能 (1) 閥之特性與主要執行功能:
瞭解各類閥之特性及其執行功能,為選用合適性閥類之第
一步驟 (2) 口徑或流(容)量:
A. 閥之公稱直徑,與流道之直徑不一定一致,其選擇之 大小,由輸送流體之條件算出需求 Cv 值,然後由 Cv 值(參考製造廠商目錄)選定適合閥之口徑。
B. Cv 值之定義為在華氏 60 度下之水流經閥後,其壓力降 在 1PSIG 時,其每分鐘測得之美國加侖,即為該閥之Cv 值。
C. Cv 值可以計算出流經閥之流量(Q)。 ρ =液體的密度,lb/ft3
P=△ 通過閥之後的壓力降,Psi
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(二) 製作一個平台使用永久磁鐵去研究轉動的角度及距 離
首先我們要先了解有關磁鐵要如何製作及磁鐵的分別,磁鐵的性
質: 1. 磁極:
為磁鐵之磁性最強處。以細線懸吊的棒形磁鐵轉動後會慢慢停
止,此時磁鐵兩端會指在南、北方向上。指向北方的一端叫做磁
鐵的指北極或 N 極;指向南方的一端叫做磁鐵的指南極或 S 極。正電荷或負電荷可以單獨存在,而磁鐵的 N 極與 S 極卻總是成對的存在,不管以任何的方式將磁鐵折成兩半或數段時,每一段仍
然是具有 N 極與 S 極的磁鐵。N 極與 S 極必同時存在,即沒有磁單極。 2. 磁性物質:
可以被磁鐵吸引的物體,大都由鐵、鈷、鎳或其合金所構成,
故鐵、鈷、鎳為磁性物質。 3. 磁場強度:
尚未磁化的磁鐵內部,原子磁鐵雜亂的排列,而代表各群的小
磁棒,其磁極可能指向任一個方向,因此 N 極和 S 極就整體來看是互相抵消的,故無法顯現出磁鐵的性質。若磁鐵完全被磁化(或稱為飽和磁化)後,原子磁鐵群會整齊的排列,且皆朝同一個方向。因此磁鐵內部的磁性雖仍因 N 極、S 極頭尾相接而彼此抵消,但兩端則未抵消,故兩極處磁性最強,中間部分則幾乎沒有磁性。
將磁鐵靠近迴紋針時,磁鐵兩極吸附的迴紋針最多,顯示磁鐵兩
極最強,中間部分較弱。單位面積垂直通過的磁力線數稱為磁場
強度。 4. 磁場:
在磁鐵的周圍,磁力所能作用的範圍稱之。在磁鐵的周圍灑上
一些鐵粉,鐵粉磁化後所串連成的曲線,即為磁力線。磁力線就
是用來表示小磁針 N 極在磁場中所受磁力的方向。磁力線是一條封閉的平滑曲線,在磁鐵的外部其方向是從 N 極指向 S 極;但在磁鐵的內部則是從 S 極指向 N 極。磁力線永不相交。下列為常見磁鐵棒和馬蹄形磁鐵外部的磁力線分布的形狀。
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5. 反磁性:
例如氫分子會順著磁場排列,在強磁場中會感應一個外加強磁
場反方向的磁場。磁場消失了,例如:銅、鉛、釹、水、食鹽、
石英、硫、鑽石等,皆為此類,而氫就沒有磁性。人們已經把氫
分子隨磁場有無而呈現有序或隨意作用運用在醫學上,成為一種
類似X光的透視法,就是”核子斷層掃瞄”。 6. 順磁性:
另外又有一些由原子和分子構成的物質,因其本身就是由許多
微小的磁體組成,若無外力作用,它們不會造成任意排列,而且
只是因本身的作用力會互相牽制,而不呈磁性。當人們在其間加
入一個磁場時,所得之方向與外加磁場相同,這個迷你磁體會自
我調整排列,磁場強度便會增加,此種特性稱為順磁性。如:氯
化銅、鋁、鈉、硫酸鎳等皆為此類。
7. 暫時磁鐵與永久磁鐵: 像鐵釘這樣的物質,當磁鐵移除後,便無法長期保有磁性,稱
為軟磁鐵或暫時磁鐵(此種磁鐵較亦被磁化)。有些物質如鋼釘,
磁化後,可長期保有磁性,稱為硬磁鐵或永久磁鐵(此種材料不
易被磁化)。永久磁鐵的種類有氧化磁鐵 Ferrite (Ceramic) Magnets、釤鈷磁鐵 Samarium Cobalt Magnets & 釹鐵錋磁鐵Nd-Fe-B Sintered Magnets。氧化磁鐵主要是由 Fe2O3(氧化鐵) BaCo3(碳酸鋇)或 SrCo3(碳酸鍶)金屬粉末成形,提供優良之成本/特性比率。此種磁鐵有兩種類型:一為等方性磁鐵(Isotropic Magnet),另一為異方性磁鐵(Anisotropic Magnet),異方性磁鐵同
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時又分為乾式與濕式。釤鈷磁鐵主要由釤,鈷及其它一些稀土類
所組成之超高性能磁鐵。其工作溫度可高達 300 度,同時具有抗腐蝕性及抗氧化性。釹鐵錋磁鐵以擁有高性能,合理的價錢,其
耐溫力為 80 ~ 180 度。其缺點容易氧化,生銹,所以其表面通常做電鍍處理,如鍍鋅、鎳、錫、銀、金等,也可以做磷化處理或
環氧樹脂以減緩氧化速度。合金磁鐵是由鋁、鎳、鈷組成。由於
殘留磁束密度高,溫度條件良好,硬度高、溫度係數低及磁力特
性之有效使用,合金磁鐵之用途非常廣泛。
(三) 使用漆包線圈替代永久磁鐵 1. 磁感應:
將一根鐵釘靠近磁鐵,鐵釘會被磁鐵吸住,其原因是鐵釘靠近
磁鐵 S極的一端感應出 N極,而遠端則呈現 S極,磁鐵 S 極與鐵釘
N 極相互吸引,此種因鐵釘靠近磁鐵後呈現磁性的現象為磁感應。
2. 電磁感應:
因為磁場的變化而使導體產生電流或電動勢的現象,稱為電磁
感應將一匝數甚多的線圈與一檢流計連接,將一支條形磁鐵迅速插
入線圈內,即看見檢流計指針向一方向偏轉, 表示線圈中有感應電
流產生;磁鐵若在線圈內靜止不動,檢流計指針不動而歸零若將磁
鐵迅速抽離線圈,則見指針向另一方向偏轉,顯示感應電流的方向
與磁鐵插線圈時方向相反
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電磁感應實驗可獲得下述三點結論: (1) 線圈與磁鐵間有相對運動時,才有感應電流量(或電勢)產
生。 (2) 感應電流通行的時間僅限於線圈與磁鐵間有相對運動時,一
旦停止運動即無電流且相對運動愈快,感應電流亦愈大。 (3) 法拉第電流的方向,常使其所產生的磁場具有阻止線圈與磁
鐵相對運動的趨勢 3. 法拉第電磁感應定律:
一線圈感應電勢的大小與線圈之匝數及穿過線圈之磁力線 變化率成正比
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e:線圈之平均感應電勢
N:線圈之匝數
:穿過線圈之磁力線的增減數( 2-1)
(MKS 制章伯,CGS 制線)
t:磁力線變化之時間數(t2-t1),秒
上式
中
/ t:磁通之變化率
4. 楞次定律:
感應電勢的方向為反抗原磁力線增減的方向
買 號表示感應電勢是反抗線圈內磁力線的變化,所以稱為反電勢楞次定律的應用可由圖中來說明,當磁鐵向右方移動時依據楞次定律,線圈為了阻止磁鐵靠近故線圈左端應成為 N 極而右端應為 S極;又由螺旋定則知線圈所感應的電流應自 b流入而由 a流出線圈感應的電勢可視為一電壓源,故知 a 點的電位為正極,而 b 點為負極。
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二、成果
(一) 模擬電磁閥之實驗 1. 實驗目的:
利用永久磁鐵的磁力來代替電磁鐵,測試是否能只靠磁力產
生旋轉而造成流道開關之作動及流量之控制。 2. 實驗方法:
首先製作一個模擬電磁閥的裝置,中間的圓柱體視為電磁閥
裡的球閥,可產生一軸向之旋轉,圓柱體兩端各裝上永久磁鐵,
基座的左右兩邊各有一個電磁座,也裝上永久磁鐵(代替電磁鐵),電磁座可以調整水平方向的距離,調整磁鐵之間的距離來調整磁力的大小,改變圓柱體兩端磁性之正負極來控制磁力的
方向,利用兩邊的磁力來推動中間的圓柱體,產生角度的改變。 3. 測試內容:
(1) 兩邊磁場若都是相吸的情況,中間的圓柱體則呈水平的狀態,角度為 0 度。(如圖一所示)
圖一、角度為 0 度
(2) 兩邊的磁場改成一邊是相吸,另一邊是相斥的情況下,中間
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圓柱體的角度改變為 20 度。(如圖二所示)
圖二、角度為 20 度
(3) 左邊磁場為相吸,並且電磁座往後退一格,右邊磁場為相
斥的狀態下,角度改變為 45 度。(如圖三所示)
圖三、角度為 45 度
(4) 兩邊磁場都改變成相斥的情況下,圓柱體的角度可轉到 60
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度。(如圖四所示)
圖四、角度為 60 度
(5) 兩邊電磁座的永久磁鐵都是相斥的狀態,並且調整為一高一
低,產生一個力偶形式的作用力,角度可轉到 80 度。(如圖五所示)
圖五、角度為 80 度
4. 測試結果:
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經過以上一些狀態的改變,可以產生角度的變化,所測出來
的角度有 0 度、20 度、45 度、60 度、80 度五種。
(二) 實驗結論 由於這個實驗不是非常的精密,所以測試出來的數據還是會有些
誤差,一般球閥的作動範圍是 0 度~90 度,而測試出來的最大角度是80 度,還未達到作動的完整角度,但是經過實驗測試以後,這個概念的可行性相當高,若是將整個裝置的精密度跟功能性提高,例如將永
久磁鐵改成電磁鐵,因為電磁鐵可以產生更大的作用力,再利用相關
的儀器,來控制電流的大小,磁作用力就能受到控制,就可以改變球
閥的旋轉角度,進而達到流量的控制跟流道開關的功能。
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三、結論
這是一篇專題的成果報告,經過了一段時間實際的去研究,讓我們更
了解有關“磁”方面的原理跟應用,還進一步去研究電磁閥的構造跟它的作動原理,但這還算只是一個初步的研究,雖然我們還自己製作模擬電磁閥的
平台,由於不是製作的非常精密,所以模擬時的作動方法不是非常的靈活,
還有很大的改良空間,才能確實模擬出電磁閥真正的作動方法。 現今已經有很多電磁閥的產品了,但大部分的電磁閥是利用彈簧產生
軸向推力讓閥管以直推的方式來作動的,再利用電磁鐵的吸力將閥管往回
縮,打開閥門使流道裡的流體可以流動,所以流道內的壓力不能超過彈簧
的推力,比較不能承受高壓,若改成球閥的話,球閥需要一個力偶的作用
力才能旋轉,所以流到內的壓力只是單一方向的作用力,無法產生力偶,
所以沒有壓力的限制,而本實驗是模擬球閥的作動方式靠電磁鐵來控制球
閥載 0~90 度之間的旋轉,一般傳統的球閥是靠一支拉桿以手動方式去控制球閥的旋轉,若是利用電磁鐵的磁力來控制的話就不需要人工來操作了,
本實驗是在模擬是否能靠球閥兩端的磁力產生力偶,使球閥能夠旋轉,來
達到球閥的作動效果。 經過實驗模擬測試之後,利用永久磁鐵代替電磁鐵就可將球閥(圓柱體)
旋轉到 80 度左右,若將永久磁鐵改為電磁鐵,所產生的磁力一定可以更容易旋轉,而且電磁鐵的磁力是可控制的,所以球閥的旋轉角度也可以控制,
進而控制流量,所以這個實驗最後的結果,此作動原理是可行的。
專題01專題02