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研究生： 吳捷儒
Wu, Jie-Ru
論文名稱： 以單極式充磁法製作海爾貝克陣列的可行性研究
A Feasibility Study on Using Single-pole Magetization Method to Manufacture Halbach Arrays
指導教授： 宋震國
Sung, Cheng-Kuo
口試委員: 張禎元
徐志豪
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2024
畢業學年度： 113
語文別： 中文
論文頁數： 115
中文關鍵詞： 磁性編碼器 、諧波誤差 、單極式充磁 、磁化向量分布 、海爾貝克陣列
外文關鍵詞： Magnetic encoder, Harmonic error, Single-pole magnetization, Magnetization pattern, Halbach array
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    • 現有充磁技術無法避免的皆讓製備出的磁性尺的磁場中含有波數3和波數5的諧波，並因此導致位置資訊出現波數4的諧波誤差，而海爾貝克陣列正好可以改善此一情況。
    在目前的認知中，僅單側存在磁場而完全無諧波存在的海爾貝克磁化非常難依靠現有的技術實現，因此本文旨在製作較為可行的，離散化的海爾貝克陣列。而由於編碼器高精度的要求，使用永久磁鐵陣列來製作磁性尺勢必不可行，因此本文利用模擬和實驗來探究使用以往垂直和水平充磁的技術來製作海爾貝克陣列的可行性。
    首先，本文整理過往學長姊的磁場數學模型並進行比較分析，了解各自對應的現實中的情況，而後藉由模擬AMR與霍爾感測器確立了磁場與位置誤差諧波之間的關係，接著透過模擬的方式設計合適的水平及垂直充磁頭，並分析各自充磁頭所造成磁紀錄媒介內部的磁化分布，最後使用不同的充磁頭組合嘗試充磁，製作出具備海爾貝克陣列特徵的磁化陣列。

    The magnetic field of the multipoles manufactured by current magnetization techniques exhibits the third and fifth harmonics that results in the fourth harmonic error when the magnetic field is converted into position signal.
    To the best of our knowledge, to manufacture a multipoled magnetic medium with an ideal magnetization pattern, that is, This kind of pattern in theory has no high-order harmonic components in the magnetic field above, and the fluxes only escape from one side while none leaving on the other side. The goal of this study is to explore the feasibility of manufacturing the discrete version of such magnetization pattern, i.e., Halbach array by implementing single-pole magnetization methods in order to mitigate the harmonics.
    First, this study reviewed and compared the mathematical models that represent different types of multipoles, then simulated AMR and hall sensor via Matlab to establish the relationship between the harmonics in magnetic fields and the harmonics in position signal. Finally, after designing appropriate horizontal and vertical magnetizing heads using Ansys Maxwell, different combinations were analyzed and tested, in the end we yielded a magnetization pattern that is very close to that of Halbach array.

    摘要 I ABSTRACT II 目錄 IV 圖表目錄 VIII 第1章 第一章 緒論 1 1-1. 前言 1 1-2. 技術背景 3 1-2-1. 磁性編碼器之架構 3 1-2-2. 磁性主尺之製備 5 1-2-1. 磁性主尺之製備 7 1-2-2. 磁阻感測器之運作方式 10 1-3. 文獻回顧 13 1-3-1. 充磁製程 13 1-3-2. 海爾貝克陣列(Halbach Array) 20 1-4. 研究動機與本文內容 25 第2章 第二章 研究理論 27 2-1. 磁化理論 27 2-1-1. 磁性材料 27 2-1-2. 磁滯現象(magnetic hysteresis) 29 2-1-3. 充磁 30 2-2. 磁性感測器原理 32 2-2-1. 磁阻效應(Magnetoresistance) 32 2-2-2. 霍爾效應(Hall effect) 34 2-3. 靜磁學 36 第3章 第三章 磁場模型與諧波分析 39 3-1. 磁場模型 39 3-1-1. 理論推導 40 3-1-2. 海爾貝克陣列 43 3-1-3. 與FEM模擬比較 46 3-2. 諧波誤差分析 52 3-2-1. 總諧波失真 52 3-2-2. 諧波誤差之交互關係 53 第4章 第四章 充磁頭設計 60 4-1. 設計目標 60 4-2. 模擬方法 62 4-3. 垂直充磁頭 64 4-3-1. 單極式充磁頭 64 4-3-2. 雙面充磁 68 4-3-3. 小結 71 4-4. 水平充磁頭 72 4-4-1. 更改尺寸之雙極式水平充磁頭 72 4-4-2. 新式設計之充磁頭 76 4-4-3. 小結 78 4-5. 充磁對周圍磁極影響之模擬 79 4-5-1. 垂直充磁頭 80 4-5-2. 水平充磁頭 81 第5章 第五章 磁性尺製作 83 5-1. 實驗設備與方法 83 5-1-1. 實驗設備 83 5-1-2. 治具設計與製作 86 5-1-3. 實驗規劃 92 5-2. 實驗結果 93 5-2-1. 單個充磁頭交替充磁 93 5-2-2. 不同充磁頭之間的磁場強度配合 97 5-2-3. 海爾貝克陣列充磁 101 第6章 第六章 結論與未來工作 108 6-1. 結論 108 6-2. 未來工作 110 參考文獻 112

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