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

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

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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

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:

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