圓夢計劃緣起

 2016年8月,Goodyear公司發表了一種”四輪的球型概念車”。這種以四個”球型磁浮馬達”為動力的自駕車,深深地吸引了我去勾勒一幅人類未來交通工具的藍圖。一直以機構實作、研究工程學問為興趣的我,自此為這個令人瘋狂的Idea投入了研究。

2016年11月,我從原本的高中休學,決定以”球型電動車”參與國際科展,計畫以此成績申請保送國內大學。 2017年1月,經過3個月的實作與理論研究,我嘗試著開發了三代的”球型磁浮馬達”(如下方三張圖所示),但發現”球型磁浮馬達”在理論上具有許多電磁學原理上的問題,而面臨根本不可行的問題。我也為此苦苦思索解決的方案。2017年2月,在參考過海內外多篇”球型馬達”的相關研究後,我發想出了一種”外轉式球型感應電動機”的設計。意即把整個電動車作為一顆滾動的球體,由”球型馬達”作為動力來源的電動車構想。我也開始為這個重新擬定的研究方向付出努力。 2017年4月,為了針對感應式電動機做深入的研究,我花費了三個月的時間自行實作了”線性感應電動機”。在失敗了兩代的設計後,終於在第三代的實作中掌握到”線性感應電動機”電機上的關鍵,從而完成了這項初步的探究。 2017年6月,我已花費了兩個月的時間進行”球型感應電動機”的研發,但屢屢遭遇到研究上的瓶頸而無法突破。終於在所進駐的台南新營-南方創客基地的引薦下,見到了成大馬達中心的謝旻甫教授。也在獲得了教授的支持與指導後,開始在成大進行”球型馬達”的研究。

2017年8月,我將開始成為嘉義市實驗教育的自學生,在未來的兩年,我將盡己所能地的完成這個夢想!

2016年的休學計畫書: https://goo.gl/hG4yK9
2017年的自學計畫書: https://goo.gl/FjVYDQ
球型馬達計畫- 實驗影片&照片: https://goo.gl/1aHL6h

計畫評估

實作出一架縮小版的球型馬達,來證明球型電動車構想的可行性,是我未來一年努力的最高目標。完成這個夢想除了是我個人的自我實現之外,更希望透過這份研究,向全世界的研究者、致力於研發電動車的車廠們,展示一種全新的電動車概念。期望我這一個拋磚引玉的作為,能為學界、產界激盪出更多、更好的想法。

>> 第一期目標(2017.12)- 完成第一代外轉式球型馬達(縮小版球型電動車)。達到得以在電機驅動上讓球體完成全向運動的目標。 

>> 第二期目標(2018.01)- 最佳化第一代設計的輸出轉速與扭矩、改良機構與驅動電路,完成改良後的第二代外球型馬達。 

>> 第三期目標(2018.05)-將原本的感應式電機,發展為永磁無刷式的第三代球型馬達,以提升電動機效率並提升球型電動車商用化的可行性。同時也預備參與2018五月的國際科展。 

>> 第四期目標(2018.08)- 以自動控制的技巧精準控制馬達。

執行計畫

A. 目的、前中後三個階段的主要階段性目標 
1.第一期: 在電機設計、驅動法與驅動電路上,讓第一代的球型馬達能擁有雙自由度旋轉的能力。 
2.第二期: 針對第一代球型馬達的缺陷進行修正,完成第二代球型馬達。 
3.第三期: 為了真正讓球型馬達能實用化於路面,第三代球型馬達將改為以永磁無刷的方式進行激磁,此作法將能大大提升球馬的效率與商用化的可能性。 
4.第四期: 在驅動上引入自動控制的技巧進行精準定位 


B. 方法、達成前中後三個階段目標的作法 
1.第一期: 以較簡易、較低成本的方式實作機構與電機實體,可以犧牲球型馬達的效率與機構的穩定度,先求觀察到球型馬達成功達到構想中的運作情形為優先。 
2.第二期: 從電機繞組、機構設計上對第一代球馬進行改良。 
3.第三期: 第三代球型馬達的永磁無刷式激磁方法,將需要大量研究無刷電機的相關論文,並重新思考磁極排列與激磁的形式。 
4.第四期: 第四期最主要難度,在於感測器的定位與自動控制演算法的加入。這部分我將需要提前熟悉自動控制的理論層面並閱讀大量研究論文。 


C. 步驟、各階段計畫在執行上的詳細執行細節 
1.前置作業/設計 
a. 利用Autodesk Inventor進行機構設計: 第一代球型馬達設計上追求"以簡易機構實現雙自由度旋轉構想", 機構上以容易加工、實作為優先考量 
b. 利用ANSYS Electronic進行電磁有限元素分析: 多方參考感應式電機的研究文獻,嘗試模擬出效率、可行性最高電機配置。最後再針對可以調配的參數進行"田口法"分析。 
c. 在實作前與指導教授、學長、工廠等相關領域專家討論可行性: 設計過程中藉由不斷地與該領域專家的討論、分析,嘗試找出較佳的設計。 

2.球馬實體實作 
a. 借助所進駐的台南新營-南方創客基地之數位製造設備進行元件加工: 由於目前已申請為接受基地輔導的進駐團隊,因此得以免費利用基地提供的3D列印機、雷射切割機、CNC銑床等機具,實作機構的元件。(目前的幾項作品皆借助基地的機具進行實作) 
b. 借助成大機械系-機械工場的切削機具對金屬工件進行加工: 成功大學內具有許多儀器、加工機具上的資源得以使用。對於較難在南方創客基地加工的金屬元件,將向成大內部尋求更多可能的資源。 
c. 對於無法自行加工的元件,委託工廠代為製造: 當球型馬達的實作進度已進入到第二、第三代等需要追求運作效率、精準控制的階段,或無法利用現有機具進行加工的元件,例如線圈繞線、定子矽鋼片組的線切割、鐵球/鋁球的客製化訂做,即需要動用到大筆經費請廠商鑄模製造。 

3.球馬實測/實驗 
a. 觀察球型馬達能否受控制地展現多自由度的球型運動: 藉由外部的高速攝影機進行抓點紀錄,證實所完成的實體已達到預期中的成果。 
b. 量測球型馬達的輸出力矩、轉速等性能,以分析比較有限元素分析的結果: 嘗試設計夾具以讓幾何形體較複雜的球型馬達,能安裝上普通圓形馬達的動力測試平台,以獲得精準的數據。 
c. 自行設計磁場量測儀器的夾具以準確獲得磁場數據: 設計夾具以精準量測球型馬達的定子線圈中磁通的分佈情形,試著為下一代的優化提供可參考的數據。 
d. 在球馬內加入電流、電壓、溫度、加速度等傳感器,獲得更多協助理論建立的數據: 利用這些簡單可得的sensor,收集球馬的更多數據,以找出可能潛在的更多問題。

預期效益

對於我自己,實踐"Whirl without Limit"這個夢,是我給我17歲人生的一個承諾。他是一種自我實現、也是我心裏一個小小的夢,我想要燃燒內心源源不絕的想法與創意。
19世紀時,電磁學之父法拉第發明了一個展示電磁轉動的實驗裝置,是為現今馬達的原型。當時誰也沒有想到,這個在桌面上旋轉的"玩具",會是在未來的幾百年後,取代了獸力、蒸汽機,成為帶動人類世界的重要科技。
對於我所屬的這個世界,也許"Whirl without Limit"今天只不過是一架擺在桌上看起來很酷的"玩具",也或許他永遠只會是一個"玩具"。但我相信無論"Whirl without Limit"是否真接地被人類應用到生活上了,但他卻必將間接地啟發了更多在這領域上的研究者、甚至是產業界的應用。
"Whirl without Limit"是一塊磚,如果他能引來更多玉,那"Whirl without Limit"就已經遠遠地超越了他現在所擁有的價值了。
而我也深信這樣的理由,必也是全世界千千萬萬個科學研究者們、無數個人的一生,所追求的吧。
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