Ćwiczenie 4. Dobór elektromagnesu do układu wykonawczego

Transkrypt

1 Napędy elektromechaniczne urządzeń mechatronicznych - projektowanie Ćwiczenie 4 Instrukcja Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warszawa 2013

2 Ćwiczenie Dobór elektromagnesu do układu wykonawczego 4.1. WPROWADZENIE Elektromagnesy prądu stałego Elektromagnesy są przetwornikami energii zamieniającymi energię elektryczną na pracę mechaniczną, dzięki wytwarzanemu polu magnetycznemu. Elektromagnes składa się z uzwojenia wzbudzającego strumień magnetyczny oraz magnetowodu, którego nieruchoma część to rdzeń, a ruchoma to zwora (rys. 4.1). Rys. 4.1 Schemat elektromagnesu klapkowego: 1 zwora, 2 rdzeń magnetyczny, 3 uzwojenie wzbudzające strumień magnetyczny [4.5]; F siła przyciągania zwory, s szczelina powietrzna, Φ strumień magnetyczny, i prąd wzbudzający Przy pewnych założeniach upraszczających wyprowadza się wzór na siłę przyciągania F m elektromagnesu [4.3] F m d E dy m 2 Θ 2 1 A 0 le ll0 Y E A 0 A 2, (4.1) w którym: A pole przekroju magnetowodu, E m energia mechaniczna, F m siła przyciągająca, Y przemieszczenie zwory, Θ przepływ, l E droga strumienia w rdzeniu, l L0 początkowa szczelina powietrzna, μ 0 przenikalność magnetyczna próżni, μ E przenikalność magnetyczna żelaza. Kształt mechanicznej charakterystyki elektromagnesu, czyli zależności siły przyciągającej od szerokości szczeliny powietrznej lub przemieszczenia zwory, wynikające z powyższej zależności przedstawiono na rys. 4.2.

3 Ćwiczenie 4 3 Rys Statyczna charakterystyka elektromagnesu [4.3] W zależności od realizowanej funkcji elektromagnesy dzielą się na następujące rodzaje [4.1]: elektromagnesy o ruchu dorywczym - oddające pracę podczas ruchu zwory, nie przeznaczone do utrzymywania zwory w stanie przyciągniętym. elektromagnesy wywierające siłę wzdłuż drogi zerowej - służące tylko do utrzymywania zwory w stanie przyciągniętym. elektromagnesy oddające pracę na zewnątrz i utrzymujące zworę w stanie przyciągniętym. elektromagnesy bez zwory - służące do kierowania ruchem elementów zewnętrznych. elektromagnesy remanencyjne (impulsowe) - utrzymujące przyciągniętą zworę w stanie bezprądowym. Klasyfikację elektromagnesów ze względu na ich konstrukcję przedstawiono na rys Na rys pokazano typowe kształty magnetowodów elektromagnesów o ruchu liniowym. Rys Klasyfikacja napędowych elektromagnesów prądu stałego wg [4.1]

4 Ćwiczenie 4 4 Rys Typowe magnetowody elektromagnesów o ruchu liniowym [4.3] Handlowa oferta elektromagnesów jest bogata i umożliwia dobór elektromagnesów do większości zastosowań. Na rys. 4.5 przedstawiono ofertę jednego z producentów pozostawiając anglojęzyczne określenia poszczególnych odmian elektromagnesów ze względu na fakt, że w Polsce elektromagnesy nie są wytwarzane seryjnie i konieczne jest korzystanie z katalogów firm zagranicznych. Rys Przykładowa katalogowa oferta napędowych elektromagnesów prądu stałego wg [4.7] Najczęściej stosowaną odmianą elektromagnesów są elektromagnesy nurnikowe z walcową zworą. Budowę takiego elektromagnesu przedstawiono schematycznie na rys Elektromagnesy są przetwornikami energii zasilanymi impulsowo. Na rysunku 4.7 zamieszczono schemat blokowy układu napędzanego elektromagnesem, a na rys. 4.8 trzy możliwe warianty urządzenia sterującego wzmacniacz mocy.

5 Ćwiczenie 4 5 Rys Schemat budowy elektromagnesu nurnikowego [4.5]: 1 panewka ślizgowa prowadnicy, 2 stopa nurnika (nieruchoma część magnetowodu), 3 uzwojenie wzbudzające strumień magnetyczny, 4 prowadnica nurnika, 5 płaszcz magnetowodu, 6 panewka ślizgowa nurnika, 7 zwora (nurnik); F siła przyciągania zwory Rys Układ elektromechaniczny z urządzeniem sterującym i zasilaniem [4.5] Rys Urządzenie sterujące wzmacniacz mocy [4.5] W pracy elektromagnesu napędowego można wyróżnić kilka charakterystycznych faz, które przedstawiono na rys W fazie rozruchu (I) prąd w uzwojeniu elektromagnesu narasta do wartości, przy której siła przyciągająca zworę staje się większa od sumy sił obciążających elektromagnes, w tym sił tarcia i siły od sprężyny powrotnej. W fazie II zwora wykonuje ruch roboczy aż do uderzenia w rdzeń, kiedy to nadmiar energii kinetycznej jest wytracany na odbicia i hałas (III). W fazie IV zwora pozostaje przyciągnięta do rdzenia, a w uzwojeniu wy-

6 Ćwiczenie 4 6 dzielają się straty cieplne. Po wyłączeniu napięcia zasilającego zwora wraca do położenia początkowego pod działaniem sprężyny powrotnej (V). Uderzenie w ogranicznik ruchu kończy się odbiciami i drganiami zwory (VI). Rys Przykładowy przebieg drogi s zwory elektromagnesu przy zasilaniu uzwojenia dłużej niż do końca ruchu roboczego [4.5]: I rozruch, II ruch roboczy, III wytracanie energii kinetycznej, IV spoczynek, V powrót, VI drgania Statyczna charakterystyka elektromagnesu nurnikowego może być modyfikowana przez zmiany kształtu zakończenia nurnika i jego stopy. Na rys pokazano przykładowe rozwiązania konstrukcyjne i ich wpływ na charakterystyki. Producenci elektromagnesów w swojej ofercie często proponują różne wykonania swoich wyrobów dając użytkownikowi możliwość wyboru najbardziej odpowiednich charakterystyk (rys. 4.11). Rys Charakterystyki statyczne elektromagnesów przy różnych kształtach stopy nurnika [4.3]

7 Ćwiczenie 4 7 Rys Katalogowe charakterystyki przykładowego elektromagnesu nurnikowego [4.6] Cieplne warunki pracy elektromagnesów Prąd wzbudzenia przepływający przez uzwojenie elektromagnesu powoduje wydzielanie się w nim ciepła zgodnie z prawem Joule a. Ciepło to powoduje wzrost temperatury uzwojenia, a w konsekwencji całego elektromagnesu. Ze zmianami temperatury zmienia się też rezystancja uzwojenia zgodnie z przybliżoną, liniową zależnością T 293 R T R R293 1 R ot R, (4.2) w której: R τ chwilowa wartość rezystancji uzwojenia, R 293 rezystancja uzwojenia w temperaturze odniesienia T 0 = 20 C, α R = 0, /K temperaturowy współczynnik rezystywności miedzi, ΔT przyrost temperatury uzwojenia. W zależności od przyjętego rodzaju pracy elektromagnesu zarówno przebiegi jego nagrzewania się, jak też maksymalne przyrosty temperatury są różne (rys. 4.12). W celu niedopuszczenia do przegrzania się elektromagnesu podczas jego pracy, co prowadzi do nieodwracalnego uszkodzenia izolacji uzwojenia, wprowadzono pojęcie względnego dopuszczalnego czasu zasilania ED okres zasilania w cyklu ED 100%. (4.3) okres powtarzania cykli Rys Przebieg nagrzewania się elektromagnesu

8 Ćwiczenie 4 8 Współczynnik ED jest funkcją temperatury otoczenia T ED K ED ot 308 T ot, (4.4) gdzie: ED(T ot ) względny dopuszczalny czas zasilania w temperaturze T ot, ED 308 względny czas zasilania w temperaturze 35 C, K(T ot ) współczynnik korekcyjny obliczany ze wzoru liczbowego Tot 383 K T ot, (4.5) 75 w którym T ot oznacza temperaturę otoczenia wyrażoną w K. Wartość współczynnika można także odczytać z nomogramu (rys. 4.13). Rys Wykres funkcji K(T ot ) [4.5] Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie zasad doboru elektromagnesów do określonego zastosowania oraz nabycie umiejętności samodzielnego przeprowadzenia takiego doboru ALGORYTM DOBORU ELEKTROMAGNESU Dobór elektromagnesu polega na znalezieniu takiego elektromagnesu, który oprócz niezawodnej realizacji ruchu na określonej drodze i przy określonym obciążeniu będzie spełniał warunek cieplny tzn. jego charakterystyka będzie odpowiadała wymaganemu względnemu czasowi zasilania elektromagnesu wynikającemu z konkretnego zastosowania Wyznaczenie zakresu ruchu roboczego W tym etapie analizowana jest funkcja, którą ma realizować elektromagnes. Wyznacza się potrzebny zakres ruchu roboczego elektromagnesu mając na uwadze, że korzystne jest przyjmowanie możliwie małych skoków zwory. Czasem warto zmniejszyć ten skok kosztem zwiększenia siły obciążającej np. przez zastosowanie dodatkowego mechanizmu dźwigniowego Wyznaczenie sił obciążających Konstrukcja napędzanego mechanizmu poddawana jest analizie. Wyznacza się wszystkie siły, które musi pokonać elektromagnes w trakcie ruchu roboczego, w szczególno-

9 Ćwiczenie 4 9 ści siłę od sprężyny powrotnej i siły tarcia. Należy zapisać zależność na całkowitą siłę w funkcji drogi zwory Obliczenie wymaganego względnego czasu zasilania ED W etapie tym analizowane jest zastosowanie elektromagnesu pod kątem wymagań czasowych. Oblicza się wymagany względny czas zasilania elektromagnesu ED wym jako stosunek czasu t z zasilania uzwojenia do całkowitej długości t c cyklu pracy tz ED wym 100%. (4.6) t Jeśli przewidywana temperatura otoczenia T ot rożni się od 35 C, wówczas wyznacza się skorygowaną wartość ED wym przekształcając wzór (4.4) do postaci c ED Wyszukanie odpowiedniego elektromagnesu 308 EDwym Tot (4.7) KTot Elektromagnes dobiera się prowadząc przegląd danych katalogowych. Rozpatruje się te charakterystyki statyczne elektromagnesów, dla których względny dopuszczalny czas zasilania spełnia warunek ED ED wym T ot. (4.8) Do zastosowania kwalifikują się te elektromagnesy, których mechaniczne charakterystyki statyczne znajdują się ponad charakterystyką obciążenia, tj. dla dowolnej wartości szczeliny siła elektromagnesu jest większa od sumy sił obciążających w tym miejscu (rys. 4.14). Korzystnie jest, gdy nadwyżka siły elektromagnesu jest możliwie mała, wówczas zwora w chwili uderzenia o rdzeń lub inny ogranicznik ruchu ma stosunkowo niewielką energię kinetyczną, która jest szkodliwa ze względów energetycznych i wytrzymałościowych. Rys Przykład doboru elektromagnesu o ED = 50% do realizacji ruchu na drodze L = 15 mm przy sile obciążającej rosnącej liniowo od 2 do 10 N wg [4.6]

10 Ćwiczenie WYKONANIE ĆWICZENIA Ze wskazanego katalogu dobrać elektromagnes, który będzie służył do napędzania mechanizmu zwalniającego pojedyncze części podawane do układu montującego gotowy wyrób (rys. 4.15). W odpowiedzi na sygnał z mikrokontrolera elektromagnes zostaje zasilony ze źródła napięcia U z (V). Elektromagnes przyciąga zworę i połączoną z nią zastawkę. Część jest zabierana przez mechanizm podający transporter taśmowy. Elektromagnes jest zasilany przez czas t z (s). Po odłączeniu zasilania sprężyna powrotna cofa zworę do położenia początkowego, w którym pozostaje do chwili odebrania następnego sygnału z mikrokontrolera. Maksymalna wydajność mechanizmu podającego wynosi E (szt/h). Znane są siły: minimalna F min (N) i maksymalna F max (N) sprężyny na początku i na końcu roboczego skoku L (mm) oraz siła oporów ruchu F t (N) (rys. 4.16). W miejscu pracy elektromagnesu temperatura powietrza wynosi T ot ( C). Zestaw danych indywidualnych do ćwiczenia zawiera załącznik Odebranie i analiza danych indywidualnych Zanotować numer tematu wskazany przez prowadzącego. Z wykazu danych indywidualnych spisać dane dotyczące napędzanego mechanizmu i warunków pracy elektromagnesu Przeprowadzenie doboru elektromagnesu Na podstawie danych indywidualnych dokonać doboru elektromagnesu stosując algorytm przedstawiony w p. 4.2 i korzystając ze wskazanego katalogu elektromagnesów. Rys Schemat zespołu podającego

11 Ćwiczenie 4 11 Rys Siły obciążające elektromagnes podczas podawania elementu Zilustrowanie doboru elektromagnesu Do sprawozdania z ćwiczenia skopiować charakterystykę wybranego elektromagnesu i powiększyć ją w celu poprawienia jej czytelności. Na wykresie umieścić charakterystykę obciążenia wynikającą z danych indywidualnych. Wskazać charakterystykę elektromagnesu proponowaną do wykorzystania w analizowanym zastosowaniu Wyznaczenie energii kinematycznej zwory Korzystając z charakterystyk wykreślonych w p wyznaczyć przybliżoną energię kinetyczną zwory w chwili uderzenia o stopę przyjmując założenie, że cała nadwyżka siły elektromagnesu w stosunku do sił obciążających jest zamieniana na energię ruchu zwory. Obliczyć orientacyjną prędkość zwory na końcu ruchu uwzględniając jej katalogową masę Opracowanie danych do dokumentacji konstrukcyjnej Na podstawie wskazówek producenta zapisać prawidłowe oznaczenie elektromagnesu przewidzianego do rozpatrywanego zastosowania Opracowanie sprawozdania W sprawozdaniu z ćwiczenia należy zamieścić: a) temat zadania i dane indywidualne (p ), b) opis doboru elektromagnesu wraz ze wszystkimi obliczeniami (p ), c) kartę katalogową wybranego elektromagnesu wraz z jego prawidłowym oznaczeniem (p ), d) charakterystykę elektromagnesu wraz z charakterystyką obciążenia (p ), e) obliczenia energii kinetycznej i prędkości zwory wraz z ilustracją, f) wnioski dotyczące efektywności zastosowanego algorytmu.

12 Ćwiczenie LITERATURA 4.1. Elbaum J.: Obwody magnetyczne w aparatach energoelektrycznych. WPW. Warszawa Elektryczne maszynowe elementy automatyki. Praca zbiorowa pod red. J. Owczarka. WNT. Warszawa Isermann R.: Mechatronic systems. Fundamentals. Springer Jaszczuk W., Wierciak J., Bodnicki M.: Napędy elektromechaniczne urządzeń precyzyjnych. Ćwiczenia laboratoryjne. OWPW. Warszawa Praca zbiorowa pod red. W. Oleksiuka: Konstrukcja przyrządów i urządzeń precyzyjnych. WNT. Warszawa KUHNKE: Solenoid Catalogue 09/08. Katalog elektromagnesów nurnikowych 4.7. MAGNETIC SENSOR SYSTEMS. Solenoid Catalog. Katalog elektromagnesów 2012

13 1 Ćwiczenie 4 Lista danych indywidualnych Załącznik 4.1 Nr tematu F t F min F max L E t z T ot N N N mm szt./h s C 1. 0, , , , , , , , , ,

14 2 Nr tematu F t F min F max L E t z T ot N N N mm szt./h s C ,5 3, ,5 3, ,5 3, ,5 3, ,5 3, ,5 3, ,5 3, ,5 3, ,5 3, ,5 3,