MAGNETOSTRYKCYJNY PRZETWORNIK MOMENTU OBROTOWEGO Z OBWODEM MAGNETYCZNYM WYKONANYM Z KOMPOZYTU PROSZKOWEGO

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 6 Politechniki Wrocławskiej Nr 6 Studia i Materiały Nr 8 8 magnetostrykcja, torduktor, kompozyt proszkowy, moment obrotowy Paweł IDZIAK* Marcin ANTCZAK** MAGNETOSTRYKCYJNY PRZETWORNIK MOMENTU OBROTOWEGO Z OBWODEM MAGNETYCZNYM WYKONANYM Z KOMPOZYTU PROSZKOWEGO W pracy przedstawiono funkcjonalny model magnetostrykcyjnego przetwornika momentu obrotowego. Obwód magnetowodu wykonano z krajowego kompozytu proszkowego. Zmieniono również kształt jarzma; zamiast dwóch niezależnych obwodów U-kształtnych zastosowano jarzmo w kształcie dysku. Wykonano szereg testów sprawdzających poprawność konstrukcji. Układ zasilano napięciem sinusoidalnym o częstotliwości zarówno przemysłowej jak i podwyższonej. Badania przeprowadzono w warunkach statycznych. Jako stronę wtórną zastosowano rurę o średnicy zewnętrznej 56 mm i grubości ściany 3 mm, wykonaną ze stali konstrukcyjnej gatunku St3S. Uzyskane efekty uznano za zadawalające. 1. WPROWADZENIE W praktyce inżynierskiej często zachodzi potrzeba ciągłego monitorowania momentu obrotowego lub momentu skręcającego działającego na wał układu napędowego. Jednym ze sposobów jest wykorzystanie mechanicznych przetworników pomiarowych. Wiąże się to jednak z ingerencją w układ sprzęgający napęd i obciążenie. W układach napędowych małej mocy wprowadzenie dodatkowego sprzężenia mechanicznego może w istotny sposób zmienić warunki pracy. Wady tej pozbawione są wszelkiego typu przetworniki wykorzystujące zjawisko magnetostrykcji, a dokładniej zjawisko odwrotne zwane zjawiskiem magnetosprężystym. Jednym z takich przyrządów jest torduktor krzyżowy. Moment obrotowy jest w tym przypadku wyznaczany na podstawie pomiaru różnicy w przenikalności magnetycznej części konstrukcji. Mimo iż, wiele konstrukcji tego rodzaju zostało już kilkadziesiąt lat temu opracowanych * Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, ul. Piotrowo 3A, Poznań Poznań; Pawel.Idziak@put.poznan.pl ** Politechnika Poznańska, Wydział Elektryczny, Studium Doktoranckie, ul. Piotrowo 3A, Poznań

2 554 teoretycznie, dopiero niedawno zostały one zastosowane w praktyce. Główną przeszkodą była technologia wykonania takich przyrządów. W ferromagnetykach występuje zarówno zjawisko magnetostrykcji spontanicznej samoistnej, bez udziału zewnętrznego pola magnetycznego oraz magnetostrykcji właściwej z udziałem zewnętrznego pola magnetycznego. Ta ostatnia wywołuje m.in. zmiany wymiarów liniowych ciała (magnetostrykcja Joule a) określane w mikronach na metr (µm/m)[4]. Zmianie wymiarów w kierunku działania pola towarzyszy również zmiana wymiarów ciała w kierunku prostopadłym do pola [1, 4]. Przedstawione efekty dotyczą zarówno materiałów magnetycznie miękkich i twardych, a więc i wszelkich odmian stali, w tym stali konstrukcyjnych. W materiałach wykazujących własności magnetostrykcyjne zachodzi również zjawisko odwrotne (efekt Villari ego) tzn. zamiana energii mechanicznej odkształcenia sprężystego (ściskanie, rozciąganie oraz skręcanie) w energię magnetyczną. Naprężenia mechaniczne wywołują znaczące zmiany np. przewodności magnetycznej ferromagnetyków. Krzywa magnesowania ma różny kształt dla takiego samego pola magnesującego i różnych wartości naprężeń działających na badane ciało. Przebieg krzywych jest zależny przede wszystkim od rodzaju naprężenia. Na rys. 1a) i 1b). przedstawiono charakterystyki magnesowania dla blachy transformatorowej zimnowalcowanej [1]. Naprężenia mechaniczne powodują w ferromagnetykach wystąpienie energii magnetosprężystej. Energia ta zależy od kąta pomiędzy momentem magnetycznym a osią, w której występują naprężenia [4]. Opisuje ją zależność(1): 3 E λ = λσ sin ϕ (1) gdzie: E λ energia magnetosprężysta, λ współczynnik magnetostrykcji, σ naprężenia mechaniczne, φ kąt między kierunkiem wypadkowego momentu magnetycznego a kierunkiem naprężeń. W ferromagnetykach o dodatnim współczynniku magnetostrykcji λ pod wpływem naprężeń rozciągających następuje wzrost przenikalności magnetycznej materiału; natomiast ściskanie powoduje jej zmniejszenie. Żelazo i jego stopy wykazują różne znaki w zależności od kierunku osi magnesowania (np. dla kierunku [1] λ >, a dla kierunku [111] λ < ). Ponadto dla słabych pól magnetycznych, dla których dokonuje się proces zmniejszania granic domen (kierunek [11] λ > ) przenikalność magnetyczna przy naprężeniach rozciągających wzrasta, a dla silnych pól magnetycznych przenikalność ta maleje.

3 555, B [T], B [T] 1,5 1,, ,5 1,, H [A/m] a) b) Rys. 1. Wpływ naprężeń na charakterystyki magnesowania blachy elektrotechnicznej dla: a) naprężenia rozciągającego o wartościach (1), 5 () oraz 1 N/mm (3) b) naprężenia ściskającego o wartościach (1), 5 () oraz 1 N/mm (3) Fig. 1. Influence of mechanical stress on magnetic characteristics of steel for a) extension stress, b) compression stress H [A/m]. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA PRZETWORNIKA MOMENTU Opisane zjawiska zostały wykorzystane podczas projektowania i budowy przyrządu do bezstykowego pomiaru momentu obrotowego. Wykorzystano ideę torduktora krzyżowego, a dokładniej przetwornika typu I [4]. Zmiany przenikalności magnetycznej obserwowane na powierzchni wału wykonanego ze stopu żelaza, a spowodowane naprężeniami mechanicznymi (np. skręceniem wału momentem T) wpływają na permeancję drogi strumienia magnetycznego wzbudzanego w ferromagnetycznym wale przez zespól cewek P1 i P ( rys. ). Cewki te są umieszczone na ferromagnetycznym blachowanym rdzeniu wzbudnika uformowanym w kształcie litery U. Otwarte końce obwodu magnetycznego zwrócone są w stronę wału. Szczelina powietrzna pomiędzy wałem a nabiegunnikami wzbudnika wynosi zazwyczaj 1 3 mm. Cewki P1-P umieszczone są w płaszczyźnie wyznaczonej przez oś obrotu wału. Drugi podobny układ rdzenia ustawiony jest w osi prostopadłej od osi obrotu. Cewki W1 i W umieszczone na nabiegunnikach drugiego rdzenia stanowią zespół odbiornika sygnału. Uzwojenia P1 i P zasilane są z sinusoidalnego źródła prądu przemiennego. Jeśli na wał nie działa żaden moment zewnętrzny wówczas napięcia indukujące się w uzwojeniach W1 i W wzajemnie się kompensują (przewodności magnetyczne pomiędzy nabiegunnikami odpowiednio P1-W1, W1-P, P-W, W-P1 są jednakowe). Jeśli na wał podziała moment skręcający T wówczas przewodności zmienią się.

4 556 Woltomierz włączony w obwód W1-W wskaże napięcie niezrównoważenia w przybliżeniu proporcjonalne do wartości momentu T. Rys.. Schemat ideowy magnetostrykcyjnego przetwornika momentu Fig.. Scheme of magnetostrictive torque transducer type I 3. OPIS KONSTRUKCJI W prezentowanej konstrukcji, mimo pozornej prostoty, wykonanie symetrycznego magnetowodu przetwornika stwarza sporo trudności zwłaszcza, że obwód ten powinien być blachowany. W zaprojektowanym przetworniku kolumny i jarzmo elektromagnesów przetwornika wykonano z krajowego kompozytu proszkowego (sam materiał oraz elementy konstrukcji wykonano w Instytucie Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej). Materiały te charakteryzują się dużą izotropią własności magnetycznych (bardzo istotne w przypadku rozważanej konstrukcji) oraz małymi stratami wiroprądowymi. Ponadto, kompozyty proszkowe pozwalają w szerokim zakresie sterować własnościami magnetycznymi magnetowodu już na etapie przygotowania kompozytu. Założono, że przetwornik będzie testowany również przy zasilaniu napięciem o podwyższonej częstotliwości. Ze względu na prototypowy charakter konstrukcji wykonano pomiary charakterystyki magnesowania obwodu, a następnie obliczono punkt pracy obwodu magnetycznego. Jako materiał zwory (materiał wału) przyjęto stal konstrukcyjną St3S (z takiego materiału wykonano wał do testów). W obliczeniach uwzględniono rzeczywiste charakterystyki użytych materiałów. Przyjęto, że indukcja w szczelinie powietrznej w najwęższym jej miejscu wynosić będzie,3 T. Założono, że szczelina robocza wynosić będzie 1 mm, a średnica zewnętrzna wału 56 mm. W czasie testów zamiast wału stosowano rurę ze stali St3S o podanej średnicy oraz grubości ścianki 3 mm.

5 557 a) b) Rys. 3. Magnetowód a) oraz złożony przetwornik wraz z uzwojeniami b) Fig. 3. View of magnet circuit a) and the complete transducer b) 4. UWAGI KOŃCOWE Zbudowany przetwornik poddano serii testów. Zmieniano zarówno częstotliwość i amplitudę napięcia zasilającego, wartość i zwrot momentu skręcającego (momentu obciążenia). Wybrane wyniki badań prezentują rysunki 4 i 5. Uw y [mv] T [Nm] Torque direction - cw torque direction - ccw ZERO voltage Rys. 4. Przebieg U wy = f(t) dla napięcia zasilającego U zas = 3 V i częstotliwości f = 5 Hz Fig. 4. The curve of function U wy = f(t) for U zas = 3 VAC and frequency 5 Hz Testy wykazały, że opracowana konstrukcja przetwornika momentu wykazuje spodziewane właściwości. Układ szczególnie dobrze zachowuje się przy zasilaniu podwyższoną częstotliwością. Przebiegi sygnału wyjściowego, tj. U = f(t) są liniowe nawet przy znacznej zmianie wartości momentu obciążenia Układ nie wykazuje obserwowalnej histerezy.

6 558 Uwy [mv] T [Nm] Torque direction - cw ZERO voltage Torque direction - ccw Rys. 5. Przebieg U wy = f(t) dla napięcia zasilającego U zas = 15 V i częstotliwości f = 5 Hz (cw, ccw oznaczenia zgodne z międzynarodowym standardem) Fig. 5 The curve of function U wy = f(t) for U zas = 15 VAC and frequency 5 Hz (cw, ccw in accordance with international standard) Podstawową wadą zbudowanego przetwornika jest obecność napięcia początkowego (w opisach określonego jako ZERO Voltage). Jego wartość została przedstawiona na rysunkach 4 i 5. linią ciągłą. Zależy ona przede wszystkim od wartości napięcia zasilania oraz od staranności ustawienia czujnika względem wału (płaszczyzna wyznaczona przez osie nabiegunników P1-P powinna pokrywać się z osią wału. Na podstawie wyników badań symulacyjnych opracowano i wykonano ferromagnetyczne nakładki na nabiegunniki W1 i W [3]. Poprawiło to liniowość charakterystyk wyjściowych. LITERATURA [1] DĄBROWSKI M., ZGODZIŃSKI T., Wpływ naprężeń mechanicznych wzdłużnych na własności blach magnetycznych, Kołobrzeg: IX Sympozjum EPNC, maj [] HOFFMAN T.J., Mechaniczne aspekty magnetosprężystości, Wydawnictwo Pol. Poz., Poznań. [3] IDZIAK P., ANTCZAK M., Modelowanie magnetostrykcyjnego przetwornika momentu w środowisku COMSOL, SME 8, Szklarska Poręba 8 [4] RIPKA P.: Magnetic sensors and magnetometers, Artech House, Boston, London 1. MAGNETOSTRICTIVE TORQUE TRANSTUCER WITH DIELECTROMAGNETIC CIRCUIT In the paper the possibility of application the magnetostrictive effect for torque measurement have been presented. The new construction of this torque transducer with dielectric magnet circuit cooperated with normal steel shaft has been investigated. The steady state characteristics of one has been presented.