ANALIZA I BADANIE MAGNETOREOLOGICZNEGO SPRZĘGŁA ROZRUCHOWO-PRZECIĄŻENIOWEGO

Transkrypt

1 ` Mazyy Elektrycze Zezyty Prblemwe Nr 3/25 (7) 27 Cezary Jędryczka, Wjciech Szeląg, Adam Myzkwki, Mariuz Barańki, Plitechika Pzańka ANALIZA I BADANIE MAGNETOREOLOGICZNEGO SPRZĘGŁA ROZRUCHOWO-PRZECIĄŻENIOWEGO ANALYSIS AND TESTING OF THE MAGNETORHEOLOGICAL STARTING- OVERLOAD CLUTCH Strezczeie: W artykule przedtawi budwę i zaadę działaia przęgła rzruchw-przeciążeiweg atawiaym mmecie brtwym przęgającym. W przęgle, jak medium rbcze zatwa ciecz magetrelgiczą (ag. magetrhelgical fluid, MRF). Natawę mmetu przęgająceg realizuje ię pprzez zmiaę pla magetyczeg w bzarze z cieczą MR. Jak źródł pla magetyczeg wykrzyta magey trwałe wykae ze pieku edymu żelaza i bru. D aalizy, wyzaczeia parametów fukcjalych raz prjektwaia przęgła wykrzyta plwy algrytm i prgram kmputerwy d ymulacji ieutalych przężych zjawik elektrmagetyczych, ferrhydrdyamiczych i cieplych. W rzważaiach uwzględi także dyamikę elemetów ruchmych układu apędweg kładająceg ię z ilika apędweg, przęgła i bciążeia. Zbudwae przęgł magetrelgicze wykrzyta d pprawy ychrizacji magetelektryczeg ilika ychriczeg rzruchu bezpśredim (ag. Lie Start Permaet Maget Sychru Mtr, LSPMSM) apędzająceg wetylatr przemyłwy. Przedtawi wybrae rezultaty badań ymulacyjych i ekperymetalych ptwierdzające przydatść pracwaeg przęgła d pprawy ychrizacji ilika bciążeg wetylatrem charakteryzującym ię dużym mmetem bezwładści. Abtract: I the paper the deig ad the priciple f perati f the verlad-tartig clutch have bee preeted. I prped clutch the magetrhelgical fluid (MRF) ha bee ued a a wrkig medium. The chage f the clutchig trque i achieved by chage f the magetic flux deity excited by permaet maget i the area f MRF. The field mdel, algrithm f lvig cupled equati ad develped ftware fr aalyi f cupled traiet electrmagetic, ferrhydrdyamic ad thermal phemea have bee preeted. The equati f mechaical equilibrium f the mvable elemet have bee take it accut. The prttype f deiged clutch ha bee ued t imprve ychrizati f the lie tart permaet maget ychru mtr (LSPMSM) drivig the idutrial fa. The elected reult f the experimet have bee preeted. Obtaied reult hw that elabrated clutch uccefully imprve ychrizati f teted mtr fr high iertia fa lad. Słwa kluczwe: ciecz magetrelgicza, zjawika przęże, ychrizacja magetelektryczeg ilika ychriczeg rzruchu bezpśredim, LSPMSM Keywrd: magetrhelgical fluid, cupled phemea, ychrizati f the lie tart permaet maget ychru mtr, LSPMSM. Wtęp Lepkść cieczy magetrelgiczych zmieia ię pd wpływem zewętrzeg pla magetyczeg [3,8]. Efekt te z pwdzeiem wykrzytuje ię d budwy przetwrików elektrmechaiczych, w których jak medium przezące iły bądź mmety brtwe wykrzytuje ię ciecze MR [3,4,6,7,8]. Opracwae atawiale przęgł magetrelgicze wzbudzeiu paywym umżliwia graiczaie przezeg mmetu dyamiczeg pmiędzy elemetami układu apędweg. Z teg względu mże być wykrzytywae jak elemet graiczający arażeia związae z dyamiczymi zmiaami mmetu elektrmagetyczeg apędweg lub bciążeia. Udarwe przetężeia raz duża dyamika zmia mmetu elektrmagetyczeg wytępują zazwyczaj pdcza tzw. rzruchu bezpśredieg ilików elektryczych. Jeśli źródłem zaburzeia mmetu jet ilik, t elemetem chriym przez przęgł jet dbirik. Natmiat przy dyamiczych zmiaach bciążeia elemetem chriym jet ilik apędwy, a przęgł realizuje fukcję przeciw przeciążeiwą. W pracwaym przęgle magetrelgiczym mmety dyamicze miejze d atawieg mmetu brtweg przęgająceg ą przeze przez przęgł bez pślizgu. Natmiat jeśli mmet brtwy apę-

2 28 Mazyy Elektrycze Zezyty Prblemwe Nr 3/25 (7) dwy lub mmet prwy przekrczy mmet atawiy, t wały wejściwy i wyjściwy zaczyają bracać ię z różą prędkścią. Przezy wówcza przez przęgł mmet brtwy jet rówy mmetwi atawiemu. Budwę raz widk rzpatrywaeg przetwrika zaprezetwa a ry.. W przęgle wykrzyta zaprpway w pracy [5] pób atawy przezeg mmetu przęgająceg przez zmiaę trumieia magetyczeg w bzarze cieczy MR. Strumień te reguluje ię przez zmiaę płżeia zwry, a więc i długści zczeliy pmciczej δ r (ry. ). D aalizy przęgła wykrzyta plwy mdel zjawik przężych przedtawiy w rzdziale 2. Ry.. Przekrój raz widk 3D rzpatrywaeg przęgła rzruchw przeciążeiweg 2. Plwy mdel zjawik przężych W rzpatrywaym przęgle, ple magetycze w zczeliach z cieczą magetrelgiczą zależy d płżeia zwry talwej (ry. ). Wzrt atężeia teg pla prwadzi d zaczeg wzrtu lepkści cieczy, zwiękzeia iły tarcia między elemetami ruchmymi, a więc i zwiękzeia mmetu przęgająceg wiriki przęgła. Zmiaa mmetu apędweg i prweg wpływa a prędkść pdzepłów ruchmych, a więc i a rzkład prędkści w cieczy. Od pla prędkści raz pla magetyczeg zależą lepkść, aprężeia i tarcie wewętrze w cieczy. Tarcie t jet źródłem trat mcy i prwadzi d zmiay temperatury cieczy. Straty mcy pwtają rówież w łżykach, uzczelieiach, a przy zmiaach pla magetyczeg także w bwdzie magetyczym przęgła [6,7]. Nagrzewaie ię pdzepłów przęgła prwadzi d zmia właściwści elektryczych, magetyczych raz relgiczych zatwaych w przęgle materiałów. Zmiay te wpływają a zachwaie ię przęgła zarów w dyamiczych jak i utalych taach pracy układu. Z pwyżzych względów w pracwaym mdelu matematyczym przęgła rówaia piujące ieutale przęże zjawika elektrmagetycze, hydrdyamicze i cieple rzpatruje ię łączie z rówaiem dyamiki układu. Złże pwiązaia zjawik elektrmagetyczych, hydrdyamiczych raz mechaiczych kmplikują aalizę pracy prezetwaeg payweg przęgła magetrelgiczeg. Zatway d aalizy przęgła plwy mdel ieutalych zjawik przężych w przetwrikach z cieczą MR ztał zczegółw zaprezetway przez autrów między iymi w pracach [4,6,7]. D frmułwaia mdelu dykreteg zjawik wykrzyta metdę elemetów kńczych [7]. Uzykay w wyiku dykretyzacji przetrzei i czau mdel bejmuje rówaia piujące ple magetycze: S ϕ, Θ ϕ = θ, () ( ) ple prędkści cieczy (, Θ) + ( t) M] φ = ( t) M B [ F ϕ φ +, (2) raz ple temperatury ( Θ) ( ) G] Θ = ( t) GΘ P [ K + t +, (3) gdzie: umer chwili czawej, t długść krku czaweg, S, F, K macierze ztywści układu dpwiedi dla pla magetyczeg, pla prędkści cieczy raz pla temperatury; ϕ, φ,θ wektry ptecjałów węzłwych ϕ, φ i Θ ; θ wektr piujący źródła pla magetyczeg, M macierz elemetach zależych d mmetu bezwładści elemetarych pierściei ufrmwaych przez iatkę dykretyzującą, B macierz waruków brzegwych dla pla prędkści cieczy; G macierz elemetach zależych d pjemści cieplej, P macierz wymuzeń elemetach zależych d gętści trat mcy. W rzważaiach uwzględi rówaia dyamiki elemetów ruchmych. Strukturę aalizwaeg układu apędweg pkaza a ry. 2.

3 ` Mazyy Elektrycze Zezyty Prblemwe Nr 3/25 (7) 29 Ry. 2. Schemat rzważaeg układu apędweg Przypiezeie kątwe ε wirika ilika dla układu z przęgłem rzruchw-przeciążeiwym uytuwaym między wałami ilika i urządzeia apędzaeg mża piać zależścią M ( ω ) M p( ω ω ) ε =, (4) J + J r a przypiezeie kątwe ε wału bciążeia rówaiem M ε = p ( ω ω ) M ( ω ) J r 2 + J gdzie: ( ) ilika, M ( ω ), (5) M ω mmet apędwy a wale ω zależy d różicy p prędkści brtwych wałów mmet pślizgu a przęgle, M ( ω ) mmet prwy a wale urządzeia apędzaeg, M ( ω ) mmet prwy urządzeia apędzaeg przy zamiwej prędkści kątwej ω wału, J mmet bezwładści pdzepłów wirujących w iliku, J r mmet bezwładści elemetów wirujących a wejściu przęgła, J r2 mmet bezwładści elemetów wirujących a wyjściu przęgła, J mmet bezwładści układu apędzaeg. W celu uikięcia pracy przęgła z pślizgiem przy zadaym mmecie bciążeia M ( ω ) atawiay mmet przęgający M mui pełi waruek M p M ( ω ). Przy ztywym płączeiu wału ilika i urządzeia apędzaeg rówaie dyamiki przyjmuje ptać M ( ω ) M ( ω ) ε =, (6) J + J r + J r2 + J Uzykae z rówań (4)-(6) w wyiku dykretyzacji czau rówaia różicwe rzwiązuje ię łączie z rówaiami ()-(3). D rzwiązaia trzymaeg w te pób układu ieliiwych rówań algebraiczych wykrzytuje ię algrytm Newta-Rapha i metdę relakacji blkwej [7]. p D piu właściwści relgiczych cieczy MR wykrzyta mdel cieczy ieewtwkiej zaprpway przez Bighama [3,8]. W pracwaym algrytmie aalizy zjawik a pdtawie uzykaeg rzkładu prędkści ściaia cieczy wyzaczae ą aprężeia tycze raz mmet przęgający M p. D umeryczeg wyzaczeia wartści teg mmetu wykrzyta pdejście całkwe zaprpwae w [6]. Mmet przęgający ma dwie kładwe: tatyczą zależą d wartści i rzkładu pla magetyczeg raz dyamiczą wyikającą z aktualeg rzkładu pla prędkści cieczy M M ( B + M ω ω, (7) p = p _ tat ) p _ dy ( ) Na pdtawie przedtawieg algrytmu plwej aalizy ieutalych zjawik przężych pracwa autrki prgram kmputerwy MR_SYM_ui d ymulacji taów pracy i wyzaczaia parametrów fukcjalych przęgła magetrelgiczeg [6]. Prgram te wykrzyta d zaprjektwaia raz przeprwadzeia badań ymulacyjych prezetwaeg przęgła. 3. Badaia ymulacyje W celu ptwierdzeia mżliwści terwaia mmetem brtwym przezym przez pracwae przęgł raz zbadaia jeg przydatści d pprawy ychrizacji magetelektryczych ilików ychriczych przytwaych d rzruchu bezpśredieg przeprwadz zereg badań ymulacyjych przy wykrzytaiu prgramu MR_SYM_ui. Rzpatrywa zarów utale, jak i ieutale tay pracy układu. Aalizway bzar zdykretyzwa za pmcą k. 97 elemetów trójkątych raz 2 elemetów czwrkątych. Wykrzytaą d bliczeń iatkę dykretyzującą raz pwiękzy jej fragmet bejmujący bzar z cieczą MR raz mageem trwałym pkaza a ry. 3. Ry. 3. Siatka dykretyzująca

4 3 Mazyy Elektrycze Zezyty Prblemwe Nr 3/25 (7) W pierwzym etapie badań rzpatrywa tay pracy utale. Wyzacz m.i. charakterytyki regulacyje M p (δ r ) dla = ct (ry. 4) raz bada wpływ zmiay długści zczeliy δ r a rzkład pla prędkści cieczy i rzkład liii ił pla magetyczeg w przęgle (ry. 5-7). Z ryuków 5 d 7 wyika, że płżeie zwry, pprzez zmiaę reluktacji bwdu zwierająceg trumień mageu, wpływa a wartść trumieia główeg w bzarze zczeli z cieczą MR. M p [Nm] M p [Nm] Ry. 4. Charakterytyka regulacyja mmetu przęgająceg M p =f(δ r ) W badaiach załż tałą temperaturę cieczy raz elemetów rdzeia. Ry. 5. Liie ił pla magetyczeg (p lewej) raz w pwiękzeiu rzkład pla prędkści cieczy dla δ r rówej,5mm Ry. 6. Liie ił pla magetyczeg (p lewej) raz w pwiękzeiu rzkład pla prędkści cieczy dla δ r rówej,5mm δ r δ r Ry. 7. Liie ił pla magetyczeg (p lewej) raz w pwiękzeiu rzkład pla prędkści cieczy dla δ r rówej mm W klejym etapie badań rzpatrywa tay pracy ieutale. Aalizwa m.i. zjawika cieple w przęgle pdcza rzruchu układu apędweg. Przyjęt, że układ te kłada ię z ilika LSPMSM, przęgła i kaałweg wetylatra przemyłweg. Przy prjektwaiu przęgła dąż d miimalizacji mmetu bezwładści pdzepłu wpółpracująceg z ilikiem apędwym. Wyzacze za pmcą pracwaych prcedur mmety bezwładści wirika dwucylidrweg raz wirika zewętrzeg (ry. ) wyiły dpwiedi J r =,28 kgm 2 i J r2 =,94 kgm 2. Przyjęt, że wetylatr jet apędzay trójfazwym czterbieguwym ilikiem LSPMSM mcy zamiwej P N 3,8 kw [,2]. Charakterytykę mechaiczą wetylatra pkaza a ry. 8. W bliczeiach ymulacyjych przyjęt mmet bezwładści wirika wetylatra J w =.222 kgm M [Nm] 2 [rpm] Ry. 8. Charakterytyka mechaicza wetylatra przemyłweg Kmplekwa plwa ymulacja dyamiki całeg rzpatrywaeg układu apędweg wymagałaby zatwaia plweg mdelu zjawik przężych rówież d aalizy prceu rzruchu ilika []. W celu uprzczeia algrytmu aalizy układu apędweg i króceia czau bliczeń ujęcie plwe wykrzyta tylk d aalizy zjawik przężych w przęgle. Silik apędwy dwzrwa w

5 Mazyy Elektrycze Zezyty Prblemwe Nr 3/25 (7) pób uprzy. Załż, że zaa jet jeg charakterytyka mechaicza. Dla tak frmułwaeg prblemu aalizwa m.i. wpływ rzruchu bezpśredieg a rzkład i przebieg temperatury w przęgle. Otrzymae rzkłady temperatury dla wybraych chwil zaprezetwa a ry. 9. W celu prówaia rzkładów pla a wzytkich ryukach zachwa tę amą względą kalę temperatury. 3 trukcję raz zbudwa prttyp magetrelgiczeg przęgła rzruchw-przeciążeiweg. Pdtawwe pdzepły raz widk zmtwaeg prttypu pkaza a ry.. Zwra raz wał wyjściwy Wirik zewętrzy (wyjściwy) Wirik dwucylidrwy Widk p mtażu i apełieiu przęgła cieczą MR pdzepły Pdtawwe Ry.. raz widk zmtwaeg prttypu przęgła Baday układ apędwy pkaza a ry.. D pmiaru i rejetracji wielkści elektryczych i mechaiczych wykrzyta głwicę temetryczą MT- firmy SerAT raz kartę pmiarwą Natial Itrumet wypażą w zetaw przetwrików prądwych i apięciwych LEM. Wetylatr kaałwy Głwica temetrycza Badae przęgł z cieczą MR Ry. 9. Rzkład temperatury w przęgle dla wybraych chwil czawych 4. Sychrizacja ilika LSPMSM badaia ekperymetale W celu weryfikacji przydatści zaprpwaeg algrytmu i prgramwaia d aalizy zjawik przężych pracwa k- ` Silik LSPMSM Prądica tachmetrycza Ry.. Baday układ apędwy Pdtawwym celem przeprwadzych badań był zbadaie prceu ychrizacji ilika LSPMSM apędzająceg bciążeie dużym mmecie bezwładści. Zarejetrwae przebiegi prędkści brtwych ilika i wetylatra, mmetu brtweg a wale wyjściwym przęgła raz przebiegi prądów fazwych pdcza rzruchu pkaza a ry. 2. Przebiegi wielkści mechaiczych wykreśl w jedtkach względych. Chwilwe wartści prędkści i mmetu diei dpwiedi d 5 br/mi raz Nm.

6 32 Mazyy Elektrycze Zezyty Prblemwe Nr 3/25 (7) Ry. 2. Przebiegi prędkści brtwych ilika i wetylatra, mmetu wyjściweg M (t) raz prądów fazwych pdcza rzruchu bezpśredieg rzpatrywaeg układu apędweg 5. Pdumwaie i wiki Przeprwadze badaia ymulacyje taów utalych i przejściwych ptwierdzają mżliwść regulacji mmetu przęgająceg pprzez zmiaę płżeia zwry. Z przeprwadzych badań ymulacyjych taów ieutalych wyika, że układ ztał zaprjektway pprawie, tj. uzykiwae pdcza rzruchów przyrty temperatury ą zaczie iżze d dpuzczalych dla cieczy MR i mageów trwałych. Aalizując rezultaty przeprwadzych badań ekperymetalych mża padt zauważyć, że prce ychrizacji ilika LSPMSM dbywa ię bez przezkód. Silik uzykuje prędkść ychriczą już p ekudzie, a wirik wetylatra p czaie 2. ekudy. Dla prówaia prce ychrizacji układu apędweg bez przęgła trwał kł 5 ekud. Z puktu widzeia dyamiki całeg układu apędweg, zaprpwae przęgł graicza mmet przezy z mazyy apędwej d wartści atawiej a przęgle. Z teg względu adwyżka mmetu apędweg geerwaa przez wał ilika jet zużyta w całści a rzpędzeie wału ilika d prędkści ychriczej, atmiat bciążeie jet rzpędzae mmetem mialym przęgła. Eergia wyikająca z różicy prędkści brtwych pdcza rzruchu raz mmetu mialeg ztaje zamieia a ciepł wydzielae w przęgle. Dzięki zatwaiu prezetwaeg przęgła mmet bezwładści układu apędzaeg ie wpływa a cza rzruchu ilika LSPMSM, wpływa jedyie a cza rzpędzeia bciążeia i a ilść wydzielaeg w cieczy ciepła. 6. Literatura [] Barańki M., Szeląg W., Jędryczka C., Mikłajewicz J., Łukazewicz P.: Aaliza i badaie ilika ychriczeg rzruchu bezpśredim i mageach w wiriku rzłżych w kztałcie litery U. Przegląd Elektrtechiczy, R. 89, Nr 2b/ [2] Idziak P., Barańki M., Łykawińki W., Kwalki K., Ocea wybraych parametrów eergetyczych mdelwych ilików prądu przemieeg małej mcy różych ktrukcjach wirika, Zezyty Prblemwe - Mazyy Elektrycze r, 23, wyd. BOBRME Kmel,, [3] Ngatu, G.T.; Wereley, N.M., Vicmetric ad Sedimetati Characterizati f Bidipere Magetrhelgical Fluid, Magetic, IEEE Traacti, vl.43,.6, pp.2474,2476, Jue 27 [4] Jędryczka C., Sujka P., Szeląg W.: The ifluece f magetic hyterei magetrhelgical fluid clutch perati, COMPEL, Vl. 28 N. 3, 29, pp [5] Jędryczka C., Szeląg W.: Spób regulacji mmetu przęgająceg w magetrelgiczym przęgle wiktyczym, patet r P-39466, Urząd Patetwy Rzeczypplitej Plkiej, Uzaie patetu - Warzawa r. [6] Jędryczka C., Szeląg W., Wjciechwki R., FE Aalyi f Magetrhelgical Brake with Hybrid Excitati, SELM 23, 5 8 May 23, Zawiercie, Plad, lie: [7] Szeląg W.: Przetwriki elektrmagetycze z cieczą magetrelgiczą, Wydawictw Plitechiki Pzańkiej, Pzań 2. [8] Yadmellat, P.; Kermai, M.R., Adaptive Mdelig f a Magetrhelgical Clutch, Traacti Mechatric, IEEE/ASME, vl.9,.5, pp , Oct. 24 di:.9/tmech Autrzy dr iż. Cezary Jędryczka, cezary.jedryczka@put.pza.pl, prf. dr hab. iż. Wjciech Szeląg, wjciech.zelag@put.pza.pl, dr iż. Mariuz Barańki, mariuz.baraki@put.pza.pl, dr iż. Adam Myzkwki, adam.myzkwki@put.pza.pl Plitechika Pzańka, Itytut Elektrtechiki i Elektriki Przemyłwej, Pzań, ul. Pitrw 3A,