ZASTOSOWANIE METOD OBLICZENIOWYCH DO PROJEKTOWANIA OBWODÓW MAGNETYCZNYCH Z DIELEKTROMAGNESAMI ND-FE-B PRZEZNACZONYCH DO NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Transkrypt

1 Ewa PIOTROWKA-KOKOT Barbara ŚLUAREK ZATOOWANIE METOD OBLICZENIOWYCH DO PROJEKTOWANIA OBWODÓW MAGNETYCZNYCH Z DIELEKTROMAGNEAMI ND-FE-B PRZEZNACZONYCH DO NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH TREZCZENIE Obecnie obór agnesu o obwou agnetycznego napęu eektroagnetycznego z potrzyanie agnese trwały, obywa się na roze testowania oeu. Doświaczenie konstruktora i ostępne na rynku ateriały ają wpływ na rozaj konstrukcji obwou agnetycznego w taki napęzie. Współczesna technoogia pozwaa na wytwarzanie ieektroagnesów o oczekiwanych przez konstruktora właściwościach. Dotyczy to zarówno właściwości fizycznych, takich jak właściwości agnetyczne, echaniczne, eektryczne i tericzne, ae także kształtu geoetrycznego jak i topografii biegunów agnetycznych. Opracowany w Instytucie Eektrotechniki progra wyznaczania charakterystyk ynaicznych z użycie prograu MatLab, uożiwia r inż. Ewa PIOTROWKA-KOKOT e-ai: e.kokot@ie.waw.p Zakła Wysokich Napięć i Aparatury Rozzieczej Instytut Eektrotechniki 4-73 Warszawa, u. Pożaryskiego 28, r hab. inż. Barbara ŚLUAREK e-ai: barbara@itr.org.p Instytut Tee- i Raiotechniczny 3-45 Warszawa, Ratuszowa PRACE INTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 26, 23

2 54 E. Piotrowska-Kokot, B. Śusarek obiczanie złożonych obwoów agnetycznych napęów eektroagnetycznych. Progra ten, wspoagany prograe Fux2D, pozwaa na wytypowanie agnesu trwałego o optyanych a anej konstrukcji właściwościach fizycznych, kształcie i konfiguracji biegunów agnetycznych. Ułatwia to i skraca proces projektowania napęów eektrycznych przeznaczonych a konkretnych urzązeń. W artykue przestawiono obór ieektroagnesów N-Fe-B przeznaczonych o obwou agnetycznego wytypowanego napęu eektrycznego.. WTĘP We współczesnych napęach eektroagnetycznych coraz częściej stosowane są agnesy trwałe. Związane jest to ięzy innyi z rozwoje proukcji ateriałów agnetycznie twarych i pojawienie się szerokiej gay agnesów trwałych o zróżnicowanych właściwościach, wyiarach, kształcie i oczywiście cenie. Napęy eektroagnetyczne wykorzystywane są ięzy innyi w wyłącznikach niskiego, śreniego i wysokiego napięcia, w trakcji, w urzązeniach źwigowych itp. W napęach z potrzyanie agnesai trwałyi stosowane są obecnie spiekane agnesy trwałe ze stopów -Co oraz N-Fe-B. Magnesy te charakteryzują się barzo obryi właściwościai agnetycznyi, uożiwiającyi uzyskanie obrych paraetrów ukłau napęowego, ae waą ich jest wysoka cena. Obecne technoogie wytwarzania agnesów trwałych pozwaają uzyskać agnesy trwałe o gorszych o agnesów spiekanych typu -Co czy N-Fe-B właściwościach agnetycznych, epszych niż właściwości agnesów ferrytowych, ae tańszych o spiekanych agnesów z pierwiastkai zie rzakich. Takii agnesai są ieektroagnesy N-Fe-B. Zaetai takich agnesów jest ożiwość kształtowania zarówno ich właściwości fizycznych, jak i wytwarzania agnesów o skopikowanych kształtach, wysokiej okłaności wyiarowej bez oatkowej obróbki echanicznej. Ich właściwości agnetyczne są wystarczające o wieu zastosowań. Charakterystyka napęu eektroagnetycznego z zastosowanie agnesów trwałych zaeży zarówno o ateriału, z którego wykonano agnes trwały, jak i jego kształtu, wyiarów, a także konfiguracji biegunów agnetycznych. Opowieni narzęzie o wyznaczania charakterystyk ynaicznych napęów eektroagnetycznych jest opracowany w Instytucie Eektrotechniki progra wykonawczy w MATLAB. Wspoagany wuwyiarowy prograe

3 Zastosowanie eto obiczeniowych o projektowania obwoów agnetycznych poowy Fux2D, progra ten uożiwia wytypowanie agnesu trwałego o optyanych a anej konstrukcji właściwościach agnetycznych, kształcie i wyiarach oraz sposobie agnesowania. 2. WYBÓR MAGNEÓW TRWAŁYCH Magnesai, które ze wzgęu na swoje zaety ogą znaeźć zastosowanie w napęach eektroagnetycznych są agnesy wiązane ze stopów N- Fe-B czyi ieektroagnesy N-Fe-B []. Technoogia tego typu agnesów trwałych pozwaa na wytwarzanie, z szybkochłozonej taśy z tego stopu, ieektroagnesów o zróżnicowanych właściwościach agnetycznych ostosowanych o potrzeb konstruktorów obwoów agnetycznych. Możiwe jest wytwarzanie zarówno ieektroagnesów izotropowych jak i anizotropowych. Zaetą ieektroagnesów izotropowych jest ożiwość agnesowania ich we wszystkich kierunkach. Z koei agnesy anizotropowe w stosunku o agnesów izotropowych charakteryzują się większy struienie i większą reanencją przy takiej saej iości ateriału agnetycznego. Technoogia tego typu agnesów trwałych, czyi prasowanie proszku N-Fe-B z żywicą epoksyową, pozwaa na wytwarzanie różnoronych kształtów agnesów. Mały skurcz ateriału uożiwia wytwarzanie ieektroagnesów o okłanościach wyaganych przez obiorców. Przeprowazone wcześniej baania pozwoiły stwierzić, że ożiwe i ceowe jest stosowanie ieektroagnesów N-Fe-B w napęach eektroagnetycznych przeznaczonych o wyłączników energetycznych śrenich i ałych ocy [2]. W prowazonych baaniach wykonano izotropowe ieektroagnesy N-Fe-B o właściwościach agnetycznych przestawionych w tabei. TABELA Właściwości agnetyczne zastosowanych ieektroagnesów N-Fe-B. Rozaj agnesu B r [T] H cj [ka/] H cb [ka/] (BH) MAX [kj/ 3 ] rev Izotropowy, ,34,6

4 56 E. Piotrowska-Kokot, B. Śusarek Paraetry obwou agnetycznego zaeżą o właściwości agnetycznych zastosowanych agnesów, a także o ich objętości, kształtu i topografii biegunów agnetycznych. Kształt i sposób naagnesowania ieektroagnesów przestawiono na rys.. Rys.. Przykłaowe ieektroagnesy N-Fe-B stosowane w prowazonych baaniach. 3. OBLICZENIA OBWODÓW MAGNETYCZNYCH W związku z ożiwością wytwarzania agnesów trwałych o barzo obrych i zróżnicowanych właściwościach agnetycznych istnieje obecnie ożiwość opracowania napęów eektroagnetycznych przeznaczonych o różnych zastosowań, a w związku z ty o zróżnicowanych charakterystykach i konstrukcji. Opracowano założenia konstrukcyjne napęów eektroagnetycznych z zastosowanie ieektroagnesów N-Fe-B przeznaczonych o styczników i wyłączników śrenich napięć i użych ocy wyłączanych. Progra MATLAB pozwaa na syuację etoą obwoową charakterystyk ynaicznych napęu z uwzgęnienie zjawiska histerezy. Anaizę stanów ynaicznych uzupełniono obiczeniai w prograie Fux2D. Wyaga on okreśenia punktu pracy agnesu trwałego na krzywej oagnesowania, co wynika z charakteru pracy napęu eektroagnetycznego. Opracowano założenia konstrukcyjne napęów eektroagnetycznych z ieektroagnesai N-Fe-B w kształcie pierścienia i w kształcie prostopałościanu.

5 Zastosowanie eto obiczeniowych o projektowania obwoów agnetycznych Na postawie oświaczeń z prowazonych wcześniej prac [3, 4, 5] o obiczeń przyjęto trzy rozaje konstrukcji napęów eektroagnetycznych: bezjarzowy napę cyinryczny o styczników, bezjarzowy oułowy napę cyinryczny o wyłączników użych ocy wyłączanych, napę z prostopałościenny ukłae agnetyczny. PRZYKŁADY ROZWIĄZAŃ KONTRUKCYJNYCH NAPĘDÓW ELEKTROMAGNEOWYCH Z PODTRZYMANIEM MAGNEEM TAŁYM a). Bezjarzowy napę cyinryczny cheat napęu eektroagnetycznego, cyinrycznego, bez jarza, z agnesai trwałyi, przestawiono na rys.2. Rys.2. Wiok napęu w przekroju. Oznaczenia: agnes trwały, 2 nakłaka agnetyczna, 3 pokłaka agnetyczna, 4 eastyczna przekłaka agnetyczna, 5 wkłaka tefonowa, 6 zwora, 7 trzpień, 8 wałek, 9 tuejka, cewka górna, cewka ona, 2 ukła cięgien i źwigni, 3 styk ruchoy, 4 styk nieruchoy.

6 58 E. Piotrowska-Kokot, B. Śusarek Ukła skłaa się z wóch pierścieniowych agnesów trwałych, pierścieniowej zwory agnetycznej zaocowanej ruchoo poięzy woa położeniai stabinyi i eeentu o przestawiania zwory z jenego położenia stabinego w rugie. W pierwszy położeniu stabiny eeenty napęu tworzą pierwszą część obwou agnetycznego o użej reuktancji i rugą część obwou o ałej reuktancji. W rugi położeniu stabiny eeenty napęu tworzą pierwszą część obwou o ałej reuktancji i rugą część obwou agnetycznego o użej reuktancji. Opracowany ukła charakteryzuje się ty, że w oróżnieniu o otychczasowych rozwiązań posiaa profiowane powierzchnie boczne nakłaek i profiowane powierzchnie boczne pokłaek. iła naciągu agnetycznego w ty ukłazie wynosi 57 N. Rys.3. cheat napęu z uwiocznioną połową przekroju poprzecznego. Linie poa agnetycznego w stanie bezprąowy. iła naciągu agnetycznego: 57N. Wykonany w Instytucie Eektrotechniki bezjarzowy napę eektroagnetyczny cyinryczny [6] różni się o otychczasowych rozwiązań ty, że ięzy zworą i nakłaką uieszczono przekłakę z eastycznego ateriału agnetycznego o wzgęnej przenikaności agnetycznej większej o,. Założenia konstrukcyjne prezentowanego napęu uożiwiają stosowanie agnesów trwałych o różnych własnościach agnetycznych [5].

7 Zastosowanie eto obiczeniowych o projektowania obwoów agnetycznych b). Bezjarzowy oułowy napę cyinryczny Rys.4. cheat napęu z cyinryczny ukłae agnetyczny wraz z ukłae zasiania. Zasaa ziałania urzązenia scheatycznie przestawionego na rys.4. jest taka saa, jak bezjarzowego napęu cyinrycznego (rys.2, 3). Zwora skłaa się z wóch części: górnej i onej, osazonych na ty say wałku. Moułowy ukła agnetyczny uożiwia uzyskanie powojonej siły naciągu agnetycznego (2x2N) w górny położeniu górnej części zwory z wykorzystanie onej pułapki agnetycznej a onej części zwory. Prezentowany rozaj napęu zasaniczo różni się o otychczas stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych. c). Napę z prostopałościenny ukłae agnetyczny Rys.5. Linie poa agnetycznego poczas otwierania. Poe agnetyczne aktywnej cewki prąowej przeciwziała sie przyciągania zwory (3N) o górnej części jarza wytworzonej przez agnes trwały.

8 E. Piotrowska-Kokot, B. Śusarek 6 Prezentowany rozaj napęu stwarza ożiwości wykonania go w postaci cyinrycznej. Jak wykazano w [9] agnes potrzyujący (śrokowy) izotropowy agnesowany proieniowo pozwaa na uzyskanie opowieniej siły naciągu agnetycznego. Taką konstrukcję ożna wykonać wyłącznie w oparciu o proukcję krajową. ZAADY WYZNACZANIA CHARAKTERYTYK DYNAMICZNYCH Z UWZGLĘDNIENIEM ZJAWIKA HITEREZY [3] Zakłaając brak struienia rozproszenia ożna przyjąć, że struień inukcji wytworzony przez agnesy stałe zayka się w obwozie agnetyczny poprzez koory powietrzne po obu stronach zwory (rys.3): Φ 2 = Φ Φ a siłę naciągu agnetycznego okreśa wyrażenie: Φ Φ = s s s F Wyrażenie a struienia skojarzonego Ψ, w obwozie o ziennej reuktancji agnetycznej (rys. 4) wyznacza się z ukłau równań: ( ) ( ) = Φ Φ Φ 2 ) ( ) ( s s H J i N H J z z gzie: Φ struień inukcji w agnesie trwały, Φ, Φ 2 struienie inukcji w koorach, ługość rogi struienia Φ w agnesie, ługość rogi struienia inukcji w szczeinie górnej, z ługość rogi struienia Φ w powietrzu z ewej strony zwory,

9 Zastosowanie eto obiczeniowych o projektowania obwoów agnetycznych... 6 z ługość rogi struienia Φ 2 w powietrzu z prawej strony zwory, ługość koory powietrznej gy zwora przyega o jarza, powierzchnia czynna agnesu trwałego, czynna powierzchnia górna zwory, s czynna powierzchnia boczna zwory, N iość zwojów, I prą w obwozie sterowania, J(H) poaryzacja ateriału agnetycznie twarego oeowana w [8]. Wprowazając o w/w ukłau równań paraetryczno-kataogowy (P-K) oe histerezy [], wyznaczono przy użyciu prograu DERIVE, wyrażenia anaityczne na pochone struienia Ψ=NΦ 2, które funkcjonują w MATLABie w postaci poprograów []. Wynikie obiczeń rozkłaów inii sił poa agnetycznego wykonanych prograe FLUX2D są wykresy przestawione na rys.2, 3 i 4 z uwiocznioną konstrukcją napęów. 4. WNIOKI W artykue zaprezentowano trzy rozwiązania konstrukcyjne napęów eektroagnetycznych. Bezjarzowy ukła agnetyczny napęu cyinrycznego (a) konstruowano w oparciu o anizotropowe agnesy cyinryczne agnesowane osiowo. Konstrukcja tego napęu jest chroniona zastrzeżenie patentowy [5]. Ukłay agnetyczne o konstrukcji przestawionej w (a) zbuowano w oparciu o agnesowane proieniowo izotropowe agnesy cyinryczne. Taka konstrukcja wyaga stosowania jarza zaykającego obwó agnetyczny. Ukła agnetyczny prostopałościenny skłaa się z kikunastu agnesów prostopałościennych ustawionych w śrokowej części jarza biegunai jenoiiennyi naprzeciw siebie. Przestawione konstrukcje ogą być oyfikowane poprzez stosowanie agnesów o różnych właściwościach agnetycznych. LITERATURA. Śusarek B: Dieektroagnesy a aszyn eektrycznych ałej ocy rozprawa oktorska Poitechnika Warszawska, Warszawa Piotrowska-Kokot E., Śusarek B.: Projektowanie wysokoenergetycznych ukłaów agnetycznych z agnesai trwałyi, VII Konferencja Naukowo-Techniczna ''Zastosowanie Koputerów w Eektrotechnice'' Poznań/Kiekrz kwietnia 22, Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej, str

10 62 E. Piotrowska-Kokot, B. Śusarek 3. Dzierżyński A., Piotrowska-Kokot E., ibiski H.: Nowoczesne wyłączniki niskiego napięcia z napęe eektroagnetyczny z potrzyanie agnese stały wyniki obiczeń, Koitet Eektrotechniki PAN ekcja ''Wiekich Mocy i Wysokich Napięć'' einariu Naukowe 22 istopaa Dzierżyński A., Piotrowska-Kokot E., ibiski H.: Napę eektroagnetyczny bistabiny z agnese trwały. Zgłoszenie patentowe nr P (22) 5. Piotrowska-Kokot E., Dzierżyński A., ibiski H.: Napę eektroagnetyczny cyinryczny z agnesai trwałyi. Zgłoszenie patentowe nr P (22) 6. Piotrowska-Kokot E., Dzierżyński A.: Propozycja konstrukcji bezjarzowego ukłau agnetycznego napęu stycznika, Konferencja: ''Łączniki 2'' Pieczyska k/koronowa, 2-22 Maj 22, Materiały Konferencji, str Piotrowska-Kokot E.: iuation of Magnetizing Process with Hysteresis Phenoenon Moeing for Peranent Magnet, INTERNATIONAL XII YMPOIUM ON MICROMACHINE AND ERVODRIVE MI'2, Kaień Śąski, -4 epteber Piotrowska-Kokot E.: iuation of Magnetizing Process with Hysteresis Phenoenon Moeing for Peranent Magnet, INTERNATIONAL XII YMPOIUM ON MICROMACHINE AND ERVODRIVE MI'2, Kaień Śąski, -4 epteber 2, Materiały Konferencji, str Piotrowska-Kokot E.: Wybrane aspekty syuacji procesu agnesowania agnesów, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, NR 4, 2,str.-2.. Piotrowska-Kokot E.: yuacja przebiegów prąowych w uzwojeniu agnesujący agnes trwały, PRACE INTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, NR 29,2,str Dzierżyński A., Piotrowska-Kokot E., ibiski H.: Napę eektroagnetyczny z potrzyanie agnese trwały, VII Konferencja Naukowo-Techniczna ''Zastosowanie Koputerów w Eektrotechnice'' Poznań/Kiekrz Apri 22, Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej, str Piotrowska-Kokot E., Dzierżyński A.: Propozycja konstrukcji bezjarzowego ukłau agnetycznego napęu stycznika, Konferencja: ''Łączniki 2'' Pieczyska k/koronowa, 2-22 Maj 22(ref.). 3. Dzierżyński A., Piotrowska-Kokot E.: Koputerowa etoa oboru paraetrów eektroagnetycznego napęu bistabinego z agnesai trwałyi o szybkich ukłaów napęowych, DOKUMENTACJA TECHNICZNA Nr 686/NWR/, Zakła Wysokich Napięć, Instytut Eektrotechniki, Warszawa 2. Rękopis ostarczono, nia r. Opiniował: Maria Des, Krzysztof Kuszczyński

11 Zastosowanie eto obiczeniowych o projektowania obwoów agnetycznych APPLICATION OF MATHEMATICAL METHOD TO DEIGN MAGNETIC CIRCUIT WITH ND-FE-B DIELECTROMAGNET FOR ELECTRICAL DRIVE Ewa PIOTROWKA-KOKOT ) Barbara ŚLUAREK 2) ABTRACT Presenty the peranent agnet s seection for agnetic circuit of eectroagnetic rive are perfore by oe testing. Designer s experience an aterias accessibe on the arket ecie of the construction of agnetic circuit in projecte rive. Toay s technoogy aows to prouce ieectroagnets with properties requeste by esigner. uch possibiity concern both physica properties of ieectroagnets as agnetic, echanica, eectrica an thera properties an aso shape an iensions an agnet s poes configuration. Designe in Eectrotechnica Institute coputer prograe with MatLab prograe utiisation is intene to cacuate the copicate agnetic circuits of eectroagnetic rives. uch prograe supporte with Fux2D aows to seect peranent agnet with physica properties, shape an poes configuration optia for specific construction. It akes easier an cut short esigning process of eectric rives for specific evices. The papers present the seection of N-Fe-B ieectroagnets for agnetic circuit of soe eectrica rives. ) 2) Ph. D. Eng., Eectrotechnica Institute, 4-73 Warsaw, 28 Pożaryskiego tr, Poan, te. (22) , e-ai: e.kokot@ie.waw.p D. c, Tee & Raio Research Institute, 3-45 Warsaw, Ratuszowa tr, Poan te. (22) w. 265, e-ai: barbara@itr.org.p