Elektromagnesy prądu stałego cz. 1

Transkrypt

1 Jakub Wierciak Elektromagnesy cz. 1 Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Struktura elektrycznego układu napędowego (Wierciak 2000) UKŁAD NAPĘDOWY Sygnały sprzężenia zwrotnego Obciążenie elektryczne Zredukowane obciążenie Obciążenie Sygnały sterujące Sterownik Siłownik elektryczny Układ przeniesienia napędu Napędzany mechanizm Napięcia sterujące Energia mechaniczna Energia mechaniczna Energia elektryczna Napęd elektryczny

3 Siłowniki elektryczne w urządzeniach mechatronicznych (Isermann 2005, Pochanke 1996) Siłowniki o ruchu liniowym - silniki liniowe - elektromagnesy Siłowniki o ruchu obrotowym - silniki - silniki indukcyjne - silniki synchroniczne - silniki skokowe - silniki jednofazowe komutatorowe - silniki o innych zasadach konstrukcyjnych

4 Silniki elektryczne o ruchu obrotowym (Isermann 2005) Silnik obcowzbudny szeregowy trójfazowy asynchron. trójfazowy synchroniczny jednofazowy uniwersalny jednofazowy asynchron. z kondensatorem jednofazowy asynchron. Ferrarisa Schemat elektryczny Charakterystyka mechaniczna Sterowane charakterystyki Zmienne sterujące

5 Zasady działania siłowników elektrycznych (Heimann, Gerth, Popp 2001) Z wykorzystaniem siły Lorenza (elektrodynamiczne) - silniki - silniki indukcyjne - silniki liniowe - silniki jednofazowe komutatorowe Z wykorzystaniem siły reluktancji (elektromagnetyczne) - elektromagnesy - silniki skokowe - silniki synchroniczne

6 Schemat budowy elektromagnesu klapkowego (Jaszczuk 1996) 1 zwora, 2 rdzeń magnetyczny, 3 uzwojenie wzbudzające strumień magnetyczny; F siła przyciągania zwory, s szczelina powietrzna, Φ strumień magnetyczny, i prąd wzbudzający

7 Prosty obwód magnetyczny i jego schemat zastępczy (Isermann 2005) B Indukcja magnetyczna B E B L R me reluktancja magnetyczna rdzenia R ml reluktancja magnetyczna szczeliny Prawo siły magnetomotorycznej N liczba zwojów cewki I prąd cewki Φ strumień magnetyczny HE le HL ll Θ przepływ (siła magnetomotoryczna) B indukcja (B E w rdzeniu, B L w szczelinie) H natężenie pola magnetycznego (H E w rdzeniu, H L w szczelinie) N I Θ

8 Krzywe magnesowania materiału ferromagnetycznego (Isermann 2005) B indukcja H natężenie pola magnetycznego 1 krzywa magnesowania pierwotnego 2 pętla histerezy

9 Prawo Ohma dla obwodów magnetycznych (Isermann 2005) Prawo siły magnetomotorycznej Φ l E E A ll L A Θ Reluktancja (opór magnetyczny) Prawo Ohma dla obwodów magnetycznych R m l A ΦR R Θ me ml R m Φ Θ

10 Strumień skojarzony (Isermann 2005) N N A Bd A N Dla obwodów liniowych N A Bd A LI Vs mn / A B indukcja Ψ strumień skojarzony z cewką N liczba zwojów L d - indukcyjność dynamiczna Dla obwodów nieliniowych d L d d I

11 Indukcyjność elektromagnesu (Isermann 2005) L Ψ I N 2 Φ Θ N 2 1 R m B indukcja N liczba zwojów I prąd L indukcyjność R m reluktancja magnetowodu Φ strumień magnetyczny Ψ strumień skojarzony z cewką Θ przepływ LI Vs mn / A

12 Elektromagnes klapkowy (Isermann 2005) I prąd w uzwojeniu N liczba zwojów V napięcie zasilania Y chwilowe położenie zwory l L chwilowa szerokość szczeliny l L0 początkowa szerokość szczeliny L indukcyjność

13 Elektromagnesy Energia w elektromagnesie (Isermann 2005) Energia mechaniczna elektromagnesu Energia pola magnetycznego A l A l 1 Θ A l A l 2 Φ B 2 1 Al B 2 1 Al E 0 l E E 0 l E E 2 L 2 L E 2 E m 2 2 Y F E m mech d d

14 Siła przyciągania elektromagnesu (Isermann 2005) 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 przenikalność magnetyczna żelaza μ E F m d E dy m 2 Θ 2 l E E A 1 A 0 l Y A L0 0 2

15 Mechaniczna charakterystyka elektromagnesu (Isermann 2005) Przemieszczenie zwory Szczelina magnetyczna

16 Klasyfikacja elektromagnesów ze względu na realizowaną funkcję (Elbaum 1975) A. Elektromagnesy o ruchu dorywczym - oddające pracę podczas ruchu zwory, nie przeznaczone do utrzymywania zwory w stanie przyciągniętym. B. Elektromagnesy wywierające siłę wzdłuż drogi zerowej - służące tylko do utrzymywania zwory w stanie przyciągniętym. C. Elektromagnesy oddające pracę na zewnątrz i utrzymujące zworę w stanie przyciągniętym. D. Elektromagnesy bez zwory - służące do kierowania ruchem elementów zewnętrznych. E. Elektromagnesy remanencyjne (impulsowe) - utrzymujące przyciągniętą zworę w stanie bezprądowym.

17 Klasyfikacja elektromagnesów ze względu na realizowaną funkcję (Isermann 2005) A. Elektromagnesy pozycjonujące (podnoszące, ciągnące, przełączające) B. Elektromagnesy trzymające (bez zwory) C. Elektromagnesy generujące siłę (sprzęgła, hamulce)

18 Rzeczywiste charakterystyki elektromagnesów (Isermann 2005) F m siła przyciągająca I prąd elektromagnesu Y przemieszczenie zwory I obszar początkowy F m ~ I 2 II obszar liniowy F m ~ I III obszar nasycenia F m ~ I 1/2

19 Klasyfikacja napęd. elektromagnesów pr. stałego ze względu na ich konstrukcję (Elbaum 1975) elektromagnesy o ruchu liniowym o ruchu obrotowym ze względu na rodzaj ruchu zwory klapkowe nurnikowe ze względu na typ magnetowodu - podkowiaste, - trzykolumnowe, garnkowe, - płaszczowe, -... ze względu na kształt rdzenia

20 Elektromagnesy obojętne (Mrugalski 1979) ze zworą wahliwą (klapkowy) ze zworą nurnikową (nurnikowy)

21 Elektromagnesy obojętne ze zworą obrotową (Mrugalski 1979)

22 Elektromagnes spolaryzowany (Mrugalski 1979) 1. Magnes trwały 2. Rdzeń 3. Zwora 4. Cewka 5. Cewka

23 Niektóre rodzaje elektromagnesów o ruchu liniowym (Isermann 2005, Elbaum 1975) Rdzeń Szczelina powietrzna Cewka Zwora Nurnikowy Podkowiasty Trzykolumnowy ze zworą zewnętrzną

24 Elektromagnesy (PP 2009) a) chwytnikowy b) podkowiasty z kolumnami okrągłymi i nabiegunnikami c) klapkowy z jedną kolumną płaską i drugą okrągłą, zakończoną nabiegunnikiem d) garnkowy z wciąganym nurem prostym i stopą e) garnkowy z wciąganym nurem stożkowym i stopą 45 f) garnkowy z wciąganym nurem stożkowym bez stopy

25 Katalogowa oferta elektromagnesów (Magnetic Sensor Systems 2008) o ruchu liniowym o ruchu obrotowym klapkowe nurnikowe Hinged Clapper Solenoids Tubular Solenoids Open Frame Solenoids Rotary Solenoids sterowniki Low Profile Solenoids Latching Solenoids Electronics and Controls

26 nurnikowe J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń mechatronicznych

27 Schemat budowy elektromagnesu nurnikowego pojedynczego (Jaszczuk 1996) 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

28 Schemat budowy elektromagnesu nurnikowego podwójnego (Jaszczuk 1996) 1 prowadnica nurnika, 2 panewka ślizgowa prowadnicy, 3 stopa nurnika, 4 uzwojenie wzbudzające strumień magnetyczny, 5 płaszcz magnetowodu, 6 karkas, 7 nurnik wspólny dla obu elektromagnesów, 8 sprężyna powrotna, 9 pierścień ograniczający;

29 Schemat budowy elektromagnesu nurnikowego przeciwsobnego (Jaszczuk 1996) 1 prowadnica nurnika, 2 panewka ślizgowa prowadnicy, 3 stopa nurnika, 4 uzwojenie wzbudzające strumień magnetyczny, 5 płaszcz magnetowodu, 6 karkas, 7 nurnik wspólny dla obu elektromagnesów

30 Budowa elektromagnesów nurnikowych (Magnetic Sensor Systems 2008) Stopa Uzwojenie Mechanizm chwytowy Elektromagnes ciągnący Obudowa Nurnik Pokrywa Nurnik Uzwojenie Stopa i mechanizm chwytowy Elektromagnes pchający Obudowa Popychacz

31 Przykładowe charakterystyki elektromagnesu nurnikowego (Magnetic Sensor Systems 2008)

32 Charakterystyki stat. elektromagnesów przy różnych kształtach stopy nurnika (Isermann 2005) l l szczelina początkowa