Miniaturowy czujnik stykowy do lokalizacji punktów osobliwych magnetycznego pola sterującego

Transkrypt

1 V.. HOFFA V.. CICERJUKI B. MIEDZIKI A. KOZLOWKI J. WOIK Miniaturowy cujnik stykowy do lokaliacji punktów osobliwych magnetycnego pola sterującego Artykuł predstawia wyniki badań (uyskane a pomocą specjalnie aprojektowanego cujnika stykowego dotycące lokaliacji punktów osobliwych prestrennego pola magnetycnego dla wybranych układów miniaturowych prekaźników sterowanych pre cewki lub magnesy trwałe. Pokaano, że właściwy sposób tworenia rokładu pola magnetycnego sterującego umożliwia uyskanie wysokiego stopnia integracji i miniaturyacji konstrukcji estykowych systemów elektromagnetycnych. 1. WTĘP Rowój technologicny i osiągnięcia materiałowe ostatnich lat powalają projektantom i inżynierom na tworenie nowych rowiąań w diedinie konstrukcji urądeń elektro-mechanicnych o wysokim stopniu miniaturyacji i integracji. Urądenia takie to, międy innymi, łąca miniaturowe, różnego rodaju łącniki stykowe arówno w tw. wersji suchej i wilżanej rtęcią, jak również różnego rodaju awory (hydraulicne, pneumatycne) lub tłumiki elektromagnetycne. Takie miniaturowe komponenty mogą być sterowane ręcnie lub automatycnie w funkcji premiescenia, jako dwu- lub wielopoycyjne łącniki (cujniki) ora mono-i multistabilne prekaźniki elektromagnetycne. Obecnie ta grupa urądeń obejmuje, na prykład, super-miniaturowe kontaktrony w obudowie sklanej o długości 5-7 mm wytwarane w tradycyjny sposób [1, 2] ora wyłącniki oparte na strukture mikro- mechanicnej (tw. MEM), w których objętość systemu magnetycnego nie prekraca 2-3 mm 3 [3-5]. Do grupy tej należą też kontaktrony wykonane w technologii mikromasynowej o wymiarach mm [6]. Firma MAGAPHERE opracowała miniaturowe, hermetycnie iolowane elementy stykowe w metalowej obudowie, w których główna funkcja rdenia magnetycnego jak i realiacja procesu łącenia odbywa się a pomocą kulki ferromagnetycnej o średnicy 2-3 mm [7]. We wsystkich tych urądeniach sterowanie realiowane jest a pomocą cewek (w tym cewek elektroforetycnych) [3] lub porusających się magnesów trwałych[6,7]. W drugim prypadku, aby więksyć cułość i mniejsyć romiar, należy redukować tw. ruch różnicowy elementu sterującego. Uyskuje się to kostem wrostu gradientu pola magnetycnego wdłuż kierunku ruchu elementu sterującego [1]. Wysokie gradienty pola występują najcęściej w obsarach bliskich punktom osobliwym, gdie wartość natężenia pola magnetycnego jest równa eru. Tak więc określenie lokaliacji punktów osobliwych jest bardo ważne dla właściwego aprojektowania konstrukcji urądenia. 2. AALIZA WYBRAYCH YTEMÓW MAGETYCZYCH, TETY EKPERYMETALE I DYKUJA Do analiy wybrano systemy magnetycne magnesami trwałymi sterujące miniaturowym cujnikiem stykowym, w którym arówno funkcja rdeniaasadnica, jak i łąceniowa realiowane są a pomocą kulki wykonanej miękkiego materiału ferromagnetycnego. Dodatkowo, kulka może być wilżona rtęcią, tak aby podnieść jakość estyku pry bardo małych wartościach siły docisku estyku. W celu preprowadenia analiy ałożono, że wymiary

2 r 3(527) geometrycne kulki (nie magnesowanej wstępnie) są bardo małe. Jeżeli wymiary te są wystarcająco małe w porównaniu wymiarami źródła pola magnetycnego (elektromagnes lub magnes trwały), podcas gdy kulka jest równomiernie namagnesowana (a pomocą ewnętrnego pola magnetycnego) i posiada wysoką wartość wględnej prenikalności magnetycnej wtedy, aby określić wartość siły F (diałającej na kulkę wskutek oddiaływania magnetycnego pola strującego) wdłuż kierunku, można wykorystać następująca ależność[9]: 4π 3 B F = Rb B µ 0 (1) gdie: u 0 prenikalność magnetycna powietra R b promień kulki B moduł indukcji magnetycnej wektora B w analiowanym punkcie pry braku w niej kulki. magnesu trwałego wykonanego materiału 1BI o romiarach: D = 11,5 mm, d = 7,5 mm, h = 4,4 mm (dla wybranego punktu o współrędnych y = 0 i = 5,2 mm). a rysunku 2, natomiast, najdiemy rokład (wdłuż osi ) obliconych i mieronych wartości siły F spowodowanej diałaniem pola magnetycnego magnesu stabkowego (11,5 mm 7 mm 11,5 mm, materiał 24BA210) na metalową kulkę. Krywe onacone numerem 1 dotycą odpowiednio kulki o promieniu R b = 0,5 mm (dla wybranego punktu o współrędnych = 5 mm i y = 0 mm), podcas gdy krywe onacone numerem 2 kulki o promieniu R b = 1,6 mm (w punkcie o współrędnych = 6,1 mm i y = 0 mm). Krywe predstawione są w wartościach wględnych F / F b (odniesionych do masy kulki F b ), tak aby widocna była odporność cujnika kulkowego na wpływ ewnętrnych drgań (akłócen) mechanicnych. Zastosowanie powyżsego woru pry równocesnym wykorystaniu wyników obliceń rokładu pola magnetycnego wytworonego magnesem trwałym (stosująć np. metodę astępcych,cewek równoważnych [9]) daje adowalające wyniki praktycnego punktu widenia, arówno jeśli chodi o wartość indukcji B, jak i siły F. a rysunku 1 porównano,dla prykładu, wyniki analiy teoretycnej i pomiarów rokładu składowych wektorów B i B gęstości strumienia magnetycnego wdłuż osi i dla osiowo namagnesowanego pierścieniowego Rys. 2 Rokład wartości siły F diałającej na kulkę metalową wskutek oddiaływania sterującego pola magnetycnego trwałego magnesu stabkowego (materiał 24BA210, 11,5 mm 11,5 mm 7 mm). Linie ciągłe dane eksperymentalne, linie prerywane oblicenia, Fg masa kuli Rys. 1 Rokład składowych B i B,wdłuż osi,wytworonych osiowo namagnesowanym trwałym magnesem pierścieniowym (wykonanym materiału 1BI, o wymiarach :D = 11.5mm, d = 7.5mm, h = 4.4mm) dla wybranego punktu o współrędnych y = 0 i = 5.2mm (linie ciągłe dane eksperymentalne, linie prerywane oblicenia) Równanie (1) pokauje, że siła elektromagnetycna diałająca na kulkę skierowana jest w stronę wrastającego modułu indukcji i jest równa eru w punktach, w których wartość indukcji wynosi ero lub osiąga ekstremum. Jednakże, w punktach, gdie pojawia się maksimum, kulka jest w stanie stabilnym, podcas gdy punktach, gdie osiąga minimum (również w punkcie osobliwym) jest niestabilna (pry premiescaniu się wdłuż osi ). Aby więksyć wartość siły F należy więksyć albo moduł albo gradient wektora gęstości strumienia magnetycnego. Wrost jednak wartości indukcji jest ogranicony powodu nasycania się elementów prewodących strumień (generowany pre elektromagnes sterujący) lub powodu ogranicenia

3 104 Mining Informatics, Automation and Electrical Engineering wartości energii magnetycnej magnesów stałych. Wysoki gradient, kolei, można uyskać popre właściwe aprojektowanie struktury obwodu magnetycnego. Obwód ten powinien apewniać właściwy rokład wartości indukcji magnetycnej wdłuż trajektorii ruchu kulki, e mieniającymi się napremiennie wartościami minimalnymi i maksymalnymi. Może on mieć postać na prykład, pierścieniowego magnesu trwałego namagnetyowanego osiowo (rys. 3) [10]. Rysunek 3 pokauje jedynie składową B, ponieważ dla symetrycnego układu osiowego składowa wdłuż osi jest równa wektorowi indukcji B. Jeżeli magnes (1) ma powodować premiescenie się estyku kulkowego (2) wdłuż osi, podcas gdy środek kulki (3) najduje się pomiędy punktem osobliwym A i jednym maksimów modułu indukcji (punkty 0 i C), np. w punkcie G, wtedy siła elektromagnetycna wywierana na kulkę skierowana jest w stronę punktu C. W takiej sytuacji kulka premieści się się na prawo i spowoduje amknięcie odpowiedniego estyku (4). Z drugiej strony, kiedy magnes (1) presuwa się w taki sposób, że punkt osobliwy najdie się po prawej strony środka kulki, następuje miana kierunku siły w stronę punktu 0. W tym prypadku kulka premieści się skokowo i amknie preciwny estyk. Zastosowanie natomiast dwóch trwałych magnesów pierścieniowych (1) i (5), namagnesowanych osiowo lec umiesconych preciwsobnie (rys. 4) [11], powala więksyć gradient indukcji magnetycnej w obsare usytuowania kulki (3). Dięki temu uyskuje się łącnik sterowalny, atraskowy be koniecności użycia mechanicnej siły sprężynywrotnej, wskutek oddiaływania odpychających się magnesów. BZ 0 А G C Rys. 3. terowanie łącnikiem o estyku kulkowym a pomocą pojedyncego pierścieniowego magnesu trwałego namagnesowanego osiowo BZ 0 0 G Rys. 4. terowanie łącnikiem o estyku kulkowym a pomocą dwóch pierścieniowych magnesów trwałych namagnesowanego osiowo, umiesconych współosiowo, lec preciwsobnie Wymagany rokład wartości indukcji magnetycnej można uyskać również pry pomocy trwałych magnesów płaskich. W układie składającym się dwóch takich magnesów (1) i (5) umiesconych tak jak na rysunku 5 [12], rokład modułu indukcji magnetycnej napremiennymi jego maksimami i minimami występuje wdłuż osi. Premiescenie punktu osobliwego poycji A do A odbywa się popre presunięcie magnesu (1) wdłuż osi (narysowanej liniami kropkowanymi). Pod diałaniem wówcas siły elektromagnetycnej skierowanej do punktu C (maksimum modułu indukcji) kulka (3) premiesca się w lewo. Podcas diałania takiego łącnika interakcja magnesów trwałych (1) i (5) nie tylko spowoduje skokowe amknięcie się estyku kulkowego lec również gwałtowne premiescenie się magnesu (1) i w efekcie jego usytuowanie się w poycjach skrajnych. a rys. 6 predstawiono układ magnesów, w którym, dięki astosowaniu oryginalnego składu materiałowego, uyskuje się bardo wysoki gradient w obsare położenia kulki, co w istotny sposób więksa wartość siły elektromagnetycnej [13]. Zastosowane magnesy trwałe (1), (2), (6) i (7) umiescone są po preciwnych stronach estyku kulkowego, wdłuż osi. Wsystkie pary biegunów magnetycnych są umiescone napreciwko siebie i wględem preciwległej pary. Para magnesów (6) i (7) jest nieruchoma, aś para magnesów (1) i (2) premiescana jest wdłuż osi, po dowolnej stronie poprecnej osi. W położeniu pocątkowym dwie pary magnesów są ułożone symetrycnie wględem osi. Minimalna (erowa) wartość modułu indukcji magnetycnej (punkt osobliwy) występuje w punkcie 0. Z tego

4 r 3(527) powodu kulka (4) nie może utrymać się w tym punkcie niestabilnej równowagi i presuwa się do jednej poycji krańcowych, na prykład na prawo do punktu C o maksymalnej wartością indukcji amykając tym samym estyk (5). Jeżeli aś para magnesów (1) (2) premieści się w prawo (linia kropkowana na rys. 6), to punkt osobliwy (0 ) presunie się w prawo w kierunku środka kulki (4) (punkt G). W reultacie, siła elektromagnetycna będie skierowana do punktu C maksymalną indukcją. Dlatego też kulka (4) presuwa się w lewo i prełący estyk B B C A 0 G A C Rys. 5. Magnetycny cujnik estykowy sterowany a pomocą dwóch trwałych magnesów stabkowych C 0 G 0 C Rys. 6. Magnetycny cujnik estykowy sterowany a pomocą cterech trwałych magnesów stabkowych Po uwolnieniu, presuwająca się para magnesów (1) (2) wraca natychmiast do poycji stabilnej (wielofunkcyjne urądenie bistabilne). ależy jednak auważyć, że długość ruchu pary magnesów (1) (2) powinna być mniejsa niż długość ruchu jednego magnesu wdłuż osi. W preciwnym bowiem prypadku, samocynny powrót magnesów do położenia pocątkowego nigdy niewystąpi. Rys. 7. Wielostykowy łącnik sterowany a pomocą dwóch trwałych magnesów pierścieniowych namagnetyowanych osiowo, ułożonych współosiowo i preciwsobnie Prełącnik wielostykowy predstawiony na rys. 7 składa się dwóch ruchomych (wdłuż osi ) pierścieniowych magnesów trwałych (1) i (5) ora kilku kontaktronów nieruchomych (2) ułożonych wdłuż obwodu [11]. W tym prypadku maksima i minima modułu indukcji magnetycnej pojawiają się jedne po drugich wdłuż osi ; pry cym oś to jakakolwiek oś prechodąca promieniowo pre odstęp pomiędy magnesami (1) i (5). Krywe prechodące pre punkty A-A onacają (w prestreni trójwymiarowej) rokład geometrycny punktów osobliwych. W pocątkowym położeniu magnesów, obsar odpowiadający punktowi osobliwemu A jest presunięty od kulki (3) w kierunku osi, podcas gdy siła elek-

5 106 Mining Informatics, Automation and Electrical Engineering tromagnetycna w odwrotnym kierunku (w kierunku maksymalnej wartości indukcji). Zbliżając się do magnesów (wdłuż kropkowanych linii), punkt osobliwy i jego lokaliacje presuwają się w kierunku położenia A i są umiescane po drugiej stronie od środka kulki. iła elektromagnetycna również mienia kierunek, tym samym premiescając kulkę. Wykorystanie wyżej omówionej asady sterowania cujnikiem estykowym kulkowym powala aprojektować i wykonać dowolny rodaj prekaźnika elektromagnetycnego [14]. Źródłem siły napędowej(sterującej) w tym prypadku mogą być arówno cewki płaskie, jak i trójwymiarowe. Wymagane położenie jak i ocekiwane premiescanie się punktów osobliwych jest w tym prypadku realiowane popre odpowiedni dobór wartości prądów w uwojeniach sterujących. 3. PODUMOWAIE Właściwe aprojektowanie i wykonanie elektromagnetycnego urądenia estykowego o wysokim stopniu integracji wymaga apewnienia arówno wysokiej wartości jak i właściwego rokładu prestrennego sterującego pola magnetycnego odpowiednią lokaliacją punktów pojedyncych. Odpowiedni rokład punktów osobliwych można uyskać arówno popre wybór odpowiedniego kstałtu i wymiarów magnesu trwałego jak i właściwości jego materiału magnetycnego. Można to również realiować popre odpowiednie ułożenie magnesów wględem siebie, albo pre wymusenie odpowiednich wartości i prebiegów prądów w cewce/cewkach napędowych (sterujących), wykonanych dowolną techniką, w tym techniką naparowywania materiału wiąką elektronową. Różnego typu nowocesne konstrukcje miniaturowych łącników estykowych i prekaźników elektromechanicnych można więc uyskać pry pomocy miniaturowego kulkowego cujnika estykowego stosując odpowiednie jego sterowanie. Literatura 1..M. Karabanov, R.M. Maiels, V.. hoffa: Reed switches and equipment on their basis. Monograph, Publishing House Intelekt, 2011 (ros.) 2. V.. hoffa: Design principles and properties of miniature and sub-miniature reed switches. Proc. of 2 nd Int. Conf., 2008, Publishing House Poligraph, 2009 (ros.) 3. V. Varadan, K. Vinoj, K. Doe: High Frequency MEM and their applications. Technosfera, Moskva, 2004 (ros.), 4. M. Ruan, J. hen, C. Wheeler: Latching microelectromagnetic relays. ensors and Actuators A: Physical, 2001, 91(3) pp F. Gueissa, D. Piguet: The microreed and ultra-small passive mems magnetic proimity sensor designed for portable applications. Proc. of 14 th IEEEE Conf. Micro Electro Mechanical ystems, MEM, H. Torosawa,. Arima: Reed switches developed using micromachine technology. OKI Technical Reviev, 2005, Issue 202, vol 72, o 2, pp Revised 10/24/2007, 8. V.. hoffa,: Analysis of magnetic fields of electrical apparatus. Monograph, MEI 1994 (ros.), 9. V.. hoffa, V.. Cicerjukin: Analysis of magnetic systems of multifunctional all-or nothing devices implementing the method of equivalent solenoid. Elektricestvo, 1988, o 4, pp (ros.), 10. V.. hoffa. V.. Cicerjukin: witch. UdR patent , published o 28, 1983 (ros.), 11. V.. hoffa, V.. Cicerjukin: witch. UdR patent , published o 5, 1984 (ros.), 12. V.. Cicerjukin, V.. hoffa: witch. UdR patent , published o 24, 1985 (ros.), 13. V.. Cicerjukin, V.. hoffa, V.. Zareckas, G.V. Pikutis: witch. UdR , published o 20, 1988, (ros.), 14. V.. Cicerjukin,, V.. hoffa: Commutator. UdR patent , published o 34, 1990 (ros.). V..HOFFA, V.. CICERJUKI, Moscow Power Engineering Institute ational Research University, ul. Krasnokaarmennaya 14, Moskwa , Rosja shoffavn@mail.ru prof. dr hab. inż. B. MIEDZIKI dr inż. A. KOZLOWKI, dr inż. J. WOIK Instytut Technik Innowacyjnych EMAG ul Leopolda 31, Katowice {b.miedinski, a.kolowski, j.wosik}@ibemag.pl