BADANIE ELEKTROMAGNESU Wprowadzenie Jednym z najczęściej stosowanych elementów wykonawczych w motoryzacj lotnictwie robotach oraz liniach produkcyjnych są elektromagnesy. Ze względu na zakres zastosowań elektromagnesy moŝna podzielić na następujące grupy: Siłowniki elektromagnetyczne mogą być o ruchu liniowym lub obrotowym Elementy napędowe łączników (przekaźników, styczników itp.) Elektromagnesy do sterowania zaworami hydraulicznymi i pneumatycznymi Elementy przytrzymujące (elektromagnesy dźwigowe, hamulcowe) Elektromagnesy do wytwarzania pola magnetycznego w określonej przestrzeni (separatory magnetyczne, układy do badania materiałów magnetycznych). Natomiast w zaleŝności od rodzaju napięcia zasilania, elektromagnesy moŝna podzielić na elektromagnesy prądu stałego i elektromagnesy prądu zmiennego. Zasadniczymi częściami kaŝdego elektromagnesu są obwód magnetyczny oraz uzwojenie. W obwodzie magnetycznym moŝna wyróŝnić: nieruchomy rdzeń ferromagnetyczny (kadłub, jarzmo, pokrywy, kolumny itp.), element ruchomy (zwora, nur, kotwica), robocza szczelina powietrzna, szczeliny pasoŝytnicze rys. 1. Struktury najczęściej wykorzystywanych elektromagnesów prądu stałego przedstawiono na rys. 1. Na rysunku 2 pokazano natomiast struktury elektromagnesów prądu przemiennego. stopa uzwojenie obudowa (kadłub) pokrywa nur Rys. 1. Elektromagnesy prądu stałego: 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 stoŝkowym i stopą 45 ; f) garnkowy z wciąganym nurem stoŝkowym bez stopy.
Rys. 2. Elektromagnesy prądu zmiennego: a) płaszczowy z prostym nurem wciąganym i stopą; b) płaszczowy z nurem kotwicowym; c) 3-kolumnowy z płaską zwora; d) 3-kolumnowy z symetrycznymi - rdzeniem i zworą; e) podkowiasty ze zwora płaską, klapkowy; f) 3-kolumnowy ze zworą płaską, klapkowy; g) 3-kolumnowy z jednakowym kształtem rdzenia i obrotowej zwory; h) 3-fazowy; i) podkowiasty z symetrycznymi rdzeniem i zworą, z dwiema cewkami. Analizę pracy elektromagnesu moŝna przeprowadzić znając rodzinę charakterystyk magnesowania ψ = ψ (δ ) jego obwodu magnetycznego, tzn. charakterystyk uzyskanych dla róŝnych długości δk szczeliny powietrznej: ψ = ψ (δk), (rys. 3). Przy dowolnych zmianach prądu i lub strumienia skojarzonego z uzwojeniem ψ siłę przyciągania działającą wzdłuŝ współrzędnej δ w obwodzie magnetycznie nieliniowym oblicza się z zaleŝności:
Tm ( δ ) F( δ ) = δ Wm ( ψ, δ ) F( ψ, δ ) = δ przy czym W m jest energią zmagazynowaną w polu magnetycznym elektromagnesu, a T m koenergią. Wielkości te opisane są wzorami: T m ψ W m ( ψ, δ) = i( ψ, δ) d ψ, i ( δ) = ψ( δ)d i = iψ( δ) W [ ψ( δ), δ] Na rys. 3 zakreskowane pola obrazują energię oraz koenergię obliczone dla δ = δ 2, i = I, ψ (I) = ψ. m Rys. 3. Charakterystyki magnesowania ψ = ψ(δ) PowyŜsze wzory mogą być stosowane w dowolnym przypadku tj. niezaleŝnie od tego czy wymuszone jest napięcie (strumień) czy prąd w elektromagnesie. Są to wzory najbardziej ogólne. Przy wymuszonym prądzie i = I = const wzór na siłę przyjmuje postać: natomiast przy ψ = ψ = const T ( δ) F ( δ) = m ; Tm ( δ) = δ ψ( δ)d i (1) i = const Wm ( δ) F ( δ) = ; W δ m ( δ) = i( ψ, δ)d ψ (2) ψ= const Pierwszy przypadek ma miejsce, gdy prąd płynący przez elektromagnes jest wymuszony z zewnątrz i nie zaleŝy od stanu elektromagnesu (zasilanie z idealnego źródła prądu, szeregowe włączenie elektromagnesu o pomijalnie małej impedancji). Mówimy wówczas o pracy szeregowej, a elektromagnes taki nazywamy szeregowym. Przypadek ten zachodzi równieŝ wtedy, gdy w elektromagnesie zasilanym napięciem stałym U ruch zwory odbywa się bardzo wolno. Wtedy i U/R = const, R rezystancja cewki elektromagnesu. Przypadek drugi I ψ
zachodz gdy ruch zwory odbywa się nieskończenie szybko. W praktyce wzór (2) często jest stosowany przy wyznaczaniu siły elektromagnesu zasilanego napięciem sinusoidalnie zmiennym. ZaleŜność statycznej siły przyciągania od długości szczeliny powietrznej jest podstawową charakterystyką kaŝdego elektromagnesu prądu stałego rys. 4. Linią przerywaną zaznaczono na tym rysunku charakterystykę statyczną elektromagnesu idealnego. Dla duŝych szczelin, przy nienasyconym magnetowodzie róŝnica między charakterystykami nie jest duŝa i wynika przede wszystkim z niejednorodności rozkładu pola w szczelinie. W miarę zmniejszania się szczeliny obwód magnetyczny ulega nasyceniu i siła elektromagnesu rzeczywistego jest znacznie mniejsza od siły elektromagnesu idealnego. ZaleŜność siły przyciągania od prądu płynącego w uzwojeniu rzeczywistego i idealnego elektromagnesu prądu stałego pokazano na rys. 5. Linia przerywana dotyczy elektromagnesu idealnego. Rys. 4. Charakterystyka statyczna elektromagnesu prądu stałego Rys. 5. ZaleŜność siły przyciągania od prądu płynącego w uzwojeniu Odpowiednikiem charakterystyki statycznej elektromagnesu prądu stałego jest w elektromagnesie prądu zmiennego zaleŝność średniej siły przyciągania od długości szczeliny powietrznej δ. Charakterystyka ta w istotny sposób róŝni się od charakterystyki elektromagnesu prądu stałego. Przy wzrastającej szczelinie δ siła przyciągania ulega zmianie w znacznie mniejszym stopniu (rys. 6). Wynika to stąd, Ŝe w miarę wzrostu długości szczeliny, wskutek malejącej reaktancji uzwojenia, samoczynnie wzrasta prąd pobierany z siec podczas gdy w elektromagnesie prądu stałego nie ulega on zmianie. Charakterystyka elektromagnesu idealnego, tj. takiego, w którym pominięto rozproszenie, rezystancję uzwojenia, spadki napięć magnetycznych w ferromagnetyku oraz załoŝono jednorodność pola w szczelinie, jest linią poziomą. Na rys. 6 charakterystyki idealne zaznaczono linią przerywaną. Rys. 6. Charakterystyka elektromagnesu prądu zmiennego
Dynamika elektromagnesu Na rysunku 7 przedstawiono przebieg prądu i(t) i przemieszczenia nura x(t) po załączeniu napięcia stałego U = const. U [V] X [m] I [A] u(t) x(t) i(t) rozruch T s ruch T r t [ms] czas zadziałania Rys. 7. Przebieg prądu i(t), napięcia u(t) i przemieszczenia nura x(t) w stanie dynamicznym Stan dynamiczny obejmuje 3 przedziały. W pierwszym (rozruch) zwora pozostaje nieruchoma, prąd narasta wykładniczo (stan nieustalony pod względem elektromagnetycznym). W drugim przedziale następuje ruch zwory (stan nieustalony pod względem elektromagnetycznym jak i mechanicznym) prąd gwałtownie maleje. Następnie w trzecim przedziale następuje ustalanie się wielkości elektromagnetycznych, prąd powoli rośnie (stan nieustalony pod względem elektromagnetycznym). Szybkość działania układów wykonawczych z elektromagnesami charakteryzują parametry dynamiczne elektromagnesu takie jak czas zadziałania (t z ) i powrotu (t p ). Czas zadziałania t z składa się z dwóch odrębnych części: czasu rozruchu i czasu ruchu rys. 7. Czasem rozruchu nazywa się czas od chwili zamknięcia obwodu elektrycznego do chwili osiągnięcia przez siłę przyciągania elektromagnesu siły rozruchowej nieco większej od siły oporu przy danym początkowym połoŝeniu zwory. Czasem powrotu t p nazywa się czas od chwili wyłączenia napięcia do chwili powrotu zwory do połoŝenia początkowego. W wielu zastosowaniach elektromagnetycznych elementów wykonawczych wymagana jest szybka reakcja, czyli krótki czas zadziałania. Poprawę parametrów dynamicznych elektromagnesów uzyskuje się: przez zmianę konstrukcji elektromagnesów, dąŝąc do zmniejszenia indukcyjności uzwojeń i ograniczenia indukowanych prądów wirowych. poprzez kształtowanie przebiegu napięcia zasilającego (buduje się układy do forsowania napięcia zasilającego) lub stosowanie specjalnych układów zasilania. WyróŜnić tu moŝna np. układy ze zwieraną szeregową rezystancją, układy z kondensatorem lub aktualnie najczęściej stosowane rozwiązanie, tj. układ PWM.
Przebieg ćwiczenia: 1. Zapoznanie się z budową elektromagnesów prądu stałego i zmiennego. 2. Wyznaczanie charakterystyk czasu zadziałania t z i powrotu t p w funkcji napięcia zasilania U i siły oporowej Q. Częstościomierz czasomierz cyfrowy Typ PFL 2 Układ pomiaru czasu zadziałania t z i czasu powrotu t p + - oscyloskop ELEKTROMAGNES Rys. 8. Schemat układu pomiarowego Rys.9. Badany elektromagnes W celu obliczenia wartości siły obciąŝenia najpierw naleŝy wyznaczyć stałą spręŝystości spręŝyny ze wzoru F = k x Q = mg = k x F siła spręŝystości [N], Q siła oporowa [N], m masa cięŝarka [kg], g przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ], k stała spręŝystości [N/m], x długość odkształcenia spręŝyny [m] Dla kilku wartości napięcia zasilania i połoŝeń spręŝyny wyznaczyć czasy zadziałania i powrotu elektromagnesu.
3. Obserwacja i rejestracja przebiegu czasowego prądu załączenia elektromagnesu przy zasilaniu ze źródła napięcia stałego oraz układu PWM. PWM U s T D E L E K T R O M A G N E S Rys. 1. Schemat blokowy układu zasilania elektromagnesu z układu PWM