Jakub Wierciak Elektromagnesy cz. 2 Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Siła przyciągania elektromagnesu - uproszczenie (Isermann 2005) F m 2 Θ 2 l 1 A L0 0 0 Y A 2 2 Θ 2 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 A 2 2 2 2 l Y 2 l 2 l L0 0 Θ A 0 L N 2 I 2 A 0 L
Mechaniczna charakterystyka elektromagnesu (Isermann 2005) Przemieszczenie zwory Szczelina magnetyczna
klapkowe
Przekaźnik elektromagnetyczny (PG 2001, OMRON 2009) Bolec popychający Zespół przełączny Sprężyna dodatkowa zwora Zwora Wspornik izolacyjny Jarzmo Rdzeń Wkładka antymagnetyczna Szczelina powietrzna Uzwojenie
Zastosowania elektromagnesów - budowa stycznika SV 7 (ORAM 2007) 1. Komora próżniowa 2. Mieszek sprężysty 3. Ekran 4. Styk ruchomy 5. Zaciski 6. Sprężyna wyrównawcza 7. Sprężyna zwrotna 8. Dźwignie napędowe 9. Cewka elektromagnesu
Schemat blokowy układu wykonawczego z elektromagnesem
Schemat blokowy urządzenia sterującego
Przebieg drogi zwory elektromagnesu w funkcji czasu I rozruch II ruch roboczy III wytracanie energii kinetycznej IV spoczynek V powrót VI drgania
Bilans energii w układzie napędzanym elektromagnesem W e pobierana energia elektryczna, W R straty uzwojeniowe, W Ż straty na magnesowanie rdzenia i zwory, W W straty na prądy wirowe, W f energia fal elektromagnetycznych, W C energia akumulowana pola elektrycznego, W L energia akumulowana pola magnetycznego, W μ straty na tarcie, W d straty na skutek dynamicznych oporów ruchu, W a energia fal akustycznych, W u użyteczna praca mechaniczna, W p energia potencjalna, W u energia kinetyczna, W m energia mechaniczna.
Sprawność układu napędzanego elektromagnesem p W W m e 100% W e pobierana energia elektryczna, W m energia mechaniczna.
Obliczanie pracy elektromagnesu w warunkach statycznych W s k F sd s s p F siła przyciągająca, s k szczelina końcowa, s p szczelina początkowa
Sposób obliczania pracy elektromagnesu Rzeczywista praca elektromagnesu W rz Zależność przybliżona s k s p F dyn sd s W F p s p s k F dyn dynamiczna siła przyciągająca F p siła początkowa s k szczelina końcowa szczelina początkowa s p
Dobór elektromagnesu do obciążenia kryteria 1. Niezawodny rozruch 2. Realizacja skoku 3. Odpowiednie napięcie zasilania 4. Względny czas zasilania ED warunki cieplne 5. Maksymalna moc 6. Maksymalne wymiary gabarytowe 7. Minimalne stałe czasowe
Przykładowe dane katalogowe elektromagnesu (Kuhnke 2009)
Algorytm doboru elektromagnesu (Kuhnke, Wierciak, Szykiedans 2009) A. Wyznaczenie sił obciążających B. Wyznaczenie zakresu ruchu roboczego C. Obliczenie wymaganego względnego czasu zasilania ED D. Wyszukanie odpowiedniego elektromagnesu E. Udokumentowanie doboru (charakterystyka)
Wybranie elektromagnesu na podstawie jego charakterystyk statycznych (Kuhnke 2009)
Kryteria dostosowania obciążenia do elektromagnesu 1. Ograniczenie udziału energii kinetycznej W k 2. Zmniejszenie udziału energii potencjalnej W p 3. Uzyskanie dużej siły i małych skoków zwory
Podział pracy elektromagnesu W k - energia kinetyczna W u - praca użyteczna W p - energia potencjalna F o - siła granicznych oporów ruchu s k - szczelina końcowa - szczelina początkowa s p
Praca elektromagnesu 1. Praca użyteczna W u F 1 s p s k 2. Energia potencjalna 2. Energia kinetyczna W W p k F 3 F1 F2 F1 s s W W u 2 W p p k F 1 - siła oporu napędzanego mechanizmu F 2 - F 1 - siła napięcia wstępnego sprężyny powrotnej F 2 - F 1 - siła końcowa sprężyny powrotnej s k - szczelina końcowa - szczelina początkowa s p
Przykłady dopasowania obciążenia do elektromagnesu W k W u W p F o s k - energia kinetyczna - praca użyteczna - energia potencjalna - siła granicznych oporów ruchu - szczelina końcowa s 1 - s 6 - szczelina początkowa
Warunki cieplne
Zjawiska cieplne w elektromagnesach - wydzielanie się ciepła 1. Wydzielanie się ciepła W R t t z t0 Ri 2 t dt
Zjawiska cieplne w elektromagnesach - zmiana temperatury elementów konstr. Przebieg nagrzewania się elektromagnesu 1 - praca ciągła, 2 - praca przerywana, 3 - praca dorywcza
Zjawiska cieplne w elektromagnesach - zmiana parametrów elektromagnesu - rezystancja uzwojenia R R 1 293 R 293 R 293 1 R - ustalona wartość prądu i U R const - stała czasowa narastania prądu T L R L R 293 1 R
Zależność siły przyciągania od temperatury F - siła przyciągania I a, b, c - ustalone wartości prądu wzbudzającego s - szczelina powietrzna U const - stałe napięcie zasilania τ a, b, c - temperatury w stanach: a, b, c
Względny dopuszczalny czas zasilania elektromagnesu ED ED okres zasilaniaw cyklu 100% okres powtarzania cykli Maksymalny okres powtarzania cykli 300 s Znormalizowane wartości ED: (5, 15, 25, 40, 60, 100)% Warunki wyznaczania ED: - znamionowe napięcie zasilania - temperatura otoczenia 308 K (35 C) - naturalne chłodzenie powietrzem
Nomogram do określania ED t z - czas zasilania t bp - czas bezprądowej przerwy
Zależność ED od temperatury otoczenia ED 308 ED K K 383 75 ED 308 - dopuszczalny względny czas zasilania w temperaturze otoczenia 25 C (%) K - współczynnik temperaturowy (1) τ - temperatura otoczenia (K)
Wpływanie na cykl pracy elektromagnesu
Przebieg drogi zwory elektromagnesu w funkcji czasu I rozruch II ruch roboczy III wytracanie energii kinetycznej IV spoczynek V powrót VI drgania
Zależność czasu rozruchu i ruchu zwory od współczynnika forsowania T L R e R d U U e U d t r t rr T napięcie zasilania napięcie elektromagnesu spadek napięcia na rezystorze dodatkowym czas rozruchu elektromagnesu czas ruchu roboczego elektromagnesu elektryczna stała czasowa elektromagnesu
Narastanie prądu wzbudzenia w elektromagnesie U 1 < U 2 napięcie zasilające R e rezystancja uzwojenia elektromagnesu t r1, t r2 czas rozruchu elektromagnesu prąd wywołujący ruch i r
Zależność czasu rozruchu i czasu ruchu od napięcia zasilania elektromagnesu U napięcie zasilania U kd dolna krytyczna wartość napięcia U kg górna krytyczna wartość napięcia t r czas rozruchu elektromagnesu t rr czas ruchu roboczego
Układ przyspieszający narastanie prądu R d W U C R e U - napięcie zasilania R d - rezystancja dodatkowa C - kondensator przyspieszający W - wyłącznik R e - rezystancja elektromagnesu El
Przyspieszanie powrotu zwory 1. Przerwanie zasilania elektromagnesu przed końcem ruchu roboczego 2. Krótkotrwałe wzbudzenie elektromagnesu prądem o przeciwnej biegunowości 3. Dopuszczenie ograniczonego, kontrolowanego przepięcia w chwili wyłączenia zasilania
Wydłużanie czasu odpadania przez zastosowanie rezystancji bocznikującej R d R e t h t u U W - rezystancja dodatkowa - rezystancja elektromagnesu - czas odpadania przy zastosowaniu bocznika - czas odpadania bez bocznika - napięcie zasilania - wyłącznik
Zjawiska towarzyszące wyłączaniu elektromagnesu Możliwe zjawiska Siła elektromotoryczna samoindukcji w uzwojeniu elektromagnesu 1. Elektroerozja styku, w przypadku stykowego przerywania obwodu zasilania 2. Zniszczenie izolacji uzwojenia wskutek przebicia napięciowego 3. Zakłócenie pracy elektronicznego układu sterującego e L 4. Zakłócenia wynikające z iskrzenia t di L dt
Układy do ograniczania SEM samoindukcji
Układy do ograniczania SEM samoindukcji c.d.
Wpływ parametrów zasilania na działanie układu L s U t r t rr - indukcyjność uzwojenia - skok zwory - napięcie zasilania - czas rozruchu - czas ruchu roboczego
Wpływ obciążenia na działanie układu m t r t rr - masa napędzanych elementów - czas rozruchu elektromagnesu - czas ruchu roboczego
Typowe odpowiedzi układu prąd i elektromagnesu napięcie sterujące u przemieszczenie s zwory siła dynamiczna F dyn t czas t r czas rozruchu mechanizmu t k czas zakończenia ruchu roboczego U stałe napięcie zasilania I ust ustalona wartość prądu