system pomiarowy do badania charakterystyk silników...

Człowiek- najlepsza inwestycja

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Elektromagnesy prądu stałego cz. 1

Jakub Wierciak

J. Wierciak: „Napędy elektromechaniczne urządzeń mechatronicznych”

Elektromagnesy

prądu stałego

Zasady działania siłowników elektrycznych

(Heimann, Gerth, Popp 2001)

Z wykorzystaniem siły Lorenza (elektrodynamiczne)

- silniki prądu stałego

- silniki indukcyjne

- silniki liniowe

- silniki jednofazowe komutatorowe

Z wykorzystaniem siły reluktancji (elektromagnetyczne)

- elektromagnesy

- silniki skokowe

- silniki synchroniczne


Elektromagnesy

prądu stałego

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


Elektromagnesy

prądu stałego

Prawo Ampère’a

(Isermann 2005)

AL

ΘaJsH dd

lIBlIr

IF 21 2

1

2

B1 – indukcja

F – siła przyciągająca

H – natężenie pola magnetycznego

l – odległość między przewodnikami

J – gęstość prądu

A –powierzchnia objęta krzywą

L - długość linii pola

Θ - przepływ

I1, I2 - prądy: 1 i 2

Siła magnetomotoryczna

Siła przyciągająca


Elektromagnesy

prądu stałego

Strumień magnetyczny

(Isermann 2005)

HB

0r

A

ABd

Strumień magnetyczny

Indukcja magnetyczna

B – indukcja

H – natężenie pola magnetycznego

μ – przenikalność magnetyczna

μ0 – przenikalność magnetyczna próżni

μr – przenikalność magnetyczna względna

A – zadana powierzchnia

Am

Vs4 7

0 10


Elektromagnesy

prądu stałego

Krzywe magnesowania materiału

ferromagnetycznego

(Isermann 2005)

B – indukcja

H – natężenie pola

magnetycznego

1 – krzywa magnesowania

pierwotnego

2 – pętla histerezy


Elektromagnesy

prądu stałego

Prosty obwód magnetyczny i jego schemat

zastępczy

(Isermann 2005)

ΘINlHlH LLEE

LE BBB

Indukcja

magnetyczna

Prawo siły

magnetomotorycznej N – liczba zwojów cewki

I – prąd cewki

Φ – strumień magnetyczny

Θ – przepływ (siła magnetomotoryczna)

B – indukcja (BE – w rdzeniu, BL – w szczelinie)

H – natężenie pola magnetycznego (HE – w rdzeniu, HL – w szczelinie)

RmE – reluktancja magnetyczna rdzenia

RmL – reluktancja magnetyczna szczeliny


Elektromagnesy

prądu stałego

Prawo Ohma dla obwodów magnetycznych

(Isermann 2005)

Reluktancja

(opór magnetyczny)

Prawo Ohma

dla obwodów magnetycznych

ΘA

l

A

lΦ

L

l

E

E

A

lRm

ΘRRΦ mLmE ΘΦRm

Prawo siły

magnetomotorycznej


Elektromagnesy

prądu stałego

Strumień skojarzony

(Isermann 2005)

B – indukcja

Ψ – strumień skojarzony z cewką

N – liczba zwojów

Ld - indukcyjność dynamiczna Dla obwodów liniowych

Dla obwodów nieliniowych

N AN

ABd

A

ABNN d

AmNVsLI /

ILd

d

d


Elektromagnesy

prądu stałego

Indukcyjność elektromagnesu

(Isermann 2005)

B – indukcja


I – prąd

L – indukcyjność

Rm – reluktancja magnetowodu

Φ – strumień magnetyczny

Ψ – strumień skojarzony z cewką

Θ – przepływ

mR

1N

Θ

ΦN

I

ΨL 22


Elektromagnesy

prądu stałego


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


Elektromagnesy

prądu stałego

Elektromagnes klapkowy

(Isermann 2005)

I – prąd w uzwojeniu


V – napięcie zasilania

Y – chwilowe położenie zwory

lL – chwilowa szerokość szczeliny

lL0 – początkowa szerokość szczeliny

L – indukcyjność


Elektromagnesy

prądu stałego

Energia w elektromagnesie

(Isermann 2005)

Energia mechaniczna elektromagnesu

Energia pola magnetycznego

A

l

A

l

1Θ

A

l

A

l

2

ΦB

2

1lA

B

2

1lAE

0

l

E

E

0

l

E

E2

L

2

LE

2

Em

2

2

YFE mmech dd


Elektromagnesy

prądu stałego

Siła przyciągania elektromagnesu

(Isermann 2005)

A – pole przekroju magnetowodu

Em – energia mechaniczna

Fm – siła przyciągająca

Y – przemieszczenie zwory

Θ – przepływ

lE – droga strumienia w rdzeniu ,

lL0 – początkowa szczelina powietrzna

μ0 – przenikalność magnetyczna próżni

μE – przenikalność magnetyczna żelaza

2

0

0L

E

E

02

mm

A

Yl

A

l

A

1

2

Θ

Y

EF

d

d


Elektromagnesy

prądu stałego

Mechaniczna charakterystyka

elektromagnesu

(Isermann 2005)

Przemieszczenie

zwory

Szczelina

magnetyczna


Elektromagnesy

prądu stałego

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.

Klasyfikacja elektromagnesów ze względu

na realizowaną funkcję

(Elbaum 1975)


Elektromagnesy

prądu stałego

A. Elektromagnesy pozycjonujące

(podnoszące, ciągnące, przełączające)

B. Elektromagnesy trzymające

(bez zwory)

C. Elektromagnesy generujące siłę

(sprzęgła, hamulce)

Klasyfikacja elektromagnesów ze względu

na realizowaną funkcję

(Isermann 2005)


Elektromagnesy

prądu stałego

Rzeczywiste charakterystyki

elektromagnesów

(Isermann 2005)

Fm – siła przyciągająca

I – prąd elektromagnesu

Y – przemieszczenie zwory

I – obszar początkowy Fm ~ I2

II – obszar liniowy Fm ~ I

III – obszar nasycenia Fm ~ I1/2


Elektromagnesy

prądu stałego

o ruchu liniowym o ruchu obrotowym

klapkowe nurnikowe

elektromagnesy

ze względu na

rodzaj ruchu zwory

ze względu na typ

magnetowodu

ze względu na

kształt rdzenia

- podkowiaste,

- trzykolumnowe,

- ...

- garnkowe,

- płaszczowe,

- ...

Klasyfikacja napęd. elektromagnesów

pr. stałego ze względu na ich konstrukcję

(Elbaum 1975)


Elektromagnesy

prądu stałego

Elektromagnesy obojętne

(Mrugalski 1979)

ze zworą wahliwą

(klapkowy)

ze zworą nurnikową

(nurnikowy)


Elektromagnesy

prądu stałego

Elektromagnesy obojętne

ze zworą obrotową

(Mrugalski 1979)


Elektromagnesy

prądu stałego

Elektromagnes spolaryzowany

(Mrugalski 1979)

1. Magnes trwały

2. Rdzeń

3. Zwora

4. Cewka

5. Cewka


Elektromagnesy

prądu stałego

Niektóre rodzaje elektromagnesów o ruchu

liniowym

(Isermann 2005, Elbaum 1975)

Rdzeń

Cewka

Szczelina

powietrzna

Zwora

Nurnikowy Podkowiasty Trzykolumnowy

ze zworą zewnętrzną


Elektromagnesy

prądu stałego

Elektromagnesy prądu stałego

(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


Elektromagnesy

prądu stałego

Katalogowa oferta elektromagnesów

(Magnetic Sensor Systems 2008)

Tubular

Solenoids

Open

Frame

Solenoids

Low Profile

Solenoids

Latching

Solenoids

Rotary

Solenoids

Electronics

and Controls

o ruchu liniowym o ruchu obrotowym

Hinged

Clapper

Solenoids

klapkowe nurnikowe

sterowniki

J. Wierciak: „Napędy elektromechaniczne urządzeń mechatronicznych” J. Wierciak: „Napędy elektromechaniczne urządzeń mechatronicznych”

Elektromagnesy nurnikowe


Elektromagnesy

prądu stałego


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


Elektromagnesy

prądu stałego


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;


Elektromagnesy

prądu stałego


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


Elektromagnesy

prądu stałego

Elektromagnes nurnikowy ze sprężyną

powrotną

(Isermann 2005)

sprężyna

zwora (nurnik)

cewka

V – napięcie zasilające

I – prąd w cewce

mload – masa obciążająca

mAnker – masa zwory


Elektromagnesy

prądu stałego

Elektromagnes nurnikowy remanencyjny


Stopa Cewka Magnesy trwałe

Rama

Nurnik

Popychacz


Elektromagnesy

prądu stałego

Budowa elektromagnesów nurnikowych


Stopa Uzwojenie Mechanizm

chwytowy

Obudowa Nurnik

Uzwojenie

Stopa i mechanizm

chwytowy

Obudowa

Nurnik

Pokrywa

Popychacz

Elektromagnes „ciągnący”

Elektromagnes „pchający”


Elektromagnesy

prądu stałego

Elektromagnes

w stanie spoczynku

Elektromagnes

wzbudzony

A - dopływ, B - przepona,

C - komora ciśnieniowa,

D – kanał otwierający,

E – elektromagnes, F – odpływ

Zawór hydrauliczny sterowany

elektromagnesem nurnikowym

(2008)


Elektromagnesy

prądu stałego

Przykładowe charakterystyki

elektromagnesu nurnikowego



Elektromagnesy

prądu stałego

Charakterystyki stat. elektromagnesów

przy różnych kształtach stopy nurnika

(Isermann 2005)

ll – szczelina początkowa

system pomiarowy do badania charakterystyk silników...

Documents