Dziś jest poniedziałek, 21 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
29 październik 2012.

PROJEKT I REALIZACJA SPRZĘGŁA MAGNETOREOLOGICZNEGO ZE WZBUDZENIEM HYBRYDOWYM

PROJEKT I REALIZACJA SPRZĘGŁA MAGNETOREOLOGICZNEGO ZE WZBUDZENIEM HYBRYDOWYM

Wprowadzenie
Sprzęgło będące elementem układu napędowego, służące do łączenia wałów i przekazywania momentu obrotowego, składa się z członu czynnego - napędzającego - i członu biernego - napędzanego oraz z łącznika [1]. Łącznik rozumiany jest jako część (kilka części) lub jako czynnik który określa sposób przekazania momentu oraz charakteryzuje sprzęgło.
W sprzęgłach sterowanych elektromagnetycznie łącznik zmienia swoje parametry pod wpływem pola magnetycznego wytworzonego przez cewkę zasilaną prądem. Jednym z rodzajów sprzęgieł elektromagnetycznych są sprzęgła, w których łącznikiem (czynnikiem sprzęgającym) jest ciecz magnetoreologiczna.

Ciecz magnetoreologiczna
Ciecz magnetoreologiczna (ciecz MR) zmienia swoją lepkość pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Zmiana lepkości cieczy MR pod wpływem pola magnetycznego wynika z jej budowy - ciecz jest zawiesiną drobinek ferromagnetyka, będących pojedynczymi domenami magnetycznymi, w niemagnetycznej cieczy nośnej. Po umieszczeniu cieczy MR w zewnętrznym polu magnetycznym drobinki ulegają orientacji i koncentracji wzdłuż linii sił pola magnetycznego, tworząc skupiska cząsteczek w postaci łańcuchów równoległych do linii sił pola magnetycznego. Im większa indukcja B pola magnetycznego, tym większe naprężenie łańcuchów utworzonych z cząsteczek ferromagnetycznych i tym samym większa lepkość cieczy.

Zmianę naprężeń w cieczy magnetycznej opisuje model Binghama:

gdzie: τ naprężenia styczne w cieczy, τ0(B) - graniczne naprężenia styczne zależne od indukcji B zewnętrznego pola magnetycznego, µ - lepkość dynamiczna cieczy, ϒ - odkształcenie postaciowe cieczy przy ścinaniu.
Jeśli naprężenia styczne w cieczy nie przekroczą naprężeń granicznych τ0(B), to ciecz nie płynie i zachowuje się jak ciało sprężyste.
Po zaniku zewnętrznego pola magnetycznego ciecz przyjmuje swoją pierwotną postać - cząsteczki ulegają rozproszeniu.

Sprzęgło z cieczą magnetoreologiczną

W sprzęgle magnetoreologicznym ciecz MR znajduje się w zamkniętej przestrzeni pomiędzy członem czynnym i biernym. Na jednym z członów sprzęgła bądź w jego nieruchomej obudowie umieszczone jest uzwojenie wzbudzenia, które zasilane prądem wytwarza strumień magnetyczny. Obwód magnetyczny sprzęgła jest tak ukształtowany, że strumień magnetyczny przenika przez ciecz MR [2,3,4].
Moment sprzęgający TS (moment, po przekroczeniu którego rozpoczyna się wysprzęglenie, tzn. następuje względny ruch członu czynnego i biernego) zależy od naprężenia granicznego τ0(B). Naprężenie to jest funkcją indukcji magnetycznej B w obszarze roboczym z cieczą, a ta zależy od prądu I w uzwojeniu. Zatem wartość momentu sprzęgającego TS jest sterowana prądem wzbudzenia I.

Sprzęgło magnetoreologiczne ze wzbudzeniem hybrydowym

Projektowane sprzęgło magnetoreologiczne (rys.1) jest sprzęgłem wielotarczowym [5]. W sprzęgle znajdują się dwa źródła pola magnetycznego: magnes trwały (1) i uzwojenie sterujące (2), zasilane prądem I. Magnes trwały jest źródłem stałego pola magnetycznego zapewniającego wytworzenie momentu sprzęgającego TS(I=0). Zasilone ze źródła prądu uzwojenie sterujące wytwarza pole magnetyczne, które przy prądzie I- "odwzbudza" układ i zmniejsza przez to wartość momentu TS(I-) lub po zmianie kierunku przepływu prądu "dowzbudza" układ zwiększając w ten sposób moment sprzęgający TS(I+).


Rys. 1. Projektowane sprzęgło magnetoreologiczne w przekroju osiowym: 1 - uzwojenie wzbudzenia (sterujące) , 2 - magnes trwały, 3 - tarcza członu biernego, 4 - ciecz MR, 5 - tarcza członu czynnego, 6 - jarzmo obwodu magnetycznego sprzęgła, 7 - obudowa sprzęgła,
8 - wałek sprzęgła

Obliczenia projektowe

Na etapie projektowania sprzęgła magnetoreologicznego wykonano obliczenia magnetyczne i obliczenia stereomechaniczne oraz wstępne obliczenia przepływowe.

Obliczenia magnetyczne

Obliczenia magnetyczne zostały zrealizowane w celu wyznaczenia rozkładu pola magnetycznego w sprzęgle oraz w celu określenia na jego podstawie charakterystyki momentu sprzęgającego TS(I). Obliczenia zostały zrealizowane w dwóch etapach.
Etap1 - obliczenia wstępne, których celem było wyznacze-nie właściwej liczby tarcz, ich kształtu i wymiarów [6]. Przyjęto ograniczenia dla tych obliczeń polegające na tym, że tarcze zewnętrzne i wewnętrzne oraz ciecz, która znajduje się wewnątrz sprzęgła powinny mieścić się w walcu o średnicy 75 mm i wysokości 30 mm.
W programie FEMM wykonano model polowy sprzęgła magnetoreologicznego, który uwzględnia charakterystyki magnesowania stali i cieczy magnetoreologicznej. Ze względu na symetrię osiową sprzęgła - zarówno geometryczną jak i magnetyczną - jego model polowy jest modelem osiowosymetrycznym.
W programie Matlab stworzono skrypt, w którym dzięki użyciu języka LUA dokonywano zmian geometrii modelu w programie FEMM.
Wykorzystując model polowy sprzęgła dokonano obliczeń rozkładu pola magnetycznego w sprzęgle. Na rysunku 2. przedstawiono model polowy obwodu magnetycznego sprzęgła oraz wyniki obliczeń w postaci rozkładów pola magnetycznego dla I+=0,5 A i I-= -0,5 A.
Wykorzystując wyznaczone rozkłady pola magnetycznego w sprzęgle obliczono moment sprzęgający TS. Na podstawie relacji τ0(H) [7] i uzyskanych rozkładów natężenia pola magnetycznego w cieczy magnetoreologicznej (składowej normalnej natężenia pola magnetycznego Hn) przy granicy styczności cieczy z tarczami wirnika (w modelu osiowosy-metrycznym przy krawędziach tarcz wirnika), obliczono wartości momentu sprzęgającego. Uzyskane wyniki pozwoliły wybrać wariant, w którym liczba tarcz osadzo-nych na wale wynosi 5 sztuk a ich grubość 2mm. Dla tego wariantu charakterystyka TS(I) dla różnych grubości tarcz przedstawiono na rysunku 3.


Rys. 2. Symulacyjny model magnetyczny polowy sprzęgła oraz rozkłady pola magnetycznego


Rys. 3. Charakterystyki Ts=f(I) dla różnych grubości tarcz

Etap 2 - obliczenia, których celem było wyznaczenie ostatecznych wymiarów elementów stanowiących obwód magnetyczny.
Drugi etap obliczeń magnetycznych został przeprowadzony po obliczeniach wytrzymałościowych przeprowadzonych dla kluczowych elementów sprzęgła, odpowiedzialnych za przeniesienie momentu. Obliczenia te wykazały konieczność niewielkich korekt wymiarów przyjętych dla obliczeń magnetycznych.
Końcowy model geometryczny przedstawiono na rysunku 4. Dla tego modelu opracowano model polowy i przeprowadzono ponownie obliczenia.
Na etapie zakupów materiałów i części składowych sprzęgła pojawiła się trudność w zakupie magnesu wykonanego ze stopu Alnico o wymiarach wynikających z obliczeń projektowych. Postanowiono zatem zastąpić magnes z Alnico łatwo dostępnymi na rynku magnesami neodymowymi (NdFeB). Pierścień z Alnico zastąpiono więc wieńcem z 72 pastylkowych magnesów NdFeB (rys. 6). Ze względu na różnicę parametrów materiałów Alnico i NdFeB wieniec ten musi się charakteryzować kilkukrotnie mniejszą wysokością od obliczonej wcześniej wysokości magnesu z Alnico. Zatem zastosowano dodatkowy pierścień stalowy o wysokości wynikającej z różnicy wysokości magnesu pierścieniowego i wieńca z magnesów.


Rys. 4. Model CAD końcowej wersji obwodu magnetycznego sprzęgła


Rys. 5. Wyniki obliczeń momentu sprzęgającego TS=f(I) - końcowa wersja geometrii obwodu magnetycznego

Dla opisanej modyfikacji obwodu magnetycznego sprzęgła przeprowadzono ponownie obliczenia rozkład pola magnetycznego i momentu sprzęgającego TS (rys. 7).


Rys. 6. Wieniec z magnesów NdFeB

Obliczenia stereomechaniczne

Obliczenia wytrzymałościowe są etapem procesu projektowego koniecznym do weryfikacji stanu naprężeń i odkształceń kluczowych elementów sprzęgła [8]. Wyniki obliczeń dają odpowiedz o wytężeniu materiału pod wpływem działania obciążenia. Obliczenia zrealizowano z wykorzystaniem dostępnych narzędzi wspierających projektowanie elementów konstrukcyjnych zaimplementowanych w programie Autodesk Inventor 2010.

Etap 1: Obliczenia wału sprzęgła
Jako obciążenia wałka (rys. 8) przyjęto działający na wałek: moment skręcający o wartości 22Nm, oraz siłę poprzeczną (wynikającą np. z niewyosiowania sprzęgła z dalszą częścią układu napędowego) o wartości 50 N.


Rys. 7. Charakterystyka Ts=f(I) po zastosowaniu wieńca z magnesów NdFeB dla grubości magnesów 0,8 mm


Rys. 8. Model CAD wału sprzęgła z podstawowymi wymiarami oraz oznaczeniem obciążeń do obliczeń wytrzymałościowych

Generator wałów programu Inventor 2010 umożliwia wyznaczenie rozkładu wielkości odkształcenia i naprężeń na długości wału. Wielkości te dotyczą wykresów sił i momentów oraz naprężeń i odkształceń nimi wywołanych. Dodatkowo wyznaczane są wykresy wartości naprężeń zredukowanych oraz określany jest wykres średnicy idealnej. Wielkości te wyznaczane są w punktach rozłożonych równomiernie na długości wału. Liczbę tych punktów można ustalać w szerokim zakresie. Obliczenia zrealizowano przy podziale wału na 500 odcinków.
Na rysunku 9. przedstawiono rozkłady wartości kąta ugięcia oraz poniżej naprężeń zredukowanych wzdłuż wału.


Rys. 9. Wyniki obliczeń sprawdzających dla wału sprzęgła

Przyjęto, że wał sprzęgła zostanie wykonany ze stali nierdzewnej 0H18N10T (1.4541). Dla tego gatunku stali minimalna granica plastyczności Re określona jest na poziomie 216 MPa [9]. A zatem można założyć, że przyjęta geometria wału dla założonego materiału konstrukcyjnego będzie wystarczająca dla przeniesienia założonych obciążeń. Stal 0H18N10T przyjęto w zastępstwie trudno dostępnych stali niemagnetycznych gatunku G18H3 lub H12N11G6 [10].

Etap 2: Obliczenia tarcz sprzęgła.
Dla tarcz sprzęgła przeprowadzono również analizę wytrzymałościową, wykorzystując do tego celu "Moduł analizy naprężeń" programu Inventor 2010.
Na rysunku 10. przedstawiono rozkład naprężeń w tarczach sprzęgła przy obciążeniu momentem
T
s=22 Nm.


Rys. 10. Rozkład naprężeń w tarczy sprzęgła

Wyznaczono ponadto wartości częstotliwości drgań własnych zespołu tarcz oraz odpowiadające im postacie drgań. Na rysunku 11 przedstawiono pierwszą i drugą postać drgań własnych dla częstotliwości odpowiednio: 1190 Hz i 2550 Hz.


Rys. 11. Postacie odpowiadające 1 i 2 częstotliwości drgań własnych tarcz sprzęgła

W zakresie obliczeń stereomechanicznych dokonano ponadto obliczeń tarcz zewnętrznych oraz połączeń śrubowych, odpowiedzialnych za przeniesienie momentu.

Wstępne obliczenia przepływowe

W celu zbadania prędkości cieczy MR w przestrzeni roboczej sprzęgła w trakcie jego pracy stworzono model przepływowy 2D sprzęgła.
W modelu przyjęto gęstość cieczy magnetoreologicznej MRF-140CG p=3,64 g/cm3 i jej lepkość dynamiczną µ=0,28 Pa * s przy braku oddziaływania zewnętrznego pola magnetycznego. Wyniki obliczeń przepływowych pokazują, że przy mniejszych prędkościach obrotowych profil prędkości w szczelinie z cieczą MR jest liniowy. Przy prędkości n=500 obr/min profil prędkości w obszarach zakończenia tarcz nie jest liniowy, aczkolwiek przepływ nie jest turbulentny - liczba Reynoldsa wynosi Re = 365 (graniczna Re = 1900 dla przypływu płaskiego).

Badania prototypu sprzęgła magnetoreologicznego

Po wykonaniu elementów sprzęgła dokonano montażu prototypu sprzęgła magnetoreologicznego ze wzbudzeniem hybrydowym (rys. 12). Następnie przeprowadzono badania sprzęgła w stanach statycznym i dynamicznym. Badania te wykonano na skonstruowanym stanowisku laboratoryjnym (rys. 12).


12. Sprzęgło magnetoreologiczne oraz stanowisko laboratoryjne do badania sprzęgła magnetoreologicznego: 1 - silnik indukcyjny z motoreduktorem (źródło napędu), 2 - sprzęgło magnetoreologiczne, 3 - momentomierz, 4 - hamulec (obciążenie), 5 - falownik zasilający silnik indukcyjny

Stanowisko składa się z źródła napędu (1), badanego sprzęgła (2), obciążenia (4) oraz elementu pomiarowego (3). Źródło napędu stanowi opcjonalnie motoreduktor napędzany przez silnik indukcyjny, który jest zasilany z falownika napięcia (źródło napędu o regulowanej wartości prędkości obrotowej), bądź obrotowy siłownik pneumatyczny zasilany poprzez elektronicznie sterowany zawór, który posiada możliwość zadawania ciśnienia wyjściowego (źródło napędu o regulowanej wartości momentu napędowego). Obciążenie układu napędowego stanowi hamulec elektromagnetyczny proszkowy. Pomiar momentu przenoszonego przez sprzęgło - momentu sprzęgającego Ts - oraz pomiar prędkości członu biernego sprzęgła jest dokonywany przez momentomierz, który jest umieszczony pomiędzy sprzęgłem a hamulcem.
Pomiarów momentu sprzęgającego w funkcji prądu cewki sprzęgła TS(I) dokonano dla sprzęgła ze wzbudzeniem hybrydowym oraz dla sprzęgła bez magnesu trwałego - sprzęgła wzbudzanego wyłącznie przez cewkę zasilaną prądem I. Zestawienie obu pomiarów przedstawia rysunek 13.


Rys. 13. Charakterystyka statyczna sprzęgła z cieczą MRF-140CG dla dwóch różnych układów wzbudzenia

Pomiary stanów dynamicznych sprzęgła polegały na rejestracji przebiegów momentu sprzęgającego Ts dla załączenia i wyłączenia sprzęgła oraz na skokowych zmianach obciążenia sprzęgła. Przebieg momentu przenoszonego przez sprzęgło - momentu sprzęgającego Ts - z opisanymi zmianami dynamicznymi stanu pracy sprzęgła przedstawia rysunek 14.


Rys. 14. Przebiegi czasowe momentu pomiędzy sprzęgłem a hamulcem proszkowym dla prądu cewki hamulca I=0,5 A

Podsumowanie

W artykule przedstawiono proces projektowy sprzęgła magnetoreologicznego. Obliczenia projektowe, na które składają się obliczenia magnetyczne i mechaniczne pozwoliły na wybór właściwej konstrukcji sprzęgła oraz wyznaczenie charakterystyki Ts(I) określającej parametry użytkowe sprzęgła.
Charakterystyki momentu sprzęgającego Ts(I) otrzymane na drodze pomiarów są zbieżne z odpowiadającymi im charakterystykami wyznaczonymi z obliczeń polowych: charakterystyki posiadają ten sam kształt, natomiast różnią się co do zakresu wartości Ts. Różnice te wynikają z rzeczywistych parametrów cieczy magnetoreologicznych gorszych od parametrów podawanych przez producenta, a które przyjęto w obliczeniach. Drugim powodem rozbieżności pomiędzy rzeczywistymi parametrami sprzęgła a wyznaczonymi z obliczeń są niedokładności wykonania elementów sprzęgła stanowiących obwód magnetyczny. Wszelkiego rodzaju szczeliny powietrzne, powstałe pomiędzy elementami, osłabiają wartość strumienia magnetycznego, co przekłada się na mniejsze wartości momentu sprzęgającego Ts.
Porównując charakterystyki Ts(I), dla sprzęgła ze wzbudzeniem hybrydowym, jakie otrzymano z obliczeń oraz pomiarów, warto zauważyć, że minimum momentu sprzęgającego Ts odpowiada różnym wartościom prądu "odwbudzającego" I-. Różnica ta wynika z tego, że użyte w budowie sprzęgła magnesy posiadają gorsze parametry magnetyczne (Br,Hc) niż te, które podaje producent magnesów.
Analizując pomiary w stanach dynamicznych można zauważyć, że w chwili załączenia sprzęgła i hamulca występują udary momentu związane ze zmianą prędkości wirujących mas bezwładności. Wyłączenie zasilania sprzęgła, niepowodujące zmiany prędkości którejkolwiek z mas bezwładności, nie wywołuje udaru momentu. W tym stanie widoczny jest proces zanikania właściwości sprzęgających sprzęgła wynikających z właściwości cieczy MR. Proces ten trwa około 150 ms. Porównując proces załącze-nia i wyłączenia zasilania sprzęgła należy zauważyć, że uzyskanie przez sprzęgło właściwości sprzęgających jest szybsze niż utrata tych właściwości.

Literatura

1. Dietrich M. i inni: Podstawy konstrukcji maszyn. Tom 3. WNT, Warszawa 2006.
2. Li W. H., Du H.: Design and Experimental Evaluation of a Magnetorheological Brake. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 21 (2003), s. 508515.
3. Jędryczka C.: FE analysis of electromagnetic field coupled with fluid dynamics in a MR clutch, COMPEL - The International Journal for Computation and Mathe-matics in Electrical and Electronic Engineering, 2007, Vol. 26, No. 4, s. 1028-1036.
4. Szeląg W.: Przetworniki elektromagnetyczne z cieczą magnetoreologiczną. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2010.
5. Pilch Z., Kowol P., Kielan P.: Wielotarczowe sprzęgło magnetoreologiczne o płynnie regulowanej wartości przenoszonego momentu. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne BOBRME KOMEL, z. 90/2011, Katowice 2011, s. 169-174.
6. Kowol P.: Polowa analiza wpływu właściwości cieczy magnetoreologicznej i kształtu tarcz na parametry sprzęgła magnetoreologicznego. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne BOBRME KOMEL, z. 88/2010, Katowice 2010, s. 229-233.
7. Materiały informacyjne firmy LORD Corporation: www.lord.com
8. Kielan P., Kowol P., Pilch Z.: Conception of the electronic controlled magnetorheological clutch. Przegląd Elektrotechniczny 3'2011, s. 93-95.
9. Dobrzański L. i inni: Leksykon materiałoznawstwa. v.1.41, Wydawnictwo Verlag Dashofer, Warszawa 2010.
10. Bajorek J., Kolasa J.: Stale austenityczne w budowie maszyn elektrycznych - właściwości, badania, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Politechnika Wrocławska, Nr 48, 2000r, str. 312-318.
Autorzy
dr inż. Paweł Kowol, dr inż. Zbigniew Pilch - Katedra Mechatroniki, Wydział Elektryczny, Politechnika Śląska, Gliwice, e-mail: pawel.kowol@polsl.pl, zbigniew.pilch@polsl.pl
Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2009-2011 jako projekt badawczy nr N N510 355337

"Artykuł opublikowano na łamach miesięcznika naukowo-technicznego Napędy i Sterowanie nr 7-8/2012."

Źródło: Politechnika Śląska, dr inż. Paweł Kowol, dr inż. Zbigniew Pilch
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl