Seria: A U T O M A T Y K A z. 73 Nr kol. 7 9 8
Krystian K U S I O Ł O
0 PEWNYCH N O W Y C H S P O S O B A C H K S Z T A Ł T O W A N I A C H A R A K T E R Y S T Y K I KAPąDOWEO E L E K T R O M A G N E S U P R Ą D U S T A Ł E G O
S t r e s z c z e n i e . W a r t y k u l e o m ó w i o n o m o ż l i w o ś c i k s z t a ł t o w a n i a c h a ra k7eryiTty?ti~"ruipędowej e l e k t r o m a g n e s u p rę d u stałego. Z a p r o p o n o w a n o dwa nowe sp o s o b y u m o ż l i w i a j ą c e u z y s k a n i e d o w o l n e g o p r z e b i e g u tej cha rak ter y s t y k i . P o d a n o p r z y k ł a d y tech n ic z ne j r e a l i z a c j i z a p r o p o n o wanych s p o s o b ó w , kt ó r y c h p r z y d a t n o ś ć z o s t a ł a w s t ę p n i e z w e r y f i k o w a n a po p r z e z ba d a n i a i p o m i a r y k o n k r e t n e g o e l e k t r o m a g n e s u .
1. WST^P
Przez c h a r a k t e r y s t y k ę nap ę d o w ę b ę d z i e m y r o z u m i e ć z a l e ż n o ś ć rozwijanej przez el e k t r o m a g n e s s iły p o c h o d z e n i s e l e k t r y c z n e g o od d ł u g o ś c i roboczej szczeliny p o wietrzne j. P o w s z e c h n i e p r z y j m u j e się, że p r z e b i e g ten Jest ty
pu h i p erbo licznsgo z m a ł y m i m o ż l i w o ś c i a m i mo d y f i k a c j i . P o g l ę d ten o g r a n i cza stos o w a n i e tanich, p r o s t y c h i n i e z a w o d n y c h e l e k t r o m a g n e s ó w , p o n i e w a ż często Jest w y m a g a n y i n n y p r z e b i e g c h a r a k t e r y s t y k i n a p ę d o w e j , np. p r z y
»spółpracy z o b c l ę ż e n i e n g r a w i t a c y j n y m lub też p r z y p r a c y p r o p o r c j o n a l n e j elektromagnesu. P r z e d s t a w i o n e w a r t y k u l e p r o p o z y c j e k s z t a ł t o w a n i a c h a r a k terystyki na pędowej z o s t a ł y z w e r y f i k o w a n e na d r o d z e b a d a ń i p o m i a r ó w k o n kretnego e l e k t r o m a g n e s u [l] .
2. SPOSOBY K S Z T A Ł T O W A N I A C H A R A K T E R Y S T Y K I N A P ^ O O W E D
Tradyc yjn e s p o s o b y k s z t a ł t o w a n i a c h a r a k t e r y s t y k i napę d o w e j e l e k t r o m a gnesów bazuję na o k r e ś l o n y m d o b o r z e g e o m e t r i i n a g n a t o w o d u w o k o l i c y r o b o czej s z cz eliny p owi e t r z n e j [2] , [3] , [4] . W s z c z e g ó l n o ś c i d o b i e r a si? geo-
•etrię takich e l e m e n t ó w n a g n e t o w o d u . Jak: stopa, n u rn i k , b o c z n i k i m a g n e tyczne a o g ę c e p r a c o w a ć j Bko n a s y c o n e lub n i e n a s y c o n e . W s z y s t k i e w y m i e n i o ne elonenty z o s t a ł y p o k a z a n e na rys. 1. Ż a d e n z tych s p o s o b ó w nawet w przybliżeniu nie z a p e w n i a o t r z y m a n i a d o w o l n e g o z g ór y z a ł o ż o n e g o p r z e b i e gu cha ra kte rystyki n a p ędowej. P o n a d t o w m i a r ę w z r o s t u z ł o ż o n o ś c i k s z t a ł t u
"•yaienlonych e l e m e n t ó w m a g n e t o w o d u n a s t ę p u j e z n a c z n a k o m p l i k a c j a opisu Procesów fizyc z n y c h w y s t ę p u j ą c y c h p o d c z a s p r a c y e l e k t r o m a g n e s u , co p r o w a-
102 K. Kusidło
n u r n i k s z c z e l i « a p a s o i y m i c z a uzwojenie magnetowid-^ ^O.
prowadź, nurnika szczelina robocza bocznik stopa
Rys. 1. R o z w i ą z a n i e k o n s t r u k c y j n e e l e k t r o m a g n e s u
o) z p lask? s t op? i n u rnikiem, b) z n a s y c o n y m b o c z n i k i e m m a g n e t y c z n y m
dzi do c or az m n i ejsze j d o k ł a d n o ś c i obliczeń. Z u w a g i na w a ż n o ś ć zastoso
w a n i a danego e l e k t r o m a g n e s u t worz y się w tych p r z y p a d k a c h i n t e r d yscypli
n a r n e z e s p o ł y spe cja l i s t ó w , maj ę c y c h do d y s p o z y c j i n o w o c z e s n e urzędzenlo i n f o r m a t y k i , k t ó r y c h z a d a n i e m Jeet o p r a c o w a n i e d o k ł a d n y c h m e t o d oblicze
niowych. M e t o d y te p o z w a l a j ? s k o n s t r u o w a ć e l e k t r o m a g n e s o z a ł o ż o n y m prze
b iegu c h a r a k t e r y s t y k i napędowej [5]. N a l e ż y z a zn a cz y ć , że z e w z g l ę d u ne o b e c n y stan r oz woj u sprzętu, p r o g r a m ó w i m e t o d i n f o r m a t y c z n y c h problem ten daje się e f e k t y w n i e r oz w l ę z a ć tylko w p rz y p a d k u , k i e d y e l e k t r o m a g n e s jeet bryłę o brotowę (rys. l). D o d a t k o w o n a l e ż y z a z n a c zy ć , że w p r z y p a d k u sto
s o w a n ia n a s y c o n y c h b o c z n i k ó w m a g n e t y c z n y c h n i e istn i e j ę do tej p o r y Jakie
kolwiek, w pełni s f o r m a l i z o w a n e , m e t o d y o b l i c z a n i a e l e k t r o m a g n e s ó w [ó] . W s z y s t k o to jest po w o d e m , że p r a k t y c z n e z a s t o s o w a n i e o m ó w i o n y c h wyżej ae- tod Jest b a r d z o o g r a n i c z o n e , a do po s zu k i w a n e j k o n s t r u k c j i d o c h o d z i się m et o d ę w i e l o k r o t n y c h 1 k o s z t o w n y c h badań. W dalszej częś c i e r t y k u ł u zo
s tanę z a p r o p o n o w a n e dwa nowa s p o s o b y k s z t a ł t o w a n i a c h a r a k t e r y s t y k i napę
dowej el ektrom a g n e s u .
3. N O W E S P O S O B Y K S Z T A Ł T O W A N I A C H A R A K T E R Y S T Y K I N A P A D O W E J
Do b adań z o s t a ł w y b r a n y J s d n o u z w o j e n i o w y e l e k t r o m a g n e s p r ę d u stałego z r d z eni em w c ią ganym , z a s i l a n y b o c z n i k o w o (rys. la). E l e m e n t a r n y model sa- t e a a t y c z n y z o s t a ł o k r e ś l o n y p r z y z a ł o ż e n i u , że w r z e c z y w i s t y m elektroma
g ne s ie m ożna p oml nęć [?] :
- n i e l i n i o w o ś c i m a t e r i a ł o w e (lin e a r y z a c j a krzywej m a g n e s o w a n i a ) ; - z n i e k s z t a ł c e n i a linii pola m a g n e t y c z n e g o w o k ó ł s z c z e l i n ;
- rozproszenia l ini i pola M a g n e t y c z n e g o ; - reluktancję o b w o d u M ag n e t y c z n e g o .
Ole stanu u s t a l o n e g o siła p o c h o d z e n i a e l e k t r y c z n e g o Y o z w i j e n a p r z e z n u r nik b o ż o być o k r e ś l o n a n a s t ę p u j ę c y m w y r a ż e n l e n :
G,(x) - w y p a d k o w a p e r m e a n c j a w s z y s t k i c h s z c z e l i n p o w i e t r z n y c h na d ro dze B t r u M l o n i a M a g n e t y c z n e g o [wb/A] ,
Z zależności (l) w y ni ka, że ist n i e j ę dwa p o d s t a w o w e s p o s o b y k s z t a ł t o w a n i a charakterystyki napę dowej . P i e r w s z y p ol e ga na o d p o w i e d n i m d o b o r z e g e o m e trii m a g n o t o w o d u w c el u u z y s k a n i a o k r e ś l o n e g o p r z e b i e g u p e r m e a n c j i Gm (x) w czasie r uchu nurni ka. D e ż e l i d obó r g e o m e t r i i a a g n e t o w o d u o g r a n i c z a się tylko do o k o l i c y roboczej s z c z e l i n y p o w i e t r z n e j , to m a m y do c z y n i e n i a z Jednym z w c ześniej o m ó w i o n y c h s p o s o b ó w o p i s a n y c h w l i t e r a t u r z e . D e ż e l i n B -
tOBiast b ę d z i e m y k s z t a ł t o w a ć g e o m e t r i ę p a s o ż y t n i c z e j s z c z e l i n y p o w i e t r z nej (rys. i)', to u z y s k a m y p ewne now e m o ż l i w o ś c i w p ł y w u na c h a r a k t e r y s t y k ę napędowę ele k t r o m a g n e s u .
Orugi s p o s ó b p ole ga na z n a l e z i e n i u takiej k o n s t r u k c j i ele k t r o m a g n es u , która z apew ni u z a l e ż n i e n i e w a r t o ś c i n a p i ę c i a z a s i l a j ę c e g o u z w o j e n i e m a gnesujące od bleżęcej w a r t o ś c i p o ł o ż e n i a nurnika. O o b l e r a j ę c o d p o w i e d n i e u(x) można u z y s k a ć d o w o l n y p r z e b i e g c h a r a k t e r y s t y k i n a p ędowej.
Dla p r z y j ę t y c h z ało żeó , po p r o s t y c h p r z e k s z t a ł c e n i a c h z a l e ż n o ś c i (i),
«ożemy napis ać, że s i ł a - p o c h o d z e n i e e l e k t r y c z n e g o r o z w i j a n a p r z e z e l e k tromagnes p r z e d s t a w i o n y na rys. la Jest w y r a ż o n e n a s t ę p u j ę c y m w z o r e m [8] ,
gdzie:
u Cr) - n a p i ę c i e z a s i l a j ę c e u z w o j e n i e m S g n e s u j ę c e , z a l e ż n e od b i e ż ę c e g o p o ł o ż e n i a n u r n i k a [v] ;
£i0 - p r z e n i k a l n o ś ć m a g n e t y c z n a pr óżni Qt/m] ;
a - p ole p o w i e r z c h n i p r z e k r o j u roboczej s z c z e l i n y p o w i e t r z n e j [m J.
Na rys. 2 p r z e d s t a w i o n o schemat b l o k o w y u k ł a d u r e a l i z u j ą c e g o p r a k t y c z nie omawiany s p o s ó b k s z t a ł t o w a n i a c h a r a k t e r y s t y k i napę d o w e j . P r z e s u n i ę c i e nurnika Jeat p r z e t w a r z a n e p r z e z cz u j n i k p o m i a r o w y na s y g n a ł e l e k t r y c z n y , który jest n a s t ę p n i e p r z e t w o r z o n y (zgo dn i e z ż ę d a n ę z a l e ż n o ś c l ę funk c y jn ę (1)
gdzie:
R u z
- n a p i ę c i e z a s i l a j ę c e
[v] ,
- l iczba z w o j ó w u z w o j e n i a m a g n e s u j ę c e g o , - r e z y s t a n c j a u z w o j e n i a magne s u j ę c e g o [il] ,
(2)
104 K. Kusidło
u(x)) p rz ez o d p o w i e d n i u kład prz e k sz t a ł c a j ą c y . O s t a t n i a e t apem jest poda
nie u z y s k a n e g o n a pięci a na w ę z e ł sumuj ęcy, j e g o w z m o c n i e n i e i doprowadza
nie do uzw o j e n i a m a g n e s u j ę c e g o e l e k t ro m ag n e s u. T e c h n i c z n a r e a l i z a c j a czuj
nika p o m i a r o w e g o i układu p r z e k s z t a ł c a j ą c e g o może być ( dowo l n a . Na o g ó ł będzi em y df- żyć do tego, a b y oba bloki t w o r z y ł y f u n k c j o n a l n ą całość W n a j p r o s t s z y m p r z y p a d k u soi- j na z a s t o s o w a ć potencjometr s u w ak o w y , s p r z ę ż o n y z poru
s z a j ą c y m się n u r n i k i e m 1 wbu
d o w a n y w p r o s t y z a s i l a c z prę- ; du s t a ł e g o J a k o element re
g u l u j ą c y J e g o n a p i ę c i e wej
ś c i o w e . U z y s k a n y p r z e b i e g che- r o k t e r y s t y k i napę d o w e j bę
d z i e ś c i ś l e z a l e ż a ł od cha
r a k t e r y s t y k i zastosowanego p o t e n c j o m e t r u i od charakte
r y s t yki regulacyjnej zasilacza. Ze w z g l ę d u na to, że i s t n i e j ą potencjome
try o różnej z a l e ż n o ś c i oporu w y j ś c i o w e g o od p r z e s u n i ę c i a 3 u w a k a oraz że i s t n ieje w i e l e s p o s o b ó w k s z t a ł t o w a n i a c h a r a k t e r y s t y k i r e g u l a c y j n e j zasi
lacza, m ożna u zy skiwa ć dużą różno r o d n o ś ć p r z e b i e g u n a p i ę c i a u(x) w zależ
ności od bie ż ą c e g o p o ł o ż e n i a nurnika.
2.2. W y n i k i b adań 1 p o m i a r ó w
B ada nia e l e k t r o m a g n e s u p r z e d s t a w i o n e g o na rys. la z o s t a ł y przeprowadzo
ne na s pec j a l n i e do tego celu sko n s t r u o w a n y m s t a n o w i s k u p o m i a r o w y m [i].
P o z w a l a ono na cy f r o w y odczyt wa r t o ś c i 3 ił y roz w ij a n e j p r z e z n u r n i k elek
t r o magnesu, w a r t o ś c i na p i ę c i a z a s i l a j ą c e g o u z w o j e n i e m a g n e s u j ą c e oraz dłu
gości roboczej s z c z e l i n y powietrznej. C el e m p r z e p r o w a d z o n y c h b a d a ń było p o t w i e r d z e n i e p r z y d a t n o ś c i dwóch z a p r o p o n o w a n y c h s p o s o b ó w p o d k ą tem moż
l i w o ś ci u z y s k i w a n i a J a k o ś c i o w o o d m i e n n y c h c h a r a k t e r y s t y k nap ę d o w y c h . Nb rys. 3 p r z e d s t a w i o n o o t r z y m a n y p r z e b i e g c h a r a k t e r y s t y k i n a p ę d o w e j dla •- l e k t r o m a g n e s u z celowo w y k o r z y s t a n ą s z cz e l i n ą p a s o ż y t n i c z ą . Na rysunku tym p r z e d s t a w i o n o r ównież fragment n a g n e t o w o d u w o k o l i c y tej szczeliny w r a z z istotnymi w y mia rami. Nat o m i a s t na rys. 4 p r z e d s t a w i o n o otrzymano c h a r a k t e r y s t y k i w pr zy p a d k u z a s t o s o w a n i a d r u g i e g o s p o s o b u p r z y wykorzy
s t aniu p o t e n c j o m e t r ó w s u w a k o w y c h i z a s i l a c z a o w y p a d k o w e j charakterystyc«
u (x 5 - kd> i u C x ) » ke0 , 1 '1? (k > 1 [v] , » X / X B a x ).
Na p o d s t a w i e o t r z y m a n y c h c h a r a k t e r y s t y k n a p ę d o w y c h m o ż n a stwierdzić że s z c z egól na z g o d n o ś ć z o c z e k i w a n i a m i t e o r e t y c z n y m i w y s t ę p u j e dla większych i d ł u g ości s z c z e l i n y roboczej. Oest to s p o w o d o w a n e m n i e j s z y m u d z i a ł e m zja
wisk z a k ł ó c a j ą c y c h nie u w z g l ę d n i o n y c h w e l e m e n t a r n y m m o d e l u matematyczny1 i Rys. 2. Schemat b lokow y układu r e a l i z u j ą
cego u z a l e ż n i e n i e n a pięcia z a s i l a j ą c e g o u z w o j e n i e e l e k t r o m a g n e s u od p o ło że n ia nur
nika
^ ~ X/Xmax Xmax ~ 40-10‘3Cml
( z ałożenia u p r a s z c z a j ę c e ).
Do z j a w i s k tych n o ż n a z a l i czyć w y s t ę p o w a n i e e f e k tu w y b r z u s z a n i a się l i n i i pola m a g n e t y c z n e g o w w y p a d k u m a łej d ł u g o ś c i s z c z e l i n y ro
boczej. Z w i ę k s z a się w t e d y r ó w n i e ż z n a c z e n i e n i e w i e l k ich s z c z e l i n p o w i e t r z n y c h w y s t ę p u j ę c y c h p r z y p o ł ę c z e - niach e l e m e n t ó w m a g n e t o w o d u o r az s t r u m i e n i roz p r o s z e n i a.
P o t w i e r d z i ł a się r ó w n i e ż m o ż l i w o ś ć u z y s k i w a n i a do w o l n y c h c h a r a k t e r y s t y k n a p ędo wy c h . S z c z e g ó l n i e obie- cujęcy p od typ w z g l ę d s n Jest d rugi z z a p r o p o n o w a n y c h s p osobów. B a z u j e m y w ty» p r z y p a d k u na d o b o r z e t e o r e t y c z n i e i o b l i c z e n i o w o o p r a c o w a n e j k o n strukcji e l e k t r o m a g n e s u z p łaskę stopę 1 n u r n i k i e m £9] . P o z w a l a to o c z e kiwać dużej d o k ł a d n o ś c i o t r z y m a n y c h r o z w i ę z a ń w o d n i e s i e n i u do ż ę d a n y c h charakterystyk n a p ę d o w y c h k o n s t r u o w a n e g o e l e k t r o m a g n e s u .
Rys. 4. C h a r a k t e r y s t y k a nap ę d o w a dla e l e k tromagnesu z a s i l a n e g o n a p i ę c i e m u z a l e ż n i o
nym od b i e ż ę c e g o p o ł o ż e n i a nurnik a UL=24[vJ
Rys. 3. C h a r a k t e r y s t y k a n a p ę d o w a dla e l e k t r o m a g n e s u z c e l o w o w y k o r z y s t a n ę s z c z e l i n ę p a s o ż y t n i c z e
szczelina pasożi/t.
magnetowód n u r n ik tu leja karkasu
uzwojenie
106 K. Kusidło
3. O G O L N E w n i o s k i
a) P r z e d s t a w i o n e s p o s o b y k s z t a ł t o w a n i a c h a r a k t e r y s t y k i n a p ę d o w e j pozwala- Ję na d obre Je] d o p a s o w a n i e do d o w o l n e g o o b c i ę ż e n i a , co p r o w a d z i do m o ż l i w o ś c i z n a c z n i e s z e r s z e g o w y k o r z y s t a n i a e l e k t r o m a g n e s ó w w prakty
ce.
b) D r u g i z z a p r o p o n o w a n y c h s p osobó w , w k t ó r y « u z w o j e n i e m a g n e s u j ę c e Jest z a s i l a n e n a p i ę c i e m z a l e ż n y m od p o ł o ż e n i a nurnika, u m o ż l i w i a uzyskania e l e k t r o m a g n e s u o określonej c h a r a k t e r y s t y c e n apędowej bez konieczności w y k o n y w a n i a w ielu badaó. P r o w a d z i do do z n a c z n e g o z m n i e j s z e n i a kosztś*
p r o j e k t o w a n i a e l e k t r o m a g n e s ó w p rę d u stałego.
c) M o ż l i w o ś ć doboru określonej c h a r a k t e r y s t y k i napę d o w e j p o z w o l i na zwięk
s z enie z a k r e s u p r a c y pro p o r c j o n a l n e j e l e k t r o m a g n e s u , co p r z y c z y n i się do J eg o n o w y c h zastosować.
L I T E RATU RA
[1] K u s l d ł o K. : U n i w e r s a l n y m e c h a n i z m e l e k t r o m a g n e t y c z n y p r ę d u stałego - projekt, wyk o n a n i e , b a d a n i a sp r aw d z a j ę c e . P r a c a m a g i s t e r s k a . Politach- nika ślęska, Wydz. A u t o m a t y k i , 1980.
[2] K o w a l o w s k i H.: M a s z y n y i n ap ę d el e kt r y c z n y . PWN, W a r s z a w a 1975.
[3] L iub czik M.A. : SiłowyJ s e l e k t r o m a g n i t y a p a r a t ó w i u s t r o j s t w awtomsti- ki p o s t o j a n n o w o toka. I z d e t l e l a t w o E n i e r g l j a , M o s k w a 1968.
[4] K a l l e n b a c h E.: Oer G l e i c h s t r o m m a g n e t . A k a d e m i s c h e Verlagegesellechaft G eest & P o r t l g K. - G. Le i p z i g 1969.
[5] P H I L I P S T e c h n i s c h e Runds c h a u . 39 O a h r g a n g 1 9 8 0 / 8 1 , nr 2.
[ö] L iub czik M.A. , K l i m i e n k o B.W.: A n a l i z t i a g o w y c h c h a r a k t i e r l s t i k wtiei- n ych e l e k t r o m a g n i t o w z f i e r r o m a g n i t n y m i s z u n t a m l . T r u d y Wniielektro- j appar at, nr 1, 1967.
[7] B ort l l c z e k Z.: O w ł a ś c i w o ś c i a c h s t a t y c z n y c h J edno u z w o j e n i o w y c h mecha
n i z m ó w e l e k t r o m a g n e t y c z n y c h p r ęd u stałego. Z e s z y t y N a u k o w e Politech
n iki ślęskiej , seria A u t o m a t y k a , nr 54, G l i w i c e 1980.
[8] M i z i a W.: L a b o r a t o r i u m m a s z y n e l e k tr y cz n y c h. S k r y p t P o l i t e c h n i k i śli
skiej nr 864, G l i w i c e 1979.
£9] K a l l e n b a c h E. : Zur D i m e n s i o n i e r u n g v o n G l e i c h s t r o m - H u b m a g n e t e n alt v e r ä n d e r t e r H u bkr aft Cha r a k t e r i s t i k . M i t t e i l u n g aus des Institut für a l l g e m e i n e und t h e o r e t i s c h e E l e k t r o t e c h n i k , H fE I l m e n a u 1961,
R e c e n z e n t : Prof. dr inż. Z y g m u n t Bejorak
W p ł y n ę ł o do Re da k c j i : w r z e s i art 1 9 8 3 r.
0 KEKOTOPRX, HOBHX CIIOCOEAX 0EPA 30BA H H H nPHBOJiHOM XAPAKTEPHOTHKH SJIEKTPOMArHHTA IlOCTOflHHOrO TOKA
P e 3 b m e
B CTaThS p a C C M O l p e H U B 0 3M0XH0CTH 0 6 pa 3 0 B a H H « npHBOAKOft l a p a K i a p H O T H K B sieKipoMarHHia nocioH HHo ro lOKa. IIpeAaoEeHU A s a h o b u x cnoooOa, Aazwyix b o s- MOSHOCTb nOAjnieHHH UpOHaBOJIBHOro X O A S STO0 x a p a K T B p H C T H K H . U p e A O iaBaSHU npa-
«epa lexHH^eoKofi peajm3ai;nH npeAJioxeHHHx c b o o oSo b, K o i o p u x n p a r o A K o c i L npo- Bepeno HCCJieAya h H3Mepaa. KOHKpeiKufi s a e K i p o M a r H H T .
ABOUT SOME N E W M E T H O D S OF S H A P I N G OF D R I V I N G C H A R A C T E R I S T I C IN D.C. E L E C T R O M A G N E T
S u e m a r y
In the p aper p o s s i b i l i t i e s of s h a p i n g of d r i v i n g c h e r e c t e r i s t i c in d.
c. e l e kctromagnet a re pre s e n t e d . T w o n e w w ay s w h i c h a l l o w to y i e l d a r bitral s hap e of this c h a r a c t e r i s t i c a r e prop o s e d. E x a m p l e s of t e c h n i c a l realization are stated. E x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w n in p a per, p r o v e that presented m e t h o d s are u s e f u l in practic.
