HAMULCE i SPRZĘGŁA ELEKTROMAGNETYCZNE

Hamulec jest urządzeniem, które służy do:

–

zmniejszenia prędkości (częściowego lub do zatrzymania) ruchomych części

maszyn (hamulec zatrzymujący)

–

utrzymywania części maszyn nieruchomo lub też w pozycji pozwalającej na

częściowy ruch (hamulec luzujący)

–

pomiarów (hamownie).

Sprzęgło jest urządzeniem łączącym elementy urządzeń w celu przeniesienia

momentu. Zwykle składa się z członu czynnego (napędzającego), biernego

(napędzanego) i elementów łączących.

Hamulec elektromagnetyczny posiada zwykle obwód służący do wytwarzania pola

magnetycznego. Najczęściej jest to uzwojenie nawinięte na rdzeń i wielkość pola

uzależniona jest od przepływającego prądu podobnie jak w elektromagnesie.

Sprzęgło elektromagnetyczne przenosi napęd przy zastosowaniu pola magnetycznego,

które może powodować ruch tarczy ciernej lub też zmianę stanu fizycznego masy

ferromagnetycznej stanowiącej czynnik łączący (może być to proszek, płyn

reologiczny, pasta ferromagnetyczna).

Zasada działania zarówno hamulca jak i sprzęgła jest podobna i polega na połączeniu

ze sobą dwóch części urządzenia.

Hamulce i sprzęgła elektromagnetyczne używane są stosunkowo często i odznaczają

się m.in. dość dużą łatwością sterowania.

Hamulce elektromagnetyczne

Hamulce tarczowe

W pierwszym typie hamulców siła hamująca jest wytwarzana przez sprężynę, a

elektromagnes służy do kompensacji siły sprężyny w stanach, gdy na silnik jest

załączane napięcie. Używane są takie magnesy m.in. w urządzeniach dźwigowych.

Hamulec szynowy, używane m.in. do awaryjnego hamowania tramwajów, polega na

elektromagnetycznym przyciągnięciu płóz hamujących do główek szyn, co powoduje

gwałtowne zahamowanie składu. W innych hamulcach elektromagnetycznych siła

hamująca jest wytwarzana przez magnes trwały, a elektromagnes służy do jej

kompensacji, sprężyna natomiast rozłącza element wirujący od elementu stałego.

Budowa obwodu elektromagnetycznego hamulca z magnesem trwałym została

przedstawiona na rys.1.

7

8

2

1

3

9

5

4

6

δ

Rys. 1. Hamulec elektromagnetyczny z magnesem trwałym: 1 – nieruchomy ferromagnetyczny
korpus, 2 – magnes trwały, 3 – puszka ferromagnetyczna, 4 – zwora ferromagnetyczna, 5 – tarcza
wirująca, 6 – sprężyna membranowa, 7 – uzwojenie, 8 – tuleja ferromagnetyczna

Magnes trwały (2) wzbudza w szczelinie roboczej

δ

pole magnetyczne B

δ

, którego

linie zamykają się w obwodzie: magnes trwały (2), puszka (3), szczelina (

δ

), zwora

(4), szczelina (

δ

), tuleja (8), korpus (1), magnes trwały (2). Pole to powoduje

przyciąganie zwory (4) z siłą

( )

∫∫

=

S

o

m

ds

B

F

2

2

1

δ

µ

,

(1)

gdzie S jest powierzchnią zwory od strony szczeliny powietrznej (rys. 2). Siła ta jest

większa od siły zwrotnej sprężyny

s

F i powoduje przeciągnięcie zwory do

powierzchni tarczowych S

1

, S

2

puszki (3) i tulei (8) zgodnie z równaniem ruchu

(

)

[

]

s

m

o

F

F

m

dt

d

−

=

−

1

2

2

δ

δ

,

(2)

gdzie

δ

oznacza współrzędną bieżącą szczeliny powietrznej, a

m

– masę zwory.

Zarówno siła

m

F

, jak i siła

s

F

są funkcjami szczeliny powietrznej

δ

i obydwie rosną

wraz ze zmniejszaniem się szczeliny.

s

F

S

S

F

0

so

s

K

o

δ

7

8

m

F

3

δ

o

δ

m

F

2

4

1

F

2

F

1

δ

s

F

a)

b)

Rys. 2. a) Działanie sił mechanicznych na zworę, b) wykres siły sprężyny F

s

=F

1

+F

2

i siły magnesu F

m

w funkcji długości szczeliny

Siła sprężyny

(

)

,

δ

δ

−

+

=

o

s

so

s

K

F

F

(3)

przy czym:

so

F – siła statyczna (tarcia),

s

K – współczynnik sprężystości sprężyny.

Funkcję F

m

(

δ

) można wyznaczyć poprzez wyznaczenie punktu pracy magnesu trwałe-

go dla kolejnych wielkości szczeliny

δ

.

W powierzchniach tarczowych S

1

i S

2

puszki (3) i tulei (8) są zamontowane klocki ha-

mulcowe. Z chwilą gdy zwora (4) dotknie tych powierzchni, powstanie siła tarcia,

która jest siłą hamującą

(

)

,

s

m

t

h

F

F

F

−

=

µ

(4)

przy czym

µ

t

– współczynnik tarcia.

Siła F

h

powoduje hamowanie wału (9) serwosilnika napędowego, natomiast jeśli

serwosilnik nie pracuje (n = 0), siła F

h

utrzymuje wirnik w stałym położeniu

uniemożliwiając jego obrót.

Hamulec jest wyposażony także w uzwojenie wzbudzenia (7), którego zadaniem jest

kompensacja w szczelinie powietrznej pola wzbudzanego przez magnes trwały.

Równoczesne załączenie napięcia na serwosilnik i cewkę wzbudzenia (7) powoduje

spadek siły F

m

do zera i odciągnięcie zwory (4) przez siłę F

s

sprężyny membranowej

(6). Równanie ruchu zwory (2) dalej obowiązuje przy założeniu F

m

= 0.

Odblokowanie hamulca umożliwia rozruch i wirowanie serwosilnika.

Wyłączenie napięcia z serwosilnika odbywa się równocześnie z wyłączeniem napięcia

z uzwojenia wzbudzenia (7) hamulca. Prąd w uzwojeniu (7) spada do zera i w szcze-

linie

δ

pojawia się pole magnetyczne wzbudzane przez magnes trwały (2). Pole to

generuje siłę mechaniczną (F

m

– F

s

), która przyciąga zworę (4), co rozpoczyna proces

hamowania wirujących mas połączonych z wałem serwosilnika. Po zatrzymaniu się

wirnika hamulec blokuje go uniemożliwiając jego obrót.

Przykładem hamulca tarczowego może być hamulec produkowany przez firmę PHP

Pohony, widok tego hamulca i jego budowę wewnętrzną pokazano na rys. 3.

Rys. 3. Hamulec elektromagnetyczny z magnesem trwałym firmy PHP Pohony[8]

Część napędzającą tego hamulca tworzy zabierak i dwie tarcze hamulcowe z

okładzinami, zabudowane i ruchome osiowo w uzębieniu zabieraka. Nieruchomą

częścią hamulca jest obudowa ze stopu niemagnetycznego wraz z korpusem magnesu

trwałego, płytka cierna, tarcza cierna. W czole korpusu magnesu umieszczone są śruby

mocujące, używane przy montażu hamulca. Dodatkowo w hamulcu zabudowane są

dwie śruby regulacyjne, umożliwiające regulację docisku płyty ciernej do sprężyn

i dwie śruby blokujące służące do utrzymania nastawionej wielkości szczeliny

powietrznej. Śruby te opierają się o nosy obudowy hamulca, nosy te umożliwiają też

osiowe przesuwanie się płyty i tarczy ciernej. W czole korpusu magnesu od strony

płyty ciernej umieszczone są sprężyny dociskowe. Między płytą cierną a korpusem

magnesu znajduje się szczelina powietrzna. W czasie pracy hamulca wielkość

szczeliny zmienia się i tym samym zmieniają się parametry obwodu magnetycznego

i siła hamująca. By zwiększyć przenoszony moment obrotowy stosuje się więcej niż

jedną tarczę hamulcową. Niektóre dane hamulca podano w tabeli 1.

Tabela 1.

Wybrane dane techniczne hamulca firmy PHP Pohony [8]

Wielkość

Wartość

Moment hamujący

50 Nm

Wymiar E

105 mm

Wymiar M

80 mm

Prędkość obrotowa

3000 obr/min

Masa

7 kg

Napięcie

24 V

Prąd

1,74 A

Pobierana moc

41,7 W

Sprzęgła elektromagnetyczne

Można je z grubsza podzielić na sprzęgła cierne i sprzęgła proszkowe.

Sprzęgła magnetyczne

Elektromagnetyczne

cierne

Elektrodynamiczne

poślizgowe

Proszkowe

Tarczowe

Wielopłytkowe

Obcowzbudne

Samowzbudne

Pierścieniowe

Zwarte

Wiroprądowe

W sprzęgle elektromagnetycznym ciernym elementem roboczym są duże tarcze cierne

dociskane do siebie. Gdy działa elektromagnes, uzyskuje się siłę dociskową jednej

tarczy (ruchomej), po wyłączeniu elektromagnesu tarcze oddalają się od siebie na

skutek siły zwrotnej wytwarzanej przez sprężynę. Można oczywiście budowę

zmodyfikować tak, że moment sprzęgający jest wytworzony przez sprężyny, z

luzowanie przez elektromagnes.

Rys. 4. Sprzęgło elektromagnetyczne tarczowe 1 - cewka wzbudzająca, 2 - pierścienie ślizgowe, 3 -
tarcza cierna, 4 – sprężyna [2]

W sprzęgłach wielopłytkowych płytki cierne dzielone są między połówki sprzęgła, po

wzbudzeniu elektromagnesu wszystkie płytki są dociskane do siebie, tarcie między

nimi działa na większej powierzchni niż w hamulcach tarczowych.

Rys. 5. Sprzęgło elektromagnetyczne tarczowe firmy FUMO [5]

Rys. 6. Sprzęgło elektromagnetyczne wielopłytkowe 1 - cewka wzbudzająca, 2 - płytki cierne, S -
pierścień ślizgowy [2]

Istnieją też sprzęgła rewersyjne, wyposażone w co najmniej dwa obwody

elektromagnetyczne, przy czym nawrót odbywa się poprzez wyłączenie jednego

obwodu i wzbudzenie drugiego, wirującego w przeciwnym kierunku.

Sprzęgło proszkowe działa na zasadzie dwóch wirników – wewnętrznego i zewnętrz-

nego, przestrzeń między nimi jest wypełniona proszkiem magnetycznym. Wirnik

wewnętrzny osadzony na wielowypuście wałka sprzęgłowego pełni rolę tarczy

sprzęgła. Na wirniku zewnętrznym znajduje się cewka elektromagnesu. Wzbudzenie

elektromagnesu oznacza powstanie pola magnetycznego, które sprawia, że proszek

magnetyczny się zestala i przenosi obciążenie z jednej strony sprzęgła na drugą.

Podobna zasada działania wykorzystana jest np. w amortyzatorach samochodowych

wypełnionych cieczą reologiczną o lepkości zależnej od zewnętrznego pola

magnetycznego.

Stanowisko laboratoryjne

Magnesy trwałe

Zastosowane zostały magnesy neodymowe firmy XINXIN MP 25*12*8 [N 38],

MW 22*10 [N 38], oraz firmy ENES MW 25 x 12 /N38, MW 25 x 5 / F30-magnes

ferrytowy. Przykładowe wykresy przebiegu II ćwiartki pętli histerezy magnetycznej

dla materiału N38 i F30 zostały zamieszczone na rys. 9 i 10.

Rys. 7. Magnesy neodymowe firmy XINXIN a) MP 25*12*8 [N 38], b)MW 22*10 [N 38]

Rys. 8. Magnesy firmy ENES a) MW 25 x 12 / N38 (neodymowy), MW 25 x 5 / F30 (ferrytowy)

Rys. 9.

Przykładowa charakterystyka przebiegu II ćwiartki pętli histerezy magnetycznej

dla materiału N38 (magnesy neodymowe) [7]

Rys. 10. Przykładowa charakterystyka przebiegu II ćwiartki pętli histerezy
magnetycznej dla materiału F30 (magnesy ferrytowe) [7]

Część mechaniczna

Zostało przygotowanych 8 identycznych podzespołów, służących do ułożyskowania

trzpienia elektromagnesu i zminimalizowaniu siły tarcia. Podzespół taki składa się z

pręta mocującego z zamontowanym na nim łożyskiem KG 6000RS o wymiarach

26/10/8 (średnica zewnętrzna / średnica wewnętrzna/grubość).Łożyska są przykręcone

nakrętkami, przy czym między łożyskiem a nakrętkami znajdują się dodatkowo

mosiężne podkładki.Obudowa stanowiska składa się z płytki metalowej i czterech

profili metalowych. Służy do umocowania cewki elektromagnesu i ułożyskowania. W

płytce znajduje się szereg otworów, część z nich służy do regulowania odległości

między profilami (tym samym docisku łożysk do rdzenia elektromagnesu), inne do

zamocowania belki tensometrycznej. Rdzeń elektromagnesu posiada specjalny uchwyt

o średnicy 12 mm, na nim jest umieszczany magnes neodymowy pierścieniowy.

Funkcją tego magnesu jest utrzymywania prosto pozostałych magnesów.

Część elektryczna

Część elektryczna stanowiska składa się z elektromagnesu i układu pomiaru

siły.Cechą charakterystyczną elektromagnesu jest to, że ze względu na magnesy

neodymowe wykorzystywane do badań jego rdzeń został wykonany z miedzi. Na

rdzeniu jest 14 warstw drutu po 61 zwojów każda, DNE 0,7mm

2

, rezystancja cewki

wynosi R = 6Ω. Do pomiaru siły zastosowano belkę tensometrycznę firmy BCM

model 1660 (rys. 11).

Rys. 11. Belka tensometryczna BCM model 1660 wygląd rzeczywisty

Belka ta mierzy nacisk masy do 6 kg, na rys. 12 i 13 podano wymiary belki i sposób

podłączenia.

Rys. 12. Wymiary belki tensometrycznej [z instrukcji producenta]

Rys. 13. Schemat podłączenia czujnika [z instrukcji producenta]

Tabela 2

Parametry belki tensometrycznej

Zakres ważenia

do 6kg

Sygnał wyjściowy maksymalny

2.0±0.2 mV / V

Błąd pomiarowy w % maksymalnego sygnału

(% F.S.)

0.03

Błąd zerowania w % maksymalnego sygnału

±1.0

Przesunięcie termiczne zera w %F.S./°C

0.03

Rezystancja wyjściowa mostka

350 ±1Ω

Rezystancja izolacji

≥

5000MΩ / 50V dc

Napięcie wzbudzenie mostka

9 - 12V dc/ac

Kompensowany zakres temperatury pracy

-10°C÷ +40°C

Roboczy zakres temperatury pracy

-35°C÷ +65°C

Bezpieczne przeciążenie

120% wartości sygnału wyjściowego

Stopień ochrony

IP65

Materiał

stop aluminium

Zasilanie

+U czerwony, -U czarny

Sygnał wyjściowy

+U zielony, -U biały

Czujnik posiada liniową charakterystykę zależności ciężaru od napięcia, została ona

przedstawiona na rys. 14.

0

1

2

3

4

5

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

masa [kg]

U[mV]

Rys. 14. Charakterystyka czujnika tensometrycznego

Dla zapewnienia mniejszych błędów pomiarowych przy pomiarach oscyloskopem tak

niskich wartości napięcia, do belki tensometrycznej został wykonany oddzielny

zasilacz prądu stałego o napięciu wyjściowym 12 V.

Całe stanowisko pokazane jest na rys. 15.

Rys. 15. Stanowisko laboratoryjne

Metodyka pomiarów

Do wykonania testów i badań na gotowym już stanowisku przygotowano przekładki

aluminiowe o grubości 2mm, które symulują zużycie materiału ciernego np. tarcz czy

klocków. Przekładek jest dziesięć, przy ich pomocy odbywa się pomiar odległości

rdzenia od cewki elektromagnesu. Przekładki w żaden sposób nie wpływają na pole

magnetyczne pochodzące od elektromagnesu ponieważ są umieszczane miedzy

rdzeniem, a czujnikiem tensometrycznym czyli od 14 do 12 cm od cewki

elektromagnesu. Można przyjąć że pole w tym miejscu jest równe zero.

Czujnik tensometryczny jest zamocowany tak, by strzałka wskazywała kierunek

działania siły. By zapewnić powtarzalność pomiarów, przekładki muszą być układane

poziomo w szczelinie miedzy profilami kwadratowymi.

Pomiary należy przeprowadzić dla cewki elektromagnesu zimnej i nagrzanej.

Rys. 16. Rozmieszczenie osi X na stanowisku pomiarowym

Zmierzone na oscyloskopie napięcie należy przeliczyć na siłę zgodnie z

charakterystyką czujnika daną na rys. 14.

Wstawiając do układu kolejno 2,3,4,5 magnesy neodymowe o średnicach 22 lub

1magnes nedymow o średnicy 25 mm i cztery o średnicy 22 mm i regulując

przekładkami odległość (w granicach od -18 do 38 mm) ,należy wykonać serię

pomiarów siły. Pomiary powtórzyć kolejno dla 8, 10 i 12 magnesów ferrytowych.

A

Model sprz

ę

gła

zas

U

U

wy

Osc

Rys. 17. Schemat układu pomiarowego

CEWKA

ELEKTROMAGNESU

RDZEŃ

l

-

l

+

Opracowanie wyników pomiarów

–

Oszacować wpływ temperatury cewki na wyniki pomiarów

–

Omówić wpływ typu magnesu na kształt wyjściowej charakterystyki urządzenia

–

Omówić wpływ szczeliny między magnesem a rdzeniem cewki na wyniki

pomiarów

–

Obliczyć (dla wszystkich typów magnesów) wartość ich energii magnetycznej

Literatura

[1]

Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi.

Wydawnictwo

Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002, ISBN 83-7335-087-X

[2]

Gogolewski Z., Kuczewski Z.: Napęd elektryczny. Wydawnictwo Naukowo-

Techniczne, Warszawa 1972

[3]

http://pl.wikipedia.org, 3.05.2008

[4]

http://www.arma.com.pl, 10.05.2008

[5]

http://www.fumo.com.pl, 10.05.2008

[6]

http://www.maritex.com.pl 3.05.2008

[7]

http://www.magnesy.eu 10.05.2008

[8]

http://www.radius.pl, 3.05.2008

[9]

http://www.transportszynowy.pl, 3.05.2008

[10]

Micknass W., Popiol R., Springer A.: Sprzęgła skrzynki biegów wały i półosie

napędowe. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2005, ISBN 83-206-

1575-5