HAMULEC ELEKTROMAGNETYCZNY

HAMULCE i SPRZĘGŁA ELEKTROMAGNETYCZNE

Hamulec jest urządzeniem, które słuŜy do:

–

zmniejszenia prędkości (częściowego lub do zatrzymania) ruchomych części

maszyn (hamulec zatrzymujący)

–

utrzymywania części maszyn nieruchomo lub teŜ 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 słuŜący do wytwarzania pola

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

uzaleŜniona jest od przepływającego prądu podobnie jak w elektromagnesie.

Sprzęgło elektromagnetyczne przenosi napęd przy zastosowaniu pola magnetycznego,

które moŜe powodować ruch tarczy ciernej lub teŜ zmianę stanu fizycznego masy

ferromagnetycznej stanowiącej czynnik łączący (moŜe 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 uŜywane są stosunkowo często i odznaczają

się m.in. dość duŜą łatwością sterowania.

Hamulce elektromagnetyczne

Hamulce tarczowe

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

elektromagnes słuŜy do kompensacji siły spręŜyny w stanach, gdy na silnik jest

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

Hamulec szynowy, uŜywane 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 słuŜy do jej

kompensacji, spręŜyna natomiast rozłącza element wirujący od elementu stałego.

Budowa obwodu elektromagnetycznego hamulca z magnesem trwałym została

przedstawiona na rys.1.

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

Magnes trwały (2) wzbudza w szczelinie roboczej

pole magnetyczne B

, którego

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

), zwora

(4), szczelina (

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

przyciąganie zwory (4) z siłą

( )

∫∫

(1)

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

większa od siły zwrotnej spręŜyny

F i powoduje przeciągnięcie zwory do

powierzchni tarczowych S

, S

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

(

)

[

]

−

(2)

gdzie

oznacza współrzędną bieŜącą szczeliny powietrznej, a

– masę zwory.

Zarówno siła

, jak i siła

są funkcjami szczeliny powietrznej

i obydwie rosną

wraz ze zmniejszaniem się szczeliny.

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

i siły magnesu F

w funkcji długości szczeliny

Siła spręŜyny

(

)

−

(3)

przy czym:

F – siła statyczna (tarcia),

K – współczynnik spręŜystości spręŜyny.

Funkcję F

(

) moŜna wyznaczyć poprzez wyznaczenie punktu pracy magnesu trwałe-

go dla kolejnych wielkości szczeliny

W powierzchniach tarczowych S

i S

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

(

)

−

(4)

przy czym

– współczynnik tarcia.

Siła F

powoduje hamowanie wału (9) serwosilnika napędowego, natomiast jeśli

serwosilnik nie pracuje (n = 0), siła F

utrzymuje wirnik w stałym połoŜeniu

uniemoŜliwiając jego obrót.

Hamulec jest wyposaŜony takŜe 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

do zera i odciągnięcie zwory (4) przez siłę F

spręŜyny membranowej

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

= 0.

Odblokowanie hamulca umoŜliwia 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

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

generuje siłę mechaniczną (F

– F

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

hamowania wirujących mas połączonych z wałem serwosilnika. Po zatrzymaniu się

wirnika hamulec blokuje go uniemoŜliwiając jego obrót.

Przykładem hamulca tarczowego moŜe 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, uŜywane przy montaŜu hamulca. Dodatkowo w hamulcu zabudowane są

dwie śruby regulacyjne, umoŜliwiające regulację docisku płyty ciernej do spręŜyn

i dwie śruby blokujące słuŜące do utrzymania nastawionej wielkości szczeliny

powietrznej. Śruby te opierają się o nosy obudowy hamulca, nosy te umoŜliwiają teŜ

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

płyty ciernej umieszczone są spręŜyny 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 niŜ

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

MoŜna 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 duŜe 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 spręŜynę. MoŜna oczywiście budowę

zmodyfikować tak, Ŝe moment sprzęgający jest wytworzony przez spręŜyny, z

luzowanie przez elektromagnes.

Rys. 4. Sprzęgło elektromagnetyczne tarczowe 1 - cewka wzbudzająca, 2 - pierścienie ślizgowe, 3 -
tarcza cierna, 4 – spręŜyna [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 niŜ 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 teŜ sprzęgła rewersyjne, wyposaŜone 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, Ŝe proszek

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

Podobna zasada działania wykorzystana jest np. w amortyzatorach samochodowych

wypełnionych cieczą reologiczną o lepkości zaleŜnej 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.

Część mechaniczna

Zostało przygotowanych 8 identycznych podzespołów, słuŜących do ułoŜyskowania

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

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

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

nakrętkami, przy czym między łoŜyskiem a nakrętkami znajdują się dodatkowo

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

profili metalowych. SłuŜy do umocowania cewki elektromagnesu i ułoŜyskowania. W

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

między profilami (tym samym docisku łoŜysk 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, Ŝe ze względu na magnesy

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

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

, rezystancja cewki

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

model 1660 (rys. 11).

Tabela 2

Parametry belki tensometrycznej

Zakres waŜenia

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 przeciąŜenie

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 zaleŜności cięŜaru od napięcia, została ona

przedstawiona na rys. 14.

masa [kg]

U[mV]

Rys. 14. Charakterystyka czujnika tensometrycznego

Metodyka pomiarów

Do wykonania testów i badań na gotowym juŜ stanowisku przygotowano przekładki

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

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

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

magnetyczne pochodzące od elektromagnesu poniewaŜ są umieszczane miedzy

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

elektromagnesu. MoŜna przyjąć Ŝe 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 naleŜy przeprowadzić dla cewki elektromagnesu zimnej i nagrzanej.

Rys. 16. Rozmieszczenie osi X na stanowisku pomiarowym

Zmierzone na oscyloskopie napięcie naleŜy 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) ,naleŜy wykonać serię

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

Model sprz

gła

zas

Osc

Rys. 17. Schemat układu pomiarowego

CEWKA

ELEKTROMAGNESU

RDZEŃ

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