Použití magnetických materiálů ze vzácných zemin pro akumulaci kinetické energie v mechatronických systémech Tomáš Mikolanda Ústav mechatroniky a mezioborových inženýrských studií, Oddělení elektrotechniky a elektroniky, Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií Technická univerzita v Liberci

Úvod a motivace Rostou požadavky na zvýšení produktivity – nejjednodušší cesta se jeví jako zvýšení rychlosti. Inovační proces – nejlepší inovací je nová metoda nebo netradiční řešení. Zvláštní problémy textilních strojů:  Vysoké rychlosti vedou k velkým dynamickým silám v úvratích stroje.  Inovace – nová metoda pro tlumení dynamických sil použitím permanentních magnetů. Zpětná vazba pro řídicí jednotku  Magnetické pole je zdrojem mechanické síly který záleží na poloze permanentních magnetů.  Magnetická indukce nebo síla mohou být použity pro měření vzdálenosti a použiti jako zpětná vazba pro řídicí jednotku.

Teorie Předpoklady:  Obeně diferenciální rovnice.  Ve statickém nebo kvazi-statickém případě postačí integrální rovnice. Magnetické pole permanentních magnetů lze spočítat dvěma způsoby:  Fyzikálním přístupem pomocí metody elementárních dipólů.  Inženýrským přístupem pomocí vázaných objemových a povrchových proudů. Je dokázáno, že výsledný efekt magnetického pole generovaného elementárními dipóly je ekvivalentní poli které dávají vázané objemové proudy tekoucí uvnitř média a vázané povrchové proudy tekoucí po povrchu média.

Experiment - měření Veškeré experimenty realizovány s prstencovými permanentními magnety, magnetizace 1,2 T, vnitřní průměr 25 mm, vnější průměr 70 mm, tloušťka 4 mm. Magnetické pole měřeno pomocí Hallových sond a s využitím automatizované aparatury.

Experiment - měření Síla měřena v systému páru tří permanentních magnetů za pomoci piezoelektrického senzoru síly, vzdálenost mezi magnety měřena pomocí LVDT senzoru.

Model Ring permanent magnet model. a) Cut along axial axis, b) cut perpendicular to axial axis (VT – guiding rod, m – mass, PM – movable magnet, SM – static magnet, T – centre of gravity) F s is inertial force, F m is magnetic force, G is gravity and F t is friction force Dynamický model systému  Měřena magnetická odpudivá síla  Ověření spolehlivosti použití Hallových senzorů pro měření vzdálenosti.  Dynamický test: Vrchní hmota padá dolů s nulovou počáteční rychlostí. Díky gravitační a magnetické síle bude těleso oscilovat kolem rovnovážné pozice. Tření způsobuje tlumené oscilace.

Výsledky Obr: Síly působící na magnety. a) Axiální sílav ideálním případě souběžných os. b) Radiální síla v případě nesouběžných ale vodorovných os. c) Působicí moment při úhlovém natočení. Nestacionární magnet je umístěn na nemagnetické vodicí tyči.  Mezi magnetem a vodicí tyčí je malá vzduchová mezera.  V ideálním případě souběžných os existuje pouze axiální síla, Obr. a).  V případě paralelních nesouběžných os působí na perm. magnet navíc radiální síla a tlačí magnet k vodicí tyči, obr. b).  Pokud jsou osy různoběžné přidá se navíc i působící moment který se snaží natočit magnet do pozice s minimální energií.

Výsledky Obr: Závislost magnetické indukce na vzdálenosti mezi magnety. a) Sonda ve vzdálenosti 6 mm od statického magnetu. b) Sonda ve vzdálenosti 30 mm. Magnetická indukce spočtená z modelu pro dva interagující permanentní magnety.  Úkol: Nalezení nejlepší pozice pro umístění Hallových senzorů pro měření vzdálenosti v praktické úloze.

Obr: Chování parazitních sil. a) Radiální síla. b) Moment. Výsledky Charakteristiky parazitních sil.  Předpoklady: odchylka od středové polohy o 0.3 mm, osy zůstávají paralelní.  Radiální síla je malá v porovnání s axiální silou a rychle klesá s rostoucí vzdáleností mezi magnety, obr a).

Obr: Dynamický model. a) Celkový průběh v čase. b) Detail v počáteční fázi. Výsledky Dynamický model - síly  Fázový posuv mezi rychlostí a odchylkou je téměř 90st.  Charakteristiky rychlosti a odchylky nejsou tlumené sinusovky.  Pro vzdalující se magnety se rychlost mění rychleji než při jejich přibližování.

Diskuse a závěr Možné další zlepšení  Měření: zlepšit přesnost Polohování senzorů Rozměry senzorů Přesnost – kalibrace  Model Nerovnoměrná magnetizace  Změna povrchových vázaných proudů na hranách.  Započítání objemových vázaných proudů na hranách.

Použití magnetických materiálů ze vzácných zemin pro akumulaci kinetické energie v mechatronických systémech Děkuji za Vaši pozornost..