Jan Burcan, Anna Sławińska, Radosław Bednarek

PROBLEMY NIEKONWENCJONALNYCH UKŁADÓW ŁOŻYSKOWYCH
Łódź, 10-11 maja 2005r.
POWRÓT
Jan BURCAN, Anna SŁAWIŃSKA, Radosław BEDNAREK
Katedra Konstrukcji Precyzyjnych
Politechnika Łódzka
ZMIANA WEKTORA INDUKCJI MAGNETYCZNEJ
DLA RÓŻNYCH KSZTAŁTÓW POWIERZCHNI ROBOCZEJ
CZÓŁ MAGNESÓW
WPROWADZENIE
W ciągu kilku ostatnich lat powstało wiele materiałów magnetycznie twardych
stosowanych do wytwarzania magnesów trwałych. Wśród nich można wyróżnić: stopy
i spieki Al-Ni oraz Al-Ni-Co, stopy SmCoB, oraz stopy NdFeB [1]. Najnowsze z tych
ostatnich charakteryzują się bardzo wysoką energią (BH)max przekraczającą wartość
600 kJ/m3. Cecha ta w połączeniu z dobrą wytrzymałością mechaniczną sprawia, iż
możliwa jest budowa łożysk i prowadnic, których obciążenia są równoważone,
częściowo lub całkowicie, polem magnetycznym. W pracy [2] wykazano, iż siła
przenoszona przez dwa odpychające się magnesy trwałe zależy przede wszystkim od
cech konstrukcyjnych (gabarytów magnesów oraz wartości szczeliny pomiędzy nimi)
i materiałowych. Ogólnie siła ta jest wprost proporcjonalna do iloczynu indukcji i pól
powierzchni roboczych magnesów i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości
między nimi.
→
Indukcja magnetyczna B Wb/m2 jest wielkością wektorową równą iloczynowi
przenikalności magnetycznej bezwzględnej µ Wb/Am oraz natężenia pola
→
magnetycznego H A/m. Wektor indukcji nie musi i z reguły nie jest prostopadły do
czoła magnesu. Powoduje to powstanie poprzecznych składowych. W wielu układach
jest to niekorzystne. Istnieje przekonanie, iż przez odpowiednie ukształtowanie
powierzchni roboczej magnesu możliwe jest wykorzystanie składowych poprzecznych.
W opracowaniu podjęto próbę wyznaczenia rozkładu wektora indukcji
magnetycznej w zależności od kształtu czoła magnesu.
Próbki
Do wstępnych badań wykorzystano magnesy walcowe o średnicach 15 i 22 mm oraz
wysokości 10 mm wykonane ze stopu NdFeB, o energii magnetycznej
(BH)max ≈ 600 kJ/ m3. Zmianę kształtu czoła magnesu uzyskano dzięki nakładkom, tzw.
magnetowodom, wykonanym z żelaza Armco (żelazo zawierało mniej niż 0,1%
zanieczyszczeń) oraz stali „45”. Zastosowano nakładki walcowe o różnych
wysokościach oraz nakładki stożkowe (ze stożkiem wewnętrznym i zewnętrznym).
Skaner indukcji magnetycznej
W celu wyznaczenia rozkładu indukcji magnetycznej wykonano stanowisko
badawcze, przedstawione na fotografii (rys. 1).
79
Stanowisko składa się z układu pozycjonowania głowicy pomiarowej (płaszczyzna
x-y) (1), układu pozycjonowania magnesu (oś pionowa z) (2), głowicy pomiarowej
(czujnik do pomiaru natężenia pola magnetycznego wykorzystujący efekt Hall’a; w
wersji wykonania przedstawionej na fotografii dokonywano pomiaru tylko w jednej osi
– pionowej z (3) oraz układu sterowania (4). Sterowanie, odczyt danych z czujnika oraz
rejestrację wyników pomiaru umożliwia specjalny program oraz karta analogowocyfrowa.
Rys. 1. Widok stanowiska do pomiaru indukcji magnetycznej
Stanowisko zapewnia pomiar natężenia pola magnetycznego do 2000
z dokładnością do ±1 A/cm, w przestrzeni X, Y, Z (35x35x25 mm) z dokładnością
pozycjonowania we wszystkich osiach równą ±0.02 mm.
WYNIKI BADAŃ
Wstępne badania przeprowadzono dla próbek opisanych w punkcie 1.1 (rys. 2).
płaszczyzna pomiarowa
Magnetowód
Magnes
Rys. 2. Przekrój poprzeczny (w płaszczyźnie x-z) próbki (magnes o średnicy 22 mm + magnetowód)
wraz z wymiarami charakterystycznymi: s – odległość płaszczyzny pomiarowej od czoła magnesu,
s1 – odległość płaszczyzny pomiarowej od czoła magnetowodu
80
Pomiary miały na celu określenie zależności natężenia pola magnetycznego od
grubości magnetowodu, jego kształtu oraz materiału, z którego został wykonany.
Sprawdzono także wpływ odległości od czoła magnesu i czoła magnetowodu na rozkład
natężenia pola magnetycznego (rys. 3 – 5).
W celu oszacowania wpływu szczeliny powietrznej pomiędzy magnesem
a magnetowodem przeprowadzono także serię pomiarów dla próbek, w których
szczelina powietrzna między magnesem i magnetowodem została wypełniona cieczą
magnetycznie aktywną. Wykorzystano roztwór, wykonany na bazie wody.
Zaobserwowano zmniejszanie wpływu szczeliny powietrznej, polegające na
zwiększeniu przenikalności magnetycznej.
a)
6 mm
10 mm
14 mm
7 mm
11 mm
8 mm
12 mm
b)
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Hz = 9.8106s2 - 320.77s + 3119.1
Hz [A/cm]
Hz[A/cm]
5 mm
9 mm
13 mm
0
5
10
15
x [mm]
20
R2 = 0.9998
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
25
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14
s [mm]
Rys. 3. Przykładowe przebiegi składowej pionowej natężenia pola magnetycznego dla magnesu
o średnicy 22 mm dla różnych odległości od czoła (s): a) w płaszczyźnie prostopadłej do czoła magnesu
przechodzącej przez oś główną, b) na osi głównej, prostopadłej do czoła magnesu
a)
10 mm
13 mm
11 mm
14 mm
b)
12 mm
4 mm
1400
1000
Hz [A/cm]
Hz [A/cm]
1200
800
600
400
200
0
0
c)
5
10.5 mm
13.5 mm
20
25
d)
11.5 mm
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
5
10
15
x [mm]
20
25
5 mm
8 mm
Hz=f(x,s) dla magnetowodu o wys 4 [mm]
5
7 mm
10 mm
Hz [A/cm]
Hz [A/cm]
9.5 mm
12.5 mm
2000
10
15
x [mm]
20007 mm
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
10
15
x [mm]
8 mm
11 mm
6 mm
20
25
9 mm
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
5
10
15
x [mm]
20
25
Rys. 4. Przykładowe przebiegi składowej pionowej natężenia pola magnetycznego dla magnesu
o średnicy 22 mm, dla różnych odległości od czoła magnesu (s): a) walcowy magnetowód
o wysokości 10 mm, b) walcowy magnetowód o wysokości 4 mm, c) magnetowód stożkowy zewnętrzny
o wysokości 9.5 mm, d) magnetowód stożkowy wewnętrzny o wysokości 7 mm
81
a)
magnet 10 mm
b)
magnet 0.5[mm]
Hz magnet/
Hz magnesu [-]
Hz magnet./
Hz magnesu [-]
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
0
1
2
s1[mm]
3
4
s1=0 mm
s1=1 mm
s1=3 mm
s1=4 mm
s1=2 mm
0.95
0.85
0.75
0.65
0.55
0.45
0.35
0.25
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
wys. magnetowodu [mm]
Rys. 5. Przykładowe przebiegi składowej pionowej natężenia pola magnetycznego dla magnesu
o średnicy 22 mm z walcowym magnetowodem, odniesione do składowej pionowej natężenia pola
magnetycznego dla samego magnesu: a) w funkcji odległości od czoła magnetowodu (s1) dla różnych
wysokości magnetowodu, b) w funkcji wysokości magnetowodu dla różnych odległości od czoła
magnetowodu (s1)
WNIOSKI
Wstępne wyniki badań pokazują istotne zmiany wartości i rozkładu natężenia pola
magnetycznego dla różnych kształtów czół magnesów (rys. 3 i rys. 4). Kształt czoła
magnesu ma, zatem istotny wpływ na wartość siły przenoszonej przez parę
odpychających się magnesów.
Obserwowany wzrost natężenia pola magnetycznego (do 12%) dla próbek z cieczą
magnetycznie aktywną wynika ze zwiększenia przenikalności magnetycznej między
magnesem i magnetowodem.
Rodzaj materiału użytego do wykonania magnetowodu ma również wpływ na
rozkład natężenia pola magnetycznego. Wskazuje na to porównanie przebiegów
natężenia pola magnetycznego uzyskanych dla magnetowodów wykonanych z żelaza
Armco i stali „45”. Podczas pomiarów zaobserwowano występowanie asymetrii
rozkładów natężenia pola magnetycznego. Wśród różnych przyczyn tego stanu wydaje
się logiczne stwierdzenie, że uzyskana asymetria przebiegu przy próbkach wykonanych
ze stali oraz wzrost natężenia pola magnetycznego na krawędziach mogą być
spowodowane pozostałością magnetyczną o wartości sięgającej 5% wartości natężenia
pola magnetycznego.
Prowadzone badania rozszerzają zakres uzyskiwanych informacji, a uzyskane
wyniki mogą być wykorzystane przy konstrukcji węzłów ciernych takich jak łożyska
poprzeczno-wzdłużne lub prowadnice magnetyczne.
LITERATURA
[1]
[2]
Burcan J., Łożyska wspomagane polem magnetycznym, WNT, Warszawa 1996
Sławińska A., Badania charakterystyk statycznych i dynamicznych wzdłużnych
magnetycznych łożysk pasywnych w aspekcie cech konstrukcyjnych
i materiałowych, Rozprawa Doktorska, Łódź 2005
THE CHANGE IN MAGNETIC INDUCTION VECTOR
FOR VARIOUS SHAPES OF THE WORKING SURFACE
Summary: For magnets NdFeB, of various shapes of working surfaces, the distribution of strength of
magnetic field was measured. The changes in the shape of working surfaces were obtained owing to the
use of cover plates made of Armco ferrum. The plates were joined by wetting the surface with
a magnetically active liquid and also without lubrication. The experiments showed the quantitative and
qualitative changes in the distributions measured, dependent on the shapes of working surfaces.
82