MAGNEŚNICA DO MAGNESOWANIA MAGNESÓW

MASZYNY ELEKTRYCZNE
ELECTRIC MACHINES
Mgr inż. PAWEŁ PISTELOK
BOBRME „Komel” Katowice
MAGNEŚNICA DO MAGNESOWANIA MAGNESÓW
TRWAŁYCH
Streszczenie: W artykule zaprezentowano obwód elektromagnetyczny przeznaczony
do magnesowania magnesów trwałych. Przedyskutowano problemy projektowe oraz
pokazano model obliczeniowy magneśnicy. Zaprezentowano rozkład natężenia poła
magnetycznego w przestrzeni roboczej magneśnicy oraz pokazano indukcję magnetyczną w poszczególnych częściach obwodu elektromagnetycznego. Przedyskutowano wpływ strumienia rozproszenia na uzyskiwaną wartość natężenia pola magnetycznego w szczelinie magneśnicy. W artykule zaprezentowano również obliczeniowe
przebiegi prądu i napięcia w obwodzie magneśnicy podczas rozładowania źródła
energii elektrycznej. Przedyskutowano możliwości osiągnięcia wyższego natężenia pola magnetycznego w przestrzeni magnesu podczas procesu magnesowania.
MAGNETIZER ASSIGNED TO MAGNETIZE PERMANENT MAGNETS
Abstract:: In the article, an electromagnetic circuit assigned to magnetize permanent magnets was presented. Design issues and possibilities of magnetizer were discussed and computational model was shown. A schedule of the
magnetic field strength was expressed in the air gap of magnetizer. An influence of the leakage inductance, magnetizing coil on magnetic field strength value, inside the permanent magnet was discussed. Computational temporary
courses of voltage and current in the magnetizing coil, during the process of magnetizing were presented. Results of
calculations and simulations were displayed. Possibilities of the presented electromagnetic circuit were discussed in
the perspective of getting greater values of magnetic field strengths, inside the permanent magnet, during the magnetizing process.
Wstęp.
Obecnie na rynku magnesów trwałych można spotkać
dużą różnorodność tego typu oferowanego produktu.
Producenci oferują różnego typu magnesy, od ferrytowych poczynając, a kończąc na najsilniejszych obecnie
magnesach, uzyskiwanych z pierwiastków ziem rzadkich
(np. SmCo lub NdFeB). Tak jak szeroki jest asortyment
magnesów, tak samo szerokie jest ich zastosowanie. Magnesy głównie stosuje się w mikromaszynach wzbudzanych magnesami trwałymi, które są wykorzystywane
w urządzeniach typu zegarki, napędy dysków komputerowych, oraz różnego rodzaju manipulatory, roboty i inne [1].
Obecnie, najlepszymi magnesami pod względem uzyskiwanych wartości parametrów (Br, BHc i (HB)max) są
magnesy neodymowe. Inne zastosowanie magnesów to
min. wysokosprawne maszyny elektryczne, np. silniki do
samochodów elektrycznych, quadów bądź do zastosowań
powietrznych - paralotnie. Jakość oferowanych magnesów (indukcja remanentu, natężenie koercji) nie zawsze
jest współmierna z parametrami podawanymi
w katalogu, a to z kolei rzutuje na uzyskiwane parametry
w maszynie elektrycznej. Pomijając kwestie materiałowe, istotnym etapem formowania końcowego produktu
(magnesu) jest ich magnesowanie.
Aby proces ten był wykonany prawidłowo, powinien odbyć się w urządzeniu dedykowanym pod konkretny typ
i rodzaj magnesu. Dzięki takim zabiegom uzyskuje się
optymalne parametry końcowego produktu. W niniejszym artykule przedstawiono koncepcję obwodu elektromagnetycznego przeznaczonego do magnesowania
4
magnesów trwałych. W obliczeniach symulacyjnych
ograniczono się do magnesów neodymowych, gdyż
głównie taki rodzaj magnesów jest wykorzystywany w
maszynach większych mocy (powyżej kilkuset watów)
produkowanych przez BOBRME KOMEL.
Wymagania poprawnego magnesowania magnesów
W celu uzyskania poprawnych parametrów magnesu,
koniecznym jest wzbudzenie pola magnetycznego
w przestrzeni magnesu o odpowiednim natężeniu. Z literatury [1,2,3] powszechnie wiadomo, iż głói)wnie wykorzystuje się magnesowanie impulsowe. Producenci podają różne wartości graniczne wymagane do uzyskania odpowiedniej indukcji remanentu (pozostałości magnetycznej). W literaturze na ten temat spotyka się duże rozbieżności, lecz po uśrednieniu wartości te, dla magnesów
neodymowych, oscylują na poziomie od 1800 do 2500
kA/m. [1, 2]. W modelu obliczeniowym, przedstawionym w artykule, podjęto próbę uzyskania odpowiednich
wartości natężenia pola magnetycznego w celu namagnesowania magnesów.
Model matematyczny obwodu magneśnicy
Podczas projektowania magneśnicy, dysponowano źródłem energii elektrycznej (bateria kondensatorów)ii) o
pojemności 15 mF i napięciu 1500 V i do współpracy z
takim źródłem został zaprojektowany obwód elektromagnetyczny. W szeregowych bądź równoległych obwodach RLC, podczas rozładowania baterii kondensatorów
(przepływ prądu magnesującego w obwodzie), mogą wystąpić dwa przypadki przebiegu prądu.
)
Przypadek 1, gdy w obwodzie RLC zachodzi relacja
to prąd płynący w obwodzie wyraża wzór
(1) [1,2,3,4]:
(1)
Przypadek 2, gdy w obwodzie, zachodzi relacja
, prąd magnesujący ma charakter oscylacyjny i wyraża się wzorem (2):
(2)
gdzie: t0 – jest to chwila czasowa w której źródło energii
elektrycznej jest zwarte przez diodę.
(3)
Z rozwiązania róiii)wnania (3) wynika, że przedział czasu,
w
którym
obowiązuje
równanie (2), wynosi:
(4)
W przedziale czasu (4) prąd magnesujący osiąga wartość
maksymalną w chwili
:
(5)
Gdy źródło energii elektrycznej (bateria kondensatorów)
zostaje zwarte przez diodę i prąd w uzwojeniu magneśnicy, wyrażony poniższym wzorem:
Rys.1. Wizualizacja konstrukcji magneśnicy z cewką skupioną.
Ruchoma kolumna (zwora) została osadzona na specjalnie przygotowanej konstrukcji umożliwiającej ruch pionowy zwory. Zaprojektowaną konstrukcję posadowienia
kolumny środkowej zaprezentowano na rysunku 1, 2.
Głównym problemem do rozwiązania w aspekcie mechanicznym, było zaprojektowanie posadowienia kolumny ruchomej (zwory) pozwalającej na jej pozycjonowanie. Równie ważną kwestią było uzyskanie odpowiedniej
sztywności i wytrzymałości konstrukcji z uwagi na działające siły elektrodynamiczne.
(6)
w czasie
zanika wykładniczo ze stałą czasową
:
(7)
Szczegółowa analiza teoretyczna zjawisk zachodzących
obwodach magnesujących została przedstawiona w literaturze [1,2,3,4].
Model magneśnicy z cewką skupioną
W modelu magneśnicy, z uwagi na indukcyjność rozproszenia, zdecydowano o rozwiązaniu problemu z wykorzystaniem trójwymiarowej metody elementów skończonych (MES 3D). W konstrukcji tej, zastosowano jedną
cewkę skupioną znajdującą się na środkowej kolumnie
rdzenia magnetycznego. W takiej konstrukcji strumień
rozproszenia cewki częściowo zamyka się poprzez otaczający ją ferromagnetyk, co powoduje wzmocnienie
strumienia głównego w rdzeniu. W celu uzyskania możliwie najwyższej wartości natężenia pola, magnes został
umieszczony w pobliżu źródła strumienia magnetycznego. Aby umożliwić magnesowanie magnesów o różnych
grubościach, zastosowano ruchomą kolumnę środkową
(w części jarzmowej rdzenia, rys.1, 2), za pomocą, której
ustawia się pożądaną grubość szczeliny powietrznej.
ŚLĄSKIE WIADOMOŚCI ELEKTRYCZNE # Rok XVII # Nr 6’2010 (93)
Rys.2. Wizualizacja konstrukcji magneśnicy z cewką skupioną.
5
Zaprojektowane i opracowane rozwiązanie ma za zadanie zabezpieczyć kolumnę przed obrotem, oraz umożliwić jej ruch pionowy w części jarzmowej rdzenia, co pozwala na ustawienie pożądanej grubości szczeliny powietrznej. Opracowana w środowisku Inventor konstrukcja została zaprezentowana na rysunku 2.
W wyniku przeprowadzonych analiz i symulacji, na rysunku 5 zaprezentowano otrzymany przebieg prądu i napięcia podczas rozładowania źródła. Prąd w takim obwodzie ma charakter oscylacyjny.
W celu uzyskania możliwie największej koncentracji
strumienia magnetycznego w przestrzeni magnesów,
wymiary obwodu magnetycznego zostały tak dobrane,
aby poszczególne części rdzenia magnetycznego, pracowały przy możliwie najmniejszym nasyceniu (ok. 2T).
Model obliczeniowy magneśnicy zaprezentowano na rysunku 3.
Rys.5. Obliczeniowy przebieg prądu magnesującego
i napięcia na kondensatorze
Podczas obliczeń symulacyjnych, zastosowano blachę
magnetyczną typu M470-50A gdyż taki gatunek blachy
posłuży do wykonania modelu magneśnicy. Rozkład natężenia pola magnetycznego w przekroju poprzecznym
środkowej kolumny rdzenia, w połowie grubości szczeliny (rys.6), jest równomierny, a obszar roboczy w tej konstrukcji wynosi ok. 70% powierzchni przekroju całej kolumny.
Rys.3. Model obliczeniowy magneśnicy z cewką skupioną
Model magneśnicy został aprojektowany do współpracy
z baterią kondensatorów o pojemności 15 mF i napięciu
1500 V. Wymiary obwodu elektromagnetycznego oraz
parametry nawojowe cewki skupionej zostały opracowane tak aby magneśnica pracowała optymalnie przy zasilaniu ze źródła którego energia wynosi 16,875 kJ. Przy
takich założeniach, układ do magnesowania magnesów
trwałych zapewnia uzyskanie optymalnych parametrów
pola magnetycznego wzbudzanego w przestrzeni magnesu. Wykorzystując obliczeniowy model 3D (rys.3) opracowany w środowisku MES 3D, przeprowadzono symulacje i analizy weryfikujące zaprojektowaną konstrukcję.
Rozładowanie baterii kondensatorów jest realizowane
zgodnie ze schematem elektrycznym zaprezentowanym
na rysunku 4.
Rys.6. Rozkład natężenia pola magnetycznego w połowie
grubości szczeliny powietrznej z naniesionym obrysem
magnesu
Na rysunku 7 zaprezentowano rozkład indukcji magnetycznej na powierzchni rdzenia magnetycznego. Wynika
z niego, iż indukcja magnetyczna w kolumnach i jarzmie
jest równomierna a wartość nie przekracza 2.1 T.
Rys.4. Schemat elektryczny zasilania cewki magneśnicy
6
)
ny projekt badawczo-rozwojowy o nazwie „Nowa generacja wysokosprawnych agregatów spalinowo elektrycznych”, który zakłada wykonanie prób magnesowania
magnesów, w celu potwierdzenia jakości dostępnych
magnesów na rynku.
Projekt jest współfinansowany przez Unię Europejską ze
środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka, 20072013.
Literatura
Rys. 7. Rozkład indukcji magnetycznej na powierzchni
rdzenia magnetycznego
W środkowej kolumnie rdzenia występuje największa
indukcja magnetyczna - 4 T co powoduje iż jest to część
obwodu elektromagnetycznego o największym stopniu
nasycenia. W kolumnie tej znajduje się największa koncentracja strumienia magnetycznego co pozwala na
wzbudzenie pola magnetycznego o odpowiednich parametrach w przestrzeni magnesu.
Na rysunku 8 przedstawiono wektor indukcji magnetycznej wewnątrz magnesu. Z rysunku 8 wynika, iż wektor indukcji magnetycznej jest prostopadły do magnesu,
lecz na jego obrzeżach jest zakrzywiony, co jest skutkiem oddziaływania strumienia rozproszenia cewki.
Rys.8. Wektor indukcji magnetycznej wewnątrz magnesumodel II
[1]. Glinka T.: „Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami
trwałymi” Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice
2002.
[2]. H. Feshki Farahani, S. M. Pedram razi : „Analysis of Effective Parameters on Magnetizer”, 24th International
Power System Conference, PSC2009.
[3]. Chul Kyu Lee, Byung Il Kwon: „Study in the Postassembly Magnetization Method of Permanent Magnet
Motors” International Journal of Applied Electromagnetics
and Mechanics, Volume 20, Numbers 3-4/2004, pages
125-133,
IOS Press 2005.
[4]. Życki Z., Biegaj A.: „Determinig equivalent parameters of
a magnetizing RLC system for aperiodic current waveshapes”, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej nr 62,
Studia i Materiały Nr 28/2008.
Od Redakcji: Artykuł wpłynął do Redakcji w dniu 24
października 2011 r.
Z przeprowadzonych symulacji wynika, iż, magnesy należy magnesować bez wykorzystania całej powierzchni
czynnej (roboczej) rdzenia, gdyż na obrzeżach występuje
osłabienie i odkształcenie pola.
Podsumowanie i wnioski końcowe
Z przeprowadzonych obliczeń i symulacji wynika, iż w
konstrukcji magneśnicy, uzyskana wartość natężenia pola magnetycznego w przestrzeni magnesu, jest wystarczająca do jego namagnesowania [1,2,3,4].
Rozkład indukcji magnetycznej na powierzchni rdzenia
magnetycznego jest równomierny. Z uwagi na umieszczenie obszaru roboczego blisko źródła strumienia magnetycznego, efektywne wykorzystanie części roboczej
rdzenia wynosi 70% co pozwala na magnesowanie magnesów o wymiarach 60x50mm i grubości do 10mm.
Problem efektywnego magnesowania magnesów trwałych jest ważnym aspektem, gdyż źle namagnesowane
magnesy bezpośrednio rzutują na uzyskiwane parametry
maszyny. Obecnie w BOBRME KOMEL jest realizowaŚLĄSKIE WIADOMOŚCI ELEKTRYCZNE # Rok XVII # Nr 6’2010 (93)
7