Szerszámgépészeti és Mechatronikai Intézet DIPLOMATERV. Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése

Szerszámgépészeti és Mechatronikai Intézet Robert Bosch Mechatronikai Intézeti Tanszék

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar

DIPLOMATERV Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése

Szerző: Nagy Tibor József

Konzulensek: Dr. Szabó Tamás Rónai László

2017

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése

Tartalom 1.

Bevezetés ...................................................................................................................... 1

2.

Induktivitás mérése ....................................................................................................... 2 2.1.

Indítómotor, behúzó tekercs ................................................................................... 2

2.2.

Induktivitás ............................................................................................................. 5

2.3.

Induktivitás mérése [2] szerint ................................................................................ 7

2.4.

Induktivitás meghatározásának elve áramerősség alapján .................................... 10

A felhasznált eszközök ............................................................................................... 13

3.

3.1.

Az alkalmazott szánrendszer ................................................................................ 13

3.1.1.

Golyósorsós előtoló részegység .................................................................... 16

3.1.2.

Hajtómotor ..................................................................................................... 19

3.1.2.1. 3.1.3.

Az alkalmazott szervomotor ...................................................................... 19 PLC ................................................................................................................ 23

3.1.3.1.

Programozható vezérlők ............................................................................ 23

3.1.3.2.

IndraLogic .................................................................................................. 23

3.1.3.3.

PLC program .............................................................................................. 24

További eszközök ................................................................................................. 27

3.2

A befogó készülékek megtervezése ............................................................................ 29

4.

4.1.

Befogó készüléket igénylő eszközök .................................................................... 29

4.2.

A befogó készülékek ............................................................................................. 30

Mérés .......................................................................................................................... 36

5.

5.1.

Kapcsolás .............................................................................................................. 36

5.2.

Számítások ............................................................................................................ 39

5.3.

Korrekció .............................................................................................................. 41

5.4.

Eredmények .......................................................................................................... 42

Összefoglalás és továbbfejlesztés ........................................................................................ 44 Summary.............................................................................................................................. 45 Irodalomjegyzék .................................................................................................................. 46 Ábrajegyzék ......................................................................................................................... 47 Táblázatok jegyzéke ............................................................................................................ 49 Mellékletek jegyzéke ........................................................................................................... 50

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

I


1. Bevezetés A Robert Bosch Mechatronikai Intézeti Tanszéken - továbbiakban tanszék - évek óta foglalkoznak az indítómotorok vizsgálatával és fejlesztésével. Az indítómotorok kapcsoló mechanizmusát

egy elektromágneses

relé

mozgatja.

A

kapcsoló

mechanizmus

elektromechanikai modellezésénél feltétlenül szükség van a relé induktivitására és az induktivitás hely szerinti deriváltjára. Az induktivitás tehát fontos tényező kapcsoló mechanizmusok geometriájának tervezésénél. A diplomaterv célja az [1] irodalom továbbiakban szakdolgozat - témáját szolgáltató, a [2] irodalomban ismertetett induktivitás mérés tovább gondolása és ez által egy áramerősség mérésen alapuló mérési módszer kidolgozása. Ez a módszer a [2] irodalom doktori védésén Dr. Horváth Péter által javasolt ötlet alapján kerül kidolgozásra. Az új módszer megvalósításához részben a szakdolgozatban ismertetett eszközöket használjuk fel. A lényeges különbség az, hogy a jelen dolgozatban leírt mérés során az erőmérő cella szerepe a mérés ellenőrzése felütközésre illetve erő ébredésére. Így tudjuk meghatározni azt a tartományt, amelyben a vasmagot mozgatva értékelhető eredményeket kapunk. Ezúttal tehát a számoláshoz nem lesz szükségünk a behúzó mágnes erejének a mérésére. A dolgozat második fejezetében az indítómotorok rövid ismertetését követően az induktivitás fogalmát mutatjuk be, valamint itt történik a korábbi és az új mérési módszer ismertetése is. A harmadik fejezetben a tanszék által biztosított eszközöket tárgyaljuk. A harmadik fejezet alfejezetei foglalják össze a szánrendszert alkotó részegységek jellemzőit. Ugyancsak ez a rész tartalmazza a megírt PLC programokat, melyek a vasmag pozicionálását vezérlik. A negyedik fejezetben a relé befogásához valamint a vasmag mozgatásához gyártott készülékeket mutatjuk be. Az ötödik fejezetben részletesen ismertetjük a méréseket, számításokat és a kapott eredményeket. A végső fejezetben a vizsgálatok során szerzett tapasztalatokat foglaljuk össze és ismertetjük a mérőrendszer fejlesztési lehetőségeit.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

1


2. Induktivitás mérése A mérőrendszer kifejlesztésének a célja – a [2] irodalomban elvégzett méréshez hasonlóan személygépkocsi indítómotorját működtető relé induktivitásának a meghatározása. A diplomatervben egy új, áramerősség mérésen alapuló módszerrel mérjük meg a relé induktivitását, majd a kapott eredmények kiértékelésével ábrázoljuk annak alakulását.

2.1. Indítómotor, behúzó tekercs Napjainkban a személygépjárművek belső égésű motorjait indítómotorok segítségével hozzák működésbe. Állandó mágneses villamos motorral felszerelt DM típusú indítómotor metszetét az 1. ábra szemlélteti. Az indítómotor feladata, hogy a belső égésű motor főtengelyét álló állapotából gyújtási fordulatszámra gyorsítsa fel. Ha a főtengely fordulatszáma nagyobb lesz, mint a gyújtási fordulatszám, akkor a belsőégésű motor működése önfenntartóvá válik.

1. ábra: Állandó mágneses villamos motorral felszerelt DM típusú indítómotor metszete Forrás: https://www.hobbielektronika.hu/forum/getfile.php?id=30216 (Utoljára ellenőrizve: 2017. május 9.) Az 1. ábra segítségével ismertetett indítómotoron a következő elemeket jelöltük: (1) hajtóműcsapágy, (2) hajtófogaskerék, (3) behúzó relé, (4) villamos csatlakozás, (5) kommutátorcsapágy, (6) kefetartó lemez szénkefékkel, (7) kommutátor, (8) forgórész, (9) állandó mágnes, (10) pólusház, (11) behúzókar, (12) behúzó szerkezet. Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

2

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése Az indítómotor és a főtengely általában fogaskerék-hajtáson keresztül kapcsolódnak az indítás időtartamára. Amint a belsőégésű motor beindult, oldjuk a kapcsolatot. Az indítómotorok hajtó-fogaskerekének mozgatását egyenáramú elektromágnessel működtetett kapcsoló mechanizmus biztosítja. Az elektromágnes szerkezetét a 2. ábra [3] mutatja. Az elektromágnes feladata elegendő erő kifejtése a hajtó fogaskerék előre, azaz kapcsoló pozícióba való mozgatásához. Az elektromágnes két koncentrikusan egymásba helyezett tekercsből és egy mozgatható vasmagból áll. Az elektromágnes vasmagja a gerjesztés hatására elmozdul és behúzott, azaz zárt állapotban marad. Így közvetlenül vagy közvetve a hajtó-fogaskereket működteti. A vasmag az áramkör bontásával rugóerő hatására áll vissza az alaphelyzetébe. Ezek az elektromágnesek párhuzamos (mellékáramú) kapcsolásúak, ezért közvetlenül a személygépjármű energiaforrására (akkumulátorára) kapcsolhatók [2].

2. ábra: Az elektromágnes szerkezete [3] A 2. ábra által ismertetett elektromágnesen a következő elemeket jelöltük: (1) vasmag, (2) behúzó tekercs, (3) tartó tekercs, (4) szolenoid mag, (5) érintkező rugó, (6) álló érintkező, (7) villamos csatlakozás, (8) mozgó érintkező, (9) érintkezőhíd hüvely, (10) visszaállító rugó.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

3

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése Az indítómotor áramköri rajzát a 3. ábra [3] ismerteti.

3. ábra: Indítómotor áramköri rajza [3] A 3. ábra szerinti jelölések a következők: (1) energiaforrás, (2) indítómotor forgórésze, (3) gyújtáskapcsoló, (4) elektromágnes, (4a) behúzó tekercs, (4b) tartó tekercs, (T30) az elektromágnes és az akkumulátor csatlakozója, (T45) az elektromágnes és az indítómotor forgórészének csatlakozója, (T50) a gyújtáskapcsoló és az elektromágnes csatlakozója. A [2] irodalom szerint a kapcsoló mechanizmus kinematikai és dinamikai viszonyainak megismeréséhez elengedhetetlen annak modellezése és szimulációja. Az elektromágneses aktuátorok, illetve villamos gépek működésének a leírására az egyik legfontosabb villamos paraméter az induktivitás.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

4


2.2. Induktivitás Ha változik a folyó áram erőssége egy tekercsben, akkor annak következtében az áram által gerjesztett fluxus is változik. Ha változik a fluxus, akkor feszültség jön létre. A fluxus változása által létrehozott feszültséget indukált feszültségnek nevezzük. Az indukált feszültség az induktivitással a következőképpen fejezhető ki:

uL

di , dt

(1)

ahol i az áramerősség [2]. Az induktivitás mérésére, valamint elméleti számítására többféle ismert módszer létezik. A tisztán elektromos mérési eljárások - amelyeket más néven impedancia méréseknek is neveznek – általában vasmag nélküli (légmagos) tekercsek induktivitásának meghatározását szolgálják. A légmagos tekercs induktivitása méréssel vagy számítással egyaránt elegendő pontossággal meghatározható. A tekercs geometriájából, a menetszámból és a levegő permeabilitásából számítható ki az L önindukciós együttható [2]. A [2] irodalom az induktivitás méréseket három fő csoportra tagolta: 

„három áram-feszültség” módszer,



váltakozó áramú hídmérő eljárások (Maxwell-Wien híd, Hay híd, Carey-Foster híd, AC híd Wagner ággal, stb.),



rezonancia módszer.

A felsorolt módszerek váltakozó áramú (AC) gerjesztésen alapulnak. A gyakorlatban a váltakozó áramú hídmérő eljárások alkalmazása a leggyakoribb. Egyenáramú (DC) gerjesztésen alapuló induktivitás meghatározására azonban viszonylag kevés módszer ismert. Mozgatható vasmag esetén különösen nehéz meghatározni egy tekercs induktivitását. A vasmag általában nemlineáris mágneses tulajdonságú, tehát a mágneses térre és a mágneses indukcióra vonatkozó anyagegyenlet nemlineáris, továbbá felléphet telítődés és hiszterézis is. Ha az ilyen tekercseknél elhanyagoljuk a hiszterézist és a telítődést, akkor az induktivitás az áramerősség és a vasmag pozíciójának a függvénye [2]:

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

5


L  L  i, x  .

(2)

A [2] irodalom hivatkozik olyan publikációkra, amelyekben az elektromágneses aktuátorok modellezésére energiabázisú leírást alkalmaznak, amelyet a kiegészítő mágneses energiával fogalmaznak meg. A 𝑊𝑚∗ jelenti a kiegészítő mágneses energiát, melynek értelmezése lineáris és nemlineáris esetben is lehetséges. Nemlineáris induktivitásnál az említett publikációk értelmezik az 𝐿𝑠 szekáns (statikus, látszólagos) és az 𝐿𝑑 differenciális (dinamikus, inkrementális) induktivitás fogalmát, amelyek magyarázatát a 4. ábra [2] mutatja.

4. ábra: Szekáns és differenciális induktivitás értelmezése [2] A szekáns induktancia a tekercsfluxus és az áramerősség hányadosa [2]:

𝐿𝑠 (𝑖, 𝑥) =

𝛹∗ . 𝑖∗

(3)

A differenciális induktancia a 4. ábra szerint értelmezhető [2]:

𝐿𝑑 (𝑖, 𝑥) =

𝜕𝛹(𝑖, 𝑥) . 𝜕𝑖

(4)

Jelen dolgozatban a szekáns induktivitás kerül meghatározásra.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

6


2.3. Induktivitás mérése [2] szerint Annak érdekében, hogy a diplomaterv méréséről egy képet kapjon az olvasó, ismertetjük a [2] irodalomban részletezett mérés eszközeit és körülményeit. A mérések elvégzésére a mérés elméleti leírása alapján került sor. A [2] irodalomban bemutatott elektromechanikai mérési módszerrel a következőképpen határozható meg az induktivitás: 1. A kiegészítő mágneses energia felhasználásával meghatározható az elektromágneses erő, amely az áramerősség és a vasmag pozíciójának a függvénye. 2. A mért elektromágneses erő és a megfelelő áramerősségek ismeretében előáll az induktivitás hely szerinti deriváltja. 3. Ez az áram vonatkoztatásában harmadfokú, a hely vonatkoztatásában pedig ötödfokú polinommal közelíthető. 4. A derivált függvényből az indukciófüggvényt integrálással kapjuk meg. A kapott eredmények összevethetők egy rezonancia módszeren alapuló méréssel. A statikus mérés során elsőként gerjesztést kapott mind a két tekercs. Ezután a tartó tekercs vizsgálata következett a behúzó tekercs rövidre zárásával. A vizsgálatok lefolyása rugómechanizmus nélküli volt. A mérési sorozatok végrehajtásakor az elektromágneses erő értékeit egy erőmérő cella szolgáltatta a vasmag ugyanazon pozíciójában, de különböző áramerősségeknél.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

7

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése A mérés áramköri rajzát az 5. ábra [2] szemlélteti.

R12

Ls12

Rj

F

x

2

6 8a, 8b

RB R1 A

9

4a 5

K 1

4b

3

7

5. ábra: A mérés áramköri rajza [2] Az 5. ábra jól mutatja, hogy a K kapcsoló zárásával, a DC tápegység (5) működteti az időzítőt (4b). Az időzítő (4b) a valóságos kapcsolási folyamatot modellezi. A kapcsolási idő 0,1 sec. Az időzítő (4b) reléje a mágneskapcsolót (4a) vezérelte, amelynek egy AC tápegység volt az áramforrása. A mágneskapcsoló funkciója a nagy áramerősségek kapcsolása. A vizsgált elektromágnest (8b), melynek a vasmagja egy erőmérő cellához kapcsolódott (8a), az indító akkumulátor (6) működtette. A vasmag pozícióját lézeres távolságmérő határozta meg. Az elektromágneses erő mérése a vasmag diszkrét pozícióiban, különböző áramszinteknél történt. A vizsgálat kezdetekor a vasmag teljesen behúzott állapotú volt. Ezt követően kb. 0,5 mm lépésenként, az elektromágnesből kifele haladva történt a vasmag pozícionálása. Az egyes áramszintek biztosítása megfelelő nagyságú ellenállás (R1…Rj) beiktatásával történt. Az áramerősséget árammérő szenzor (9) mérte, az elektromágneses erőt és az áramerősséget az adatgyűjtő SPIDER (3) regisztrálta [2].

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

8

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése A méréshez felhasznált eszközöket, valamint azok típusát az 1. táblázat [2] tartalmazza. Nr. Megnevezés

Típus

1

AC tápegység

EA-STT 2000 B-4.5A 0-260 V AC

2

Lézer interferométer

Renishaw XL-80

3

Mérés adatgyűjtő

Spider 8 4,8 kHz/DC

4a

Mágneskapcsoló

VS440-22 220-230 V AC (50-60 Hz)

4b

Időzítő

CRM-91H AC/DC 0-240 V (AC 50-60 Hz)

5

DC tápegység

Matrix MPS-3005L-3 0-30 V

6

Akkumulátor

12V 544 402 041 440A (EN) 44Ah

7

Laptop

Catman 4.0, Renishaw linear measurement software

8a

Erőmérő cellával felszerelt vasmag pozícionáló

GEFRAN TU-K1C (0-100 kg)

8b

A vizsgált elektromágnes

BOSCH adat

1. táblázat: A méréshez felhasznált eszközök [2]

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

9


2.4. Induktivitás meghatározásának elve áramerősség alapján Ebben a fejezetben tárgyaljuk a Dr. Horváth Péter javaslata alapján kidolgozásra kerülő módszert. A 6. ábra egy elmozdulásra képes vasmaggal kiegészített kapcsolást mutat.

L(x,i)

x

S

A

U0

Re 6. ábra: Vasmagot tartalmazó egyszerű kapcsolás A kapcsolási rajz a következő elemeket tartalmazza: feszültségforrás (U0), időkapcsoló (S), vasmagot tartalmazó tekercs (L), árammérő (A) és előtét ellenállás (Re). A nemlineáris elv bemutatása előtt röviden ismertetjük a lineáris elméletre alapozott gondolatmenetet. A kapcsolási rajzon jelzett irány alapján Kirchhoff II. törvényét, azaz a huroktörvényt alkalmazva, a következő kifejezés áll elő lineáris elmélet szerint:

−𝑈0 + 𝐿(𝑥)

𝑑𝑖 𝑑𝐿(𝑥) + 𝑅𝑒 ∙ 𝑖 + 𝑖 ∙ 𝑥̇ = 0. 𝑑𝑡 𝑑𝑥

(5)

Az egyenlet átrendezésével megkapjuk az alábbi általános alakot: 𝐿(𝑥)

𝑑𝑖 𝑑𝐿(𝑥) + 𝑅𝑒 ∙ 𝑖 + 𝑖 ∙ 𝑥̇ = 𝑈0 . 𝑑𝑡 𝑑𝑥

(6)

A villamos állandó a vasmag elmozdulása miatt van az egyenletben. Esetünkben azonban nincs rá szükség, hiszen a mérés pillanatában a vasmag nincs mozgásban.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

10

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése A [2] irodalom a nemlineáris modellt a 2.2 fejezetünkben ismertetett 𝐿𝑠 ún. szekáns induktivitással írja le. A tekercs fluxusa: Ψ(𝑖, 𝑥) = 𝐿𝑠 (𝑖, 𝑥)𝑖.

(7)

A fluxus és a kiegészítő mágneses energia a következő kapcsolatban áll egymással: 𝑖

𝑊𝑚∗

(8)

= ∫ Ψ𝑑𝑖 . 0

A (6) - (8) egyenletek felhasználásával kapjuk az alábbi összefüggést: 𝑑 𝜕𝑊𝑚∗ ( ) + 𝑅𝑒𝑟 ∙ 𝑖 = 𝑈0 . 𝑑𝑡 𝜕𝑖

(9)

A (9) összefüggés integrálásával kapjuk meg az induktivitást az elmozdulás és az áramerősség függvényében, szorozva az árammal: 𝑇 𝜕𝑊𝑚∗ = ∫ (𝑈0 − 𝑅𝑒𝑟 ∙ 𝑖) 𝑑𝑡 = 𝐿𝑠 (𝑖, 𝑥) ∙ 𝑖. 𝜕𝑖 0

(10)

Az induktivitás az áramerősség és az elmozdulás függvényében a következőképpen írható fel: 𝐿𝑠 (𝑖, 𝑥) =

𝑇 1 ∙ ∫ (𝑈0 − 𝑅𝑒𝑟 ∙ 𝑖) 𝑑𝑡. 𝑖 0

(11)

A (11) egyenlet jobb oldalának integrálásával, a következő alakot kapjuk: 𝐿𝑠 (𝑖, 𝑥) = ahol

𝑇 1 ∙ (𝑈0 ∙ 𝑇 − 𝑅𝑒𝑟 ∙ ∫ 𝑖 𝑑𝑡), 𝑖 0

(12)

𝐿𝑠 (𝑖, 𝑥) az induktivitás az áram és a vasmag pozíciójának függvényében, 𝑖 az áramerősség, 𝑈0 a feszültségforrás, 𝑇 az áram értékének konstansra történő beállásához szükséges idő (≈0,05s), 𝑅𝑒𝑟 az eredő ellenállás.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

11

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése A mérés során várható áramfelvétel a 7. ábra alapján szemléltethető:

Áram

Az áram felfutása

Idő

7. ábra: Az áram várható felfutása A vasmagos tekercsekre jellemző telítődés, ezért az áramerősség további növelésével a fluxus már nem növekszik. Ebből következik, hogy nagy áramerősségeknél a szekáns induktivitás kisebb lesz, mint kis áramerősségeknél. Az 5.2 fejezetben bemutatásra kerülő mérési eljárás a (12) egyenletet fogja alkalmazni rögzített x és adott előtét ellenállás mellett, mely az áramerősséget határozza meg.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

12


3. A felhasznált eszközök A diplomaterv ezen fejezetében ismertetjük azokat az eszközöket, amelyeket a tanszék biztosított.

3.1. Az alkalmazott szánrendszer Ebben az alfejezetben mutatjuk be a Rexroth típusú szánrendszert a [4] irodalom segítségével. Ennek a fejezetnek a szakdolgozat a forrása [1]. Az egyenes vonalú haladó mozgást általában a forgó mozgású kinematikai lánc végén hozzák létre valamilyen forgó/haladó mozgás átalakítóval. Ilyen például az orsó – anya, fogaskerék – fogasléc, csiga – csigaléc kinematikai pár, vagy a fogas – szíj hajtások egyenes ága. Ezek azért célszerű megoldások, mert a forgó mozgásokkal magas mozgásparaméterek biztosíthatók. Ugyanakkor létezik közvetlen lineáris motoros megoldás is. Egyéb esetekben szükséges alkalmazni valamilyen, a mozgás nagyságát megváltoztató hajtóműves, forgó/forgó mozgás átalakítókat. Ritkábban ugyan, de alkalmaznak (direkt) forgó hajtásokat is, ekkor a motor forgórésze a végrehajtó szervet közvetlenül mozgatja. Az egylépcsős hajtással azonos eredő hajtóviszonyú kétlépcsős hajtás fogaskerekeinek a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomatéka kisebb, mint az egylépcsős hajtás fogaskerekeinek a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomatéka. Ennek oka az, hogy egylépcsős fogaskerekes hajtásnál, a hajtott fogaskerék redukált tehetetlenségi nyomatéka nagy. Kis tehetetlenségi nyomatékokat nagy hajtóviszonyoknál (kis módosításoknál) lehet elérni. Ennek ellenére gyakran mégis az egylépcsős hajtást részesítik előnyben. Ennek oka az, hogy ekkor a láncban kevesebb kinematikai és geometriai hiba lehet, kisebbek a rugalmas deformációk, a játék és a gyártási költségek. Az egy- és kétlépcsős hajtásra a 8. ábra [4] mutat példát.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

13


b

TG

Motor JM

J1, z1

m, s, v, a

i=1/k

Szán

J 1, z 1 Fö J3, z3

do

J 2, z 2 po

Jo

J2, z2

J4, z4

(a.)

(b.)

8. ábra: Golyósorsós szánmozgatás golyósorsó-anya kinematikai párral egylépcsős (a.), illetve kétlépcsős (b.) fogaskerekes hajtással kombinálva [4]

Az [4] irodalomban a haladó tömeg redukálása a golyósorsó tengelyére az energiaegyenlet felhasználásával a 8. ábra [4] alapján:

Jm  m

v2

 o2

(13)

ahol: T

(sec)

az orsó körülfordulási idő,

Fö

(N)

a szánt terhelő összes erő,

m

(kg)

a szán tömege,

po

(m)

a golyósorsó menetemelkedése,

do

(mm)

a golyósorsó közepes átmérője,

Jo

(kgm2)

a golyósorsó másodrendű tehetetlenségi nyomatéka,

b

(mm)

a fogaskerék szélessége,

r1-r4

(mm)

a fogaskerekek osztókör sugara,

z1,-z4 (-)

a fogaskerekek fogszáma,

J1,-J4, (kg m2)

a fogaskerekek másodrendű tehetetlenségi nyomatéka,

JM

(kgm2)

k=1/i (-) Nagy Tibor József

a motor tehetetlenségi nyomatéka, hajtóviszony, módosítás,

Miskolc, 2017

14

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése s, v, a (mm, mm/s, mm/s2) a szán elmozdulása, sebessége, gyorsulása. A 9. ábra [4] szemlélteti az i módosítás és a k hajtóviszony magyarázatát. A k=1/i hajtóviszony használatának oka az, hogy segítségével a hajtott fordulatszámok közvetlenül meghatározhatók. z1 n1

n1

i=

I.

I. z2 II.

k

n2

n2



n1 z2 =n = z 2 1 

 n2 z1 k= =n = z2  1

II.

k=

n2=n1·k

1 i

9. ábra: Az i módosítás és a k hajtóviszony magyarázata [4] A Bosch Rexroth eLINE Compact-Modul sorozata kétféle felépítésű lineáris rendszert kínál: 

eCKK – golyósorsós hajtással (10. ábra, 4. táblázat),



eCKR – fogas szíjas hajtással.

A diplomaterv elméleti és gyakorlati megvalósításához az eCKK sorozat 110-es típusa áll rendelkezésünkre. Ennek fizikai méreteit a 2. táblázat [5] szemlélteti. Hosszúság:

1650 mm

Szélesség:

110 mm

Magasság:

50 mm

2. táblázat: Fizikai méretek [5] A szánrendszer három fő részegységből áll: 

golyósorsós előtoló részegység



hajtómotor



PLC

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

15

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése Az NC szán főbb paramétereit a 3. táblázat [5] tartalmazza. Lökethossz:

1500 mm

Kontroller:

CSH01.1C és HCS02.1E

Maximális terhelhetőség (vízszintes): Ismétlési pontosság:

30 kg +/- 0.05 mm

A szán tömege:

16 kg

3. táblázat: NC szán főbb paraméterei [5] 3.1.1. Golyósorsós előtoló részegység A 10. ábra az eCKK modult szemlélteti robbantott ábrázolásban.

10. ábra: eCKK modul robbantott ábrája [5] Az eCKK modul jelölt alkatrészeit – amelyet a[5] szemléltet - a 4. táblázat [5] nevezi meg.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

16


1

Támasztó csapágyazás

1a Ferde hatásvonalú golyóscsapágy

3b

PU szalag

4

Fix csapágyazás

1b

Támasztóbak

4a Ferde hatásvonalú golyóscsapágy

2

Fedőlap

4b

Támasztóbak

2a

Alumínium tető

5

Ház

3

Réstakaró

6

Golyósorsó

3a

Szalagvezető

7

Vontatmány

4. táblázat: eCKK modul főbb alkatrészei [5] Esetünkben a lineáris mozgást egy golyósorsó-anya kapcsolat valósítja meg, melyet a 11. ábra [6] ismertet. Ennek számos előnye van a fogas-szíjas hajtáshoz képest.

11. ábra: Golyósorsó-anya kapcsolat [6] A golyósorsós hajtás az egyik leggyakrabban használt megoldás a forgó-haladó mozgás átalakítók terén. Előfeszített állapotában igen elterjedt a precíziós hajtásoknál, ill. a hosszabb lökethosszoknál, mint utazóhajtást alkalmazzák. Az orsó és az anya között golyó alakú gördülőelemek vannak, ezáltal csúszó alkatrész nélküli kapcsolatról beszélhetünk. Ennek köszönhetően a hajtásnak nagyobb az élettartama a siklócsapágyazott társaikéhoz képest [6].

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

17

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése A golyósorsó-anya pár használata leginkább olyan előtoló és pozícionáló rendszereknél jellemző, ahol egyaránt fontos követelmény a jó hatásfok, a mozgatott elem pontos pozícionálása, valamint az egyenletes előtolás még kis (kúszó) sebességeknél is [4]. A szerkezet előnyeit a [4] irodalom az alábbi pontokba gyűjtötte össze: 

hézagtalanítható, és különböző mértékben előfeszíthető,



előfeszített állapotban nagy a tengelyirányú merevsége,



az orsó és az anya gördülő felületein fellépő súrlódás kicsi, ami gyakorlatilag független a fordulatszámtól, és jó hatásfokú (η=0,85-0,95),



nem lép fel az akadó csúszás (stick-slip).

A fentebb olvasható tulajdonságok megőrzése érdekében a golyósorsó-anya párok esetében be kell tartani a kenésre vonatkozó előírásokat. A kenés funkciói a [4] irodalom alapján a következők: 

a mozgó alkatrészek közötti súrlódás, ezáltal a kopás csökkentése,



korrózió elleni védelem.

A kenőanyagok minőségére az üzemi körülményeket (terhelések, üzemi hőmérséklet) figyelembe véve található ajánlás szabványokban (ISO, DIN) és a gyártó szállítási katalógusaiban. A kenőanyag lehet: 

zsír: az első feltöltésnél az anya 1/2-1/3 részét javasolt feltölteni, majd 500-1000 üzemóra leteltével utántölteni, és pl. 6 hónap után eltávolítani, vagy lehet



olaj: olyan helyen használatos, ahol az üzemeltetés következtében a nagy hőmérsékletnövekedés miatti hőhatás a golyósorsó hosszméretének változását eredményezi, ami miatt csökken a pozícionálás pontossága. Ilyen az, amikor rövid megmunkálási/szerelési idők mellett hosszú úton gyorsjárati mozgások szükségesek (pl. beültető gépek) [4].

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

18

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése 3.1.2. Hajtómotor A [4] irodalom alapján a kinematikai hajtást megvalósító hajtóműveknél az alkalmazott motor kiválasztási szempontjai a következők: 

a mechanikus kinematikai láncban (például fogaskerék hajtás, csigahajtás, fogas szíjas hajtás) lévő hajtás k hajtóviszonya (i módosítása)



a forgó/haladó mozgás átalakító kinematikai pár (például a golyósorsó-anya, a fogaskerék-fogasléc kinematikai lánc), valamint



a mozgatott tömegek és/vagy az alkalmazott technológia.

„Ezeken a kinematikai lánc elemeken keresztül történik a motornyomaték és a motorfordulatszám illesztése a szükséges előtoló erő, előtoló sebesség, gyorsjárati sebesség és gyorsulások széles paraméter tartományú követelményeihez [4].” 3.1.2.1.

Az alkalmazott szervomotor

A [7] irodalom alapján a szinkronmotoros szervohajtások legnagyobb előnye a kefenélküli kivitel, ezért az ilyen hajtásokban kizárólag állandó mágneses forgórészű motorokat használnak. A 12. ábra a) pontja [7] mutatja az állandó mágneses szinkronmotor elvi felépítését, és jelöli a háromfázisú állórész tekercs a, b és c tengelyeit, valamint az állandó mágneses forgórész d és q tengelyeit. A gyakorlati konstrukciót pedig a 12. ábra b) és c) pontja [7] szemlélteti, ahol a b) ún. belső mágneses konstrukció, a c) pedig külső héjmágneses

(ragasztott)

konstrukció.

Általában

a

szinuszmezős

gépek

belső

konstrukciójúak, a négyszögmezős gépek pedig külső héjmágneses konstrukciójúak. A megfelelően nagy fluxus és kis tehetetlenségi nyomaték csak ritkaföldfém ötvözetű mágnessel biztosítható, ezért a modern szinkron szervomotorok ilyen mágnessel készülnek. A ritkaföldfém mágnesek közül a Szamárium- Kobalt és a Neodímium-Vas-Bór ötvözetű mágnesek terjedtek el.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

19


12. ábra: Állandó mágneses szinkronmotor a) elvi felépítés, b) belső mágneses konstrukció, c) külső héjmágneses konstrukció A tanszéken rendelkezésre álló Rexroth által gyártott szánrendszer típusa IndraDyn S. Ehhez a típushoz kétféle motor közül választhatunk: 

MSK szinkron szervomotor, vagy



MKE szinkron szervomotor robbanásbiztos burkolattal, robbanásveszélyes területekre.

Az előtoló szánegységen egy MSK 030C típusú AC szervomotor található, melyet a 13. ábra szemléltet. A hajtómotor egy 1:1-es hajtóviszonyú fogas-szíjas hajtáson keresztül forgatja a golyósorsót.

13. ábra: MSK 030C motor Forrás: Bosch-Rexroth, http://bit.ly/125BORB (Utoljára ellenőrizve: 2017. május 9.) Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

20

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése A használni kívánt motor további tulajdonságait a [8] irodalomból tudjuk kikeresni a motorra ragasztott címkén található típusszám alapján. A címke adatait a 14. ábra mutatja.

14. ábra: A szánt meghajtó motor típusa A [8] irodalomban az alábbi rendszer alapján tudjuk megállapítani a beszerelt motor paramétereit: A motor típusszáma: MSK030C-0900-NN-M1-UG0-NNNN A sárga háttérrel jelölt karakterekből derül ki a motor - mérete: 030 - teljes hossza: C - tekercselése: 0900 A piros háttérrel jelölt karakterek a hűtési rendszerről árulkodnak: NN: természetes hűtés A két zöld hátterű karakter jelöli a visszacsatolás típusát: M1: multi turn inkrementális enkóder, 128 lépésköz, 4096 fordulat, abszolút A két bíbor színű háttérrel jelölt karakter a tengelyről és a rögzítőfékről ad információt: G: sík tengely tömítőgyűrűvel 0: nincs rögzítőfék A kék színnel jelölt karakterek pedig a tengely kivezetést és az egyéb verziókat mutatják: N: standard, csak M1-el együtt N: standard verzió

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

21

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése A címkéről sok egyéb fontos és kevésbé fontos tulajdonság is leolvasható, ezek közül néhány:

- a motor három fázisú, állandó mágneses - maximális fordulatszám: 9000 1/perc - álló helyzeti nyomaték: 0,8 Nm - nyugalmi áram: 1,5 A - szilárd tárgyak és víz elleni védelem (IP): 65 - tömege: 1,9 kg - származási hely: Németország

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

22

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése 3.1.3. PLC Ebben a pontban kerül bemutatásra a vasmag pozícionálását vezérlő szoftver. 3.1.3.1.

Programozható vezérlők

„A programozható vezérlők az 1970-es évektől kezdődően terjedtek el és ma csaknem kizárólagos alkalmazást nyertek az ipari folyamatok vezérlésében. A programozható vezérlőberendezések, a vezérlési (esetleg szabályozási) funkciókat szoftver útján valósítják meg és beviteli, kiviteli egységeik révén a technológiai folyamatok tárolt programú vezérlésére közvetlenül alkalmasak. A programozható vezérlők szokásos elnevezései: PC, Programmable Controller (programozható vezérlő, UK); PLC, Programmable Logic Controller (programozható logikai vezérlő, USA); PBS, Programmable Binary System (programozható bináris rendszerek, svéd); SPS, Speicherprogrammierbare Steuerung (tárolt programú vezérlés, német); PV, programozható vezérlő; PLV, programozható logikai vezérlő (magyar) [9].” Mivel szakmai körökben leginkább a PLC elnevezés terjedt el, ezért a továbbiakban ez a dolgozat is ezt a rövidítést használja. 3.1.3.2.

IndraLogic

A tanszéken rendelkezésünkre álló Rexroth PLC-t az IndraWorks programozó szoftver IndraLogic nevű PLC alapú rendszerével programoztuk. Ez egy koncepció a vezérlő, a programozás és a kommunikáció tekintetében. A programozói környezet és a PLC-mag alapja a Smart Software Solutions (3S) cég PLC-szoftvere. Az IEC 61131-3 komplett nyelvi terjedelmével együtt a szokásos offline szimulációk és online funkciók, úgymint az állapotfigyelés, a hibakeresés és az állapotváltoztatás funkciók állnak rendelkezésre. Az IndraLogic, mint átfogó PLC-elemek összessége valamennyi Rexroth Motion-Control rendszerbe integrálható. A hajtásfunkciók egyszerű használatát a PLC-programon belül szabványosított moduláris könyvtár szolgálja. A Rexroth IndraLogic mint vezérlő-, hajtásszabályzó-, és PC-alapú szoft-variáns áll rendelkezésünkre. A teljes kompatibilitás megőrzése mellett választhatunk, vagy kombinálhatjuk a kedvelt PLC-megoldásunkat a Rexroth flexibilis rendszereivel [10].

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

23

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése 3.1.3.3. PLC program Ebben a fejezetben a mérőrendszer vezérlésére használt, CFC nyelven írt program fontosabb funkcióit mutatjuk be. Az ábrák forrása a szakdolgozat [1]. A 15. ábra a vasmag különféle mozgatásához használható kezelőfelületet mutatja. Ahhoz, hogy a szánon lévő kocsit mozgásra bírjuk, a szánt hajtó motor megtáplálása szükséges. Ezt a Be/Ki kétállású gomb megnyomásával tudjuk elérni. Ekkor a gomb mellett lévő négyzet kitöltése pirosról zöldre változik. Ezzel kapunk visszajelzést, hogy a szán aktív és az utasításokra vár.

15. ábra: Kezelőfelület A kezelőfelületen felülről a második gomb, az egyállású Home gomb. Ennek a megnyomásával a kocsi a vasmagot teljesen betolja a behúzó mágnesbe. Amikor megérkezett a kívánt pozícióba, akkor a gomb mellett elhelyezkedő kör kitöltése pirosról zöldre változik, és mindaddig zöld marad, míg a kocsi a megadott helyen tartózkodik. Az End gomb funkciója pedig pont ellentétes a Home gombbal, ez tehát a vasmagot teljesen kihúzza a reléből. Ezt a programrészletet a 16. ábra szemlélteti.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

24

16. ábra: Home és End gomb funkciója


Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

25

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése Lehetőségünk van a vasmag folyamatos illetve fokozatos mozgatására is. Előbbi esetében előre megadott paramétereknek megfelelően fokozatmentesen, folyamatos mozgásban jut el a vasmag a kívánt álláspontba. Utóbbi választása esetén a vasmag a beállításoknak megfelelő lépésekben, a lépések közt a megadott időnek megfelelő várakozással teszi meg a távot. A 17. ábra a fokozatos mozgást mutatja. Jelen esetben a vasmag a behúzó mágnes irányába mozdul 1 mm-t. Mindezt 13-szor teszi meg, a lépések között 2 s várakozással.

17. ábra: Fokozatos mozgás Amint azt a 16. ábra is mutatja, a diplomaterv készítése során a kezelőfelület két gombbal bővült. A + 1 mm és a – 1 mm elnevezésű egyállású gombok arra szolgálnak, hogy a vasmagot pontosan 1 mm-el mozgassák a megadott irányba, annyiszor, ahányszor megnyomjuk valamelyiket. Minden mozgás során előre beprogramozhatjuk, hogy milyen sebességgel, milyen gyorsulással és mekkora lassulással tegye meg a kocsi a kívánt utat. Ha bármilyen okból szükséges a vasmag mozgását hirtelen megszakítani, akkor azt a STOP gomb megnyomásával tehetjük meg. Ezáltal a szán az előre beállított lassúlással fog megállni.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

26


3.2

További eszközök

Ebben a pontban a méréshez használt és a tanszék által biztosított egyéb eszközöket szemléltetjük a 18-25 ábrák segítségével.

18. ábra: Gépjármű indító

19. ábra: DC tápegység

akkumulátor

20. ábra: Kapcsoló

21. ábra: Időzítő

22. ábra: Mágneskapcsoló

23. ábra: Előtét ellenállások

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

27


24. ábra: Árammérő szenzor

Nagy Tibor József

25. ábra: Mérés adatgyűjtő

Miskolc, 2017

28


4. A befogó készülékek megtervezése Ezekben a fejezetekben ismertetjük azokat az eszközöket, amelyeknek a rögzítéséhez tartót kellett terveznünk, valamint ugyancsak itt mutatjuk be a tervezett befogó készülékeket. Ennek a fejezetnek a szakdolgozat a forrása [1].

4.1. Befogó készüléket igénylő eszközök A 26. ábra mutatja a behúzó mágnest, benne a vasmaggal a 27. ábra pedig az erőmérő cellát szemlélteti. Amint azt a bevezetésben tárgyaltuk, az erőmérő cella szerepe a mérés ellenőrzése felütközésre illetve erő ébredésére.

26. ábra: Behúzó mágnes

27. ábra: Erőmérő cella

A behúzó mágnesről a 2.1 fejezetben már beszéltünk, az erőmérő cella adatai a következők: 

típus: Gefran TU-K1C



terhelhetőség: 100 kg.



pontosság: 0,2 %



névleges bemeneti ellenállás: 350 Ω



névleges kimeneti ellenállás: 350 Ω



névleges tápfeszültség: 10 V



maximum tápfeszültség: 15 V



védelem: IP 67

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

29


4.2. A befogó készülékek Ebben az alfejezetben szemléltetjük a megtervezett, relét valamint az erőmérő cellát befogó szerkezeteket. Az itt bemutatott készülékek műszaki rajzait a diplomaterv mellékletében találjuk. A kidolgozott konstrukciókról a következők lényegesek: 

műanyagból készüljenek, hogy ne erősítse fel a relé mágneses erejét,



a tanszéken rendelkezésre álló, nem mágnesezhető anyag a polioximetilén, így POM lett a befogók alapanyaga,



tartó funkciót kell nyújtania mind a relé, mind pedig az erőmérő cella részére,



a tartószerkezet két külön részből épül fel,



a kettő közül valamelyiknek mozgathatónak kell lennie,



az egyik fő elem a behúzó mágnes tartója, mely a szán végéhez van rögzítve,



a másik fő elem az erőmérő cella tartója, ami a vontatmányra van felerősítve,



kellően merevnek kell lennie, hogy kibírja a 300 N közeli erőt.

Az elkészült és szánra szerelt erőmérő cella tartóját a 28. ábra szemlélteti.

28. ábra: Erőmérő cella tartója

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

30

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése A szánon található vontatmány kialakítását a 29. ábra mutatja.

29. ábra: A vontatmány kialakítása Amint azt a 29. ábra is mutatja, a vontatmánynak sajátos a kialakítása a 4 db horonnyal, amelyek igencsak hasznosak a rögzítés szempontjából. A tartószerkezet vontatmányhoz történő rögzítése a már korábban említett hornyok segítségével történt. A cella tartójában a szánra merőlegesen 4 átmenő furat található. Ezek mind egyformán süllyesztett furatok, hogy a belső kulcsnyílású csavarok feje ne lógjon ki a tartószerkezetből. A tartó rögzítése a szánhoz a hornyokba helyezett, szintén a dolgozat miatt legyártott 2-2 menetes furattal rendelkező 2 fémlemezkével történt, melyeket a 30. ábra szemléltet.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

31


30. ábra: Menetes fémlemezkék A 31. ábra a cellát rögzítő furatokat mutatja hátul nézetből. A furatokat tekintve ugyanaz az elv, mint amit a 28. ábra is mutat, csak itt nem fémlemezkékhez, hanem a cellához vannak rögzítve a csavarok. Ugyan az ábrán csak 3 furat látszik, de valójában 4 csavarral van rögzítve a cella, csak a vontatmány kialakítása miatt nem egy süllyesztett furaton keresztül megy a 4. csavar, hiszen ez nem lehetséges, hanem a tartó elején lévő vállhoz van rögzítve a cella, ugyancsak hátulról, annyi különbséggel, hogy elegendő rövidebb belső kulcsnyílású csavar.

31. ábra: Erőmérő cella tartója hátulnézetből Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

32

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése A behúzó mágnes tartóját a 32. ábra mutatja.

32. ábra: A behúzó mágnes tartója A behúzó mágnes tartójának főbb jellemzői: 

anyaga - a cella tartójával megegyezően – POM,



nem egy, hanem legalább három külön darabból lesz összeszerelve, aminek az oka az, hogy az eltérő méretű behúzó mágnesek mérését is biztosítani tudjuk ezzel a rendszerrel, ezért a relét nem helyeztük közvetlenül a tartó szerkezetbe, hanem egy perselyhez rögzítettük, amit utána a befogó készülékbe helyeztünk,



rögzítését tekintve is különbözik a cella tartójától, hiszen nem mozdul, hanem fix helyzetben van felfektetve a szán végére, ahová alulról rögzítettük 8 csavarral, egy fémlemez segítségével, ami már a harmadik alkatrésze a relé tartójának a befogó és a persely után.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

33

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése A behúzó mágnes tartójába szerelhető perselyt a 33. ábra mutatja.

33. ábra: Persely Ez a persely a tanszéken rendelkezésre álló behúzó mágnes mérete alapján lett megtervezve és legyártva. A befogó univerzális tulajdonságának köszönhetően kisebb és nagyobb belső átmérővel rendelkező perselyek is kompatibilisek vele, ezáltal különböző méretű és erősségű relék is mérhetők a rendszerrel. A vasmagot az erőmérő cellával összekapcsoló alumíniumból készült rudat a 34. ábra szemlélteti. A rúd anyagának kiválasztásánál fontos szempont volt, hogy elkerüljük a relé mágneses erejének felerősítését.

34. ábra: Alumínium rúd Az alumínium rúd az erőmérő cellához menetes kötéssel kapcsolódott, a vasmaghoz pedig egy csavar segítségével csatlakozik. Amint azt a 37. ábra mutatja, a felhasznált csavar menetének egy részét eltávolítottuk, hogy a vasmag mozgását kevésbé akadályozza.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

34

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése Az alumínium rúd két végét a 35. ábra és a 36. ábra szemlélteti. A felhasznált csavart és a vasmaghoz történő csatlakozást a 37. ábra és a 38. ábra mutatja.

35. ábra: Vasmaghoz csatlakozó vég

36. ábra: Erőmérőhöz kapcsolódó vég

37. ábra: Esztergált csavar

38. ábra: Vasmaghoz kapcsolt rúd

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

35


5.

Mérés

Ez a fejezet a dolgozat legfontosabb pontja, hiszen itt ismertetjük az áramerősségen alapuló mérési módszerrel kapott eredményeket, valamint azok kiértékelését.

5.1. Kapcsolás Ebben a pontban tárgyaljuk a mérés során alkalmazott áramkört és eszközöket.

39. ábra: A mérés kapcsolási rajza A vizsgálatok során egymást követően, különböző előtét ellenállások alkalmazásával mértük meg az áram felfutását az idő függvényében, a vasmag ugyanazon pozícióiban. A mérések négy különböző áramszintnél történtek, a vasmag mozgatása teljesen behúzott állapotból a behúzó tekercsből kifelé, 1mm-es távokkal történt. A mérés során a tekercseket párhuzamosan kapcsoltuk. A mérések rugómechanizmus nélkül történtek. A 39. ábra a mérés áramköri rajzát, a 40. ábra pedig az összeállításról készült fényképet mutatja. A felhasznált eszközöket az 5. táblázat foglalja össze.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

36

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése Amint azt a 39. ábra szemlélteti, a kapcsoló (1) zárásával a DC tápegység (2) működteti az időzítőt (3), amely a valóságos kapcsolási folyamatot modellezi, melynek ideje 0,1s. Az időzítő (3) a nagy áramerősségek kapcsolására szolgáló mágneskapcsolót (4) vezérelte. Ezáltal az indító akkumulátor (5) működtette a vizsgált elektromágnest (6) a felhasznált előtét ellenállásokon (R1…Rj) keresztül. A vasmag pozícionálása a lineáris szán (9) segítségével történt, amit a számítógép (10) vezérelt. Az áram felfutását az árammérő szenzorral (7) vizsgáltuk, melyet a mérés adatgyűjtőn (8) keresztül a számítógépen (10) értékeltünk ki. Sorszám Eszköz neve

Leírás

1

Kapcsoló

Rugós, egyállású

2

DC tápegység

Matrix MPS-3005L-3 0-30V

3

Időzítő

CRM-91H AC/DC 0-240V (AC 50-60 Hz)

4

Mágneskapcsoló

VS440-22 24V DC

5

Akkumulátor

12V 545 412 040 400A (EN) 45Ah

6

Elektromágnes

BOSCH adat

7

Árammérő szenzor

Allegro ACS758

8

Mérés adatgyűjtő

Spider 8 1,2kHz/DC

9

Lineáris szán

Bosch Rexroth eLINE Compact-Modul eCKK 110

10

Számítógép

IndraWorks, Catman 4.0 5. táblázat: Alkalmazott eszközök

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

37

40. ábra: Mérés összeállítás


Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

38


5.2. Számítások Amint azt a 41. ábra szemlélteti, a tekercsből kifele irányba 6 mm-re elhelyezkedő vasmag helyzetének köszönhetőn a következőképpen alakult az áram felfutása 0,5 Ω-os előtét ellenállás alkalmazása mellett:

16 14 12 10 8 6 4 2 0

0,88083 0,8825 0,88417 0,88583 0,8875 0,88917 0,89083 0,8925 0,89417 0,89583 0,8975 0,89917 0,90083 0,9025 0,90417 0,90583 0,9075 0,90917 0,91083 0,9125 0,91417 0,91583 0,9175 0,91917 0,92083 0,9225 0,92417 0,92583 0,9275 0,92917 0,93083

Áram (A)

Áram felfutása

Idő Idő (s)

41. ábra: Az áram felfutása A további pozíciókban és áramerősségeknél elvégzett mérések diagramjai megtalálhatók a diplomaterv mellékletében. A mért értékeket a 2.4 fejezetben levezetett (12) egyenletbe behelyettesítve megkapjuk az induktivitást. A számítás elvégzéséhez szükségünk van 41. ábra által szemléltetett görbe alatti területre. Ehhez a [11] irodalomban bemutatott trapéz módszert használtuk fel.

42. ábra: Trapéz formula [11]

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

39

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése Az [a,b] intervallumot n egyenlő részre osztottuk és 2 pontonként interpoláltuk elsőfokú polinommal. Az így kapott függvényt a (14) egyenlet írja le: 𝑏

∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 ≈ 𝑎

ℎ ℎ ℎ ∙ (𝑓0 + 𝑓1 ) + ∙ (𝑓1 + 𝑓2 )+. . . + ∙ (𝑓𝑛−1 + 𝑓𝑛 ). 2 2 2

(14)

A (14) egyenlet egyszerűsítésével a következő alakot kapjuk: 𝑏 𝑓0 𝑓𝑛 ∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 ≈ ℎ ∙ ( + 𝑓1 + 𝑓2 +. . . +𝑓𝑛−1 + ). 2 2 𝑎

(15)

Jelen dolgozatban a (15) összefüggés a következőképpen alkalmazható: 𝑇

𝑖0 𝑖𝑛 ∫ 𝑖𝑑𝑡 ≈ 𝑡 ∙ ( + 𝑖1 + 𝑖2 +. . . +𝑖𝑛−1 + ) = ∑ 𝑖 ∙ 𝑡. 2 2 0

(16)

A (16) egyenletet összevonva a (12) összefüggéssel megkapjuk a számításhoz használatos képletet:

𝐿𝑠 (𝑖, 𝑥) =

Nagy Tibor József

1 ∙ (𝑈0 ∙ 𝑇 − 𝑅𝑒𝑟 ∙ ∑ 𝑖 ∙ 𝑡). 𝑖

Miskolc, 2017

(17)

40


5.3. Korrekció A görbe alatti terület számításánál minden esetben extrapolációval pontosítottunk a függvény értékén. Ezt szemlélteti a 43. ábra, amely a 41. ábra kezdőpontjának felnagyítása.

43. ábra: Extrapoláció A 43. ábra által bemutatott T* időtartam jelentette a mintavételezés időtartamát, amely pontosan 0,05s volt. A T a 0,05s növelve a piros és a fekete vonal között eltelt idővel. Az extrapolációt követőn, ugyan csak kis mértékkel nőtt a teljes időtartam, az eredményt mégis jelentősen befolyásolta. Ennek oka, hogy a T tag a számítás alapjául vett (12) egyenletben két helyen is jelen van, és ez által rendkívül érzékeny az eredményünk az időtartamra. A bemutatott példában az eredeti kezdő időpillanat 0,88167s volt. Az extrapolációt követően ez 0,881388s-ra módosult. Ennek következtében a teljes időtartamunk 0,05s-ról 0,050282sra nőtt. Minden mérési eredmény megtalálható a diplomatervhez csatolt DVD mellékleten.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

41


5.4. Eredmények A diplomaterv kidolgozásával a mérések során kapott adatokból számolt eredmények alapján a 6. táblázat ismerteti a szekáns induktivitás alakulását az áramerősség és a vasmag helyzetének a függvényében.

x [mm]

≈6,25

I [A] ≈8,65 ≈13,75

3 4 5 6 7 8 9 10

33,262 6,016 5,08 4,626 3,539 3,335 3,187 3,272

10,952 5,495 4,329 3,436 3,197 2,738 2,546 2,443

5,961 4,928 3,644 3,111 3,033 2,732 2,463 2,235

≈31,45 3,515 3,319 3,139 2,854 2,591 2,302 1,992 1,774

Ls [mH]

6. táblázat: Eredmények x: a vasmag pozíciója a behúzó tekercsben (x=0 ha a vasmag teljesen behúzott állapotban van) I: áramerősség az előtét ellenállások függvényében Azoktól a mérési eredményektől, amelyek látható deformációt okoztak a szerkezetben, eltekintettünk. A 6. táblázat tartományán az induktivitás legnagyobb értéke 33,262 [mH] a legkisebb pedig 1,774 [mH]. A 2.4 fejezetben tárgyalt vasmagtelítődés tehát valóban jelentkezett. Amint az tapasztaltuk, az áramerősség további növelésével a fluxus már nem növekedett és emiatt a szekáns induktivitás nagy áramerősségeknél kisebb, mint alacsonyabb áramerősségeknél. A mérési eredményeket ábrázolva a 44. ábra által kirajzolt felülettel írható le a szekáns induktivitás a mért tartományon.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

42

44. ábra: Szekáns induktivitás az áramerősség és a hely függvényében


Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

43


Összefoglalás és továbbfejlesztés A Robert Bosch Mechatronikai Intézeti Tanszéktől kapott diplomaterv témám kidolgozása során elvégzett munkának köszönhetően újabb területek megismerésével gazdagodtam. A diplomaterv fő célja volt, hogy a szakdolgozatomban [1] ismertetett induktivitás mérést tovább gondolva áramerősség mérésre alapozva mérjük meg a relé induktivitását, jelen esetben erőmérés nélkül. A diplomaterv témájának köszönhetően érintettem mindhárom - a mechatronika szempontjából jellegzetes - területet. A behúzó tekercs valamint az erőmérő cella tartójának a megtervezése és legyártása jelentette a dolgozatban a gépészeti kihívást. A vasmag pozícionálása a PLC által vezérelt lineáris szánrendszerrel az informatika területét érintette. Villamos oldalról az induktivitás mérés módszerének a kidolgozása jelentette a diplomaterv alapját. Az elvégzett munka és a kapott eredmények alapján kijelenthető, hogy a kidolgozott mérési módszer jó, valamint a PLC-re megírt program is alkalmazható a mérésre. Ugyanakkor a pozícionáló szerkezet nem bizonyult kellően merevnek, ezért a vasmag teljesen behúzott, vagy ahhoz nagyon közeli állapotában ébredő nagy erők miatt deformálódott a berendezés, és ez által az említett pozíciókban nem kaptunk használható eredményt. A kapott szekáns induktivitás alakulását ábrázoló felület az ábrázolt tartományban jó eredményeket mutat, azonban viszonylag nagy lépésekben hajtottuk végre mind a pozícionálást mind pedig az előtét ellenállások változtatását. Ahhoz, hogy a szekáns induktivitást pontosabbon meghatározzuk, egy erőteljesebb, masszívabb pozícionálásra van szükség, amely akár 500N erő hatására sem mutat deformációt. Továbbá célszerű kisebb lépésközökkel mozgatni a vasmagot, és az előtét ellenállásokat is finomabban változtatni. A javasolt fejlesztési lehetőségek megvalósításával, a diplomatervben kidolgozott mérési módszerrel nagyobb tartományban tudjuk majd vizsgálni a szekáns induktivitást és lehetőségünk lesz annak szebb feltérképezésére.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

44


Summary The main subject of my master thesis was to develop a system, which is able to measure inductance.

The main idea was to measure current and to define secant inductance

depending on current and position. We did this using a relay from a starter motor. The secant inductance of the relay depends on the position of the iron core inside the relay and on the current. To be able to move the core I had to learn how to cope with Rexroth IndraMotion, which is a linear motion system. Fot this reason, I had to learn how to use IndraLogic to be able to write PLC programs that will control IndraDrive. Thanks to the many available documents and catalogues I became able to write all the PLC programs that I needed for the positioning of the iron core. I also had to design some kind of housing to hold the relay and the load cell. Fortunately the University of Miskolc produced all the equipment that I designed, so I was able to build my system and to measure the secant inductance. All in all, the new born measuring method depending on the current worked, and I managed to get useable results. The diagram on picture nr. 44 shows the surface of the secant inductance depending on the current value and on the positioning of the iron core. Although the developed system provided good results, however there were also some uncertainties during the measurements. Unfortunately the system was not solid enough, therefore if the iron core was fully inside the relay, at big current values there was so much force, that the equipment distorted. In the future to be able to use this positioning software and measuring method we need a more solid system, and then we will be able to measure secant inductance more accurately.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

45


Irodalomjegyzék [1] Nagy Tibor József: Automatikus mérőberendezés kidolgozása indítómotor relé induktivitásának mérésére – Szakdolgozat – Miskolc, 2015 [2] Nagy Lajos: Személygépjármű indítómotorok fejlesztése - Ph.D. értekezés – Miskolc, 2014 [3] Meyer R., Braun H., Rehage R., Weinmann H.: Alternators and Starter Motors, Robert Bosch GmbH, 2003 [4] Dr. Jakab Endre, Nagy Lajos: Mechatronikai rendszerek előtoló, pozícionáló hajtásának tervezése - Robert Bosch Mechatronikai Tanszék – Miskolc, 2011 [5] Bosch-Rexroth:

CKK

kompakt

modul

katalógus

(angol)

http://www.iacitech.com/Images/ElectroControls/Bosch_Rexroth/PDF/MANUALS /MANUAL_CKK.pdf [6] Hervay Péter és Magyarkúti József: NC gépek ágyazata, vezetékei, golyósorsó http://www.bgk.uni-obuda.hu/ggyt/targyak/seged/mj/2.pdf [7] Schmidt István, Vincze Gyuláné, Veszprémi Károly: Villamos szervo- és robothajtások – Műegyetemi Kiadó – 2000 [8] Bosch-Rexroth: Rexroth IndraDrive és Rexroth IndraDyn katalógus (angol) http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/0b68/0900766b80b68e06.pdf [9] Dr. Ajtonyi István, Dr. Gyuricza István - Programozható irányítóberendezések, hálózatok és rendszerek – Műszaki Könyvkiadó – 2002 [10] Bosch-Rexroth: IndraLogic PLC-rendszer https://www.boschrexroth.com/hu/hu/ [11] Mészáros Józsefné: Numerikus módszerek – Miskolci Egyetem Földtudományi Kar – 2011 http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0033_SCORM_GEMAK6841B/sc o_13_01.htm Linkek utoljára ellenőrizve: 2017. május 9.

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

46


Ábrajegyzék 1. ábra: Állandó mágneses villamos motorral felszerelt DM típusú indítómotor metszete 2. ábra: Az elektromágnes szerkezete [3] 3. ábra: Indítómotor áramköri rajza [3] 4. ábra: Szekáns és differenciális induktivitás értelmezése [2] 5. ábra: A mérés áramköri rajza 6. ábra: Vasmagot tartalmazó egyszerű kapcsolás 7. ábra: Az áram várható felfutása 8. ábra: Golyósorsós szánmozgatás golyósorsó-anya kinematikai párral egylépcsős (a.), illetve kétlépcsős (b.) fogaskerekes hajtással kombinálva [4] 9. ábra: Az i módosítás és a k hajtóviszony magyarázata [4] 10. ábra: eCKK modul robbantott ábrája [5] 11. ábra: Golyósorsó-anya kapcsolat [6] 12. ábra: Állandó mágneses szinkronmotor a) elvi felépítés, b) belső mágneses konstrukció, c) külső héjmágneses konstrukció 13. ábra: MSK 030C motor 14. ábra: A szánt meghajtó motor típusa 15. ábra: Kezelőfelület 16. ábra: Home és End gomb funkciója 17. ábra: Fokozatos mozgás 18. ábra: Gépjármű indító akkumulátor 19. ábra: DC tápegység 20. ábra: Kapcsoló 21. ábra: Időzítő 22. ábra: Mágneskapcsoló 23. ábra: Előtét ellenállások 24. ábra: Árammérő szenzor 25. ábra: Mérés adatgyűjtő 26. ábra: Behúzó mágnes 27. ábra: Erőmérő cella 28. ábra: Erőmérő cella tartója 29. ábra: A vontatmány kialakítása 30. ábra: Menetes fémlemezkék Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

47

Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése 31. ábra: Erőmérő cella tartója hátulnézetből 32. ábra: A behúzó mágnes tartója 33. ábra: Persely 34. ábra: Alumínium rúd 35. ábra: Vasmaghoz csatlakozó vég 36. ábra: Erőmérőhöz kapcsolódó vég 37. ábra: Esztergált csavar 38. ábra: Vasmaghoz kapcsolt rúd 39. ábra: A mérés kapcsolási rajza 40. ábra: Mérés összeállítás 41. ábra: Az áram felfutása 42. ábra: Trapéz formula [11] 43. ábra: Extrapoláció 44. ábra: Szekáns induktivitás az áramerősség és a hely függvényében

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

48


Táblázatok jegyzéke 1. táblázat: A méréshez felhasznált eszközök [2] 2. táblázat: Fizikai méretek [5] 3. táblázat: NC szán főbb paraméterei [5] 4. táblázat: eCKK modul főbb alkatrészei [5] 5. táblázat: Alkalmazott eszközök 6. táblázat: Eredmények

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

49


Mellékletek jegyzéke 1. melléklet: Behúzó mágnes tartója 2. melléklet: Behúzó mágnes persely 3. melléklet: Menetes lemez 4. melléklet: Alsó lemez 5. melléklet: Erőmérő cella tartója 6. melléklet: Alumínium rúd 7. melléklet: Mérési eredmények 3mm-nél 8. melléklet: Mérési eredmények 4mm-nél 9. melléklet: Mérési eredmények 5mm-nél 10. melléklet: Mérési eredmények 6mm-nél 11. melléklet: Mérési eredmények 7mm-nél 12. melléklet: Mérési eredmények 8mm-nél 13. melléklet: Mérési eredmények 9mm-nél 14. melléklet: Mérési eredmények 10mm-nél

Nagy Tibor József

Miskolc, 2017

50

Szerszámgépészeti és Mechatronikai Intézet DIPLOMATERV. Behúzó tekercs induktivitását meghatározó mérőberendezés fejlesztése

Recommend Documents