2.2.4.3 Senzor na principu magnetostrikcije
Magnetostrikcija je pojav, pri katerem pride do deformacije materiala, ko je ta izpostavljen magnetnemu polju. Možen je tudi obraten pojav, torej pri deformaciji materiala pride do spremembe njegove magnetnosti. Spremembo magnetnosti torzijske gredi iz takega materiala lahko merimo s pomočjo Hallove sonde, kot je to prikazano na sliki 2.9. Tako lahko posredno določimo tudi moment, ki se prenaša preko gredi. Najpogostejši materiali, ki so podvrženi temu efektu večinoma bazirajo na niklju [3].
Teoretične osnove in pregled literature
11 Slika 2.9: Merjenje momenta s pomočjo magnetostrikcije [3]
2.2.5 Merjenje vrtilnega momenta preko reakcijske sile
Merjenje momenta s pomočjo elementa, ki je umeščen kot vmesni člen za prenos obremenitve, ima tudi svoje pomanjkljivosti. Dodaten člen tako pogosto zmanjša togost celotnega sistema in poveča vztrajnost, lahko pride do zmanjšanja odzivnosti sistema, ali sprememb momenta. Takšno merjenje je težavno tudi z vidika prenašanja signala, saj moramo v primeru rotirajoče gredi uporabiti drsne obročke ali eno od zgoraj opisanih tehnik brezžičnega prenosa signala.
Če konstrukcija to dopušča, se zgoraj opisanim problemom lahko elegantno izognemo z merjenjem reakcijske sile na podpori ali ohišju, ki je neposredno povezana preko momenta, ki se prenaša v sistemu. Shematska in praktična izvedba takšnega načina mejenja sta prikazani na slikah 2.10 in 2.11. Silo merimo na določeni razdalji 𝐿 od osi vrtenja in predstavlja našo ročico. Vrtilni moment lahko enostavno izračunamo iz produkta reakcijske sile in dolžine ročice:
𝑇 = 𝐹𝑅 ∙ 𝐿 (2.6)
Teoretične osnove in pregled literature
12
Slika 2.10: Shema merjenja reakcijske sile [3]
Alternativno možnost predstavlja montaža merilnih lističev na obremenjena mesta podpore, preračun pri takšni izvedbi je kompleksnejši, je pa primerna za večje, bolj obremenjene sisteme.
Slika 2.11: Merjenje reakcijske sile v praksi [5]
Glavna pomanjkljivost merjenja momenta preko reakcijske sile je slabša natančnost meritve, zaradi neupoštevanja izgub v ležajih in odstopanja pri pospeševanju gredi, zaradi vztrajnosti.
Tak način merjenja ni primeren za zelo dinamične sisteme, predvsem zaradi velikega vpliva vztrajnosti rotirajočih mas na izmerjene vrednosti. Vztrajnost v tem primeru deluje kot mehanski nizko prepustni filter, v določenih aplikacijah pa je ta lastnost lahko celo zaželena [3].
Teoretične osnove in pregled literature
13
2.2.6 Določanje vrtilnega momenta z merjenjem toka na elektromotorju
Vrtilni moment se v elektromotorju generira preko elektromagnetne interakcije med magnetnima poljema rotorja in statorja. Preko električnega toka, ki generira magnetno polje, lahko ocenimo moment na izhodu motorja. Metoda ni izredno natančna, saj je moment na izhodu motorja običajno manjši, zaradi trenja v ležajih in vztrajnosti rotorja. Pri DC motorjih je merjenje toka relativno enostavno, možnih je več metod, od padca napetosti na znanem uporu, do merjenja magnetnega polja preko Hallovega efekta. Pri AC motorjih pa moramo upoštevati kombinacijo tokov več faz. Metoda merjenja momenta preko toka na motorju je cenovno ugodna in primerna v aplikacijah, kjer ni zahtevana velika natančnost meritve. S kompleksnejšimi računskimi modeli, ki upoštevajo še druge dejavnike pa lahko dosežemo večjo stopnjo točnosti in tak način merjenja uporabimo za krmiljenje enostavnejših sistemov [3].
2.3 Vpliv temperature na meritev vrtilnega momenta
Različne izvedbe senzorjev momenta so različno občutljive na zunanje moteče dejavnike.
Eden najvplivnejših dejavnikov je zagotovo sprememba temperature, ta lahko neposredno vpliva na zaznavalo, kot na primer pri uporabi merilnih lističev. Merilnim lističem se upornost spreminja tudi ob spremembi temperature in ne le ob deformaciji, vpliv temperature tako kompenziramo s primerno vezavo lističev. Vpliv temperaturnih sprememb pa je lahko tudi posreden. Ker senzorji momenta med delovanjem običajno zaznavajo izredno majhne deformacije in pomike, imajo lahko že najmanjši temperaturni raztezki velik vpliv na meritev in povečevanje merilne negotovosti. Pri razvoju senzorja je potrebno dokazati, da temperaturne spremembe nimajo večjih vplivov na osnovno funkcijo senzorja.
2.4 Izbrani koncept senzorja
V podjetju so se za senzor vrtilnega momenta električnega kolesa odločili za sodelovanje z zunanjo razvojno institucijo. Njihov princip meritve momenta deluje nekoliko drugače od prej opisanih konceptov. V osnovi gre še vedno za senzor, vključen v pogonski sklop z merjenjem zasuka deformabilne gredi. Senzor izkorišča magnetne pojave, a ima nekoliko drugačno zasnovo od zdaj znanih konceptov. Prvotno je bil zasnovan kot senzor momenta v volanskem sklopu avtomobila, za nadomeščanje hidravličnega servo pogona z brezkrtačnim DC motorjem. Z našega vidika je senzor primeren tudi za pogon kolesa, zaradi zelo podobnih obratovalnih pogojev, torej nizke vrtilne hitrosti in zmernih obremenitev, z zahtevano veliko občutljivostjo že pri manjših momentih.
Teoretične osnove in pregled literature
14
2.4.1 Hallov pojav
Osnovno zaznavalo senzorja predstavlja Hallova sonda za merjenje magnetnega polja in omogoča brezkontaktno merjenje momenta na vrteči gredi.
Pojav je leta 1879 odkril E. H. Hall. Sprva je bila uporaba pojava omejena na majhno število aplikacij in vezana predvsem na preučevanje električne prevodnosti kovin in polprevodnikov, danes pa se Hallove sonde uporabljajo predvsem na področju zaznavanja magnetnih polj, pozicije, premikov in zasukov.
Efekt temelji na interakciji med gibajočimi se nosilci naboja, v kovinah so to elektroni, in zunanjim magnetnim poljem. Med gibanjem elektrona skozi magnetno polje nanj iz strani deluje sila:
𝑭 = 𝑞 ∙ 𝜈 ∙ 𝑩 (2.7)
pri tem je 𝑞 = 1.6 ∙ 10−19𝐶 naboj elektrona, 𝜈 hitrost elektrona in 𝑩 magnetno polje. Sila in magnetno polje sta v enačbi vektorski veličini, velikost in smer sile je tako odvisna od prostorske relacije z magnetnim poljem. Hallovo sondo si najbolj enostavno predstavljamo kot prevodno ploščo, prikazano na sliki 2.12. Na straneh sta pritrjena kontakta, na katera je povezan voltmeter, na zgornji in spodnji strani pa je pritrjen vir napajanja. Če je plošča postavljena v magnetno polje, začne sila potiskati elektrone v stran, na stranskih kontaktih se pojavi napetost 𝑣𝐻, ki jo lahko merimo, odvisna je od velikosti in smeri magnetnega polja [6].
Slika 2.12: Shematski prikaz delovanja Hallove sonde [6]
Teoretične osnove in pregled literature
15
2.4.2 Delovanje senzorja
Mehanski del generira magnetno polje, ki ga meri Hallova sonda. Senzor, ki je shematsko prikazan na sliki 2.13, je v principu sestavljen iz treh osnovnih komponent:
- Rotor, ki je fiksiran na enem delu torzijske gredi in je sestavljen iz permanentnih magnetov, pritrjenih na feromagnetno sredico. V serijski proizvodnji bi to lahko bil le en magnet namagneten tako, da bi imel pasove različne polaritete.
- Stator je pritrjen na drugi del torzijske gredi in je sestavljen iz dveh delov. Narejen je iz dveh obročev iz mehkega feromagnetnega materiala, iz njiju pa štrlijo lamele, ki se medsebojno ujemajo. Te lamele se v sestavu senzorja nahajajo nad magnetnim statorjem in imajo vlogo preusmerjanja magnetnega polja.
- Hallova sonda je fiksirana na ohišju in se ne vrti skupaj z mehanskim delom, nahaja pa se med obema obročema statorja [7].
Slika 2.13: Osnovna sestava izbranega senzorja momenta [7]
Osnova za delovanje senzorja je medsebojno odštevanje in izničenje magnetnega polja v nevtralni legi. Tako ima vsak par magnetnih polov na rotorju po eno lamelo na vsakem obroču statorja. Magnetno polje, ki ga prepušča stator, je odvisno od relativnega zasuka rotorja proti statorju. Na ta način dobimo zelo enostavno relacijo med zasukom torzijske gredi in signalom na Hallovem senzorju, za merjenje momenta tako ni potrebno meriti faznih zamikov z uporabo kompleksnejših preračunov, ampak izmerjeni signal le množimo z določenim faktorjem [7].
Za boljše razumevanje je na sliki 2.14 shematsko prikazan senzor v obeh skrajnih legah in vmesni legi. Na levi strani je senzor v nevtralni legi, lamele so postavljene tako, da se nahajajo med poli na rotorju, magnetno polje se tako izniči, sonda polja skoraj ne zaznava.
Teoretične osnove in pregled literature
16
Na desni je prikazana druga skrajna lega, lamele so izmenično poravnane s poli rotorja, teoretično se takrat en pol prevaja na eno stran statorja, drugi pa na drugo stran. Med obroči statorja takrat dobimo zelo močno magnetno polje, ki ga zaznava sonda.
Na sredini je prikazano vmesno stanje, v podobni legi je senzor med delovanjem. Lahko si predstavljamo, da z medsebojnim vrtenjem rotorja proti statorju dobimo sinusni signal z minimumom in maksimumom v obeh skrajnih legah. V prehodnem območju imamo tako največjo občutljivost senzorja, prav tako pa lahko tam sinusni signal precej dobro aproksimiramo z linearno funkcijo, to je tudi delovno območje našega senzorja.
Slika 2.14: Relativni zasuki rotorja proti statorju
Za primer senzorja z osmimi pari magnetnih polov lahko merimo zasuk v območju 11,25º, signal pa lahko obravnavamo kot linearen le na območju nekaj stopinj. Izhodni signal takšnega senzorja je prikazan na sliki 2.15. Število magnetnih polov in merilno območje tako izberemo glede na zahteve za senzor in predvidene kotne zasuke torzijske gredi.
Teoretične osnove in pregled literature
17 Slika 2.15: Spreminjanje izhodnega signala z zasukom rotorja proti statorju
Teoretične osnove in pregled literature
18
19
3 Metodologija raziskave
Poglavje obravnava proces razvoja preizkuševališča senzorja vrtilnega momenta, od podrobnejše opredelitve zahtev in funkcij, skozi različne metode validacije, do končne zasnove. Predstavljeni bodo različni koncepti preizkuševališča, izbira najprimernejšega izmed njih in izbira komponent. Izdelan bo natančen 3D model izbranega koncepta. Na koncu bo predstavljena še izdelava samega preizkuševališča, skupaj s testnimi meritvami.
3.1 Prvi prototipi senzorja vrtilnega momenta za električna kolesa
Na podlagi patenta izbranega razvojnega podjetja so bili izdelani prvi prototipi senzorja.
Zasnova je nekoliko prilagojena vgradnji v pogonski sklop kolesa, princip delovanja pa je popolnoma enak, kot opisan v prejšnjem poglavju. Zgradbo senzorja lahko vidimo na sliki 3.1.
Slika 3.1: Sestav prototipa senzorja [8]
Metodologija raziskave
20
Na sliki 3.2 so jasno vidni trije osnovni deli prototipa senzorja. Na levi je sestavljen stator, ki se preko zobcev na zgornji strani, in s pomočjo objemke pritrdi na en del torzijske gredi.
Na desni je rotor z magnetno sredico, ki se prav tako pritrdi s pomočjo objemke. V sredini zgoraj je še elektronski del, ki pride fiksno nameščen na zunanjem ohišju pogona. Na sliki 3.3 pa lahko vidimo še umestitev senzorja na pogonski gredi kolesa.
Slika 3.2: Osnovne komponente senzorja [8]
Slika 3.3: Umestitev senzorja na pogonsko gred [8]
Metodologija raziskave
21
3.2 Zahteve za preizkuševališče
Pred začetkom konstruiranja, je zelo pomembno natančno poznati funkcijo izdelka in natančno opredeliti zahteve.
- Preizkušanec je senzor vrtilnega momenta električnega kolesa, sestavljen iz mehanskega dela in elektronike, ki z mehanskim delom ni fizično povezana.
- Potrebna je generacija momenta na vrteči gredi, v rangu med 0 in 200 Nm, z možnostjo nastavljanja na 0,5 Nm natančno.
- Hitrosti vrtenja gredi so med 0 in 200 vrtljaji na minuto, z natančnostjo nastavljanja 1 obrat na minuto.
- Naprava mora omogočiti preskušanje občutljivosti preizkušancev na temperaturo med -10 ºC in 60 ºC.
- Menjava preizkušancev mora biti enostavna.
- Naprava mora omogočati preskušanje različnih izvedb senzorja, menjava delov za vpenjanje različnih senzorjev mora biti relativno enostavna.
- Elektronika senzorja mora biti natančno in pravilno pozicionirana.
- Naprava mora biti dovolj kompaktna in nameščena v preskusnem laboratoriju podjetja.
- Ležajna mesta in samo uležajenje mora biti dovolj natančno, da se zagotovi krožni tek v toleranci 0,05 mm.
- Zajemni sistem omogoča zajemanje signalov: referenčnega senzorja momenta, vrtilne hitrosti gredi, preizkušanca (analogni signal), vrtilne hitrosti s senzorji na preizkušancu (digitalni signal) in temperature.
3.3 Opredelitev tehničnega procesa preizkuševališča
Funkcija preizkuševališča je dokaj jasna in enostavna, to je generacija zahtevanega vrtilnega momenta in vrtilne hitrosti, z merjenjem teh vrednosti. Pri zagotavljanju funkcije smo omejeni z elementi, opredeljenimi v tehničnem procesu preizkuševališča. Obenem je cilj preizkuševališča prav preskušanje funkcije senzorja, ta je dovolj točno in zanesljivo merjenje momenta na vrteči gredi.
Tehnični proces je sestavljen iz posameznih funkcij, z njihovim seštevkom poskušamo kar se da dobro izpolniti vse podane zahteve. Natančna opredelitev funkcij nam zagotavlja dobro podlago za iskanje možnih rešitev in ocenjevanje primernosti različnih konceptov. Naše preizkuševališče lahko opredelimo s sledečimi funkcijami:
- pogon, zagotavlja vrtilno hitrost in moment, je vir moči;
- zavora, reguliramo moment, ki se pojavi na gredi med pogonom in zavoro;
- regulacija temperature, omogočeno je nastavljanje temperature okolice preizkušanca;
- ogrodje, je dovolj togo in prenaša sile, ki se pojavljajo zaradi generiranega momenta;
- vpenjane preizkušanca, omogočeno je enostavno vpenjanje in izpenjanje preizkušancev;
- uležajenje omogoča krožni tek gredi znotraj tolerance;
- merjenje momenta na gredi, potrebna je referenca, s katero primerjamo rezultate, ki jih da preizkušanec;
Metodologija raziskave
22
- preprečevanje preobremenitve je pomembno zaradi zagotavljanja varnosti in za varovanje komponent preizkuševališča;
- pozicioniranje elektronike senzorja.
3.4 Morfološka matrika in različni koncepti rešitve
Z opredelitvijo tehničnega procesa, lahko sestavimo nabor delnih funkcij, ki jih moramo izpolniti za zagotavljanje osnovne funkcije. Iskanje različnih konceptov lahko izvedemo s pomočjo morfološke matrike. Ta ima v prvem stolpcu navedene vse zahtevane delne funkcije, v ostalih pa različne rešitve za vsako delno funkcijo posebej. Različne rešitve celotnega tehničnega sistema dobimo s kombiniranjem različnih delnih rešitev, pri tem moramo biti pozorni, da kombiniramo smiselne rešitve, saj se te lahko med seboj izključujejo [9]. V našem primeru, recimo, izpolnjevanje funkcije vpenjanja preizkušanca z namenskim aksialno pomičnim uležajenjem, izključuje uporabo pred izdelanih ohišji z ležaji.
Morfološka matrika našega preizkuševališča je prikazana v preglednici 3.1.
Metodologija raziskave
reduktor servo motor +
reduktor servo motor hidravlika
B zavora mehanska
disk servo motor +
reduktor servo motor elektro
zavora hidravlika AC motor + D ogrodje samostoječe namizno
preizkuševališče montaža na
mizica (ročno) fiksno vpetje
V naši morfološki matriki so delne funkcije označene s črkami, rešitve pa s številkami, na ta način lahko enostavno zapišemo kombinacije različnih rešitev. Dobimo različne koncepte tehničnega sistema. V našem primeru smo izpeljali šest različnih konceptov.
Metodologija raziskave
Za boljšo predstavo bodo v nadaljevanju koncepti predstavljeni tudi s skicami, posamezne rešitve iz morfološke matrike bodo označene simbolično. Na sliki 3.4 lahko vidimo seznam simbolov rešitev.
Slika 3.4: Seznam simbolov za različne rešitve
3.4.1 Koncept K1
Prvi koncept, prikazan na sliki 3.5, je zamišljen kot najenostavnejši, večinoma je narejen z že obstoječimi komponentami, po prvi grobi oceni bi lahko bil tudi cenovno najbolj ugoden.
Preizkuševališče deluje na podobnem principu kot naše testno preizkuševališče na stružnici.
To bi bila namizna izvedba, vse komponente bi bile privijačene na aluminijasto ploščo.
Za pogon bi lahko uporabili že izdelano gonilo z vgrajenim AC motorjem, z dodatno vezavo in krmilnikom bi z njim lahko regulirali tudi vrtljaje gredi. Moment bi se reguliralo preko disk zavore, referenčni merilnik momenta pa bi predstavljal kar silomer na ročici pritrjeni na zavorno čeljust. Takšen način merjenja momenta je razmeroma enostaven in cenovno ugoden, lahko bi uporabili kar sklop, ki smo ga uporabljali na obstoječem improviziranem preizkuševališču. Kljub enostavni izvedbi, ima disk zavora svoje slabosti, med prvimi preskusi se je izkazalo, da je z njo nemogoče zagotavljati konstanten vrtilni moment, saj
Metodologija raziskave
25 prihaja do neenakomernega prijemanja zavorne čeljusti. Moment je pri uporabi disk zavore nihal tudi v razponu 20 Nm, kar za zahtevnejše preizkuse ne pride v poštev.
Predvsem zaradi možnosti blokade zavornih čeljusti je v tem primeru nujna uporaba mehanske varnostne sklopke. Uležajenje je predvideno kar se da enostavno, menjavo preizkušanca omogoča dvodelno ohišje za ležaje. Z razstavljanjem ohišja bi tako lahko sneli celotno gred in zamenjali preizkušanec, menjava bi bila relativno zahtevna, ne bi pa bila potrebna izdelava zahtevnejših elementov. Pri takšni vgradnji ležajev je lahko problematično zagotavljanje primerne natančnosti teka.
Preskušanje pri povišanih temperaturah je predvideno z uporabo zunanjega vira toplote npr.
grelca na vroč znak, v tem primeru bi bila regulacija temperature dokaj problematična, prav tako ne bi mogli dosegati nizkih temperatur.
Elektronika bi bila pritrjena na fiksnem nosilcu, manjše pomike bi lahko dosegli z ovalnimi izvrtinami za vijake in jo tako pravilno pozicionirali.
Slika 3.5: Koncept K1
3.4.2 Koncept K2
Drugi koncept, prikazan na sliki 3.6, je zasnovan za uporabo v sklopu z obstoječo temperaturno komoro, ki se nahaja v testnem laboratoriju podjetja. S komoro bi se zagotavljalo zelo natančno regulacijo temperature, komora pa omogoča tudi preskušanje pri temperaturah pod ničlo. Ogrodje preizkuševališča bi bilo prilagojeno montaži na komoro.
Tako pogonski, kot zavorni sklop, bi bila zelo podobna, moment bi se generiral med dvema reduktorjema, ki bi jih poganjali s servomotorji. Uporaba servomotorjev omogoča zelo enostavno kontrolo vrtilne hitrosti. Moment na gredi bi spreminjali z relativnim zaostajanjem enega motorja proti drugemu, potrebna bi bila natančna sinhronizacija in
Metodologija raziskave
26
krmiljenje motorjev. Takšen pogon bi lahko izvedli z neposredno vgradnjo servomotorjev, vendar lahko z uporabo primernega reduktorja precej znižamo zahtevano moč servomotorjev in posledično tudi ceno.
Moment bi lahko natančno spremljali s pomočjo referenčnega senzorja, ki bi bil v povratni zanki vezan na krmilnik motorjev, kar bi omogočalo natančno reguliranje momenta na gredi.
Varovanje pred preobremenitvijo bi bilo lahko izvedeno programsko, vendar smo se v tem primeru za povečanje varnosti odločili še za mehansko varnostno sklopko.
Menjava preizkušanca mora biti dovolj enostavna, predvsem zaradi montaže znotraj komore rešitve z razstavljanjem uležajenja ne pridejo v poštev. Izbrana delna rešitev omogoča enostavno menjavo preizkušanca z aksialnim odmikom gredi in natikanjem preizkušanca.
Potrebna je izdelava namenskega uležajenja in kompleksnejših grednih vezi.
Elektroniko bi pozicionirali z ročno xyz pozicionirno mizico.
Slika 3.6: Koncept K2
3.4.3 Koncept K3
Ta koncept predvideva izgradnjo samostojne naprave, poleg celotnega preizkuševališča bi tako morali izdelati še temperaturno komoro. Prikazan je na sliki 3.7. Glavna prednost bi bila v tem, da bi komoro lahko prilagodili dimenzijam preizkušanca in ne bi bilo potrebno prilagajati celotne zasnove sami komori.
Metodologija raziskave
27 Pogon bi bil izveden na zelo podoben način kot pri konceptu K2, le da bi se tu izognili uporabi reduktorjev. Na ta način bi dobili bolj odziven sistem, z manjšo histerezo in izgubami zaradi trenja v gonilu, bi pa morali uporabiti občutno močnejše servomotorje, kar bi izdatno podražilo celotno napravo.
Dodatno varnost bi prav tako zagotovili z uporabo varnostne sklopke. Vrtilni moment pa bi spremljali preko referenčnega senzorja momenta.
Montaža senzorja v majhni komori bi bila najenostavnejša s predhodnim vpenjanjem senzorja v vpenjalo, ki bi se ga nato lahko zelo enostavno vstavilo v fiksno uležajenje.
Montaža bi bila izredno enostavna, vprašljivo pa bi bilo zagotavljanje zahtevane tolerance opletanja.
Pozicijo elektronike bi spreminjali avtomatsko, z uporabo koračnih motorjev z vreteni, to bi omogočalo pomike elektronike brez poseganja v komoro in posledično brez sprememb temperature.
Slika 3.7: Koncept K3
3.4.4 Koncept K4
Ta koncept je zelo podoben konceptu K2, ponovno se predvideva montaža na obstoječo temperaturno komoro. Ponovno je uporabljeno uležajenje, ki omogoča montažo z aksialnim pomikom gredi, moment se meri z referenčnim senzorjem, shematski prikaz je predstavljen na sliki 3.8.
Glavna razlika je v pogonu, za regulacijo momenta se uporablja zelo natančna elektro zavora. Za poganjanje ne potrebujemo servomotorja, dovolj je običajen AC motor z vgrajenim reduktorjem, potrebna je le regulacija vrtljajev. Zaradi velike zanesljivosti elektro