Automatikai építőelemek 10. Magnetoelasztikus átalakítók A mágneses állapot megváltoztatása (ez lehet a le-, fel-, és átmágnesezés is) mindig energiát igényel, tehát veszteséges folyamat. Energia befektetetés részben a doménfalak mozgatásához és a mágneses momentumok elfordításához szükséges, hiszen ezen elemi események révén változhat meg a mágneses állapot. Emellett a mágnesezés során további veszteséges folyamat is fellép. Ez abban nyilvánul meg, hogy a mágnesezést mindig egy kisebb-nagyobb mértékű rugalmas alakváltozási folyamat is kíséri. Tehát egy mágnesezési folyamat során a befektetett energia egy része a mágneses állapot megváltoztatására, más része egy rugalmas alakváltozás keltésére fordítódik. A mágneses doménszerkezet lényege, hogy számos, elemi spinmágnesekkel rendelkező anyag (pl. a ferromágneses, ferrimágneses, paramágneses anyag) föloszlik kisebb cellákra, melyeket mágneses doméneknek (tartományoknak) nevezünk. Egy mágnes mágneses momentuma az az erő, amellyel hatást gyakorol az áramra. Mind a mágneses momentum, mind a mágneses mező vektornak tekinthető, amelynek van nagysága és iránya. Egy mágnes mágneses momentuma a mágnes déli sarkától az északi sarka felé mutat. E témakörben mindig két hatásról/effektusról van szó (ezek egymás inverz jelenségei)

Automatikai építőelemek 10. Magnetoelasztikus átalakítók MAGNETOSTRIKCIÓ: Mágneses térben a H-tól függő mértékben a mágnesezett anyag térfogata rugalmasan megváltozik (úgy tárol energiát mint egy közönséges rugó, emiatt zúgnak pl. a transzformátorok, de ennek alapján működnek a mágneses mechanikai rezgéskeltők, ultrahangos tisztítók, keverők stb.). Mivel a térfogatváltozás mérése nehézkes, emiatt az esetek döntő többségében az alakváltozást egy kitüntetett irányban (ez többnyire a mágnesezési irány) vizsgálják és rugalmas nyúlásként kezelik. Ebben az értelemben a leggyakrabban un. lineáris magnetostrikcióról van szó. A mágneses tér hatására előfordulhat nyúlás, vagy méretcsökkenés (sőt néha az alakváltozás iránya előjelet válthat) is. Ennek alapján megkülönböztetünk pozitív- és negatív magnetostrikciójú anyagokat. MAGNETOELASZTICITÁS: A magnetoelasztikus hatás lényege, hogy valamilyen külső mechanikai hatásra megváltozik a permeabilitás értéke, amely irányfüggő, tehát anizotrop, vagyis különböző értékeket mutat húzásra, illetve nyomásra. A jelenséget magnetoelaszticitásnak nevezzük. Az olyan átalakítókat tehát, amelyek induktivitásának változása a permeabilitás változásán alapul, magnetoelasztikus átalakítóknak nevezzük. Magnetoelasztikus átalakító blokkvázlata

Automatikai építőelemek 10. Magnetoelasztikus átalakítók Magnetoelasztikus átalakítók típusai A magnetoelasztikus átalakítókat két nagy csoportra osztjuk: - tekercses átalakító: Itt a vasmag permeabilitásának változása a tekercs teljes „Z” impedanciájának megváltozásához vezet. A táplálás kis erőváltozások esetén általában 50 Hz, de ha az erőhatások frekvenciája nő, akkor a tápfeszültség frekvenciáját is növelik max. 10 kHz-ig. Maga a vasmag nem tömör, hanem lemezekből kialakított, gondosan egymástól elszigetelten összeragasztott kivitelű. A kezdeti kimenő feszültsége nem egyenlő nullával, ezért differenciálkapcsolásban szokás alkalmazni. Magnetoelasztikus átalakítók típusai transzformátoros átalakító: Az „e” olyan tekercselrendezést alakítanak ki, ahol izotrop anyagban (olyan anyag, ahol a permeabilitás minden irányban azonos) nem jön létre csatolás az egymásra merőleges primer és szekunder tekercsekben. Terhelés hatására azonban az indukcióvonalak eltorzulnak, emiatt erő és irányfüggő csatolás lép fel, így ennek megfelelően alakul az Uki értéke is.

Automatikai építőelemek 10. Magnetoelasztikus átalakítók Néhány erőmérő cella összefoglalása

Automatikai építőelemek 10. Magnetoelasztikus átalakítók A magnetoelasztikus jelátalakítók hátrányai közé sorolandók: hőmérsékletfüggés nemlinearitás hiszterézishiba nagyobb tápfeszültség változás hibát okoz maximális pontosság nem jobb 5%-nál a végkitérésre vonatkoztatva. nehéz a gyártásuk drágák Előnyei: kis méret: nagy erő (tízezer N nagyságrend) üzembiztos túlterhelésre nem érzékeny

Automatikai építőelemek 10. Indukciós és reluktáns átalakítók Az indukciós és reluktáns átalakítók olyan átalakítók, amelyek sebességet, illetve szögsebességet alakítanak át feszültséggé. Működésük alapját az indukciótörvény képezi. Blokkvázlat Mivel az indukciós és reluktáns átalakítók esetében a gerjesztés állandó, írható Θ – a mágneses gerjesztés, Λ –a mágneses kör vezetőképessége Az egyesített indukciótörvény szerint az indukált feszültség két részből áll. Az egyik összetevőt az időben változó mágnestérbe helyezett mozdulatlan tekercsben indukált feszültség, a másik összetevőt pedig egy állandó „B” indukciójú mágneses térben „v” sebességgel mozgó „l” hosszúságú vezetőben indukált feszültség jelenti.

Automatikai építőelemek 10. Indukciós és reluktáns átalakítók Indukciós átalakítók Ha a mágnestér homogén, időben változatlan, de a tekercs mozog, akkor indukciós átalakítóról beszélünk. Legyen az indukció állandó nagyságú, irányú és merőleges a sebességre, akkor az indukált feszültség: Az ábra jelölései: „B” légrésindukció, „n”: tekercs menetszáma, „D”: tekercsátmérő, „x”: elmozdulás, „Ui”: indukált feszültség. Kimenő feszültség számítás a következő. Tételezzük fel, hogy a teljes huzalhossz: . Elektrodinamikus átalakító

Automatikai építőelemek 10. Indukciós és reluktáns átalakítók Indukciós átalakító lineáris sebesség mérésére Jelmagyarázata a következő: „B”: légrés-indukció, „v”: a tekercs mozgási sebessége, „n” a tekercs menetszáma, „b”: a vasmag szélessége, „Ui” – az indukált feszültség, „D” a tekercs átmérő. A kimeneti feszültség számításakor itt is feltételezzük a légrés „B” indukciójának homogenitását. Lineáris sebesség érzékelő Az indukciós átalakítók előnye a lineáris működés, a kis energiaigény, üzembiztos működés, hátrányai, hogy nem terhelhető árammal (visszahatás), mivel a tekercs mozog, ezért csúszó-érintkezőket kell alkalmazni, pontos kivitelre van szükség az igen kis légrések miatt és a statikus karakterisztikája csak terheletlen állapotban tekinthető lineárisnak.

Automatikai építőelemek 10. Indukciós és reluktáns átalakítók Reluktáns átalakítók Ennél a megoldásnál a tekercs mozdulatlan, és a mágneses kör jellemzői változnak időben. Θ – a mágneses gerjesztés, Λ –a mágneses kör vezetőképessége Itt az álló tekercs mágnes-körének mágneses vezetőképessége változik időben. Működésük alapja tehát az, hogy a vezetőképesség időbeni megváltozása a fluxus időbeni megváltozását, így a feszültség változását eredményezi a nyugvó tekercsben. Az átalakítónak ez a tulajdonsága teszi alkalmassá a sebesség és a szögsebesség feszültséggé történő átalakítására. A reluktáns átalakítónál is a geometriai tényező változását - légrés és felület - használjuk ki mérésre, mégpedig két tipikus mérésre. 1. Lineáris sebesség átalakító 2. Szögsebesség átalakító

Automatikai építőelemek 10. Indukciós és reluktáns átalakítók Lineáris sebesség átalakító . Lineáris sebesség átalakító Az átalakító elvi vázlata az ábrán látható, ahol a mozgó vasmag az állórész pólusai előtt elhaladva változtatja a szemben lévő felületeket, és a légrést váltakozva kitöltve változtatja a fluxuselosztást. A két tekercset szembekapcsoljuk, ezért megnő az érzékenység.

Automatikai építőelemek 10. Indukciós és reluktáns átalakítók Szögsebesség átalakító A forgórész egy villa alakú tömör szerkezet, amely forgás közben változtatja a mágneses ellenállást azáltal, hogy a légrést változó módon tölti ki. A feszültség a forgórész szögsebességgel arányos. Lényeges megjegyezni, hogy a mozgórészek mozgatásához, amennyiben az álló tekercsben áram folyik, erőre vagy nyomatékra van szükség. Előnye, hogy nem tartalmaz mozgó tekercset, így a kivezetésekkel járó nehézségek elkerülhetők hátránya viszont, hogy nehezen biztosítható a linearitás. Szögsebesség átalakító

Automatikai építőelemek 10. Hall elemes átalakító A Hall - elemek - vagy más néven hallotronok - Edwin Her-bert Hall amerikai fizikus által 1879-ben felfedezett és a róla el-nevezett effektuson alapulnak. A Hall - effektus abban áll, hogy egy hasáb alakú vezető, illetve félvezetőn folyó „I” áramra merőleges „B” indukcióvonallal jelölt mágnestér hatására a hasáb oldalélei között egy ún. Hall - feszültség ébred. Ez azzal magyarázható, hogy az „I” áramot belső hosszirányú elektronmozgást („n” típusú vezetés), illetve a lyukak hosszirányú mozgását („p” típusú vezetés) a „B” mágneses indukció befolyásolja. Ez az erő az elektronokat és lyukakat keresztirányban mozdítja el, ami polarizációt okoz. A lemezek a vezetés „p”, vagy „n” típusa, az dönti el, hogy a Hall effektus milyen polaritású. A mágnes tér ilyen módon villamos teret hoz létre, az ún. Hall teret, amelynek növekedése mindaddig folytatódik, amíg a Lorentz erő és az „FH” Hall - erő ki nem egyenlítődik. Piezoátalakítók helyettesítő képe

Automatikai építőelemek 10. Hall elemes átalakító Nem villamos mennyiségek mérésénél elsősorban elmozdulás, szögelfordulás mérésnél használjuk, illetve az erre visszavezethető mennyiségek (erő, nyomás stb.) mérésére. Amennyiben a Hall elem félvezető lemeze a „B” mágneses indukcióvonalakkal párhuzamos, akkor Hall feszültség nem keletkezik (UH = 0), de amint a lemez „α” szöggel elfordul, akkor a keletkezett feszültség: Példa az alkalmazásra „κ” - a töltéshordozók mozgékonysága (m2/V.s) „h” - a lemez vastagsága „κ . ρ” szorzatot Hall állandónak nevezzük. RH „A” = állandó, amely fémeknél A = 1 és félvezetőknél A = 2/8; „n” és „p” a térfogategységben lévő szabad elektronok és lyukak száma; „κp” és „κn” ezeknek a mozgékonysága „e” az elemi töltéshordozók töltése.

Automatikai építőelemek 10. Hall elemes átalakító Alkalmazások 1. Mágneses fluxussűrűség (B) mérése. Állandó vezérlőáram esetén „UH” a „B” mágneses fluxussűrűséggel arányos. A kis Hall-generátorok (kb.2×1 mm2) térszondaként használhatók és inhomogén mágneses terek mérését teszik lehetővé. Közvetve, a mágneses téren keresztül, pl. nagy egyenáramok megmérhetők velük. 2. Az „I .B” szorzat mérése. A Hall-feszültség arányos mind az „I” vezérlőárammal, mind a „B” mágneses fluxussűrűséggel. Nagysága az „I.B” szorzattól függ. A Hall-generátor szorzóként működik. A mágneses fluxussűrűség arányos lehet egy „IM” árammal. Ebben az esetben a Hall-generátor két áramot szoroz össze egymással. Az effajta analóg szorzókra az analóg számítástechnikában, a vezérlés- és szabályozástechnikában van szükség.

Automatikai építőelemek 10. Hall elemes átalakító 3. Ha a Hall-generátort állandó amplitúdójú változó mágneses térbe helyezzük, akkor a vezérlő egyenáram mellett váltakozó Hall-feszültség keletkezik, ami a „B” mágneses fluxussűrűséggel arányos. A Hall-generátor modulátorként vagy érintkező nélküli egyenáram - váltakozó áram átalakítóként működik. 4. A „B” mágneses fluxussűrűség kis teljesítménnyel vezérelhető. A Hall-generátorról nagyobb teljesítménnyel vehető le. A Hall-generátornak ekkor erősítő jellege van. 5. A Hall-generátor alkalmas mágneses terek kimutatására. Ha a Hall-generátor közelében pl. állandómágnest mozgatunk, akkor Hall-feszültség keletkezik. Ezen a módon egyszerű fordulatszámmérés valósítható meg.

Automatikai építőelemek 10. Köszönöm a figyelmet!