Progettazione e simulazione al calcolatore di sensori elettromagnetici per l industria. Applicazioni Magnetiche Srl
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- Giulietta Federici
- 8 anni fa
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1 Alessandro Tassi Applicazioni Magnetiche Srl Via della Chiesa 16, Borgonovo Val Tidone (Piacenza) Tel
2 Attività di Spin Applicazioni Magnetiche Srl Progettazione di dispositivi elettromagnetici Software per l analisi elettromagnetica, termica e per la meccatronica Caratterizzazione di materiali magnetici ENGINEERING PROTOTYPING TRAINING MEASURING Design of electromechanical devices and mechatronics - characterization of magnetic materials FLUX 2D 3D PORTUNUS MOTOR-CAD SPEED BCS w w w. s p i n m a g. i t
3 Attività di Spin Applicazioni Magnetiche Srl Kers
4 Il campo magnetico Ambito di questo contributo: sensori elettromagnetici in bassa frequenza
5 Cenno storico Il campo magnetico è utilizzato come elemento sensibile sin dall antichità: prima in Cina, poi importato in Europa attraverso gli arabi.
6 Cenno storico Anni 60-oggi : Sviluppo dell industria dei semiconduttori 1983 : Nuovi magneti permanenti (NdFeB) Anni : Nuovi materiali ferromagnetici dolci (amorfi, leghe Fe-Ni) Anni 80-oggi : richieste dall industria dell automazione e automobilistica.
7 Principio generale di funzionamento L intensità di campo magnetico (H) e l induzione magnetica (B) NON sono la stessa cosa. H si misura in A/m (Oersted), B in Tesla (Gauss)
8 Principio generale di funzionamento La grandezza che si vuole caratterizzare, o una sua variazione, genera una perturbazione nel campo magnetico e di conseguenza una variazione temporanea di stato in un elemento sensibile al campo magnetico. L elemento sensibile può essere : semiconduttore spira conduttrice di corrente materiali non magnetici (acqua) materiale ferromagnetico
9 Principio generale di funzionamento
10 Principio generale di funzionamento Effetto Hall Sensore Reed
11 Utilizzo di sensori magnetici Perché utilizzare il campo magnetico in ambito sensoristico? 1. Consente la misura indiretta di altre grandezze. 2. Lavora a distanza. 3. Possono essere sfruttate diverse dinamiche, geometrie, sensibilità, accuratezze. 4. E semplice da usare. 5. E economico.
12 Possibili problematiche: Utilizzo di sensori magnetici 1. Interazioni con materiali ferromagnetici o altri campi magnetici. 2. La distribuzione del campo magnetico può rivelarsi complessa.
13 Tipologie di sensori magnetici (1a) Tipologia Principio Caratteristiche Hall Effetto Hall Ridotte dimensioni, da economici a sofisticati, programmabili, ampio range Reed Induttivo Effetto magnetomeccanico Faraday Neumann Lenz Economico, consente iniezioni dirette di corrente. Range molto limitato, fluttuazioni di sensibilità. Solo con campi variabili, dimensioni legate alle dimensioni del conduttore e al numero di spire, limitato in frequenza da correnti indotte
14 Tipologie di sensori magnetici (1b) Tipologia Principio Caratteristiche Magnetoresistenza AMR GMR Effetto magnetoresistivo in seminconduttori. (1856) Anisotropic Magnetoresistive (ferromagnetic on semiconductor layer) (1988) Giant magnetorestitive (ferromagnetic on non magnetic metallic layer) Ridotte dimensioni, da economici a sofisticati, buona sensibilità, programmabili, range limitato, integrabili Buona integrazione in circuiti elettronici, anche per misura di direzione. Disturbato da campi magnetici (alcune decine di mt) Buona integrazione in circuiti elettronici, anche per misura di direzione, poco disturbato da elevati campi magnetici, elevati guadagni
15 Tipologie di sensori magnetici (2) Tipologia Principio Caratteristiche Squid Effetti quantistici Ampissimo range, lavorano a 4K, misure statiche Fluxgate Induzione elettromagnetica + 2a armonica in cores Magnetoinduttivi Permeabilità + frequenza in oscillatore LR Preciso, dimensioni rilevanti, limitato in frequenza a 1 khz Limiti termici NMR Effetti quantistici Elevata precisione, campi elevati. Costoso, range molto limtato
16 Grandezze misurabili Grandezza Intensità di campo magnetico Velocità Presenza Corrente Orientamento, direzione Principio Hall, MR, Reed Hall, induttivi, MR Hall, MR, Reed Hall, MR Hall, MR
17 Modalità di utilizzo Sensing indiretto di altre grandezze fisiche. Risposta on-off o lineare Unipolare - bipolare Con «biasing» di magnete permanente Con schermatura da materiali magnetici dolci Combinazione di più sensori Programmazione finalizzata a: calibrazione uniformizzazione compensazione temperatura
18 Dove vengono utilizzati i sensori magnetici? 1. Sensori di posizione: bussole encoder per macchine rotanti o lineari commutazione motori brushless 2. Sensori di presenza : fine corsa sicurezza 3. Sensori di velocità: movimento rotante movimento lineare 4. Sensori di corrente 5. Sensori di campo magnetico.
19 Dove vengono utilizzati i sensori magnetici?
20 Dove vengono utilizzati i sensori magnetici?
21 Esempio: sensore di velocità Voltage detecting Permanent magnet + iron steel
22 Esempio: sensore di velocità Effetti di campo assiale disperso OTT_1A 750 (E-3) Volt CURVE C2D_1 Circuit / Voltage Time: 0,0052-0,02 Resis2 ; 0 (E-3) s
23 Esempio: encoder magnetici Obiettivo: magnetizzazione in linea mantenendo elevata accuratezza.
24 Esempio: encoder magnetici Mesh regolare
25 Sensore di presenza in campo zero Mesh regolare
26 Qualche annotazione Ampia scelta di sensori magnetici. Materiali strategici: Terre rare magneti permanenti passaggio ad altri magneti quali ferrite o Alnico Cobalto: presente in alcuni substrati di sensori integrabili (GMR) Semiconduttori e loro droganti. Aspetti secondari: dimensioni area attiva posizione esatta area attiva isteresi sensore variabilità produzione
27 Grazie per l attenzione
28 Esempi di progettazione di MOTORE ELETTRICO Motore sincrono a magneti permanenti senza azionamento per pompa carburante Motore a MP interni, senza driver: la coppia resistente sale quadraticamente con la velocità. Risultati cliente
29 Progettazione di MOTORE ELETTRICO Progettazione di motore brushless a magneti permanenti superficiali con rotore interno per elevatore
30 nref wr wr va vb vc P iflx1 iflx2 iflx3 ref1 ref2 ref3 vflx1 vflx2 vflx3 Progettazione dell azionamento di macchine elettriche rotanti. Progettazione, ottimizzazione e simulazione di sistemi di controllo per macchine elettriche rotanti. Induction Machine V1 Flux model V2 I1 I2 + E E1 inverter e1 e2 s1 s2 s3 ph1 ph2 ph3 Kirchoff / Signal flow Interface V3 FLUX I3 SPEED TORQUE N_rads ec Scalar Control n Speed Controller n Reference speed Source G(s ) Corrente di fase FLUXCPL1.I1 FLUXCPL1.I2 FLUXCPL1.I m 40 m 60 m 80 m 100 m 120 m 140 m 160 m 180 m 200 m 220 m 240 m 260 m 280 m 300 m 320 m 340 m 360 m 380 m 400 m 420 m 440 m 460 m 480 m t/s -50
31 Progettazione di MOTORE ELETTRICO Ottimizzazione finalizzata alla riduzione della rumorosità di motore brushless per elettroventola a magneti permanenti e rotore esterno
![[m/s] [N] Progettazione di ATTUATORE LINEARE Motore lineare a magneti permanenti per](/docs-images/29/13597724/images/32-0.png "applicazione in ambito tessile Forza Forza 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 0,0000 0,0010")
![0,0020 0,0030 0,0040 0,0050-50,00-100,00 time [s] Velocità Velocità 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00](/docs-images/29/13597724/images/32-0.jpg "3,00 2,00 1,00 0,00 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045")
32 [m/s] [N] Progettazione di ATTUATORE LINEARE Motore lineare a magneti permanenti per applicazione in ambito tessile Forza Forza 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 0,0000 0,0010 0,0020 0,0030 0,0040 0, ,00-100,00 time [s] Velocità Velocità 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 0,0045 0,0050 time [s]
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