Генератор переменного (вращающегося) магнитного поля

Установка

Генератор переменного (вращающегося) магнитного поля

Установка

Габаритные размеры установки: длина - 40.5cm; ширина 15cm; высота 14cm.

Установка питается от однофазной сети переменного тока 220V, 50Hz. Потребляемая мощность при максимальной скорости вращения – менее 30W.

Скорость вращения магнитов регулируется от 1 до 20 оборотов в секунду.

Внешний вид генератора переменного магнитного поля.

Основные элементы установки:

-  Асинхронный трехфазный электродвигатель.

-  Вращающийся стакан с укрепленными на нем магнитами.

-  Пара квадратных, сверхсильных, неодимовых магнитов. Размеры 4cm*4cm*2cm.

-  Трехфазный частотный преобразователь с регулируемой частотой импульсного напряжения. Частота от 1 до 50Hz, амплитуда импульсного напряжения 310V. Скорость и направление вращения регулируется ручкой на боковой поверхности контроллера.

Внимание! На элементах схемы контроллера присутствует высокое, опасное для жизни напряжение! Запрещается касаться колодок подключения проводов двигателя к контроллеру не отключив генератор от сети.

-  Неподвижный стакан диаметром 5cm и глубиной 6cm, вокруг которого вращаются магниты.

-  Подставка с рабочим столиком для крепления объекта исследований - 15cm*17cm плюс полочка 2cm перед входом в стакан.

-  Защитный экран вокруг вращающихся магнитов.

-  Индуктивный датчик в основании подставки под магнитом, для измерения скорости вращения. Выход датчика выведен на контактную колодку сбоку от основания двигателя. Кроме непосредственного вывода датчика имеется дополнительный вывод диодного выпрямителя, для измерения постоянной составляющей генерируемой ЭДС, пропорциональной скорости вращения.

Вращающийся стакан сбалансирован дополнительным грузом, для минимизации биений и уменьшения вибраций.

По периметру неподвижного стакана проделаны 3 небольших отверстия для облегчения процедуры взаимной центровки вращающегося и неподвижного стакана.

Магнитное поле в рабочей области.

Экспериментальные значения индукции магнитного поля в рабочей области диаметром 5cm:

-  поле в центре - 80mT,

-  поле на периферии - 200mT.

Эти значения заметно меньше, чем поле на поверхности “голого” магнита, так как поле быстро уменьшается с расстоянием.

Исходя из того, что дипольное поле меняется на больших расстояниях как , а для определения магнитного поля необходимо выполнить интегрирование по объему магнита, для аппроксимации поля в рабочем зазоре была применена упрощенная аппроксимация. Эта аппроксимация задана комбинацией двух диполей на краях рабочего зазора, каждый из которых задается в виде:

Здесь x – расстояние от края магнита, B0 – индукция магнитного поля вблизи поверхности магнита, X0 - масштабный коэффициент (порядка отношения размеров магнита к толщине рабочей области, при сохранении пропорций магнита).

Расчетная индукция магнитного поля в рабочей области.

Верхняя шкала – расстояние от центра в сантиметрах. Правая шкала – индукция магнитного поля в Тесла. Цифры над кривыми – значения масштабных коэффициентов.

Жирная черная кривая с точками – поле для квадратного магнита 4cm*4cm*2cm (масштабный коэффициент 0.87), поле в центре 80mT, поле на периферии 200mT. Параметры магнита близки к параметрам реального магнита.

Тонкие кривые – поле для иных значений масштабного коэффициента магнита.

Скорость вращения барабана.

Зависимость скорости вращения от напряжения на выходе выпрямителя индукционного детектора вращения.

Для оценки скорости вращения барабана с магнитами следует подключить цифровой мультиметр с входным сопротивлением не менее 1MΩ к гнездам постоянного напряжения.

Гнезда контроля скорости вращения барабана.
Контроллер 3-фазного асинхронного двигателя с частотным управлением

Схема контроллера частотного управления трехфазным асинхронным двигателем.

Низковольтный блок питания на 14V выполнен на базе зарядного устройства мобильного телефона.

Переменный резистор VR1 управляет скоростью и направлением вращения двигателя.

Светодиод LED1 мигает с частотой повторения импульсной трехфазной последовательности.

Микросхемы IR2106 преобразуют и сдвигают уровни управляющих сигналов. Пары транзисторов M11, M12; M21, M22; M31, M32 – образуют трехфазный мост.

Микропроцессор ATmega8 формирует управляющие сигналы с периодом и фазой соответствующей углу и направлению поворота переменного резистора VR1.

Для оценки скорости вращения в основании подставки под магнитом вмонтирован индуктивный датчик. Выход датчика выведен на контактную колодку сбоку от основания двигателя. Кроме непосредственного вывода датчика имеется дополнительный вывод диодного выпрямителя, для измерения постоянной составляющей генерируемой ЭДС, пропорциональной скорости вращения.

Схема индукционного детектора вращения с выпрямителем

Размещение элементов в корпусе контроллера.

Размещение разъемов на плате контроллера.

Магнитное поле в рабочей области барабана

при вращении с частотой 10Hz

Напряжение на выходе датчика Холла примерно в центре рабочей области.

Индукция магнитного поля для напряжения 350mV при 10-кратном усилении .

Напряжение на выходе датчика Холла на краю рабочей области.

Индукция магнитного поля для напряжения 875mV при 10-кратным усилении .

На отклонение от синусоиды влияют конечные размеры магнита.

Напряжение на выходе датчика Холла с внешней стороны рабочей области на поверхности защитного экрана.

Индукция магнитного поля для напряжения 534mV при 10-кратным усилении .

ЭДС, порождаемые вращающимся магнитным полем в измерительных катушках

Осциллограмма напряжения на измерительной катушке (S·n=0.61m2) в рабочей области.

Осциллограмма напряжения на выходе индукционного детектора вращения.