CZ2011211A3 - Zpusob a zarízení k merení vzájemné vzdálenosti dvou magnetu - Google Patents

Abstract

Vynález se týká zpusobu merení vzájemné vzdálenosti dvou odpuzujících se a vzájemne se pohybujících magnetu (4, 5) usporádaných v Halbachových polích (2, 20, 3), pri kterém se zjištuje Hallovo napetí charakterizující magnetickou indukci generovanou pusobením magnetického pole. Hallovo napetí se pritom merí v oblasti magnetického pole sousedící s pasivní stranou (26) Halbachova pole (2, 20) tvorícího stavitelný magnet (4). Vynález se také týká zarízení k provádení tohoto merení.

Description

Způsob a zařízení k měření vzájemné vzdálenosti dvou magnetů

Oblast techniky

Způsob měření vzájemné vzdálenosti dvou odpuzujících se a vzájemně se pohybujících složených magnetů uspořádaných v Halbachových polích, při kterém se zjišťuje Hallovo napětí charakterizující magnetickou indukci generovanou působením magnetického pole.

Vynález se týká také zařízení k měření vzájemné vzdálenosti dvou magnetů prostřednictvím Hallova snímače, přičemž je každý z magnetů tvořen soustavou elementárních členů uspořádaných do Halbachova pole.

Dosavadní stav techniky

U řady mechanismů, jako jsou vačkové, klikové, kulisové a jiné mechanismy a lineární servomotory, koná jejich akční člen přímočarý nebo rotační vratný periodický pohyb. Akční člen a případně s ním spojené pracovní členy mechanismu se tak musí během jedné periody pohybu zabrzdit a znovu rozběhnout v opačném směru v obou krajních úvratích pohybu. Při velkých pohybujících se hmotách redukovaných na akční člen a/nebo velkých zrychleních potřebných k zabrzdění a/nebo k rozběhu je proto výhodné doplnit akční člen a/nebo k němu připojené pracovní členy o mechanismy, které akumulují kinetickou energii mechanismu při brzdění v úvrati a naopak ji uvolňují při následujícím rozběhu. Takovými akumulujícími mechanismy mohou být vhodně deformovatelná pružná tělesa, například kovové, pryžové nebo kompozitové pružiny. Protože brzdění a zpětný rozběh probíhá na krátké vzdálenosti, jsou obvyklé typy pružin s lineární závislostí síly na deformaci pro tento účel nevhodné.

Výhodným řešením je využití odpudivé síly magnetů, elektromagnetů nebo jejich kombinace. Dva magnety obrácené stejnojmennými póly proti sobě se navzájem odpuzují, přičemž jejich předností je nelineární strmě rostoucí odpudivá síla. Použití elektromagnetů jako pohyblivých členů mechanismu je náročné z důvodu pohyblivého přívodu napájení a vhodnější jsou permanentní magnety. Pro dosažení největšího poměru mezi odpudivou silou a hmotností permanentních magnetů je výhodné uspořádat větší množství magnetů do vhodné struktury, například Halbachova pole.

Určité řešení předkládá například CZ2007-214 v souvislosti se zařízením k rozváděni příze navíjené na cívku uloženou v navíjecím ústrojí pracovního místa textilního stroje, obsahující podélnou rozváděči tyč společnou pro radu pracovních míst spraženou s pohonem udělujícím jí přímočarý vratný pohyb a s ovládacím systémem určujícím polohu úvratí rozváděči tyče. Na rozváděči tyči a na rámu stroje jsou ve vzájemném odstupu uloženy dvě dvojice magnetů, z nichž každá obsahuje magnet pohybující se s rozváděči tyčí a magnet, který je nastavitelně uložen na rámu, přičemž magnety ve dvojici jsou uloženy stejnými póly proti sobě.

CZ2010-617 navíc řeší nastavováni magnetů uložených na rámu prostřednictvím krokového motoru se samosvorným převodem.

Aby byla energie akumulovaná pň brzdění a vydaná při novém rozběhu mechanizmu co největší, je nutné, aby se magnety vzájemně k sobě přiblížily co nejvíce, obvykle na vzdálenost menší, než je 1 mm. Proto musí být jednoznačně definována poloha úvrati pohybujícího se magnetu, což vyžaduje měřit vzájemnou polohu magnetů v oblasti úvrati. Při přibližování stejných pólů dvou samostatných, například tyčových, dipólů lze použít Hallův snímač umístěný vně magnetů a měřit v radiálním směru magnetické pole „vytlačené“ magnety z prostoru mezi čely přibližujících se magnetů. Jednoduché uspořádáni 1 zobrazené na obr. 1a, 1b používá dvou souosých osově magnetovaných plochých kruhových magnetů. Stavitelný magnet 11 a pohyblivý magnet 12 jsou proti sobě otočeny severními magnetickými póly N, přičemž mohou být beze změny odpuzujícího účinku otočeny proti sobě také jižními magnetickými póly S.

Stavitelný magnet (v celém dalším textu) 11 se pohybuje při nastavování své polohy pomalu o relativně malou vzdálenost, případně je v klidu. Přitom jeho čelo je, vztaženo kose souřadnic podle obr. 1b, v poloze Xq· V blízkosti tohoto čela je vně plochy stavitelného magnetu 11 umístěn Hallův snímač 13 pevně spojený se stavitelným magnetem 11. Pohyblivý magnet 12 se svým čelem přilehlým ke stavitelnému magnetu 11 přibližuje z polohy xi, přičemž progresivně vzrůstá odpudivá síla reprezentovaná signálem U z Hallova snímače 13, který měří magnetické pole vytlačené magnety v radiálním směru. Zásadním nedostatkem tohoto uspořádání je to, že velikost signálu U s přibližováním magnetů roste jen do určitého vzájemného přiblížení magnetů daného polohou x₃ Čela pohyblivého magnetu 12. Při dalším přibližování za polohou Xj velikost signálu U klesá. Před kontaktem obou magnetů 11, 12 má tedy signál Hallova snímače 13 před a za vrcholem křivky v poloze xg, x* čela pohyblivého magnetu 12 dvě stejné velikosti U^, Ux4 Pro odstranění tohoto nedostatku je nutno rozlišit tyto dvě polohy xg, X4 před vrcholem a za vrcholem křivky. K tomu je ovšem nutné použít doplňující druhý Hallův snímač a k tomu potřebné vyhodnocovací obvody. Umístění Hallova snímače mezi magnety je totiž prakticky nemožné, protože jeho rozměry nedovolí požadované přiblížení magnetů a neumožní tak dosáhnout dostatečně vysokou odpudivou sílu.

Stejný nedostatek mají magnety tvořené silově výhodnějšími prstencovými Halbachovými poli. Zde je navíc magnetické pole v mezeře mezi magnety nepřehledné z důvodu interakce magnetických toků uzavírajících se mezi jednotlivými magnetickými póly nejen ve směru obvodu prstence ale i napříč v radiálním směru.

Cílem vynálezu je odstranit, nebo alespoň zmírnit, nedostatky dosavadního stavu techniky a navrhnout zařízení vhodné k měření odpudivé síly magnetů uspořádaných do výkonných Halbachových polí až do minimální vzdálenosti jejich vzájemného přiblížení.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem měřeni vzájemné vzdálenosti dvou odpuzujících se a vzájemně se pohybujících magnetů uspořádaných v Halbachových polích, jehož podstatou je to, že Hallovo napětí se měří v oblasti magnetického pole sousedící s pasivní stranou Halbachova pole tvořícího stavitelný magnet.

Magnetické pole je sice na pasivní straně Halbachova pole slabé, ale změna magnetického pole a tedy změna signálu z Hallova snímače je zde se zmenšující se vzdálenosti magnetů větší a umožňuje tedy snazší a přesnější určení vzdálenosti magnetů. Další výhodou je monotónní růst signálu z Hallova snímače, což umožňuje jednodušší vyhodnocení signálu a přesnější měření blízké vzdálenosti magnetů. Přitom volný prostor mezi magnety umožňuje přiblížit je až na minimální bezpečnou vzdálenost a tak plně využít jejich maximální odpudivou sílu.

Přednostním způsobem je měření Hallova napětí v místě proti severnímu nebo jižnímu magnetickému pólu alespoň jednoho aktivního magnetického pólu, přičemž se Hallúv snímač přivrátí snímací plochou proti tomuto pólu.

V těchto místech je magnetické pole nejsilnější.

Způsob měření Hallova napětí v místě mezi severním a jižním magnetickým pólem alespoň jedné dvojice aktivních magnetických pólů, při kterém se Hallúv snímač orientuje snímací plochou kolmo ke směru vektorů magnetické indukce v tomto místě, je rovněž využitelný. Magnetické pole je však při tomto uspořádání slabší.

Cíle vynálezu je dosaženo také zařízením k měření vzájemné vzdálenosti dvou magnetů tvořených vždy soustavou alespoň jedné čtveřice elementárních členů uspořádaných do Halbachova pole, jehož podstatou je to, že alespoň jeden Hallúv snímač je umístěn v sousedství pasivní strany Halbachova pole.

Hallúv snímač se přitom ve zvláště výhodném uspořádání nachází proti aktivnímu magnetickému pólu, přičemž je svou snímací stranou přivrácen kjeho severnímu nebo jižnímu pólu.

V dalším provedení se Hallúv snímač nachází mezi dvěma aktivními magnetickými póly, přičemž je svou snímací stranou orientován kolmo ke směru nebo souhlasně se směrem vektoru magnetické indukce v tomto místě. V tomoto uspořádání je měřené magnetické pole slabší.

Ve výše uvedených případech má Halbachovo pole tvar uzavřeného řetězce, kterým je prstenec nebo mnohoúhelník. Jeho aktivní póly jsou na čelní

straně prstenců. Prstence nebo mnohoúhelníky mohou mít také aktivní stranu radiálně vně nebo uvnitř prstence.

Podle prostorových možností zařízení, na kterém se měření vzájemné vzdálenosti dvou magnetů využívá, může být rovněž vhodné Halbachovo pole ve tvaru přímého řetězce.

Přehled obrázků na výkrese

Zařízení podle vynálezu a související uspořádání podle dosavadního stavu techniky je schematicky znázorněno na výkrese, kde značí obr. 1a a 1b uspořádání dvou kruhových magnetů a příslušnou závislost signálu Hallova snímače na vzájemné vzdálenosti těchto magnetů, obr. 2 Halbachovo pole, tvořené pravidelně se opakující strukturou čtyř různě orientovaných elementárních členů, obr. 3 boční pohled na dva přibližující se magnety tvořené Halbachovými poli, obr. 4 boční pohled na uspořádání Hallových snímačů na pasivní straně stavitelného magnetu podle vynálezu, obr. 5 půdorys stavitelného magnetu tvořeného axiálním prstencovým Halbachovým polem z obr. 2 až 4, obr. 6 půdorys radiálního prstencového Halbachova pole s aktivní stranou vně prstence a obr. 7 radiálního prstencového Halbachova pole s aktivní stranou uvnitř prstence.

Příklady provedeni vynálezu

Na obr. 2 je známé přímé Halbachovo pole 2 tvořené řadou opakujících se řetězců čtveřic magnetických dipólů ve tvaru kostky, které jsou v dalším textu týkajícím se Halbachova pole uváděny jako první až čtvrtý elementární Člen 21, 22, 23, 24. Šipkami jsou vyznačeny směry magnetizace jednotlivých elementárních členů, z nichž je Halbachovo pole sestaveno a zakresleny vektory magnetické indukce B. Vzájemnou interakcí elementárních členů Halbachova pole vznikne takové výsledné magnetické pole, které na jedné straně magnetů 25 magnetické pole zesílí a na opačné straně 26 zeslabí, případné téměř úplně potlačí. Strana se zesíleným magnetickým účinkem 25 je aktivní stranou, strana se zeslabeným účinkem 26 je pasivní stranou vzniklého magnetického multipólu tvořícího Halbachovo pole. Při znázorněném uspořádáni jednotlivých elementárních členů 21, 22, 23, 24 tak na horní aktivní straně 25 vznikla soustava zesílených severních magnetických pólů N a jižních magnetických pólů S, na spodní pasivní straně 26 jsou póly opačné, ale velmi zeslabené. Analogicky jako přímé Halbachovo pole 2 o n čtveřicích elementárních členů 21, 22, 23, 24 se chová axiální prstencové Halbachovo pole 20 s axiálním silovým účinkem, které je vytvořeno stočením přímého Halbachova pole 2 do kružnice ležící v rovině kolmé k nákresně, přičemž je například stěna 241 n-tého čtvrtého elementárního členu 24 spojena s příslušnou stranou 211 prvního elementárního členu 21. Elementární členy 21, 22, 23, 24 pak mají tvar kruhových segmentů nebo lichoběžníků nebo kostek použitých spolu s klíny z vhodného feromagnetického materiálu.

Na obr. 3 je znázorněn stavitelný magnet 4 tvořený axiálním prstencovým Halbachovým polem 20 a pohyblivý magnet 5 tvořený axiálním prstencovým Halbachovým polem 3. Názvem stavitelný magnet se v dalším textu rozumí magnet, jehož poloha je v určitém, obvykle relativně malém rozsahu přestavitelná, nebo je tento magnet uspořádán na zařízení pevně. Společná osa 31 magnetů 4, 5 leží v nákresně, Halbachova pole 20, 3 jsou k sobě přivrácena svými aktivními stranami 25 a 32. Přibližují-li se tato pole 20, 3, jejich magnetická pole v mezeře 33 mezi nimi se navzájem ovlivňují a s jejich zmenšující se vzdáleností magnetická indukce v mezeře vzrůstá. Velikost odpuzující síly je úměrná velikosti složek vektorů magnetické indukce ve směru osy 31 a tedy ve směru osy vzájemného pohybu stavitelného a pohyblivého magnetu 4, 5.

Existují zařízení, která vyžadují intenzívní brzdění pohybujících se setrvačných hmot při jejich doběhu do úvrati přímočarého nebo kruhového vratného pohybu a mařenou kinetickou energii rekuperovat pro využití při rozběhu těchto setrvačných hmot zpět z úvrati. Příkladem takového zařízení může být rozváděči systém navíjecích ústrojí dlouhých textilních strojů, které mají množství vedle sebe uspořádaných pracovních míst. Zde je nutno zabrzdit a znovu v opačném smyslu rozběhnout desítky metrů dlouhou rozváděči tyč s příslušenstvím. Využití odpudivých magnetických sil vyžaduje mimo jiné přiblížení magnetů do minimální vzájemné vzdálenosti. Umístění Hallova snímače mezi magnety není v těchto případech výhodné.

Jak je uvedeno výše, magnetické pole je na pasivní straně Halbachova pole slabé. Zařízení podle vynálezu je však založeno na využití specifických vlastností právě této části magnetického pole.

Na obr. 4 je znázorněn stavitelný magnet 4 tvořený axiálním prstencovým Halbachovým polem 20 z obr. 3, jehož aktivní strana 25 je přivrácena k aktivní straně zde neznázorněného prstencového Halbachova pole 3 pohyblivého magnetu 5. Na obr. 4 jsou dále znázorněna čtyři vhodná alternativní umístění Hallových snímačů (zde obecně označených vztahovou značkou 6). Ty jsou vždy umístěny co nejblíže k pasivní straně 26 Halbachova pole 20 tvořícího stavitelný magnet 4.

V nejvýhodnějším provedeni je Hallův snímač 61 umístěn svou snímací plochou 611 proti aktivnímu jižnímu nebo severnímu magnetickému pólu S, N, tedy jeho snímací plocha 611 je rovnoběžná s čelní plochou elementárního členu 21 nebo 23 Halbachova pole 20, tedy je rovnoběžná s čelní plochou pasivní strany 26 prstencového Halbachova pole 20. Obě tyto alternativy jsou z hlediska funkce rovnocenné.

S ohledem na poněkud slabší magnetické pole jsou polohy Hallova snímače 62 méně výhodné. Ten je umístěn mezi aktivními póly u elementárních členů 22 nebo 24, přičemž jeho snímací plocha je kolmá ke směru vektoru B magnetické indukce. Z hlediska funkce je přitom rovnocenné, je-li snímací plocha 621, Hallova snímače 62 orientována proti směru vektoru B magnetické indukce, jak je znázorněno na obr. 4, nebo obráceně po směru vektoru B magnetické indukce.

Uspořádání Hallových snímačů 61. 62 je pro měření magnetického pole u magnetů použitých pro brzděni a rozběh setrvačných hmot pohybujících se střídavým vratným pohybem velmi výhodné. Magnetické pole je sice na pasivní straně Halbachova pole slabé, ale změna magnetického pole a tedy změna signálu U z Hallova snímače je zde se zmenšující se vzdáleností magnetů větší a umožňuje tedy snazší a přesnější určeni vzdálenosti magnetů. Další výhodou je monotónní růst signálu U z Hallova snímače, jeho průběh tedy nevykazuje vrchol V, který je charakteristický při umístěni Hallova snimačel/nimo obrys magnetu (obr. 1a, 1b). To umožňuje jednodušší vyhodnocení signálu a přesnější měření blízké vzdálenosti magnetů. Další velmi významnou výhodou je, že volný prostor mezi magnety umožňuje přiblížit je až na minimální 5 bezpečnou vzdálenost a tak plně využít jejich maximální odpudivou sílu.

Analogicky s axiálním prstencovým Halbachovým polem, jehož půdorys je pro názornost znázorněn na obr. 5, lze uspořádat radiální prstencové Halbachovo pole. Varianta radiálního prstencového Halbachova pole 7 s aktivní stranou vně prstence je znázorněna na obr. 6, varianta radiálního prstencového ίο Halbachova pole 8 s aktivní stranou uvnitř prstence je znázorněna na obr. 7.

U všech výše uvedených polí je možné nahradit směry obvodové magnetizace segmentů šikmými směry magnetizace pro dosažení optimalizovaného účinku Halbachova pole.

Seznam vztahových značek uspořádání podle dosavadního stavu techniky stavitelný, případně nepohyblivý magnet pohyblivý magnet

Hallův snímač přímé Halbachovo pole axiální prstencové Halbachovo pole první elementární člen Halbachova pole

211 vnější stěna 1. elementu druhý elementární člen Halbachova pole třetí elementární člen Halbachova pole čtvrtý elementární Halbachova pole

241 vnější stěna (čtvrtého elementárního členu) aktivní strana (Halbachova pole) pasivní strana (Halbachova pole) axiální prstencové Halbachovo pole osa prstencového magnetu aktivní strana (Halbachova pole) mezera (mezi magnety) stavitelný, případně pevný magnet (tvořený Halbachovým polem) pohyblivý, magnet (tvořený Halbachovým polem)

Hallův snímač

Hallův snímač

611 snímací plocha Hallova snímače

Hallův snímač

621 snímací plocha Hallova snímače radiální prstencové Halbachovo pole s aktivní stranou vně prstence radiální prstencové Halbachovo pole s aktivní stranou uvnitř prstence

B vektor magnetické indukce

N severní magnetický pól

S jižní magnetický pól

U signál Hallova snímače

U_x2 signál Hallova snímače při poloze magnetu X2

U_x4 signál Hallova snímače při poloze magnetu X4

V vrchol závislosti Hallova napětí na vzdálenosti magnetů

X0...X4 vzájemná vzdálenost čel magnetů

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob měření vzájemné vzdálenosti dvou odpuzujících se a vzájemně se pohybujících magnetů (4, 5) uspořádaných v Halbachových polích (2, 20, 3), při kterém se zjišťuje Hallovo napětí charakterizující magnetickou indukci generovanou působením magnetického pole, vyznačující se tím, že Hallovo napětí se měří v oblasti magnetického pole sousedící s pasivní stranou (26) Halbachova pole (2, 20) tvořícího stavitelný magnet (4).
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že Hallovo napětí se měří v místě proti severnímu nebo jižnímu magnetickému pólu alespoň jednoho aktivního magnetického pólu elementárního členu (21, 23) tak, že se Hallův snímač (61) přivrátí snímací plochou (611) proti tomuto pólu.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že Hallovo napětí se měří v místě mezi severním a jižním magnetickým pólem alespoň jedné dvojice aktivních magnetických pólů elementárních členů (21, 23) tak, že se Hallův snímač (62) orientuje snímací plochou (621) kolmo ke směru vektorů (B) magnetické indukce v tomto místě.
4. 4. Zařízení k měření vzájemné vzdálenosti dvou magnetů (4, 5) tvořených vždy soustavou alespoň jedné čtveřice elementárních členů (21,22, 23, 24) uspořádaných do Halbachova pole (2, 3, 20), přičemž obsahuje Hallův snímač (61, 62), vyznačující se tím, že alespoň jeden Hallův snímač (61, 62) je umístěn v sousedství pasivní strany (26) Halbachova pole (2, 20) tvořícího stavitelný magnet (4).
5. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že Hallův snímač (61) se nachází proti aktivnímu magnetickému pólu eiementárních členů (21, 23), přičemž je svou snímací stranou (611) přivrácen k severnímu nebo jižnímu pólu (N, S).
6. 6. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že Hallův snímač (62) se nachází mezi dvěma aktivními magnetickými póly elementárních členů (21,

   23), přičemž je svou snímací stranou (621) orientován kolmo ke směru vektoru (B) magnetické indukce v tomto místě.
7. 7. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků 4 až 6, vyznačující se tím, že Halbachovo pole (20, 3) má tvar uzavřeného řetězce.

   5
8. 8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že řetězcem je prstenec.
9. 9. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že řetězcem je mnohoúhelník.
10. 10. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků 4 až 6, vyznačující se tím, že Halbachovo pole (2) má tvar přímého řetězce.