DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA ELECTROMAGNÉTICO PARA INDUCIR VIBRACIONES FORZADAS. Raffo, Javier Leandro 1 , - Carrizo, Marcos Rubén 1 1 Grupo de Mecánica Computacional – Universidad Tecnológica Nacional San Martín 1171, 2804 Campana, Buenos Aires, Argentina correo-e: [email protected]. RESUMEN Existen diversos sistemas mecánicos, hidráulicos y electromagnéticos para inducir vibraciones forzadas. Su aplicación en procesos productivos industriales, productos manufacturados y ensayos de laboratorio; entre otras, es numerosa. El objetivo del presente trabajo es interpretar los fenómenos físicos que intervienen en el funcionamiento de un excitador electromagnético para inducir vibraciones mecánicas en componentes estructurales para pruebas de laboratorio. Diseñar, construir y ensayar un prototipo. A partir de las leyes fundamentales del electromagnetismo se obtuvieron ecuaciones que permiten realizar análisis cualitativos y cuantitativos a fin de optimizar su diseño. Dichas ecuaciones fueron comparadas con mediciones y ensayos de laboratorio, obteniendo una buena correlación. El prototipo propuesto presenta como ventajas bajo costo y no requerir contacto físico con la estructura ensayada. Palabras Claves: Vibraciones Forzadas – Electroimán – Shaker electromagnético.
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA ELECTROMAGNÉTICO PARA INDUCIR VIBRACIONES FORZADAS. · DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA ELECTROMAGNÉTICO PARA INDUCIR VIBRACIONES FORZADAS.
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA ELECTROMAGNÉTICO PARA
INDUCIR VIBRACIONES FORZADAS.
Raffo, Javier Leandro 1, - Carrizo, Marcos Rubén 1
1 Grupo de Mecánica Computacional – Universidad Tecnológica Nacional
San Martín 1171, 2804 Campana, Buenos Aires, Argentina correo-e: [email protected].
RESUMEN
Existen diversos sistemas mecánicos, hidráulicos y electromagnéticos para inducir vibraciones forzadas. Su aplicación en procesos productivos industriales, productos manufacturados y ensayos de laboratorio; entre otras, es numerosa.
El objetivo del presente trabajo es interpretar los fenómenos físicos que intervienen en el funcionamiento de un excitador electromagnético para inducir vibraciones mecánicas en componentes estructurales para pruebas de laboratorio. Diseñar, construir y ensayar un prototipo.
A partir de las leyes fundamentales del electromagnetismo se obtuvieron ecuaciones que permiten realizar análisis cualitativos y cuantitativos a fin de optimizar su diseño. Dichas ecuaciones fueron comparadas con mediciones y ensayos de laboratorio, obteniendo una buena correlación. El prototipo propuesto presenta como ventajas bajo costo y no requerir contacto físico con la estructura ensayada.
3.1 Determinación del número de vueltas y el peso del bobinado.
Mediante una balanza RADWAG Modelo AS60/220/C/2 se determinó el peso del carretel y de las
bobinas, así por diferencia se determinó el peso del cable conductor.
Figura 1: Resultados analíticos y experimentales. a) Número de vueltas. b) Peso de la bobina.
3.2 Determinación de la resistencia e inductancia del bobinado.
Con un multímetro ZURICH modelo ZR-680 se determinó el valor de la resistencia. Mediante
ensayo se determinó la inductancia. Al colocar una resistencia de precisión conocida en serie con
Marce
Sello
la bobina, se hizo variar la frecuencia de la tensión de alimentación proveniente de un generador
de ondas hasta igualar la caída de tensión en ambos componentes, condición tal que hace iguales
las impedancias y por lo tanto se puede determinar la inductancia según 2 .L R fπ=
Figura 2: Resultados analíticos y experimentales. a) Resistencia eléctrica. b) Inductancia.
3.3 Determinación de la relación entre corriente, campo magnético y peso.
Con un Gaussimetro Pasco Modelo PS-2162 se determinó la densidad de campo magnético en el
extremo de los 3 solenoides, para diferentes intensidades de corriente. Se evidencia que un
mismo nivel de densidad de campo magnético se alcanza con menor corriente al utilizar menor
diámetro de cable. Cuando las tres bobinas estaban sometidas a una corriente continua de un
amperaje tal que fuera el máximo que soportare el calibre del conductor de cada una de ellas, se
observa una relacion aproximadamente lineal entre el peso de la bobina y la densidad de campo
que producen. Y que, por lo tanto, el ratio densidad de campo vs peso se matiene
aproximadamente constante.
Figura 3: a) Densidad de campo magnético vs corriente, analítico y experimental para cada bobina. b) Relación de la densidad de campo magnético y el peso de las bobinas.
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Sello
3.4 Determinación de la fuerza del electroimán.
Se programó un algoritmo en Labview donde se genera una señal senoidal de cierta amplitud y
frecuencia. La misma mediante un módulo NI-9263 se transforma en una salida de voltaje, que
luego pasa por un amplificador de audio marca LEPAI modelo LP-269FS para finalmente alimentar
la bobina. Con un módulo NI-9205 se adquieren las señales de voltaje provenientes de la bobina y
de un sensor de intensidad de corriente ACS712 5A y de un sensor de densidad de campo
magnético por efecto Hall 49E. La señal de una celda de carga marca FLEXAR modelo CZI-50
fue adquirida por un módulo NI-9237. Se varió la distancia entre el núcleo ferromagnético y la
probeta solidaria a la celda de carga. A continuación se presentan los resultados de la fuerza
magnética para diferentes intensidades de corriente y distancia de GAP.
Figura 4: Fuerza magnética, analítica y experimental, para diferentes valores de corrientes y gap.
a) Sin corrección. b) Con factor de corrección 0.7.β =
3.5 Determinación de la respuesta en frecuencia del electroimán.
Para un gap fijo de 6mm se realiza un barrido de frecuencia desde 20 a 1000hz, adquiriendo las
señales de voltaje y corriente que alimentan la bobina, la densidad de campo magnético y la fuerza
por ella producida. Al comparar los resultados analíticos y experimentales, se observa buena
correlación tanto para la corriente como la densidad de campo magnético. Para el caso de la
fuerza, se esperaba que esta disminuya conforme aumente la frecuencia siguiendo a la variación
de la corriente; pero presento un comportamiento plano similar a la curva de voltaje.
Marce
Sello
Figura 5: Respuesta en frecuencia del voltaje, la corriente, la densidad de campo y la fuerza. a) Analítica. b) Experimental.
3.6 Desarrollo de prototipo.
Se diseñó, construyó y ensayó un excitador electromagnético para inducir vibraciones mecánicas.
La estructura ensayada es excitada mediante una fuerza electromagnética sin contacto mecánico
con la misma. El sensor de impedancia mecánica YMC504AF01 es solidario al núcleo
ferromagnético y es fijado sobre la mesa antivibratoria, el cual registra la reacción de vínculo; que
es igual y opuesta a la fuerza que actúa sobre la estructura (Figura 6).
(a)
(b)
Figura 6: Prototipo de excitador electromagnético para inducir vibraciones mecánicas. a) Esquema. b) Foto del ensayo.
4. CONCLUSIONES
Se analizaron diferentes fenómenos físicos que intervienen en el principio de funcionamiento de un
sistema electromagnético para inducir vibraciones forzadas. A partir de las leyes fundamentales
del electromagnetismo se arribó a ecuaciones que permiten realizar análisis cualitativos y
Bobina
Viga ensayada
Sensor de
impedancia
Mesa antivibratoria
Marce
Sello
cuantitativos a fin de optimizar su diseño. Dichas ecuaciones fueron contrastadas con mediciones
y ensayos de laboratorio, obteniendo una buena correlación.
La fuerza magnética varía con el cuadrado de la intensidad de campo y esta es una función del
tamaño de la bobina. Existe una relacion aproximadamente lineal entre el peso de la bobina y la
densidad de campo que produce, por lo que el ratio densidad de campo y peso se mantiene
aproximadamente constante. Por lo tanto, para obtener un electroimán con determinada fuerza
requerida basta con dimensionar lo suficiente la bobina.
La corriente máxima que puede circular por el conductor varía con el cuadrado del diámetro del
mismo. El número de vueltas de la bobina depende del tamaño de la bobina y del diámetro del
conductor. No existe un diámetro de cable que genere un número determinado de vueltas para
cierto tamaño de bobina y por el cual circule una cierta corriente máxima, tal que optimice la
intensidad de campo magnético; ya que la relación se mantiene constante.
A mayor proporción alto/ancho de la bobina se mejora la densidad de campo obtenida, ya que las
capas de espiras mientras más cercanas se encuentran al núcleo más contribuyen.
No se consideraron perdidas por histéresis ni corrientes parasitas. Debido al bajo costo, buena
disponibilidad, soldabilidad, maquinabilidad y relativamente buenas propiedades magnéticas
(material blando, alta densidad de saturación y permeabilidad magnética máxima), se opta para la
fabricación del núcleo ferromagnético por un acero laminado en frío, tipo SAE 1020, en formato de
varilla maciza.
Se debe dimensionar la sección del núcleo ferromagnético a fin de que la intensidad de campo
magnético requerida sea tal que coincida con la permeabilidad magnética máxima del material
seleccionado y no llegue a saturar al mismo. Se deben evitar los radios de curvatura agudos lo
que puede producir la saturación local del material y la subutilización del resto de material.
El prototipo propuesto presenta como ventajas bajo costo y no requerir contacto mecánico con la
estructura ensayada. A diferencia de los excitadores electromecánicos tradicionales, que se
vinculan a la estructura mediante un stinger y base magnética, y por lo tanto alteran la masa y
rigidez. Si bien se trata de un desarrollo académico aplicado a ensayos de laboratorio, los análisis
aquí presentados son fácilmente extrapolables para desarrollos comerciales/industriales.
FINANCIAMIENTO
Este proyecto fue financiado por los proyectos PID UTN 3487 y 4417.
Marce
Sello
REFERENCIAS
[1] D. J. Ewins. Modal Testing: Theory, Practice and Application, England, second edition, 2000.
[2] P. Avitabile. Modal testing a practitioner's guide, USA, 2017.
[3] Apunte de Vibraciones Mecánicas, especialización END, FRD, UTN.
[4] Raymond A. Serway, John W. Jewett, Jr. Física para ciencias e ingeniería con Física Moderna,
USA, 9ª Edición, 2015.
[5] http://www.adrosa.net/PDF/Maquinas/Fuerza.pdf
[6] Rairán Antolines, Buitrago, Castañeda Martín. Electromagnet design by finite element method.
Tecnura, ISSN: 0123-921X, vol. 9, núm. 17, 2005, pp. 38-46