 |
BMe Kutatói pályázat |
|
Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola
BME Gépészmérnöki Kar, Műszaki Mechanikai Tanszék
Témavezető: Dr. Szabó Zsolt
Duplaforgórészes vibromotor fejlesztése
A kutatási téma néhány soros bemutatása
A duplaforgórészes vibromotor működésének lényege, hogy a megszokott kialakítással szemben nem egy, hanem két excentrikus forgórészt hajtunk meg függetlenül elektromotorokkal, ezzel hozva létre rezgéseket. A kettős excenteres kialakítással lehetőség nyílik arra, hogy a gerjesztett rezgések amplitúdóját és frekvenciáját függetlenül beállítsuk, és így megnöveljük a rezgések által átadott információt (például mobiltelefonok rezgő jelzése, orvosi/rehabilitációs alkalmazások), vagy különböző vizsgálatokhoz szükséges gerjesztéseket elő tudjunk állítani (például élettartam-vizsgálatok).
A kutatás a COSMOSYS magyar-szingapúri nemzetközi projekt keretein belül folyik.
A kutatóhely rövid bemutatása
A kutatás a BME Műszaki Mechanikai Tanszékén folyik. Bár a mechanika sok évszázados tudomány, a tanszék kiveszi a részét a legkorszerűbb kutatásokból is. Az itt dolgozó kutatók világszínvonalú eredményeket értek el a szerszámgéprezgések, az időkéséses rendszerek, a robotok mechanikája, a kerék-dinamika és a kontinuum mechanika területén.
A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása
|
Az iPhone 3g vibromotorja |
Vibromotorokat számos területen alkalmaznak. Jellemző felhasználásuk az iparban a talaj- vagy betontömörítő gépek, anyagszállító rendszerek, anyagválogatást végző rázórosták és az anyagvizsgálati célokat szolgáló rázóberendezések. Vibromotorok megtalálhatók azonban kisebb méretekben mobileszközökben és orvosi alkalmazásokban is, és ez talán a közismertebb felhasználásuk. |
Ezeknek a kisméretű berendezéseknek az a feladatuk, hogy rezgések segítségével információt juttassanak el a bőr mechanikai receptorain keresztül az eszköz felhasználójának. Ennek az úgynevezett heptikus visszacsatolásnak nagy előnye, hogy a sokszor amúgy is túlterhelt érzékelési csatornákat (látás, hallás) tehermentesíti, adott esetben helyettesítheti is [1].
A vibromotorok legelterjedtebb formái a forgómotoros és a lineáris motoros megoldások [2]. A tanszék segítségével folytak korábban kutatások a lineáris motorokkal kapcsolatban is, de jelen kutatásunk során a forgómotoros kialakítást részesítjük előnyben, mert a lineáris motoros megoldás esetén a megvalósítható frekvenciatartomány igen szűk [2].
A forgómotoros kialakítás esetén a gerjesztett rezgés frekvenciája és amplitúdója nem független, ami bizonyos esetekben korlátozza a használatát.
A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések.
|
A forgórészek közös súlypontja mozgás közben |
Kutatásunk célja, hogy a forgómotoros megoldás lehetőségeit kibővítsük. Ezért egy kettős excenteres megoldást fejlesztettünk ki, ahol két függetlenül hajtott excentrikus forgórészt helyezünk el úgy, hogy forgástengelyeik egy egyenesre essenek. Ily módon a két forgórész egymáshoz viszonyított szöghelyzetétől függően, adott fordulatszám esetén, a gerjesztett rezgés amplitúdója nulla és adott érték között tetszőlegesen változtatható.
|
A modell létrehozása során felvetődtek olyan mechanikai problémák, amelyeket meg kell vizsgálnunk a berendezés helyes működésének biztosításához.
Az egyik érdekes jelenség az elektromotorok „beragadása” rezonanciában. Ilyenkor a megnövekedett amplitúdójú rezgés „táplálása” akkora teljesítményt igényel, hogy a fordulatszám nem növekszik tovább, „beragad” a rezonanciába. A másik érdekes jelenség a forgórészek szinkronizációja. Ez azt jelenti, hogy a forgórészek egymásra hatása miatt a fordulatszámok bizonyos feltételek mellett egyenlővé válnak akkor is, ha egyébként a motorokra kapcsolt feszültségek különbsége miatt ezt nem várnánk.
- Kérdés, hogy a beragadás és a szinkronizáció milyen paraméterek mellett és milyen körülmények között jelentkezik?
A végső cél egy olyan kísérleti berendezés megépítése, amely elég pici ahhoz, hogy ellenőrizhető legyen a működési elv kis méretekben, de lehetőség legyen mérések elvégzésére, és az ezekhez szükséges szenzorok elhelyezésére.
Módszerek
A mechanikai modell megalkotása többtest-modellezéssel történt. A modell fő alkotóelemei a két excentrikus forgórész, az azokat meghajtó motorok, a váz, amelyhez a motorok kapcsolódnak, valamint a váz rugalmas felfüggesztése, amely az egész szerkezetet a környezethez kapcsolja. A berendezés része a szabályozás, ami a mechanikai modellben a forgórészekre ható nyomatékként jelenik meg, így a matematikai modell ezen keresztül tartalmazza a szabályozási stratégiát. A motorok elektromos viselkedése jelleggörbéjükkel adható meg. A modell bemenő paraméterei a motorokra kapcsolt feszültségek.
A vizsgálat lépései: mechanikai modell és az ebből származó mozgásegyenletek
A matematikai modell segítségével megvizsgálhatók a berendezés állandósult mozgásai szabályozással, illetve szabályozás nélkül, valamint megvizsgálható ezeknek a mozgásoknak a stabilitása, vagyis hogy például szabályozás nélkül mely munkapontokban tudjuk üzemeltetni a berendezést, vagy milyen paramétereket kell beállítani az optimális szabályozás eléréséhez.
|
Numerikus modell a szimulációhoz |
További vizsgálati lehetőség, hogy a matematikai modell alapján numerikus szimulációt készítünk. Itt lehetőségünk nyílik arra, hogy a valós működést nagy pontossággal közelítsük. Figyelembe tudjuk venni az alkatrészek mechanikai paramétereinek pontatlanságát, részletesen tudjuk modellezni az elektromos viselkedést, valamint a digitális szabályozás tulajdonságait is figyelembe lehet venni (diszkrét mintavételezés, digitális ki- és bemenő jelek, időkésés stb.).
A kettős excenter CAD modellje |
A berendezés megvalósulásához a működési elv ismeretében meg kell tervezni az alkatrészeket, és le kell gyártani azokat.
Eddigi eredmények
A kutatás jelen állása szerint szimulációk segítségével bizonyítottuk, hogy a kettős excenteres megoldás működik. Szabályozás nélkül is léteznek olyan munkapontok, amelyeket a motorokra kapcsolt feszültségekkel be tudunk állítani, de a gyors és pontos működéshez szabályozni kell a motorokat. Figyelembe véve a tervezett eszköz fizikai paramétereit és a szabályozási stratégiát, Matlab® Simulink® modellt készítettünk.
A két meghajtó motorra kapcsolt feszültség különbsége (balra) és összege (jobbra), valamint a forgórészek fordulatszáma és fáziseltolódása közti összefüggés állandósult állapotban
A matematikai modell alapján vizsgáltuk a stacionárius mozgásokat és azok stabilitását szabályozás nélkül. Ezekre a vizsgálatokra alapozva felírható a meghajtó motorok módosított jelleggörbéje, és ennek segítségével összefüggést lehet teremteni a motorokra kapcsolt feszültségek és a kialakuló rezgés jellemzői között.
|
|
Elkészült az eszköz első prototípusa, amely már alkalmas arra, hogy mikrokontroller segítségével szabályozott módon meg is lehessen hajtani. |
Várható impakt, további kutatás
A duplaforgórészes vibromotor mind találmányként, mind pedig tudományos témaként kiváló lehetőségeket kínál.
Mint találmány, végső soron a termékként történő bevezetése a cél. Ehhez az első lépés a szabadalmi kérelem benyújtásával meg is történt, a találmány tehát már szabadon publikálható. Természetesen további cél a megfelelő ipari partnerek felkutatása, illetve egy tömeggyártásra alkalmas eszköz kifejlesztése.
Tudományos témaként a korábban említett mechanikai problémák jelentenek érdekes lehetőségeket. Ezek publikációja részben megkezdődött, de sok olyan terület van még, amelyek színvonalas folyóiratok érdeklődésére is számot tarthatnak.
Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény
Kapcsolódó saját publikációk:
Miklós Ákos, Szabó Zsolt, Vibrator with DC motor driven eccentric rotors. Periodica Polytechnika, 2012 (elfogadva)
Miklós Ákos, Szabó Zsolt, DC motorokkal gerjesztett rendszerek jelleggörbéje rezonanciában és szinkronizációja. In Proc.: XI. Magyar Mechanikai Konferencia, 2011. augusztus 29-31., Miskolc-Egyetemváros, Magyarország, 74. oldal (ISBN: 978-963-661-975-6)
Szabadalom:
Miklós Ákos, Wohlfart Richárd, Tóth András, Stépán Gábor, Jurák Mihály, Eljárás és rezgéskeltő eszköz mechanikai rezgés generálására. Iktatva 2012. május 15., Iktatószám: 1215584
Hasznos linkek:
[1] Haptic radar