Prototyp bistabilního elektromagnetického ventilu s permanentními magnety

V současnosti se stále více hovoří o nastávající průmyslové revoluci "Průmysl 4.0", ve které se klade důraz na vestavěnou inteligenci, vyšší účinnost, bezpečnost a spolehlivost všech zařízení v technických celcích. Jejich nedílnou součástí bývají elektromagnetické ventily, jejichž vývojem se budu zabývat v tomto článku - konkrétně vývojem prototypu ventilu, který jsem navrhl v rámci své diplomové práce.

Úvod do problematiky elektromagnetických ventilů

Ventil obecně je zařízení pro regulaci průtoku tekutin v potrubí. Pracuje na základě přeměny různých druhů energie na mechanický pohyb. Nejčastěji se využívají ventily hydraulické, pneumatické a elektromagnetické. Najdeme je v mnoha průmyslových odvětvích a inženýrských sítích, například v elektrárnách, ve vodárenských, teplárenských a v plynařských sítích, a také v chemickém průmyslu.

Základním principem elektromagnetických ventilů je silové působení elektromagnetu (cívky s magnetickým obvodem) na pohyblivou kotvu ventilu. Současné ventily však nejsou plně elektromagnetické, to znamená, že jejich funkci nezajišťuje pouze působení elektromagnetického pole, ale obsahují i pružiny nebo aretační mechanismy.

Monostabilní ventil

Ventily lze rozdělit do dvou základních skupin, a to na monostabilní a bistabilní. Monostabilní ventily mají pouze jednu stabilní polohu (otevřeno nebo uzavřeno), která je zajištěna pružinou. Přivedením elektrického proudu na cívku elektromagnetu se vytvoří magnetické pole, které svým silovým působením vyvede kotvu ze stabilní polohy. Po vypnutí proudu dojde k opětovnému navrácení ventilu do stabilní polohy. Princip je znázorněn na obrázku.

Bistabilní ventil

Bistabilní ventily mají dvě stabilní polohy, které jsou běžně zajištěny pružinami nebo aretačními mechanismy. Současné bistabilní ventily většinou nejsou plně automatické, ale buď poloautomatické (uvedení do jedné stabilní polohy se musí provést manuálně) nebo zcela manuálně řízené. Takto provedené elektromagnetické ventily mají nevýhody, které bude potřeba s novými koncepcemi odstranit. Pracovní kanál klasických ventilů se díky svému tvaru vyznačuje nezanedbatelnými tlakovými ztrátami.

Současné trendy

Obecnými požadavky na moderní ventily jsou vysoká rychlost reakce, nízká energetická náročnost provozu, spolehlivost a bezpečnost. V současnosti je předmětem vývoje nahrazení pružin permanentními magnety, které eliminují nedostatky způsobené pružinami. Navíc nahrazením pružin permanentními magnety se ventil stává plně elektromagnetický, to znamená, že veškerá funkce ventilu je zajištěna pouze elektromagnetickým polem. Permanentní magnety je také možno umístit mimo pracovní kanál s tekutým médiem, díky tomu je možné velmi jednoduše fyzicky oddělit pracovní kanál od řídicí části ventilu. Umístění magnetů mimo pracovní kanál zamezuje degradaci magnetů způsobenou nečistotami, které jsou obsaženy v tekutém médiu. Snížení tlakových ztrát se dá pak docílit koaxiální konstrukcí ventilu. V něm se pohyb kotvy ventilu neuskutečňuje jako u klasických ventilů kolmo na pracovní kanál, ale ve stejném směru, kterým je pracovní kanál orientován.

Vestavěná inteligence

Velmi důležitým požadavkem, který je hlavní myšlenkou konceptu Průmysl 4.0, je vestavěná inteligence. To je schopnost zařízení, aby samo dokázalo vyhodnotit svůj stav, v případě ventilů vyhodnotit poruchové stavy, to jest stavy, kdy daná operace (otevírání nebo zavírání) nebyla úspěšně vykonána. Konkrétně se může jednat například o situaci, kdy se kotva ventilu při otevírání nedostala do stabilní polohy zajištěné permanentním magnetem, a nedošlo k úspěšnému otevření ventilu.  Mezi další požadavky také patří schopnost komunikovat s dalšími zařízeními v daném technologickém okruhu. Takovému technologickému okruhu se pak říká multiagentní systém.

Popis nového prototypu

Na Katedře teoretické elektrotechniky Fakulty elektrotechnické na Západočeské univerzitě v Plzni vyvíjíme prototyp plně elektromagnetického ventilu s permanentními magnety. Konstrukce ventilu umožňuje umístit magnety mimo pracovní kanál. Ventil je svou konstrukcí koaxiální, to znamená, že kanál je válcově symetrický a kotva se pohybuje v ose kanálu. Tento ventil je navržen tak, aby byl modulární a z jednotlivých částí bylo možné sestavit buď monostabilní ventil, nebo bistabilní.

Při návrhu ventilu bylo nejprve potřeba provést analýzu rozložení magnetického pole, a určit její pomocí síly působící na kotvu. Poté jsme metodou Monte Carlo provedli optimalizaci magnetického obvodu s požadavky na co nejvyšší přídržné a otevírací síly. Výsledkem optimalizace byly optimální rozměry, při nichž se dosáhne nejvyšší síly. Následoval návrh cívek: zvolili jsme počet závitů 250 s vodiči o průřezu 0,4418 mm². Pro permanentní magnety jsme na 3D tiskárně vytiskli kruhovou šablonu, do které byly vloženy neodymové kvádrové magnety.

Po analýze magnetických sil a návrhu magnetického obvodu následovala simulace dynamiky, ze které jsme zjistili, že celková doba od sepnutí cívky po otevření ventilu je přibližně 50 ms. Po experimentálním ověření ventilu jsme vysokorychlostní kamerou naměřili otevírací dobu taktéž přibližně 50 ms.

V současnosti se na ventilu provádí měření silových charakteristik a testování modulárního režimu. Po ověření správné funkčnosti ve všech režimech budeme provádět hydrodynamické měření mezního tlaku, při kterém je ventil ještě schopen spolehlivě pracovat. Po kompletním proměření všech vlastností bude na řadě vytvořit řídicí systém pro bezsenzorové řízení ventilu.

Věříme, že nový typ ventilu najde uplatnění např. v elektrárnách, ve vodárenských, teplárenských a v plynařských sítích, a v chemickém průmyslu.

Pozn. redakce: Karel Pospíšil úspěšně soutěžil v Ceně Nadace ČEZ 2017, kde získal 2. místo v kategorii Elektrické přístroje a stroje.

Karel Pospíšil