Sistem Electromagnetic De Tractare A Vehiculelor(alb Negru) [617156]

UNIVERSITATEA TEHNICĂ din CLUJ-NAPOCA
FACULTATEA de INGINERIE ELECTRICĂ

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A
VEHICULELOR

I. ENUNȚUL TEMEI:
………………………………………………………..

II. CONȚINUTUL proiectului de diplomă/lucrării de disertație
a) Piese scrise
b) Piese desenate
c) Anexe

III. LOCUL DOCUMENTĂRII:
…………………………………………………

IV. CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC:
………………………………………………

V. Data emiterii temei: ………………………………………………

VI. Termen de predare: ……………………………………………….

Conducător științific, Absolvent: [anonimizat].Dr.Ing. Ștefan Breban Gurzău Ionuț-Gabriel

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 2

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 3

Declarație-angajament : Deoarece acest proiect de diplomă/lucrare de disertație nu ar fi putut fi
finalizat(ă) fără ajutorul membrilor departamentului ……………………….… și a echipamentelor
de la departament, mă angajez să public informațiile conținute în lucrare numai cu acordul scris al
conducătorului științific și al directorului de departament.

Data: ………… Semnătura

Declarație : Subsemnatul …………………….……………… declar că am întocmit prezentul
proiect de diplomă/lucrare de disertație prin eforturi proprii, fără nici un ajutor extern, sub
îndrumarea conducătorului științific și pe baza bibliografiei indicate de acesta.

Data: ………… Semnătura

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 4

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 5
Cuprins

1. Introducere ……………………………………………………………………………………………………………… 7
1.1 Motivația și importanța subiectului ales…………………………………………………………………….. 7
1.2 Obiectivele cercetării ………………………………………………………………………………………………. 9
1.3 Prezentarea strategiei de lucru ………………………………………………………………………………….. 9
2. Forțele de rezistență la înaintare …………………………………………………………………………….. 10
2.1 Rezistența la rulare ……………………………………………………………………………………………….. 11
2.2 Rezistența aerului …………………………………………………………………………………………………. 12
2.3 Rezistența pantei ………………………………………………………………………………………………….. 13
2.4 Rezistența la demaraj ……………………………………………………………………………………………. 13
3. Electromagneți și magneți permanenți în acționări electrice …………………………………….. 14
3.1 Materiale magnetice ……………………………………………………………………………………………… 15
3.2 Electromagnetul …………………………………………………………………………………………………… 18
3.3 Magnetul permanent ……………………………………………………………………………………………… 20
4. Calculul forțelor rezistive pentru un autovehicul electric …………………………………………. 22
4.1 Rezistența la rulare ……………………………………………………………………………………………….. 22
4.2 Rezistența aerului …………………………………………………………………………………………………. 23
4.3 Rezistența pantei ………………………………………………………………………………………………….. 24
4.4 Ecuația generală de mișcare …………………………………………………………………………………… 24
5. Calculul unui electromagnet de curent continuu …………………………………………………….. 25
5.1 Calculul miezului feromagnetic ……………………………………………………………………………… 25
5.2 Calculul bobinei …………………………………………………………………………………………………… 29
5.3 Forța portantă ………………………………………………………………………………………………………. 32
6. Modelarea și simularea sistemului electromagnetic ………………………………………………… 33
Cazul I. Circuitul magnetic cu bobine și magneți permanenți ………………………………………….. 36
Cazul II. Circuit magnetic doar cu bobine …………………………………………………………………….. 40
Cazul III. Circuit magnetic doar cu magneți permanenți …………………………………………………. 41
Cazul IV. Demagnetizarea temporală a magnetului permanent ………………………………………… 42
7. Concluzii ………………………………………………………………………………………………………………. 45
8. Bibliografie …………………………………………………………………………………………………………… 46
9. Anexe ……………………………………………………………………………………………………………………. 48

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 6

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 7 1. Introducere
1.1 Motivația și importanța subiectului ales

Încă din cele mai vechi timpuri, omul a avut nevoie de a se deplasa. Transportul
reprezentând una din cele mai importante activități pentru satisfacerea celor mai mari nevoi
precum cele fiziologice, de siguranță sau sociale. Limitele fizice ale corpului uman privind
distanța ce poate fi parcursă, cât și a vitezei atinse sau a cantității de bunuri ce poate fi ridicată au
dus la descoperirea unor game variate de moduri și mijloace de transport. Inventarea roții, în
urmă cu aproximativ 5000 de ani înaintea erei noastre, a motoarelor cu aburi și cu combustie
internă și în cele din urmă a dezvoltării mașinilor electrice cât și a bateriilor au dus la
revoluționarea transporturilor.
Industria auto este singurul sector economic cheie din lume pentru toate statele. Implicată
în proiectarea, dezvoltarea, producerea și comercializarea autovehiculelor, înregistrează o
creștere semnificativă mai ales pentru autovehiculele electrice sau hibride. Datorită avansului
tehnologic din domeniul electronicii, autovehiculele electrice au devenit o soluție fiabilă și
eficientă pentru înlocuirea mașinilor cu combustie internă.
Gradul ridicat de poluare cu care se confruntă întreaga planetă este cauzat într-o mare
măsură de numărul mare al mașinilor cu ardere internă, acesta ridicându-se la peste 1,3 miliarde
și doar 3,28 milioane de autovehicule electrice. Având in vedere rata de creștere continuă, este
de așteptat ca până în anul 2036 numărul total al autovehiculelelor să crească până la 2,8
miliarde.[1] În acest context, și având in vedere ca aproape jumătate din spațiul urban este
destinat infrastructurii rutiere, apare o problematica majoră: supraaglomerarea traficului și
imposibilitatea de a extinde infrastructura de transport pentru a satisface cererea.[2]
Faptul că posibilitățiile fizico-spațiale ale orașului sunt copleșite de numărul tot mai mare
de automobile, aspect care contribuie la ambuteiaje si la blocarea traficului urban, rezulatul final
concretizându-se in creșterea continuă a poluării aerului, m-a determinat să vin cu o soluție
tehnică de ameliorare a acestor probleme prin actuala lucrare.[3]
Astfel, printr-un sistem electromagnetic de tractare, capabil să cupleze autovehiculele
electrice între ele, s-ar reduce considerabil suprafețe din spațiul carosabil care până atunci ar fi
fost de neutilizat. Autovehiculele cu tronson comun de mers s-ar putea cupla, distanța dintre ele
ar fi de doar cațiva milimetri, exact lungimea întrefierului dintr-un circuit magnetic format
dintr-un electromagnet si un magnet ca cel din Figura 1.1.

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 8
Figura 1.1 Circuit magnetic cu electromagnet și magneți permanenți în armătura mobilă

Reducerea suprafeței dintre autovehicule ar fi un mare avantaj mai ales în proximitatea
intersecțiilor, existând posibilitatea ca spațiul care în mod normal ar fi irosit să fie redistribuit
pentru ocupare altor participanți la trafic. În legislația rutieră actuală din România cât și în cea
ale altor țări nu există vreo prevedere cu privire la obligativitatea păstrării unei distanțe față de
autovehiculul din față în cazul staționării la semafor, cu toate acestea, unii șoferi adoptă distanțe
între 1 până la 3 metri, distanțe mari ce contribuie la aglomerarea infrastructurii rutiere.
Un alt avantaj al acestui sistem ar fi reducerea de consum electric pentru autovehiculele
electrice cât și reducerea de combustibil pentru autovehiculele cu ardere internă, acestea, dacă ar
avea un tronson comun cu un autovehicul electric de transport în comun de tip troleibuz ar avea
posibilitatea de a-și întrerupe alimentarea proprie și de a se baza pe tracțiunea asigurată de
mijlocul de transport în comun ce își extrage energia de la rețeaua electrică. Pe tronsoane
comune, unde nu există infrastructură pentru mijloace de transport în comun conectate la rețea,
autovehiculele se pot cupla cu ajutorul sistemului electromagnetic și să-și distribuie uniform
forțele de tracțiune dezvoltate, având ca rezultat în unele situații o economisire de energie.
Sistemul electromagnetic ar fi un avantaj și pentru situațiile în care autovehiculele ar rămâne fără
combustibil sau energie electrică, acestea ar putea fi tractate de către alți participanți la trafic.

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 9 Aceste situații aduc însă necesitatea de comunicare între autovehicule pentru schimbul de
informații precum date de referință, cum ar fi viteza și poziția sau nivelul de încărcare al bateriei.
Pe lângă avantajul de fluidizare al traficului, siguranța transportului urban ar crește,
interconectarea autovehiculelor limitează posibilitatea apariției de accidente, iar unele tamponări
ușoare ar putea fi evitate prin alimentarea inversă a bobinei electromagnetului, dezvoltându-se
astfel niște forțe de respingere menite să limiteze impactul dintre autovehicule.

1.2 Obiectivele cercetării

Obiectivul principal al acestei lucrări este de a proiecta un sistem electromagnetic care să
dezvolte forțe de atracție, între armături, capabile să permită tractarea unor vehicule.
Alt obiectiv este modelarea și testarea sistemului electromagnetic într-un software de
specialitate, din punct de vedere al distribuției linilor de câmp magnetic, al forțelor de atracție
sau de respingere, al magnetizării sau demagnetizării materialului pentru o verificare a
caracteristicilor cât mai fidelă cu realitatea.

1.3 Prezentarea strategiei de lucru

Primul pas pentru conceperea lucrării a fost calculul forțelor rezistive împreună cu
elemente de dinamica autovehicului. Pe baza calculelor din diferite cazuri, modificând parametrii
precum accelerația, coeficientul de rezistență la rulare, unghiul pantei sau viteza vântului s-au
identificat forțele rezistive maxime.
Ținând cont de cea mai mare valoare a forței rezistive totale ce se poate exercita asupra
automobilului ales, am proiectat un electromagnet de curent continuu de tip „U” capabil să
dezvolte o forță mai mare. Apoi, cu ajutorul unui software de simulare a sistemelor
electromagnetice am realizat o serie de teste în vederea identificării principalelor caracteristici
prin metoda elementelor finite.

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 10 2. Forțele de rezistență la înaintare

În categoria autovehiculelor sunt incluse automobilele, motociclurile, vehiculele tractate,
trenurile rutiere, troleibuzele, tricicletele cu motor, motocicletele și motoretele. Automobilele se
clasifică în autoturisme, autobuze, vehiculele speciale, vehicule tractoare de remorcă și vehicule
tractoare de semiremorcă, iar formațiile alcătuite din unul sau mai multe vehicule tractate sunt
numite ansamble de autovehicule.[4]
Capacitatea autovehiculelor de deplasare apare datorită transmisiei către roțile motoare a
energiei mecanice dezvoltată de motoare de combustie internă sau mașini electrice. Mișcarea
autovehicului este caracterizată de sensul si mărimea forțelor ce se exercită asupra lui, forțe
precum: forța de tracțiune, rezistențele la înaintare, reacțiunile normale ale drumului sau forța de
inerție.
Rezistențele la înaintare se opun mișcării autovehiculului și influențiază atât caracterul
mișcării cât și mărimea vitezei acestuia. Ele se compun din: rezistența la rulare, rezistența la
urcarea pantei, rezistența aerului, rezistența la accelerare sau la demarare și forța de tracțiune la
cârlig.
Forța de tracțiune echilibrează suma tuturor rezistențelor la o deplasare cu viteză
constantă, iar forța de inerție este nulă. În cazul unei mișcări accelerate, forța de tracțiune
echilibrează atât rezistențele la înaintare cât și forța de inerție care se opune deplasării, iar
surplusul de energie dezvoltat de motor se utilizează la accelerarea mișcării și se acumulează ca
energie cinetică. În cazul frânării, forța de tracțiune este nulă, iar forța de inerție este forță activă,
învingerea rezistențelor la înaintare datorându-se energiei cinetice acumulate în timpul
demarajului.
Rezistența la rulare și rezistența aerului sunt în toate cazurile forțe care se opun mișcării
autovehiculului. Rezistența la urcarea rampei se opune mișcării numai la urcare, iar la coborâre
devine forță activă. Rezistența la accelerare sau la demarare, acționează asupra autovehiculului
numai în timpul regimurilor tranzitorii și se opune mereu tendinței de modificare a vitezei.
Astfel, la accelerarea autovehiculului acționează ca rezistență la înaintare, iar la frânare este forță
activă. Forța de tracțiune la cârlig se opune mișcării la urcarea pantei și la deplasarea pe drum
orizontal, iar la coborârea pantei devine forță activă.[5]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 11
2.1 Rezistența la rulare

Rezistența la rulare este o forță cu acțiune permanentă la rularea roților pe cale și de sens
opus sensului deplasării autovehiculului. Cauzele fizice ale acestei rezistențe la înaintare sunt:
deformarea cu histerezis a pneului, frecări superficiale între pneu și cale, frecările din lagărele
roții, deformarea căii, percuția dintre elementele pneului și microneregularitățile căii, efectul de
ventuză produs de profilele cu contur închis pe banda de rulare etc.[6]
Pierderile prin histerezis cumulate cu energia pierdută prin frecarea între pneu și calea de
rulare și pierderile cauzate de efectul de ventuză se regăsesc la rularea autovehicului pe căi dure,
iar pierderile de energie pentru deformarea solului se regăsesc în cazul rulării pe suprafețe
deformabile.
Valoarea rezistenței la rulare este proporțională cu valoarea coeficientului de rezistență la
rulare. Coeficientul de rezistență la rulare este influențat de construcția pneului, viteza de
deplasare, presiunea aerului în pneu, unghiul de derivă, mărirea momentului motor și
particularitățile căii de rulare.
Din punct de vedere constructiv, coeficientul de rezistență la rulare este afectat de
numărul de pliuri echivalente, tipul anvelopei (radială sau diagonală), unghiul la coroană al
cordului, histerezisul cauciucului, materialul cordului, raportul dintre înălțimea și lățimea
anvelopei și diametrul pneului. Dacă numărul de pliuri este mare, energia pierdută prin frecare
este mai mare, prin urmare si coeficientul va fi mai mare. Pneurile diagonale au un coeficient de
rezistență la rulare mai mare decât pneurile radiale. În funcție de materialul cauciucului, valoarea
lucrului mecanic pierdut prin histerezis se poate reduce cu până la 40%.
În timpul rulării, datorită fenomenului de histerezis și frecării benzii de rulare pe
suprafața carosabilă, temperatura aerului din interiorul pneului crește, prin urmare presiunea
aerului crește, iar deformațiile pneului se reduc, rezultatul fiind reducerea pierderilor prin
histerezis.
Pentru o cale de rulare deformabilă este de recomandat ca presiunea aerului din pneu să
se reducă până la o valoare optimă pentru ca suprafața de contact a pneului cu solul să crească și
presiunea medie pe sol să scadă pentru o deformare a solului cât mai mică. Dacă valoarea
presiunii din interiorul pneului scade însă sub valoarea optimă, deformațiile la nivelul pneului se
intensifică, iar valoarea lucrului mecanic pierdut prin histerezis crește. [7]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 12
2.2 Rezistența aerului

Rezistența aerului este o forță de sens opus sensului de deplasare a autovehiculului,
paralelă cu suprafața carosabilă și uniform distribuită pe suprafața frontală a acestuia. Forța este
determinată de către interacțiunea dintre aerul aflat în repaus și autovehiculul aflat în mișcare
rectilinie.
Se datorează următoarelor cauze fizice: repartiția inegală a presiunilor pe partea din față
și din spate a caroseriei, frecarea dintre aer și suprafețele pe lângă care are loc trecerea acestuia,
energia consumată pentru turbionarea aerului și rezistența curenților exteriori folosiți pentru
răcirea diferitelor organe și pentru ventilarea caroseriei.[8]
Având în vedere că deplasarea
autovehiculelor se face în apropierea
solului, liniile de curent ale aerului nu se
închid în zona din spate a acestora astfel
rezultă un curent de aer turbionar precum
se poate observa în figura 2.1 .

Figura 2.1 Formarea curenților de aer turbionari[9]

Presiunile ce se crează în zona posterioară sunt inferioare presiunilor din zona anterioară
caroseriei, iar rezultanta diferențelor dintre presiuni pe direcția și sensul curentului formează
rezistența aerului datorită presiunii. Valoarea acestei forțe este influențată de forma caroseriei.[10]
Distribuția de presiuni pe suprafața caroseriei unui autovehicul se poate observa în figura 2.2 . În
funcție de presiunea atmosferică, presiunile sunt indicate ca fiind pozitive sau negative.

Figura 2.2 Distribuția de
presiuni pe caroseria unui
autovehicul[11]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 13
Rezistența aerului datorată presiunii este strict influențată de forma caroseriei. Fiecărui
autovehicul, în funcție de tipul caroseriei i se atribuie un coeficient de rezistență a aerului.
Forțele de frecare dintre aer și suprafața caroseriei poartă denumirea de rezistență datorită
frecării de suprafață. Suma acestor două forțe rezistente formând astfel rezistența aerului.[12]

2.3 Rezistența pantei
În cazul unei deplasări a
autovehicului pe o rampă, greutatea
aplicată în centrul de greutate al
acestuia are o componentă normală
pe drum (Ga∙cosα) și una paralelă
cu drumul (Ga∙ sinα), dupa cum se
poate observa în figura 2.3 . [13]

Figura 2.3 [14]
2.4 Rezistența la demaraj

În cazul unui regim tranzitoriu al mișcării autovehiculului, caracterizat prin mărirea
vitezei (demaraj) sau reducerea vitezei (frânare) se manifestă o forță numită rezistență la
demarare. Forța se datorează inerției pieselor în mișcare, atât cele în translație cât și cele în
rotație.
Masa autovehiculului în mișcare de translație capătă o accelerație liniară, iar piesele
aflate în mișcare de rotație, accelerații unghiulare. Influența asupra inerției în translație a pieselor
aflate în rotație se face printr-un coeficient δ , numit coeficientul de influență a maselor aflate în
mișcare de rotație.
La demarare, această forță se opune mișcării autovehiculului acționând ca o forță de
rezistență la înaintare, iar la frânare acționează ca o forță activă ce tinde să mențină
deplasarea.[15][16]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 14
3. Electromagneți și magneți permanenți în acționări electrice

În decursul ultimelor decenii, dezvoltarea materialelor magnetice a avut o evoluție
exponențială, iar utilizarea lor în viața de zi cu zi este aproape inevitabilă. Deși există pe planeta
noastră dintotdeauna, proprietățiile acestor materiale de a atrage alte corpuri au putut fi
valorificate de către om doar o dată cu evoluția tehnologică.
Fierul sau alte materiale magnetizabile se compun din mici magneți ce se numesc
domenii magnetice. Dacă aceste domenii au o orientare aleatorie, momentul rezultant al
eșantionului este nul, dar dacă domeniile se orientează dupa direcții mai mult sau puțin
apropiate, momentul magnetic rezultant al eșantionului devine diferit de zero, de aici și
proprietatea de a atrage alte corpuri.[17]
Câmpul magnetic poate fi deformat de prezența materialelor magnetice, liniile de câmp
se concetrează în interiorul acestora. Când domeniile magnetice sunt orientate după o singură
direcție, materialul este magnetizat și exercită forțe de atracție asupra materialelor
feromagnetice. Există materiale care rămân magnetizate chiar și după întreruperea câmpului
magnetic exterior, acestea se numesc materiale magnetice dure și sunt folosite în producerea de
magneți permanenți .
Magneții permanenți sunt omniprezenți și au o largă răspândire în multe domenii, fiind
utilizați în producerea de energie electrică, mecanică sau acustică. Au un rol important în
construcția mașinilor electrice, a traductoarelor, a dispozitivelor de ridicare și prindere, a
aparatelor de măsură etc.
Dacă introducem un material feromagnetic într-un solenoid, parcurs de un curent electric,
câmpul magnetic produs se intensifică. Având o permeabilitate magnetică mai bună, materialul
magnetic devine un loc ideal pentru concentrarea liniilor de câmp magnetic. Astfel, solenoidul
împreună cu miezul feromagnetic formează un electromagnet .[18]
Electromagneții sunt dispozitive electromagnetice ce transformă energia electrică în
energie mecanică. Având capacitatea de a crea forțe de atracție sau repulsie, acoperă și ei o zonă
largă de aplicabilitate. Electromagneții sunt întâlniți în tehnica echipamentelor electrice și
îndeplinesc atât funcții de măsurare și control, precum releele electromagnetice, cât și funcții de
execuție, precum dispozitivele electromagnetice de acționare.[19]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 15
3.1 Materiale magnetice
Materiale magnetice moi

Materialele magnetice moi sunt produse industriale foarte importante, având o piață de
aproximativ 6 miliarde de euro pe an. Acestea sunt eficiente în multiplicarea fluxului magnetic
într-o mare varietate de dispozitive.
Permeabilitatea magnetică relativă este parametrul principal în caracterizarea materialelor
magnetice moi și reprezintă o măsură a capacității de răspuns a materialului la câmpul magnetic
exterior aplicat. Alți parametri ce influențează caracteristiciile materialelor magnetice moi sunt:
câmpul coercitiv, magnetizația de saturație și conductivitatea electrică.
Performanțele materialului sunt date de:
 magnetizație de saturație ridicată;
 câmp coercitiv mic;
 energie de anizotropie magnetocristalină ce tinde la zero;
 temperatură Curie ridicată;
 rezistivitate electrică ridicată (pentru a minimiza pierderile de energie);
 stabilitate termică;
 rezistență la coroziune;
 duritate mecanică.[20]

Principalele tipuri de materiale magnetice moi:

a) Oțelurile electrice:
 proprietăți magnetice si mecanice bune;
 cost de producție redus.
Se folosesc în fabricarea circuitelor magnetice ale mașinile electrice rotative și ale
transformatoarelor electrice. [41]

b) Aliajele fier-nichel:
 permaeabilitate magnetica foarte mare;
 câmp coercitiv si pierderi magnetice mici.

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 16 c) Aliajele fier-cobalt:
 magnetizație de saturație mare;
 anizotropie redusă;
 permeabilitate magnetică ridicată.
d) Feritele moi:
 rezistivitate electrică ridicată;
 permeabilitate magnetică și inducție redusă.

Materiale magnetice dure

Cel mai important aspect al materialelor magnetice dure este capacitatea lor de a genera
un câmp magnetic propriu, din acest motiv sunt principale materiale folosite pentru fabricarea
magneților permanenți. Energia este înmagazinată în urma unui proces de magnetizare inițială ce
presupune ca magnetul să fie supus unui câmp magnetic exterior foarte puternic ce conferă o
magnetizație de saturație ridicată, după înlăturarea magnetului din câmpul magnetic exterior, se
păstrează în interiorul acestuia o importantă magnetizație remanentă.
Mărimea cea mai importantă ce caracterizează materialele magnetice dure este maximul
produsului energetic, numit și factorul de calitate statică, și reprezintă maximul densității
volumice a energiei pe care magnetul o poate oferi în exterior ca sursă independentă. [43]

Performanțele materialelor magnetice dure sunt date de:
 magnetizație de saturație ridicată;
 ciclu de histerezis rectangular;
 remanență ridicată;
 energie de anizotropie magnetocristalină uniaxială ridicată;
 un produs energetic maxim ridicat;
 coercitivitate ridicată;
 stabilitate termică;
 temperatură Curie ridicată;
 duritate mecanică;
 rezistență la coroziune.[21]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 17

Principalele tipuri de materiale magnetice moi:

a) Aliajele Alnico:
 inducție remanentă ridicată;
 stabilitate termică bună;
 forță coercitivă redusă;
 ușor de demagnetizat;
 rezistență la coroziune.

b) Feritele dure:
 rezistivitate electrică mare;
 inducție magnetică de saturație mică;
 temperatură Curie scăzută;
 greu de prelucrat mecanic;
 proprietăți mecanice slabe.

c) Aliajele samariu-cobalt:
 stabilitate termică;
 rezistență mare la coroziune;
 forță coercitivă mare;
 proprietăți mecanice slabe;
 magnetizare foarte puternică.

d) Aliajele neodim-fier-bor (Nd-Fe-B):
 forță coercitivă mare;
 produs energetic mare;
 rezistență mare la câmpurile externe de demagnetizare;
 rezistență mică la coroziune;
 sensibilitate termică. [42]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 18
3.2 Electromagnetul
Dispozitive electromecanice de conversie a energiei electrice în energie mecanică,
electromagneții, au ca element constructiv un miez feromagnetic peste care este amplasată o
bobină. Miezul feromagnetic se împarte în armătura fixă și în armătura mobilă. Principiul de
funcționare constă în alimentarea bobinei cu un curent de excitație ce va induce un câmp
electromagnetic în interiorul miezului feromagnetic astfel încât asupra armăturii mobile se vor
exercita forțe sau cupluri active capabile să efectueze o deplasare acesteia.[22]
Electromagneții acoperă o arie largă de aplicabilitate, fiind folosiți: ca elemente de
acționare în construcția unor aparate electrice de comutație (contactoare, relee), ca elemente de
acționare pentru cuple și ambreiaje electromagnetice, pentru frâne electromagnetice, pentru
fixarea unor piese (mese magnetice pentru mașini unelte), pentru ridicare și transport de piese
(macarale electromagnetice), ca elemente sensibile la prezența unui curent sau a unei tensiuni
(relee de curent sau tensiune) etc. [23]
În figura 3.1 se pot indentifica elementele constructive ale unui electromagnet de formă
„U”, în care notațile sunt:
1. -jug feromagnetic;
2. -piese polare;
3. -armătura mobilă;
4. -bobina;
δ. -întrefier de lucru liniar;
a. -armătura mobilă de translație
x. -deplasare;
m. -masa redusă;
Fr. -forța rezistentă;
MS.-subsistem mecanic;
Sδ. -suprafața polară;
Fa. -forța activă;
δi. -întrefierul inițial maxim.

Figura 3.1 Electromagnet de formă „U” [44]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 19 Pe lângă principalele elemente constructive din figura 3.1 se mai pot adăuga alte
elemente auxiliare cu rol mecanic destinate unor deplasări predeterminate a armăturii mobile,
unei ghidări cu frecări minime sau pentru fixarea electromagnetului.
Circuitul magnetic al electromagnetului este compus din armătura fixă, alcătuită din jug
și piese polare, armătura mobilă și suprafața întrefierului. Fluxul magnetic produs de bobină
străbate aceste elemente ale circuitului magnetic, iar circuitul electric este constituit din bobine.
Bobinele se alimentează cu ajutorul unor generatoare de curent sau tensiune. [45]
Pentru calculul parametrilor ce descriu funcționarea unui electromagnet se folosesc
scheme echivalente ale circuitelor magnetice și electrice. Astfel, o schemă echivalentă a
circuitului magnetic se poate identifica în figura 3.2, în care notațiile sunt:
θ -solenația;
ϕt -fluxul magnetic total;
ϕd -fluxul magnetic de dispersie;
ϕδ -fluxul magnetic util;
ℜj -reluctanța magnetica a jugului;
ℜ1-ℜ4 -reluctanțele pieselor polare;
ℜd -reluctanța fluxului magnetic de
dispersie
ℜa -reluctanța magnetică a armăturii
mobile; Figura 3.2 Schema echivalentă a circuitului magnetic[24]
ℜδ -reluctanța magnetică a
întrefierului.[24]

Electromagneții se pot clasifica după:
 tipul alimentării: electromagneți de curent continuu sau de curent alternativ;
 tipul constructiv: electromagneți cu mișcare de translație sau de rotație, de tip plonjor, cu
armătura fixă având configurație de tip U, E sau în manta;
 modul de lucru: atragere și elevator;
 modul de conectare în circuit: serie sau paralel;
 durata acționării: electromagneți rapizi, normali și temporizați;
 timpul de funcționare: de durată, intermitent și de scurtă durată;
 după funcția îndeplinită: electromagneți pentru măsurare și control, respectiv
electromagneți de execuție (de acționare).[25] [26]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 20

Forța electromagnetică dezvoltată de către electromagnet și care se exercită asupra
armăturii mobile depinde de variația energiei magnetice înmagazinate în spațiul destinat
câmpului magnetic. Spațiul este format din întrefierurile de lucru si parazite, zonele ocupate
de fluxurile de dispersie și circuitele feromagnetice. Forța de atracție depinde și de forma
electromagnetului, de poziția relativă a armăturii și a miezului, suprafața polilor etc.
În cazul electromagnețiilor de curent continuu, forța este constantă datorită curentului
continuu, însă în cazul electromagnețiilor de curent alternativ, forța are o variație pulsatorie
datorită fluxului ce variază în timp. Această variație pulsatorie a forței generează vibrații
armăturii mobile ce pot duce la distrugerea electromagnetului. Pentru eliminarea vibrațiilor
se poate interveni cu soluții precum producerea a două forțe defazate în timp sau mărirea
masei armăturii mobile.
Înfășurările electromagnetului se fabrică din cupru sau aluminiu pe o carcasa din material
izolant. Firul este la rândul său izolat electric cu materiale precum bumbacul, mătasea sau
emailul, iar între straturile infășurărilor se pune o hârtie electrotehnică. Aceste materiale au
însă un prag termic maxim ce trebuie respectat pentru a nu se ajunge la distrugerea
electromagnetului, din acest considerent, încălzirea bobinei constituie o condiție de
predimensionare, dimensiunile principale ale electromagnetului fiind alese pentru o aerisire
cât mai bună.[27]

3.3 Magnetul permanent
Un magnet permanent dezvoltă un câmp magnetic în afara limitei sale geometrice, după
ce a fost inițial magnetizat cu un câmp magnetic puternic din exteriorul său, fără a mai avea
nevoie de un aport energetic aplicat din exterior.[28]
O utilizare corectă a magneților permanenți în
acționări electrice se face, folosind împreună cu
aceștia, un material de reluctanță mică și inducție de
saturație mare pentru a modifica circuitul magnetic. În
funcție de aplicație, se folosește fier silicios, fier moale
sărac în carbon, aliaje cu cobalt sau diferite sorturi de
permalloy. Figura 3.3[46]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 21 Cu ajutorul unor piese polare prinse pe magnet, fluxul magnetic este concentrat, iar
întrefierul minimizat. Având în vedere că magneții nu pot avea forme complexe din cauza
fabricării dificile, și din necesitatea unui circuit magnetic cu o formă relativ complicată, piesele
polare vor fi proiectate după preferințe, iar magneții permanenți vor rămane la o formă simplă,
după cum se poate observa în figura 3.3. Magnetul permanent trebuie poziționat pentru o
dispersie minimă a fluxului și pentru o concentrare a fluxului magnetic în întrefier, închiderea
liniilor de câmp se poate observa în figura 3.4.

Figura 3.4 Închiderea liniilor de câmp magnetic[47]
În multe aplicații, rolul magneților permanenți este de fixare a unei piese feromagnetice,
fiind cazul în care piesa feromagnetica este în contact direct cu magnetul sau cazul în care
magnetul trebuie să atragă de la o anumită distanță piesa. Indiferent de situație, forța de prindere,
dacă este cazul, se poate micșora prin demagnetizarea totală sau parțială a magnetului sau prin
scurtcircuitarea acestuia.
Demagnetizarea magneților se face prin amplasarea unei bobine pe circuitul magnetic.
Bobina se alimentează astfel încât să creeze un câmp electromagnetic de sens opus cu sensul
câmpului generat de magnetul permanent, un astfel de exemplu se poate identifica în figura 3.5.

Figura 3.5 Sistem de prindere cu
magneți permanenți și bobine de
demagnetizare[29]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 22 4. Calculul forțelor rezistive pentru un autovehicul electric

Pentru determinarea forțelor rezistive s-a considerat un autovehicul electric Smart
Forfour cu următoarele specificații:
 masa, m= 1.200 kg;
 lungimea, L= 3.495 mm;
 lățimea, l= 1.665 mm;
 înălțimea, h= 1.554 mm;
 ampatamentul, L a= 2.494 mm;
 ecartamentul față, l f= 1.469 mm;
 accelerație 0-100 km/h: 12,7 s.[30]

Condițiile de rulare ale autovehicului s-au adoptat cât mai dificile pentru o acoperire a
tuturor situaților reale ce pot interveni, astfel:
 masa totală (autovehicul + pasageri + bagaje) este m t= 1.600 kg;
 viteza autovehicului, v= 100 km/h;
 accelerația, a cc= 1,852 ௠
௦మ;
 unghiul pantei, β= 3°;
 coeficientul de rezistență la rulare: f r= 0,02;
4.1 Rezistența la rulare
Pe baza valorii masei din datele inițiale se determină greutatea autovehicului ca fiind:

𝐺௔=𝑚௧∙𝑔=15.696 𝑁 (1)

unde g este acceleratia gravitațională, g= 9,81 ௠
௦మ;
Pentru determinarea reacțiunilor la puntea din față respectiv puntea din spate, s-au folosit
valori medii din literatura de specialitate, conform Anexei 1, pentru parametrii coordonatelor
centrului de greutate în plan longitudinal a, b și pentru înalțimea centrului de greutate h g, astfel:
 𝑎 = 1,37 𝑚
 𝑏 = 1,12 𝑚
 ℎ௚= 1,37 𝑚

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 23
, iar înclinația drumului conform datelor inițiale:

𝛼=3° (2)

Reacțiuniile la puntea din față respectiv puntea din spate sunt:

𝑃ଵ=𝐺௔∙𝑏∙cos(𝛼)+ℎ௚∙sin(𝛼)
𝐿௔=7.203,75 𝑁 (3)

𝑃ଶ=𝐺௔∙𝑎∙cos(𝛼)+ℎ௚∙sin(𝛼)
𝐿௔=8.774,97 𝑁
(4)
, iar rezistențele la rulare pentru puntea din față respectiv puntea din spate:

𝐹௥ଵ=𝑃ଵ∙𝑓௥=144,07 𝑁
(5)
𝐹௥ଶ=𝑃ଶ∙𝑓௥=175,5 𝑁
(6)
unde f r este coeficientul de rezistență la rulare specific unei căi de rulare din asfalt, conform
Anexei 2, f r= 0,02;
Rezistența la rulare este:
𝐹௥=𝐹௥ଵ+𝐹௥ଶ=319,57 𝑁 [31] (7)
4.2 Rezistența aerului
S-a folosit relația:

𝐹௪=1
2∙𝜌∙𝐴௙∙𝐶ௗ∙(𝑣+𝑣௪)ଶ (8)

, unde ρ este densitatea aerului, 𝜌 = 1,225 ௞௚
௠య, iar A f este aria secțiunii transversale a
autovehiculului:

𝐴௙=𝑙௙∙ℎ=1,469∙1,554=2,283 𝑚ଶ (9)

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 24
Coeficientul de rezistență a aerului, C d, este specific caroseriei autovehicului și este
precizat de către producător, C d= 0,35. [35]
Viteza autovehicului s-a notat cu „v” și are valoarea de 100 km/h: v= 27,778 m/s, iar v w
este viteza vântului și s-a considerat ca fiind nulă.
Astfel, a rezultat rezistența aerului:

𝐹௪=ଵ
ଶ∙𝜌∙𝐴௙∙𝐶ௗ∙(𝑣+𝑣௪)ଶ=377,7 𝑁 [32] (10)

4.3 Rezistența pantei
Pe baza greutății autovehicului și a înclinării drumului rezultă rezistența pantei:

𝐹௚=𝐺௔∙sin(𝛼)=821,46 𝑁 (11)

, unde G a= 15.696 N și α= 3°. [33]

4.4 Ecuația generală de mișcare

Ecuația generală de mișcare este exprimată prin relația:

𝛿௥∙𝑚௧∙𝑎௖௖=𝐹௧௢௧௔௟ă−(𝐹௥∙𝐹௪∙𝐹௚) (12)

, unde 𝛿௥ este coeficientul maselor aflate în mișcare de rotație, 𝛿௥= 1,05, conform Anexei 3. [34]

De unde rezultă forța rezistivă totală:

Ftotală= 4.629,76 N

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 25
5. Calculul unui electromagnet de curent continuu

Pentru calculul electromagnetului s-au impus următoarele date inițiale:
 tensiunea nominală, U n= 24 V;
 durata de conectare, DC= 0,15;
 temperatura ambiantă, θ a= 35° C;
 forța rezistentă inițială minimă, F R0= 50 N;
 forța rezistentă inițială maximă, F R1= 100 N;
 valoarea întrefierului inițial, δ 0= 10 mm.
5.1 Calculul miezului feromagnetic
Miezul feromagnetic pentru amplasarea bobinei, de formă rectangulară se identifică în
figura 5.1. Ca și material pentru miezul feromagnetic s-a ales un material magnetic moale, oțelul
electric fără orientare, 50JNE470, produs de compania JFE Steel cu caracteristica de
magnetizare din Anexa 4. [50]

Figura 5.1 Schema miezului feromagnetic[36]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 26
Cu proprietăți magnetice superioare, materialul dispune la o intensitate a câmpului
magnetic de: H= 20.000 A/m de o densitate a fluxului de B Fe= 2 T.
Pentru un calcul preliminar al miezului, se impune condiția tehnică de funcționare la o
tensiune de alimentare sub cea nominală, astfel:

𝑈=0,85∙𝑈௡=20,4 𝑉 (13)

Având în vedere forța rezistentă inițială, F R0, se definește forța de calcul F c la nivelul unei
perechi de piese polare:

𝐹௖= 𝑘௦௜௚𝐹ோ଴
2=27,5 𝑁 (14)

, unde k sig reprezintă coeficientul de siguranță al acționării, k sig=1,1 (Anexa 5).
Secțiunea transversală a miezului se calculează cu relația:

𝑆=𝑎∙𝑏=𝑘௦௜௚∙𝐹ோ଴∙𝜇଴
(0,85∙𝐵ఋ଴)ଶ=0,001063 𝑚ଶ

S= 1062,9 mm2 (15)

, în care, μ 0 este permeabilitatea vidului și are valoarea: 𝜇଴= 4∙𝜋∙10ି଻ ு
௠ , iar B δ0 este
inducția magnetică inițială în întrefier cu valoarea de: B δ0= 0,3 T (Anexa 5)
Având în vedere valoarea secțiunii transversale, dimensiunile laturilor, a și b, s-au ales
pentru a conferi o formă pătrată coloanelor armăturii fixe, astfel:
 a= 30 mm
 b= 36 mm

S-a calculat căderea de tensiune magnetică pe întrefierurile miezului pentru definirea
dimensiunilor axiale:

𝑈௠ఋ଴=ଶ∙ఋబ∙ଵ଴షయ∙஻ഃబ
ఓబ=4.774,6 𝐴[51] (16)

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 27
Solenația se poate evalua ca fiind:

𝑁𝐼=𝑈௠ఋ଴
1−𝛼=7345,6 𝐴𝑠𝑝 (17)
, unde α= 0,35 (Anexa 5).

Ecuația de bilanț termic a bobinei este:

𝑅௕∙𝐼௕ଶ∙𝐷𝐶=𝑘௧∙𝑆௥∙𝜗௠ (18)

,unde k t este coeficientul de transmitere al căldurii de la bobină către mediul ambient, pe
suprafața de răcire S r și la supratemperatura ϑ m= 40 °C (Anexa 5), având valoarea: k t= 8 W/m2°C
(Anexa 5), R b este rezistența electrică a bobinei, iar I b este curentul bobinei. [52]
Pentru calculul rezistenței electrice este nevoie de valoarea rezistivității cuprului la
temperatura de lucru, aceasta se calculează cu relația:

𝜌=𝜌଴∙[1+𝛼஼௨∙(𝜗௠+𝜃௔)]=2,089∙10ି଼ 𝛺𝑚 (19)

,unde 𝛼஼௨= 4,3∙10ିଷଵ
℃ , iar 𝜌଴= 1,58∙10ି଼ 𝛺𝑚.

Având următoarele dimensiuni:
 jocul de montaj al carcasei bobinei, j c= 1 mm (Anexa 5);
 grosimea carcasei de plastic, g c= 1,5 mm (Anexa 5);
 a= 30 mm;
 grosimea bobinei, g bob= 26 mm (Anexa 5)
s-a calculat diametrul interior al bobinei:

𝐷௜=𝑎+2∙𝑗௖+2∙𝑔௖=35 𝑚𝑚 (20)

și diametrul exterior al bobinei:

𝐷௘=𝐷௜+2∙𝑔௕௢௕=87 𝑚𝑚 (21)

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 28
Dimensiunile principale ale bobinei sunt:
 înălțimea, având următoarea relație:

ℎ௕=ඨ𝜌∙𝑁𝐼ଶ∙𝐷𝐶∙𝑡
2∙𝑘௨∙𝑘௧∙𝜗௠య
∙10ଷ=109,73 𝑚𝑚 (22)
 lățimea:

𝑙௕=ඨ𝜌∙𝑁𝐼ଶ∙𝐷𝐶
2∙𝑘௨∙𝑘௧∙𝜗௠∙𝑡ଶయ
∙10ଷ=27,43 𝑚𝑚 (23)

,unde t = 4, fiind raportul dintre înălțimea și lățimea bobinei (Anexa 5), iar k u este factorul de
umplere al bobinajului în fereastra miezului, cu valoarea de: k u = 0,8 (Anexa 5)
 înălțimea ferestrei:
ℎி=ℎ௕+2𝑔௖=112,73 𝑚𝑚 (24)

Distanța dintre coloanele armăturii fixe este:

𝑐=2∙𝑙௕+2∙𝑗௖+2∙𝑗௩=66,86 𝑚𝑚 (25)

,unde j v= 5 mm este jocul de ventilație (Anexa 5).
Suprafața de răcire:

𝑆௥=2𝜋∙(𝐷௜+𝐷௘)
2ℎ௕=4.2057,07 𝑚𝑚ଶ (26)

Lungimea medie a unei spire:

𝑙௠=𝜋∙(𝐷௜+𝐷௘)
2=191,63 𝑚𝑚 (27)

Secțiunea ferestrei:
𝑆ி=ℎ௕∙𝑙௕=3.010,22 𝑚𝑚ଶ (28)

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 29 Lungimea tehnologică a armăturii mobile, ce acoperă piesele polare, este:

𝑙௔=2𝑎+𝑐=126,86 𝑚𝑚 (29)

Lungimea de fier:

𝑙ி௘=2(𝑙௕+𝑗௩+𝑗௖+𝑔௖+𝑎+ℎ௕+𝑎)=409,32 𝑚𝑚[52] (30)

5.2 Calculul bobinei
Pentru a calcula numărul de spire al bobinei se folosește relația:

𝑁=𝑈௡∙𝑁𝐼∙𝐷𝐶
𝑘௧∙𝑆௥∙10ି଺∙𝜃௠௘ௗ=1048 𝑠𝑝𝑖𝑟𝑒 (31)

,iar curentul electric al bobinei este:

𝐼=𝑁𝐼
𝑁=7 𝐴 (32)

S-a considerat densitatea de curent în raport cu j 0= 2,5 A/mm2, astfel că:

𝑗=𝑗଴
√𝐷𝐶=6,45 𝐴
𝑚𝑚ଶ (33)

și a rezultat diametrul conductorului de cupru al conductorului:

𝑑஼௨=ඨ4∙𝐼
𝜋∙𝑗=1,175 𝑚𝑚 (34)

, valoarea diametrului s-a ales cea imediat superioară din Anexa 6, d Cu= 1,18 mm, iar d Cuiz=1,254
mm, fiind diametrul conductorului de cupru cu izolație (Anexa 6).

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 30 Secțiunea conductorului rezultă:

𝑆஼௨=𝜋∙𝑑஼௨ଶ
4=1,09 𝑚𝑚ଶ (35)

Rezistența bobinei:

𝑅௕=𝑈௡
𝐼=3,42 𝛺 (36)

Cu datele calculate se verifică ecuația (18) de bilanț termic al bobinei, astfel că:

𝑅௕∙𝐼ଶ∙𝐷𝐶=25,23 (37)

𝑘௧∙𝑆௥∙10ି଺∙𝜃௠௘ௗ=25,23 (38)

𝑅௕∙𝐼௕ଶ∙𝐷𝐶=𝑘௧∙𝑆௥∙𝜃௠௘ௗ (39)

Numărul de spire pe strat este:

𝑛ଵ=ℎ௕
𝑑஼௨௜௭=87,5 𝑠𝑝𝑖𝑟𝑒 (40)

, iar numărul de straturi este:
𝑛ଶ=𝑁
𝑛ଵ=12 (41)

Valoarea grosimei bobinei se schimbă, astfel, și devine:

𝑔௕௢௕=𝑛ଶ𝑘௨𝑑஼௨௜௭=12,01 𝑚𝑚 (42)

Secțiunea ferestrei ocupată de bobinaj:

𝑆௕௢௕=𝑁
𝑛଴10ଶ=2.206,3 𝑚𝑚ଶ (43)

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 31 , unde n 0 = 47,5 este un indicator din Anexa 6. Astfel, grosimea bobinei se poate redefini ca
fiind:

𝑔௕௢௕=𝑆௕௢௕
ℎ௕=20,1 𝑚𝑚 (44)

Cu noua valoare pentru grosimea bobinei se recalculează diametrul exterior:

𝐷௘=𝐷௜+2𝑔௕௢௕=75,21 (45)

, lungimea medie a unei spire:

𝑙௠=𝜋∙(𝐷௜+𝐷௘)
2=173,12 𝑚𝑚 (46)
, suprafața de răcire:

𝑆௥ሗ=2𝜋∙(𝐷௜+𝐷௘)
2ℎ௕=37.993,8 𝑚𝑚ଶ (47)

și rezistența electrică:

𝑅௕=ሗ4∙𝜌∙𝑙௠∙10ିଷ∙𝑁
𝜋∙(𝑑஼௨∙10ିଷ)ଶ=3,46 𝛺 (48)

Pentru verificarea termică a bobinei, se consideră cele mai grele condiții termice de
funcționare, astfel valoarea curentului electric devine:

𝐼ሗ=1,05∙𝑈௡
𝑅௕ሗ=7,27 𝐴 (49)

Supratemperatura medie:

𝜗௠ሗ=𝑅௕ሗ∙𝐼ሗଶ∙𝐷𝐶
𝑘௧∙𝑆௥ሗ∙10ି଺=6,03 ℃ (50)
, pentru DC= 0,01.

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 32
Temperatura medie:

𝜃௠ሗ=𝜗௠ሗ+𝜃௔=41,02 ℃ (51)

Temperatura celui mai cald punct:

𝜃௠௔௫=2𝜃௠ሗ+𝜗௦=87,05 ℃ (52)

, unde 𝜗௦= 5 ℃ este supratemperatura la suprafața exterioară a bobinei. Astfel condiția impusă
de tipul izolației al cuprului, emailul de clasă E, este verificată și îndeplinită:

𝜃௠௔௫≤120℃ (53)

5.3 Forța portantă

Fluxul din circuitul magnetic se calculează cu relația:

𝛷=𝐵ி௘∙𝑆=0,00212 𝑊𝑏 (54)

de unde se poate calcula forța portantă:

𝐹௣=2ఃమ
ଶఓబௌ=3.383,31 𝑁[37] (55)

Astfel, forța rezistivă totală din capitolul anterior poate fi depășită prin punerea în serie a
doi electromagneți cu dimensiunile calculate în acest capitol, forța portantă totală fiind:

𝐹௣௧௢௧௔௟ă=2∙𝐹௣=6.766 𝑁 (56)

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 33 6. Modelarea și simularea sistemului electromagnetic

Pentru o redare cât mai fidelă a caracteristicilor sistemului electromagnetic s-a folosit
software-ul JMAG-Designer, folosit în dezvoltarea și proiectarea dispozitivelor electrice.
Programul are la bază calculul cu ajutorul metodei analizei cu elemente finite.
„În metoda elementului finit se utilizează, ca punct de plecare, un model integral al
fenomenului studiat. El se aplică separat pentru o serie de mici regiuni ale unei structuri continue
obținute prin procedeul discretizării, denumite elemente finite, legate între ele în puncte numite
noduri. Aceste elemente finite trebuie astfel concepute încât ansamblul lor să reconstituie
cât mai fidel posibil structura reală analizată. În principiu, aceste legături trebuie astfel concepute
încât să permită o convergență numerică către soluția exactă, atunci când structura este
discretizată în elemente finite cu dimensiuni din ce în ce mai reduse.” [38]
În geometria 2D creată, figura 6.1, s-au mai introdus, pe lângă circuitul magnetic
proiectat în capitolul anterior, doi magneți. Magneții s-au montat pe armătura mobilă astfel încât
câmpul magnetic creat să se închidă pe suprafața lor și prin armătura fixă.

Figura 6.1 Geometria sistemului
electromagnetic

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 34 Magneții permanenți folosiți au denumirea N52 și sunt produși de compania Shin-Etzu.
Aceștia sunt fabricați din neodim, Nd-Fe-B, și au fost aleși datorită proprietăților lor superioare.
Având în vedere că magneții fac parte din circuitul magnetic al electromagnetului, acesta din
urmă dezvoltând atât căldură cât și un câmp magnetic, cerințele au fost de stabilitate la
demagnetizare și stabilitate termică, condiții îndeplinite de acest tip de magnet. Caracteristica
magnetică la diferite temperaturi se poate observa în figura 6.2.

Figura 6.2 Caracteristica
magnetică a magneților
permanenți din neodim N52

Pentru ca simularea să fie posibilă, după ce s-a realizat geometria sistemului, s-au atribuit
materialele și condițile fiecărei părți. Condițiile au presupus gradele de mobilitate, tipul mișcării,
suprafețele unde vor acționa forțele și tipul circuitului pentru alimentarea bobinelor.
Pentru păstrarea simetriei, bobina dimensionată în capitolul 5, a fost împărțită în două
bobine montate pe cele două coloane ale armăturii fixe. Astfel circuitul electric este de tip serie,
după cum se poate observa în figura 6.3, cu o tensiune de alimentare de 24 V, fiecare înfășurare
având 524 spire și o rezistență electrică de 1,73 Ω.

Figura 6.3 Circuitul electric

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 35
Pentru a se putea aplica metoda elementelor finite, asupra geometriei s-a aplicat o funcție
pentru generarea rețelei de noduri, conform figurii 6.4. Elementele finite, reprezentate de
triunghiuri, au dimensiuni reduse dar diferite în funcție de zona dorită de analizat. Astfel în jurul
laturilor din proximitatea întrefierului, elementele finite au laturile de doar 1 mm, iar pe
suprafața bobinelor, zonă cu mai puțin interes, laturile au 3 mm.

Figura 6.4 Rețeaua de noduri/ Grila (Mesh)

Pentru o cât mai bună înțelegere a fenomenelor magnetice și găsirea celor mai bune soluții
pentru sistemul electromagnetic, simularea s-a împărțit în mai multe cazuri, astfel avem:
 situația în care circuitul magnetic funcționează atât cu bobinele alimentate cât și cu
magneții permanenți incluși în circuit, fiind un circuit magnetic mixt;
 situația în care circuitul magnetic este format doar din bobine și magneții sunt înlocuiți cu
același material magnetic moale din care este și armătura fixă;
 situația în care bobinele sunt nealimentate și circuitul magnetic funcționează cu forțele
produse de magneții permanenți;
 situația în care magneții sunt parțial demagnetizați prin alimentarea inversă a bobinelor în
vederea deconectării armăturilor.

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 36 Cazul I. Circuitul magnetic cu bobine și magneți permanenți

Dimensiunile electromagnetului simulat sunt dimensiunile calculate în capitolul 5, iar
magneții permanenți s-au dimensionat astfel încât distanța dintre extremitățiile coloanelor
armăturii mobile sa fie egală cu distanța celor din armătura fixă pentru o închidere a linilor de
câmp ideală.

Dimensiunile unui magnet permanent:
 lungime: L = 50 mm;
 lățime: l = 30 mm;
 înălțime: h = 36 mm;

Astfel, la alimentarea bobinelor în serie cu o tensiune de 24 V și la un întrefier de 1 mm, se
obține o forță de atragere între armătura mobilă și cea fixă de: F = 1.881 N, conform graficului
din Figura 6.5. Lungimea notată pe axa 0X reprezintă distanța parcursă de armătura mobilă,
aceasta fiind initial la o distanță de 10 mm față de armătura fixă.
Figura 6.5

Datorită schimbărilor din geometria circuitului magnetic și a compoziției materialelor,
rezultatul nu este apropiat rezultatului găsit la proiectarea electromagnetului (capitolul 5). Faptul
că valoarea permeabilității neodimului (NdFeB) este mai mică de cât valoarea oțelului electric

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 37 face ca performanța electromagnetului să nu ajungă la potențialul maxim. Acest compromis este
acceptat însă datorită avantajului de a economisi energie electrică prin folosirea magneților
permanenți. În unele situații este suficientă forța de atracție a magneților permanenți fără a mai
alimenta bobinele pentru a tracta un autovehicul.
Permeabilitatea magnetică a:
 oțelului electric este: 𝜇௢௘= 5∙10ିଷ ு
௠ ;
 magnetului de tip neodim este: 𝜇௡= 1,32∙10ି଺ ு
௠ . [39]

În figura 6.6 se poate observa direcția vectorilor inducției magnetice, iar în figura 6.7
modul în care liniile de câmp magnetic se închid în interiorul circuitului.

Figura 6.6 Vectorii fluxului magnetic

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 38

Figura 6.7 Linile de flux magnetic

Inducția magnetică maximă din circuit ajunge la valoarea de B= 2,1 T la un întrefier de 1
mm, conform figurii 6.8.
Figura 6.8 Inducția magnetică, B

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 39
În funcție de valoarea întrefierului, inducția magnetică a circuitului se modifică, în figura 6.9
se pot vedea aceste schimbări pentru 4 situații, astfel:
a) întrefierul este: δ= 10 mm, Bmax=1,87 T
b) întrefierul este: δ= 7 mm, Bmax=1,96 T
c) întrefierul este: δ= 5 mm, Bmax=2,01 T
d) întrefierul este: δ= 2 mm, Bmax=2,08 T
a) b)

c) d)
Figura 6.9

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 40 Cazul II. Circuit magnetic doar cu bobine

În această situație, materialul magnetic, N52, este înlocuit de același oțel electrotehnic
50JNE470. Datorită acestei schimbări, se observă o îmbunătățire a performanțelor din punct de
vedere al forțelor de atracție. Astfel, la alimentarea bobinelor în serie cu o tensiune de 24 V și la
un întrefier de 1 mm, se obține o forță de atracție între armătura mobilă și cea fixă de: F = 2.389
N, conform graficului din Figura 6.10.

Figura 6.10

Inducția magnetică maximă
din circuit ajunge la valoarea de
B= 2,17 T la un întrefier de 1 mm,
conform figurii 6.11.

Figura 6.11

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 41 Cazul III. Circuit magnetic doar cu magneți permanenți

Situația în care bobina nu este alimentată este importantă în cazul în care forțele rezistive
ce acționează asupra autovehicului sunt mici. Forța de atracție dezvoltată de magneții
permanenți, la un întrefier de 1 mm este: F= 1.567 N, conform figurii 6.12. Fiind o forță suficient
de mare pentru cazul unei deplasări ale autovehicului considerat în capitolul 4 cu o accelerație
de: a= 0.694 m/s2 și o masă totală de: m t=1300 kg la o înclinație nulă a drumului.
Figura 6.12

Inducția magnetică
maximă din circuit ajunge la
valoarea de B= 1,75 T la un
întrefier de 1 mm, conform
figurii 6.13
Figura 6.13

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 42 Cazul IV. Demagnetizarea temporală a magnetului permanent

S-au urmărit forțele de atracție în cazul în care bobinele sunt alimentate invers, după cum
se poate observa în figura 6.14. Dacă se dorește deconectarea armăturilor este necesar ca forța de
atracție să devină mai mică decât forța totală rezistivă. Astfel, tensiunea electrică va crește
gradual până când valoarea forței de atracție nu mai e suficient de mare pentru a menține
autovehiculele conectate.

Figura 6.14

Când bobinele sunt alimentate invers se crează un câmp magnetic de direcție opusă față
de câmpul creat de magneții permanenți, iar după cum se poate observa în figura 6.15, liniile de
câmp magnetic încep să se închidă în aer cu atât mai mult cu cât tensiunea crește.

1574
1201
874
375
10860
020040060080010001200140016001800
0 -25 -50 -100 -150 -200Forța, N
Tensiunea de alimentare, Vδ=1 mm

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 43

Figura 6.15

Așadar, având in vedere fiecare caz studiat și intervalul forței totale rezistive pentru
autovehiculul studiat, se propune un sistem electromagnetic format din trei astfel de circuite
magnetice (Figura 6.16). Două dintre circuitele magnetice urmând să conțină magneți
permanenți, iar un circuit magnetic să fie format doar din miez feromagnetic din oțel
electrotehnic.

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 44
O astfel de soluție satisfice atât nevoia de performanță din punct de vedere al forțelor de
atracție maxime dezvoltate cât și nevoie de economisire a energiei electrice prin folosirea în
paralel sau exclusivă a magneților permanenți.

Figura 6.16 Sistemul electromagnetic de tractare

O să existe mai multe posibilități de dezvoltare a diferitelor valori pentru forța totală de
atracție, atât prin alimentarea bobinelor la o tensiune mai mica față de cea nominală cât și prin
următoarele situații:
 nealimentarea bobinelor, F totală= 3.134 N;
 alimentarea bobinelor, F totală= 6.151 N;
 alimentarea doar a unei bobine sau a două bobine, F totală= 5.523/ F totală= 5.837/
Ftotală= 3.454
Sistemul electromagnetic ar avea o greutate de aproximativ 20 kg. Armătura fixă se
montează pe partea din față a autovehicului, iar armătura mobilă în partea din spate, conform
figurii 6.17.

Figura 6.17[53]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 45

7. Concluzii

În viitorul apropiat, direcția industriei auto va fi de a oferi clienților servicii inovatoare prin
interconectarea autovehiculelor. Având în vedere supraaglomerarea urbană, transportul urban își
va schimba drastic actuala forma.
Astfel de soluții, precum sistemul din actuala lucrare, stau la baza unui nou model de
transport cu rolul de a îmbunătăți condiițile de trai. Într-un scenariu în care autovehiculele o să
poată comunica între ele, de a schimba informații și/sau de a lua decizii autonome, sistemul
electromagnetic ar avea următoarele avantaje:
 reducerea aglomerării urbane prin diminuarea spațiului dintre autovehicule;
 economisirea de energie electrică sau combustibil prin conectarea autovehiculelor cu
mijloacele de transport electrice conectate la linii aeriene de contact;
 creșterea nivelului de siguranță în trafic;
 evitarea pagubelor produse de accidente la viteze reduse între autovehicule;
 timp de conectare/deconectare a autovehiculelor de tractat redus;
 vehiculele neautonome ar putea deveni autonome conectându-se pe tronsoane
comune cu alte vehicule care să coordoneze direcțile de mers.

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 46

8. Bibliografie
[38] BISTRIAN DIANA și MAKSAY ȘTEFAN, „ Introducere în metoda elementelor
finite”, Iași, CERMI IAȘI, 2008;
[1] CHESTERTON ANDREW, „ How many cars are there in the world?” , Cars Guide,
2018, https://www.carsguide.com.au/car-advice/how-many-cars-are-there-in-the-world-70629,
(accesat pe 1 iulie 2019);
[5][10][12][13][15][31] [40] CIOLAN GHEORGHE și PREDA ION, „ Dinamica
autovehiculelor”, Partea I, Brașov, Editura Universității Transilvania Brașov, 2009;
[6][8][16] CONSTANDACHI VLAD-MIHAI , „ Dinamica autovehiculelor”, SCRIBD,
2011, https://www.scribd.com/document/55160122/Dinamica-Autovehiculelor, (accesat pe 1
iulie 2019);
[36] [37][48][49] [50] [51] [52]CRAIA TIBERIU, „Proiect la Aparate Electrice”, 2017,
https://docuri.com/download/elmgccu-ieth_59c1e889f581710b286cb0a6_pdf, (accesat pe 2 iulie
2019);
[23] DANIEL PAUL, „Constructia si tehnologia de realizare a miezurilor magnetice pentru
electromagneti”, ACADEMIA,
https://www.academia.edu/9647384/CONSTRUCTIA_SI_TEHNOLOGIA_DE_REALIZARE_
A_MIEZURILOR_MAGNETICE_PENTRU_ELECTROMAGNETI, (accesat pe 5 iulie 2019);
[4][7][32][33][34][41][42] DĂSCĂLESCU DAN, „Dinamica autovehiculelor rutiere”, Iași,
Editura POLITEHNIUM, 2007;
[18][26][27][29][46] [47] DOLGA VALER, Curs „ Acționări electrice II”, Cap.12,
Facultatea de Mecanică a Universității Politehnica Timișoara;
[35] NEW ISETTA, „Dimensioning 'Smarter ForThree'”, 'SmartForThree',
http://smarterwiththree.blogspot.com/p/dimensioning-smart-forthree-new-isetta.html, (accesat pe
10 iulie 2019);
[28] PALII LIVIU, „Marile promisiuni ale magneților permanenți”, Știință&Tehnică, 2015,
https://stiintasitehnica.com/marile-%E2%80%A8promisiuni-ale-magnetilor-
%E2%80%A8permanenti/, (accesat pe 5 iulie 2019);
[2] [3] PĂTRAȘCU RADU-GABRIEL, „ Transportul inteligent: provocarea orașelor din
viitor”, București, Școala Doctorală de Urbanism, Universitatea de Arhitectură și Urbanism „Ion
Mincu”, 2016;

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 47 [39] „Permeability (electromagnetism)”, Wikipedia, 2019,
https://en.wikipedia.org/wiki/Permeability_(electromagnetism), (accesat pe 10 iulie 2019);
[17][20][21] [41] [42] [43] PETRESCU LUCIAN-GABRIEL, „ Modelarea și soluții de
caracterizare a materialelor magnetice”, București, Universitatea POLITEHNICA din București,
Facultatea de Inginerie Electrică, 2009;
[19][22][24][25][44][45] SANDULEAC ALEXEI, „Electromagneti”, Cap.5, ACADEMIA,
https://www.academia.edu/38143603/Electromagneti, (accesat pe 5 iulie 2019);
[30] „Smart forfour electric drive specificatii”, Cars-Data, 2017, https://www.cars-
data.com/ro/smart-forfour-electric-drive-specs/73037, (accesat pe 10 iulie 2019);
[9][11][14] UNGUREANU LORENA, „ Rezistențele la înaintarea autovehiculului”,
SCRIBD, 2013, https://www.scribd.com/doc/173605086/Cap-4-Rezisten%C5%A3ele-la-
inaintarea-autovehiculului, (accesat pe 1 iulie 2019);
[53] „Rettungsdatenblätter für Rettungskräfte” , https://www.hyundai.de/downloads/service-
zubehoer/gut-informiert/rettungsdatenblaetter/hyundai_rettungsdatenblaetter_02_2019.aspx/,
(accesat pe 13 iulie 2019);

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 48
9. Anexe

Anexa 1[40]

Anexa 2 [41]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 49

Anexa 3 [42]

Anexa 4 Caracteristica magnetică a 50JNE470

1. k sig coeficientul de siguranță a acționării, cu valori
cu atât mai mari cu cât timpii de acționare sunt
mai mici și respectiv apropiate de unitate pentru
electromagneți de reținere 𝑘௦௜௚= (1,1÷1,5)

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 50 2. B δ0 inducția magnetică inițială în întrefier se alege
cu valori cu atât mai mari cu cât întrefierul
initial este mai mic. Bδ0 = (0.1 ÷ 0.3) T
3. α ține seama de contribuția căderii de tensiune
magnetică pe miezul de fier, dar și de dispersie,
cu atât mai mare cu cât întrefierul inițial este
mai mare. α = (0.2 ÷ 0.35)
4. k t coeficientul de transmitere al căldurii de la
bobină către mediul ambient kt = (4 ÷ 8) [W/m2 °C]
5. υ m supratemperatura medie υm = (40 ÷ 45) °C
6. j c jocul de montal al carcasei bobinei j c = (1 ÷ 1.5) mm
7. g c grosimea carcasei de plastic gc = (1,5 ÷ 2) mm
8. g bob grosimea bobinei g bob ≤ c – j c –gc – jv
9. t raportul dintre înălțimea și lățimea bobinei t = (4 ÷ 8)
10. k u factorul de umplere al bobinajului în fereastra
miezului t = (0,7÷ 0,9)
11. j v jocul de ventilație jv = (3 ÷ 5) mm

Anexa 5[48]

SISTEM ELECTROMAGNETIC DE TRACTARE A VEHICULELOR

Pagina 51 Anexa 6 [49]