Човешко здраве и качество на

живот Изследване и разработка

на модули за Брайлов екран

Авторски колектив:

проф. дтн Иван Ячев* проф. д-р Димитър Карастоянов** доц. д-р Кръстьо Хинов* доц. д-р Вълчан Георгиев* маг. инж. Йоско Балабозов* *Технически университет-София **БАН-Институт по информационни и комуникационни технологии

Новите материали и техно-

логии – нови възможности за възприемане на голям обем информация от хората с увредено зрение с помощта на т.н. Брайлови екрани.

Основни изисквания към Брайловите екрани:

• Просто устройство; • Лесно управление; • Ниска цена; • Минимален разход на електро-

енергия; • Определени размери.

Електромагнитните задвиж-ващи механизми – един възможен отговор на поставе-ните изисквания: • нови поколения магнитно-твърди и магнитномеки мате-риали; • възможности за управление от съвременни микропроцесорни ситеми.

За оценка на възможностите им е направен

обширен литературен обзор, като са разгледани и различни конструкции, обект на патентни предложения.

По-долу са показани резултати от изследванията на конструкции, предложени от авторски колектив от БАН с ръководител проф. Димитър Карастоянов.

Фиг. 1а. Принципна конструкция на вариант с малка

сфера и сферична повърхност с по-голям радиус : 1 –

котва, 2 – намотка, 3 – ядро.

Фиг. 1б. Принципна

конструкция на вариант с малка

сфера и равнинна

повърхност : 1 – котва, 2 – намотка, 3 –

ядро.

Фиг. 2. Принципна

конструкция на вариант с

въртяща се полусфера:

1 – котва (постоянен магнит), 2 –

намотка, 3 – ядро.

Част от получените за тези конструкции характеристики сила/ход са показани съответно на фиг. 3.

-0.00015

-0.0001

-0.00005

0

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Си

ла

F [

N]

Преместване X [mm]

F при J=0

F при J=1

F при J=2

F при J=3

F при J=4

F при J=5

F при J=6

F при J=7

F при J=8

F при J=9

F при J=10

Забележка: Токоваплътност J е в MA/m2

-0.006

-0.005

-0.004

-0.003

-0.002

-0.001

-8E-18

0.001

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Си

ла

F [

N]

Преместване X [mm]

F при J=0

F при J=1

F при J=2

F при J=3

F при J=4

F при J=5

F при J=6

F при J=7

F при J=8

F при J=9

F при J=10

Забележка: Токоваплътност J е в MA/m2

-1.50E-04

-1.00E-04

-5.00E-05

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Мо

ме

нт

[N.m

]

Завъртане R [degrees]

А при J=0

А при J=10

Забележка: Токоваплътност J е в MA/m2

а) б) в) Фиг. 3. Статични характеристики сила/ход: а – за конструкцията от

фиг. 1а; б – за за конструкцията от фиг. 1б; в – за за конструкцията от фиг. 2.

Поляризираните задвижва-щи електромагнити – въз-можност за намаляване на размерите и увеличаване на броя на клетките на Брай-ловите екрани в единица площ с минимален разход на енер-гия:

• Необходимост от захранване само

по време на преми-наването между двете крайни положения;

• Необходимата задържаща сила в крайните положения на кот-вата се осигурява без ток от постоянен магнит.

Вариант NV1- 1a: 1 – горна шайба; 2 – горна намотка; 3 – постоянен магнит; 4 – долна

намотка; 5 – долна шайба, 6 – външен магнитопровод.

Вариант NV1-1b :1 – горна шайба; 2 – горна намотка; 3 – постоянен магнит; 4 –

долна намотка; 5 – долна шайба, 6 – външен

магнитопровод; 7 – средна шайба.

ИЗСЛЕДВАНИ КОНСТРУКЦИИ

Вариант NV1-2a: 1 – горна шайба; 2 – горна намотка; 3 – постоянен магнит; 4

– долна намотка; 5 – долна шайба

Вариант NV1-2b : 1 – горна шайба; 2 – горна намотка; 3 – постоянен

магнит; 4 – долна намотка; 5 – долна шайба; 8 – средна шайба

ИЗСЛЕДВАНИ КОНСТРУКЦИИ (2)

Целта на изследванията е да се

определят характеристиките сила-ход и задържащите сили в крайните положения на котвата. Те са получени с помощта на метода с крайни елементи и програмата FEMM, управлявана чрез програмния език Lua Script®.

Изследвано е влиянието на различни конструктивни фактори.

Типични резултати за характеристиките сила-ход

-1.2-1

-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

11.2

-3 -2 -1 0 1 2 3x, mm

F, N1a1b2a2b

-1-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5x, mm

F, N1a1b2a2b

а) б) Характеристики сила/ход при височина на постоянния

магнит hm: а) 4 mm; б) 8 mm, за варианти 1a,1b,2a,2b при c1=-1 c2=1.

-1-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4x, mm

F, N1a1b2a2b

-1-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5x, mm

F, N1a1b2a2b

Характеристики сила/ход при различна височина на постоянния магнит hm за варианти

1a,1b,2a,2b при липса на захранване

hm = 4 mm hm = 8 mm

Получените резултати дават възможност да се оцени влиянието на различните конструктивни елементи и показват възможностите за получа-ване на различни желани характе-ристики в зависимост от избраната конструкция. Като се имат предвид тези резултати и поставените конк-ретните изисквания към задвижващите електромагнити е разработена нова конструкция (NV3) в следните два варианта: NV3a и NV3b.

Вариант NV3а: 1 – горен магнитопровод; 2 – външен магнитопровод; 3 – горна

намотка; 4 – постоянен магнит (котва); 5 – долна намотка; 6 – долен магнитопровод

(долният и горният магнитопровод се състоят от феромагнитна вкулка и шайба -

съответно долна или горна).

Вариант NV3b (котвата представлява аксиално намагнитен магнит с две

феромагнитни шайби от двете страни на магнита):1 – горен магнитопровод; 2 –

външен магнитопровод; 3 – горна намотка; 4 – горна допълнителна шайба; 5 - постоянен

магнит (котва); 6 – долна допълнителна шайба; 7 – долна намотка; 8 – долен

магнитопровод

НОВИ ПРИНЦИПНИ КОНСТРУКЦИИ

Конструкциите са изследвани при различни въздушни междини, различна височина на постоянния магнит и различни плътности на тока.

Част от получените резултати за характеристиките сила-ход са показани на фиг. 4 и 5.

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-1 -0.5 0 0.5 1

F, N

x, mm

c1=-1,c2=1c1=1,c2=-1c1=0,c2=0

-1-0.8-0.6-0.4-0.2

00.20.40.60.8

1

-1 -0.5 0 0.5 1

F, N

x, mm

c1=-1,c2=1c1=1,c2=-1c1=0,c2=0

Фиг. 4. Вариант NV3a (при восочина на постоянния магнит 2 mm; въздушна междина 2 mm ; височина на намотката 10 mm; плътност на тока J=10A/mm2.

Фиг. 5. Вариант NV3b (при височина на постоянния магнит 2 mm; дебелина на допълнителните шайби 1mm; въздушна междина 2 mm ; височина на намотката 10 mm; плътност на тока J=10A/mm2.

Конструкция на новия електромагнит: 1 и 10 – оси; 2 и 9 – магнитопроводи; 3 – външен магнитопровод; 4 и 8 –

управляващи намотки; 5 и 7 – феромагнитни шайби; 6 – постоянен магнит

Опитен модел на Брайлов екран

Получените резултати са основа за решаване на задачи, свързани с намаляване на размерите на изпълнителните електро-магнити с цел увеличаване на броя на клетките на Брайловия екран в единица площ.

За решаване на тези задачи е извършена оптимизация на параметрите на електро-магнитно задвижващо устройство чрез създаване на вторични модели. Извършва се с помощта на метода с крайни елементи, метода с повърхнина на отклика (RSM) и планиране на експеримента (DoE).

Резултати за оптималния вариант

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

x, mm

F, N

J=15J=20J=25J=30

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

x, mm

F, Nhw=5 mmhw=10 mmhw=15 mmhw=20 mm

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Предложени са нови конструкции на

задвиждащи електромагнити за модули на Брайлов екран.

Направени са изследвания и оптими-зация на предложените конструкции и е потвърдена тяхната работоспособност и практическа приложимост, включително и с опитен образец.

Предложените конструкции са защи-тени с две заявки за патент.

Благодаря за

вниманието