DEVELOPMENT OF A MONITORING SYSTEM FOR ELECTROMAGNETIC MECHANISMS

Authors

I.V. Bochkarev Kyrgyz State Technical University named after I. Razzakov; Institute of Machine Science, Automation and Geomechanics of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic
I.V. Bryakin Institute of Machine Science, Automation and Geomechanics of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic
I.R. Sandybaev Institute of Machine Science, Automation and Geomechanics of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic
A.R. Sandybaeva Institute of Machine Science, Automation and Geomechanics of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic

Keywords:

frictional electromagnetic clutches and brakes, control electromagnet, movable armature, eddy-current parametric transducer, resonant excitation frequency of the probing electromagnetic field, eddy currents, information signal

Abstract

Various types of electromagnetic mechanisms (EMMs) are considered and analyzed. It is shown that their operating condition must be monitored during operation, and known monitoring methods are reviewed. To expand the capabilities of monitoring systems, it is proposed to use an electromagnet (EM), a functional element of an EMM, as an eddy-current sensor. For this purpose, a low-voltage high-frequency voltage is applied through a coupling capacitor C to the electromagnet winding (EMW), which has inductance L; this voltage is superimposed on the operating DC supply voltage of the EMW, while the LC measuring oscillatory circuit is tuned to its resonant frequency. This excites a probing electromagnetic field that induces eddy currents in the EM armature. Their magnitude depends on the position of the armature relative to the electromagnet magnetic core, as well as on the armature parameters (its material properties, the presence of defects, etc.). These currents induce an EMF in the winding, whose value is algorithmically separated into information about the operating modes of the EM and the current condition of the EM components, in particular, the position of the armature relative to the magnetic core. A structural block diagram for implementing the proposed EM monitoring method has been developed, and its theoretical justification is presented. A hardware implementation circuit for the EM monitoring system is proposed.

References

1. Тонконогов Е. Н., Суханов В. В. Электромагнитные механизмы. – Санкт-Петербург: Политех-Пресс, 2019. – 85 с.

2. Келим Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики. – М.: Высшая школа, 2004. – 351 с.

3. Маренич К.Н. и др. Автоматизация сложных электромеханических объектов энергоёмких производств. – Донецк: Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ», 2015. – 239 с.

4. Жужжалов В.Е., Солдатов В.В., Маклаков В.В., Жиров М.В. Технические средства автоматизации. – М.: МГУТУ, 2004. – 173 с.

5. Li Zh., Jiang X., Chen Zh. Research on the Development and Application of Electromagnetic Clutch. International Journal of Energy, 2025, 6(2):37-39. DOI:10.54097/53rkyd29.

6. Руднев С. Г., Погосян В. М., Мечкало А. Л. Муфты. Конструкция и расчет. – М.: Лань, 2026. – 107 с.

7. Бочкарев И.В., Галбаев Ж.Т. Электромагнитные механизмы с постоянными магнитами и схемы их управления для систем автоматики. – Б.: Изд-во «Илим», 2008. – 274 с.

8. Kielan P., Pilch Z. Comparison of properties of electromagnetic clutches with ferromagnetic powder and magnetorheological fluid for low frequency control signals, 13th Selected Issues of Electrical Engineering and Electronics (WZEE), Rzeszow, Poland, 2016, pp. 1-6, doi: 10.1109/WZEE.2016.7800200.

9. Venusamy K., Ashok P., K. D, D. Nirmala, M. K and H. Anandaram, "Design and Fabrication of Contactless Clutch with Braking and Traction Control System using Electromagnetic Coupling," 2024 4th International Conference on Innovative Practices in Technology and Management (ICIPTM), Noida, India, 2024, pp. 1-4, doi: 10.1109/ICIPTM59628.2024.10563830.

10. Pirouz H. M., Baghayipour M. Design and Analysis of a New Electrically Controllable Brushless Eddy-Current Clutch. 29th Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE), Tehran, Iran, Islamic Republic of, 2021, pp. 351-355, doi: 10.1109/ICEE52715.2021.9544501.

11. Бочкарев И.В. Фрикционные тормозные устройства с электромагнитным приводом для технологического оборудования. – Бишкек, ИЦ «Текник», 2006. – 401 с.

12. Учаев П.Н., Емельянов С.Г., Захаров И. С. и др. Современное машиностроение. Основы машиноведения. Конструкция, параметры и основы конструирования. Кн. 3. Муфты и тормоза приводов машин. – 2006. – 295 с.

13. Orthwein W. C. Clutches and Brakes: Design and Selection. CRC Press, 2004, 300 р..

14. Nesbitt B. Handbook of Valves and Actuators. Butterworth-Heinemann, 2011. 416 р.

15. Blair T. H. Valves and Actuators, in Energy Production Systems Engineering, IEEE, 2017, pp. 603-623, doi: 10.1002/9781119238041.ch25.

16. Щучинский С. Х. Электромагнитные клапаны систем автоматизации и их привод. — Санкт-Петербург: ГЭТУ, 1995. — 115 с.

17. Воропаев В.В., Поезжалов В.М. Электромагнитные муфты и тормоза. Область применения, преимущества и недостатки // Международный научный журнал «Вестник науки», 2021, № 12 (45) Т.3. С. 184-192.

18. Singh S. Design and Analysis of an Electro-Magnetic Clutch, International Journal of Progressive Research in Science and Engineering, 2020, Volume-1, Issue-3, рр. 89-95.

19. Review Paper on Eddy Current and Electromagnetic Brake / Y. Gandhi, D. Modh, N. Kishan, R. Parmar, N. Panchal // International journal of engineering research & technology (IJERT), 2021, Vol. 10, Iss. 01. doi: 10.17577/IJERTV10IS010198.

20. Бочкарев И.В., Храмшин В.Р., Галбаев Ж.Т., Сандыбаева А.Р. Разработка электромеханических тормозных устройств с источником тормозного усилия в виде постоянных магнитов // Изв. вузов. Электромеханика. 2024, Т. 67, № 3. – С. 55-67. doi:10.17213/0136-3360-2024-3-55-67.

21. Бочкарев И.В., Ширинский С.В. Расчет и конструирование асинхронных электродвигателей различных модификаций. – М.: Издательство МЭИ, 2025. – 240 с.

22. 10. Ладик Б. Р., Ермак И. Т. Деревообрабатывающее оборудование – источник опасных производственных факторов // Труды БГТУ, 2014, № 2, c. 140-142.

23. Техника и технология переработки и утилизации отходов / Найман С. М., Газеев Н. Х., Глебов А. Н.,. Фролов Д. В. Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, Казань, 2011. 418 с.

24. Константинов В. Ф. Подъемно-транспортные машины. Лань, 2025. 176 с.

25. Бахмутов С.В., Круташов А.В., Маликов О.В., Благушко Я.И. Особенности работы управляемых фрикционных муфт в составе энергосиловой установки гибридного автомобиля // Известия МГТУ «МАМИ», 2011, № 1(11). С. 120-126.

26. Li Zh., Jiang X., Chen Zh. Research on the Development and Application of Electromagnetic Clutch. International Journal of Energy, 2025, 6(2):37-39. DOI:10.54097/53rkyd29.

27. Bochkarev I.V., Bryakin I.V., Khramshin V.R., Voronin S.S. Diagnostics of Electromagnetic Friction Brakes and Clutches // IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). – 2019. – pp. 447-452.

28. Патент РФ № 2659868. Способ диагностики электромагнитного механизма / Бочкарев И.В., Брякин И.В. // Опубликовано 04.07.2018. Бюл. № 19.

29. Bochkarev I.V., Galbaev Zh. T. Development of frictional couplings and brake with a magnetoelectric drive // Russian Electric Engineering. – New York, Allerton Press, Inc. 2009, Vol. 80, No. 7. – pp. 371-375.

30. Гаврилюк В. И., Профатилов В. И. Метод определения положения якоря по значению индуктивности обмотки реле // Наука и прогресс транспорта. Вестник ДНУЖТ, 2007, № 19. С.13-17. DOI:10.15802/stp2007/17372.

31. Профатилов В. И. Метод определения положения якоря реле по магнитному сопротивлению рабочего воздушного зазора // Наука и прогресс транспорта. Вестник ДНУЖТ, 2005, № 6. С.16-21.

32. Дубров В.И. Интеллектуальная диагностика электромагнитных механизмов на базе нейронных сетей // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4. – С. 40-47.

33. Фрайден Дж. Современные датчики. – М.: Техносфера, 2006. – 592 c.