Wojciech SZELĄG*, Lech NOWAK*, Adam MYSZKOWSKI

Nr 48
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Studia i Materiały
Nr 20
Nr 48
2000
ciecze ferromagnetyczne i magnetoreologiczne,
hamulce i sprzęgła elektromagnetyczne
z cieczą magnetoreologiczną
Wojciech SZELĄG*, Lech NOWAK*, Adam MYSZKOWSKI**
HAMULEC ELEKTROMAGNETYCZNY
Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ
Przedstawiono ciecze reologiczne o właściwościach sterowanych polem magnetycznym.
Wskazano zastosowania cieczy megnetoreologicznych w przetwornikach elektromechanicznych.
Omówiono budowę oraz zasadę działania hamulca elektromagnetycznego, w którym jako czynnik
roboczy zastosowano ciecz magnetoreologiczną. Zaprezentowano wyniki badań laboratoryjnych
hamulca modelowego zbudowanego w Politechnice Poznańskiej.
1. WPROWADZENIE
W ostatnich latach wzrasta zapotrzebowanie na przetworniki elektromechaniczne
charakteryzujące się coraz lepszymi parametrami funkcjonalnymi charakteryzującymi
zarówno ustalone, jak i dynamiczne stany ich pracy. Badania nad poprawą tych parametrów
prowadzone są w wielu kierunkach. Jeden z nich dotyczy m.in. zastosowania w
przetwornikach elektromechanicznych cieczy, których właściwości fizyczne zmieniają się
pod wpływem pola elektrycznego lub magnetycznego [1, 3, 6, 7]. Cieczami o takich
właściwościach zajmuje się reologia, czyli nauka o płynięciu i odkształcaniu się ciał pod
wpływem naprężeń. Jest ona dziedziną mechaniki teoretycznej stojącą na pograniczu
hydrodynamiki i teorii sprężystości [2].
W przetwornikach elektromechanicznych praktyczne zastosowanie znalazły ciecze
magnetyczne, tj. ciecze zmieniające swoją lepkość pod wpływem pola magnetycznego.
Wyróżnia się dwa rodzaje cieczy magnetycznych: ferromagnetyczne (ang. Ferrofluids) oraz
magnetoreologiczne (ang. Magnetorheological Fluids). Ciecze magnetyczne są zawiesiną
cząstek ferromagnetycznych w oleju syntetycznym lub w lekkim oleju mineralnym. Średnice
cząsteczek występujących w cieczy ferromagnetycznej wynoszą ok. 10 nm. Cząstki
ferromagnetyczne wykonane są najczęściej z tlenku żelaza Fe3O4. Każda z nich jest
pojedynczą domeną mającą stałe pole magnetyczne. Kropla cieczy ferromagnetycznej może
______________
* Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki Przemysłowej, ul. Piotrowo 3A, 60-965 Poznań.
** Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Mechanicznej, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań.
207
zawierać ok. 1015 takich mikromagnesów, a ich procentowa zawartość w cieczy nie
przekracza 20%. Ciecz magnetoreologiczna jest natomiast koloidalną zawiesiną
magnetycznie spolaryzowanych cząstek o średnicach od 0,5 do 10 µm w cieczy nośnej,
którą najczęściej jest olej syntetyczny o małej zdolności parowania. Może zawierać ona od
20 do 60% cząstek ferromagnetycznych. Główną cechą tych cieczy są duże zmiany lepkości
uzyskiwane po przyłożeniu pola magnetycznego. Zmiany lepkości zarówno podczas
zwiększania,
jak
i zmniejszania natężenia pola występują w czasie pojedynczych mikrosekund [1, 2]. Przy
braku
zewnętrznego
pola
magnetycznego,
momenty
magnetyczne
cząstek
ferromagnetycznych są zorientowane przypadkowo i wypadkowy wektor namagnesowania
cieczy ma wartość zerową. Po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego momenty
magnetyczne cząstek układają się wzdłuż linii sił pola magnetycznego i są wówczas mało
podatne na ruchy termiczne. Typowa wartość indukcji nasycenia cieczy
magnetoreologicznych wynosi ok. 0,1 T. Wartość ta pozostaje praktycznie stała w zakresie
temperatur od –50 °C do 150 °C. Przy natężeniu pola magnetycznego ok. 200 kA/m ciecz
magnetoreologiczna przyjmuje konsystencję podobną do zmarzniętego masła. W razie braku
zewnętrznego pola przypomina zwykły olej silnikowy.
Właśnie dzięki tym unikatowym właściwościom ciecze magnetoreologiczne znalazły
bardzo szerokie zastosowanie [2, 5, 4]. Stosuje się je m.in. w: hamulcach, sprzęgłach,
tłumikach drgań, zaworach bez elementów ruchomych, głośnikach, silnikach skokowych,
napędach CD oraz DVD, uszczelnieniach, np. na statkach kosmicznych. W pracy
przedstawiono budowę, zasadę działania oraz wyniki badań eksperymentalnych hamulca
elektromagnetycznego z cieczą magnetoreologiczną.
2. ZASADA DZIAŁANIA HAMULCÓW I SPRZĘGIEŁ Z CIECZĄ
MAGNETOREOLOGICZNĄ
Ciecze reologiczne o lepkości sterowanej polem magnetycznym są doskonałym
czynnikiem roboczym w hamulcach i sprzęgłach elektromagnetycznych. Zasada ich
działania oparta jest na wykorzystaniu zjawiska zmiany lepkości cieczy pod wpływem pola
magnetycznego. Zmiany te następują zazwyczaj przez zmianę prądu w uzwojeniach
wzbudzających pole magnetyczne. Do wzbudzania pola można wykorzystywać także układy
magnesów trwałych. Wzrost lepkości cieczy powoduje zwiększenie się siły przeciwdziałającej
przemieszczaniu się elementów ruchomych hamulca czy sprzęgła. Umożliwia to bezstopniową
zmianę przenoszonych momentów w warunkach występowania obciążenia.
W pracy ograniczono się do przedstawienia budowy hamulców z cieczą
magnetoreologiczną. Podstawowe ich struktury przedstawiono na rys. 1 [2, 3]. Na
rysunku 1a pokazano układ o strukturze walcowej. Ciecz magnetyczna znajduje się w
szczelinie roboczej między wirnikiem i stojanem. Pole magnetyczne wytwarzane jest przez
pierścieniową cewkę umieszczoną w stojanie. Hamulce o strukturze tarczowej
przedstawiono na rys. 1b oraz rys. 1c. Na rysunku 1d natomiast pokazano hamulec o
elemencie wirującym uformowanym w kształcie litery V. Dobierając odpowiednio kąt
między skośnymi płaszczyznami elementu wirującego, można wytworzyć jednorodne pole
208
magnetyczne w dużym obszarze szczeliny roboczej. Wyzyskanie obwodu magnetyczny jest
przez to lepsze niż w konstrukcjach tarczowych. Ponadto, uzyskiwany w takim hamulcu
maksymalny moment oporowy jest większy niż w konstrukcji z rys. 1a. Wynika to z tego, że
z zachowaniem takich samych średnic wirników, powierzchnia czynna wirnika walcowego
jest mniejsza od powierzchni czynnej wirnika z rys. 1d.
a)
3
1
b)
1
2
2
1
c)
2
d)
1
2
Rys. 1. Struktury hamulców elektromagnetycznych z cieczą magnetyczną:
1 – ciecz magnetoreologiczna, 2 – wirnik, 3 – uzwojenie
Fig. 1. The structures of brake with magnetoreological fluid:
1 – magnetoreological fluid, 2 – rotor, 3 – winding
W zasadzie nie ma większej różnicy w budowie obwodu magnetycznego sprzęgła
i hamulca z cieczą magnetoreologiczną. W jednym i drugim urządzeniu, niezależnie od
prędkości obrotowej urządzenia napędowego, przenoszony moment obrotowy może być
regulowany w szerokich granicach przez zmianę parametrów układu zasilającego uzwojenia
wzbudzające pole w obszarze roboczym. W najprostszych układach napędowych sygnały
sterujące mają zazwyczaj charakter typu załącz/wyłącz. W układach o złożonej logice
działania, urządzenia z cieczą magnetyczną mogą pełnić np. funkcję tłumika drgań w ruchu
obrotowym [5]. Ich zadanie polega wówczas na wytwarzaniu momentu obrotowego
209
tłumiącego pasożytnicze oscylacje prędkości wokół prędkości zadanej. W celu spełnienia tej
funkcji napięcie zasilające układ tłumiący musi zmieniać się z dużą dynamiką i w bardzo
szerokim zakresie. Podstawowa różnica między sprzęgłem a hamulcem polega na tym, że
w sprzęgle mogą obracać się zarówno wirnik, jak i ta cześć obwodu magnetycznego, w
której znajduje się uzwojenie wzbudzające. Powstaje zatem problem zasilania tego
uzwojenia, np. za pośrednictwem szczotek i pierścieni ślizgowych.
Zwiększenie maksymalnego momentu oporowego bez zmiany średnicy zewnętrznej
przedstawionych hamulców, uzyskuje się przez umieszczenie na wale dodatkowych
identycznych sekcji obwodu magnetycznego (rys. 2).
Rys. 2. Hamulec z podwójnym elementarnym obwodem magnetycznym
Fig. 2. Brake with dual elementary magnetic circuit
Moment oporowy dT działający na element ds powierzchni wirnika, znajdujący się
w odległości r od jego osi obrotu, jest proporcjonalny do naprężenia stycznego τ cieczy
magnetycznej
dT = rτ ds .
(1)
Naprężenie styczne τ dla cieczy magnetoreologicznych opisuje z dobrym
przybliżeniem model cieczy Binghama [1, 2]. Wyraża on zmiany naprężenia stycznego τ w
cieczy
w zależności od szybkości dγ /dt jej odkształcania postaciowego
dγ
(2)
τ = τ 0 (B) + µ
dt
gdzie: τ 0 ( B ) – indukowane przez pole magnetyczne graniczne naprężenie styczne, B –indukcja
magnetyczna, µ – lepkość dynamiczna cieczy, γ – odkształcenie postaciowe płynu.
Występujące w równaniu odkształcenie postaciowe określa się dla bardzo cienkiej
warstwy cieczy o wysokości dδ. Jeśli na taką warstwę cieczy działa siła F stycznie do jednej
210
z jej powierzchni, to jej odkształcenie postaciowe jest równe stosunkowi drogi du przebytej
przez naprężaną powierzchnię cieczy w czasie dt do wysokości dδ warstwy
γ =
du
.
dδ
(3)
Model ten jest słuszny dla naprężeń τ większych od naprężenia granicznego τ0(B).
Poniżej granicy plastyczności, tj. dla naprężeń τ nie większych od naprężenia granicznego,
ciecz zachowuje się jak ciało sprężyste i obowiązuje wówczas zależność
τ = G (B)γ
(4)
przy czym: G(B) – zależny do indukcji magnetycznej moduł sprężystości postaciowej.
Rys. 3. Przekrój hamulca
Fig. 3. Intersection of brake
Z zależności (1) dla hamulca o strukturze walcowej, przy założeniu jednorodnego pola
magnetycznego w szczelinie roboczej, otrzymuje się
T = ∫ dT ds = 2 πlr 2 [τ o ( B) + rµω / δ ]
(5)
S
gdzie: l – oznacza sumę długość biegunów stojana liczoną wzdłuż osi wału, δ – długość
szczeliny roboczej, S – powierzchnia boczna walca wirnika.
Zależność (5) dogodnie jest przedstawić w postaci
211
T=
2 πlr 3
δ
(6)
µ eω
KOMPUTER
Karta
sterująca 1
6
Rys. 4. Hamulec modelowy z cieczą magnetyczną
Fig. 4. Brake with magnetoreological fluid
3
Wzmacniacz
2
Zasilacz
stabilizowany
5
4
Rys. 5. Stanowisko pomiarowe
Fig. 5. Measuring position
gdzie lepkość efektywna cieczy
µe =
τ 0 ( B)δ
+µ
rω
(7)
Pierwszy składnik w równaniu (7) określa lepkość cieczy generowaną przez naprężenie
styczne τ 0 ( B ) . Regulację momentu realizuje się przez zmianę indukcji magnetycznej
w szczelinie roboczej. Wraz ze wzrostem indukcji zwiększa się naprężenie styczne τ 0 ( B ) ,
lepkość efektywna µe, a więc i moment oporowy.
2. WYNIKI BADAŃ HAMULCA MODELOWEGO
Strukturę zbudowanego w Politechnice Poznańskiej hamulca modelowego z cieczą
magnetoreologiczną przedstawiono na rys. 3. Jest to hamulec o wirniku walcowym. Pole
magnetyczne wzbudzane jest w nim za pomocą cewki pierścieniowej umieszczonej w stojanie.
W hamulcu zastosowano ciecz typu Rheonetic MRF 132 firmy Lord Corporation. Fotografię
hamulca zamieszczono na rys. 4. Średnica i długość jego korpusu wynoszą odpowiednio ok. 140
i 80 milimetrów. Zaletą hamulca jest bardzo mała moc elektryczna pobierana przez uzwojenie
wzbudzenia, wynosząca 1,2 W przy napięciu zasilającym U = 1 V.
Badania hamulca prowadzono na stanowisku pomiarowym przedstawionym na rys. 5.
Hamulec (5) napędzano silnikiem prądu stałego (3) sterowanym kartą typu Bus 6 (1).
Moment obrotowy mierzono za pomocą momentomierza Vibro-meter TG-1/BP (4). Po
wzmocnieniu sygnał z momentomierza przesyłano do komputera. Rejestrowano prędkość
obrotową (6), moment obrotowy oraz napięcie zasilania hamulca.
W pracy zmieszczono wybrane wyniki badań hamulca w stanie pracy ustalonej. Na
rys. 6 przedstawiono zależność wytwarzanego w hamulcu momentu oporowego od napięcia
212
zasilającego dla kilku wybranych prędkości obrotowych. Charakterystyki te mają podobny
przebieg. Parametry napędu oraz układu pomiaru momentu obrotowego umożliwiały po12
300 obr/min
10
600 obr/min
8
1050 obr/min
1350 obr/min
6
1650 obr/min
4
1950 obr/min
2
0
0
0,4
0,8
1,2
Napięcie sterujące U [V]
Rys. 6. Moment obrotowy rozruchowy
Fig. 6. Starting torque
30
25
Moment hamujący [Nm]
Moment hamujący T [Nm] .
450 obr/min
20
15
10
5
0
0
1
2
3
Napięcie sterujące [V]
4
5
6
213
Rys. 7. Moment obrotowy rozruchowy
Fig. 7. Starting torque
miar charakterystyk hamulca dla momentów obrotowych do 12 N⋅m oraz prędkości
obrotowej do 1950 obr/min. Widoczny na rys. 6 moment oporowy dla napięcia zasilania U
= 0 spowodowany jest przede wszystkim tarciem w łożyskach oraz tarciem między wirnikiem
i cieczą magnetyczną. W razie braku napięcia sterującego, zgodnie z zależnością (5),
moment generowany w obszarze roboczym hamulca jest proporcjonalny do prędkości
kątowej ω wirnika. Na rys. 7 zamieszczono natomiast wyniki pomiaru momentu
rozruchowego, tj. momentu, przy którym wirnik zaczyna się obracać. Pomiary wykonano na
stanowisku do pomiaru momentu rozruchowego.
3. WNIOSKI
W pracy przedstawiono konstrukcję oraz omówiono zasadę działania hamulców
i sprzęgieł elektromagnetycznych z cieczą magnetoreologiczną. Zaprezentowano wyniki
badań laboratoryjnych hamulca modelowego o strukturze walcowej zbudowanego w
Politechnice Poznańskiej. Hamulec ten odznacza się prostą budową. Moment oporowy
hamulca reguluje się w bardzo prosty sposób przez zmianę napięcia zasilającego uzwojenie
sterujące. Generowany moment w niewielkim stopniu zależy od prędkości obrotowej. Zaletą
hamulca są: bardzo mała moc elektryczna pobierana przez uzwojenie sterujące, małe gabaryty oraz duży moment oporowy dochodzący do 28 N⋅m.
LITERATURA
[1] CARLSON J. D., SPENCER B. F., Magneto-rheological fluid dampers for semi-active seismic control,
Proc. of the 3rd International Conference on Motion and Vibration Control, Japan, 1996, s. 35–40.
[2] ŁAWNICZAK A., MILECKI A., Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w
technice, Politechnika Poznańska, Poznań 1999.
[3] Materiały informacyjne firmy Lord Corporation: www.mrfluid.com.
[4] MILECKI A., Wybrane metody poprawy właściwości liniowych serwonapędów elektrohydraulicznych,
Rozprawy nr 343, Politechnika Poznańska, Poznań, 1999.
[5] MYSZKOWSKI A., Koncepcje konstrukcji i badania wybranych parametrów tłumików z cieczami
magnetoreologicznymi, Maszyny Górnicze nr 77, 1999, s. 43–48.
[6] ROSENSWEIGG R. E., Ferrohydrodynamics, Cembridge University Press 1985.
[7] SZELĄG W., MILECKI A., Analiza pola elektromagnetycznego w magnetorologicznym tłumiku drgań,
VII Międzynarodowe Sympozjum IPM, Warszawa 8–10.12.1999, s. 598–607.
THE ELECTROMAGNETIC BRAKE WITH MAGNETORHEOLOGICAL FLUID
In the paper the properties and applications of ferrofluids and magnetorheological fluids have been
presented. The electromagnetic brake with magnetoreological fluid has been considered. The steady state of
brake with magnetoreological fluid made in the Technical University of Poznań has been investigated. The
results of measurements have been presented.