Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 48 Politechniki Wrocławskiej Nr 48 Studia i Materiały Nr 0 000 Wojciech SZELĄG*, Lech NOWAK*, Adam MYSZKOWSKI** ciecze ferromagnetyczne i magnetoreologiczne, hamulce i sprzęgła elektromagnetyczne z cieczą magnetoreologiczną 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.. 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 [, 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 []. 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. 0 nm. Cząstki ferromagnetyczne wykonane są najczęściej z tlenku żelaza Fe 3 O 4. 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.
zawierać ok. 0 5 takich mikromagnesów, a ich procentowa zawartość w cieczy nie przekracza 0%. Ciecz magnetoreologiczna jest natomiast koloidalną zawiesiną magnetycznie spolaryzowanych cząstek o średnicach od 0,5 do 0 µm w cieczy nośnej, którą najczęściej jest olej syntetyczny o małej zdolności parowania. Może zawierać ona od 0 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 [, ]. 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, T. Wartość ta pozostaje praktycznie stała w zakresie temperatur od 50 C do 50 C. Przy natężeniu pola magnetycznego ok. 00 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 [, 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. 07. 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. [, 3]. Na rysunku a 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. b oraz rys. c. Na rysunku d natomiast pokazano hamulec o elemencie wirującym uformowanym w kształcie litery V. Dobierając odpowiednio kąt między skośnymi płaszczyznami elementu wirującego, można wytworzyć jednorodne pole
08 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. a. Wynika to z tego, że z zachowaniem takich samych średnic wirników, powierzchnia czynna wirnika walcowego jest mniejsza od powierzchni czynnej wirnika z rys. d. a) 3 b) c) d) Rys.. Struktury hamulców elektromagnetycznych z cieczą magnetyczną: ciecz magnetoreologiczna, wirnik, 3 uzwojenie Fig.. The structures of brake with magnetoreological fluid: magnetoreological fluid, 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
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. ). 09 Rys.. Hamulec z podwójnym elementarnym obwodem magnetycznym Fig.. 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. () Naprężenie styczne τ dla cieczy magnetoreologicznych opisuje z dobrym przybliżeniem model cieczy Binghama [, ]. Wyraża on zmiany naprężenia stycznego τ w cieczy w zależności od szybkości dγ /dt jej odkształcania postaciowego dγ 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
0 z jej powierzchni, to jej odkształcenie postaciowe jest równe stosunkowi drogi du przebytej przez naprężaną powierzchnię cieczy w czasie dt do wysokości dδ warstwy du γ =. (3) dδ Model ten jest słuszny dla naprężeń τ większych od naprężenia granicznego τ 0 (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 () dla hamulca o strukturze walcowej, przy założeniu jednorodnego pola magnetycznego w szczelinie roboczej, otrzymuje się T [ τ ( B) rµω / δ ] = dt ds = πlr o + S (5) 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
T 3 πlr = µ eω (6) δ KOMPUTER Karta sterująca Wzmacniacz Zasilacz stabilizowany 6 3 5 4 Rys. 4. Hamulec modelowy z cieczą magnetyczną Fig. 4. Brake with magnetoreological fluid Rys. 5. Stanowisko pomiarowe Fig. 5. Measuring position gdzie lepkość efektywna cieczy τ 0 ( B) δ µ e = + 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 µ e, a więc i moment oporowy.. 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 3 firmy Lord Corporation. Fotografię hamulca zamieszczono na rys. 4. Średnica i długość jego korpusu wynoszą odpowiednio ok. 40 i 80 milimetrów. Zaletą hamulca jest bardzo mała moc elektryczna pobierana przez uzwojenie wzbudzenia, wynosząca, W przy napięciu zasilającym U = V. Badania hamulca prowadzono na stanowisku pomiarowym przedstawionym na rys. 5. Hamulec (5) napędzano silnikiem prądu stałego (3) sterowanym kartą typu Bus 6 (). Moment obrotowy mierzono za pomocą momentomierza Vibro-meter TG-/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
zasilającego dla kilku wybranych prędkości obrotowych. Charakterystyki te mają podobny przebieg. Parametry napędu oraz układu pomiaru momentu obrotowego umożliwiały po- 300 obr/min 0 450 obr/min Moment hamujący T [Nm] 8 6 4 600 obr/min 050 obr/min 350 obr/min 650 obr/min 950 obr/min 0 0 0,4 0,8, Napięcie sterujące U [V] Rys. 6. Moment obrotowy rozruchowy Fig. 6. Starting torque 30 5 Moment hamujący [Nm] 0 5 0 5 0 0 3 4 5 6 Napięcie sterujące [V]
3 Rys. 7. Moment obrotowy rozruchowy Fig. 7. Starting torque miar charakterystyk hamulca dla momentów obrotowych do N m oraz prędkości obrotowej do 950 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 8 N m. LITERATURA [] 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, 996, s. 35 40. [] ŁAWNICZAK A., MILECKI A., Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Politechnika Poznańska, Poznań 999. [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, 999. [5] MYSZKOWSKI A., Koncepcje konstrukcji i badania wybranych parametrów tłumików z cieczami magnetoreologicznymi, Maszyny Górnicze nr 77, 999, s. 43 48. [6] ROSENSWEIGG R. E., Ferrohydrodynamics, Cembridge University Press 985. [7] SZELĄG W., MILECKI A., Analiza pola elektromagnetycznego w magnetorologicznym tłumiku drgań, VII Międzynarodowe Sympozjum IPM, Warszawa 8 0..999, 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.