Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 62 Politechniki Wrocławskiej Nr 62 Studia i Materiały Nr 28 2008 Paweł KOWOL*, Zbigniew PILCH* ciecz magnetoreologiczna, sprzęgło elektromechaniczne, obliczenia polowe magnetyczne SPRZĘGŁO MAGNETOREOLOGICZNE O KONSTRUKCJI TARCZOWEJ Z PODMAGNESOWANIEM WYKORZYSTUJĄCYM MAGNES TRWAŁY W artykule omówiono właściwości cieczy magnetoreologicznej. Przedstawiono ich zastosowanie w przetwornikach elektromechanicznych. Zaprezentowano konstrukcję sprzęgła magnetoreologicznego o konstrukcji tarczowej, w którego magnetowodzie znajduje się magnes trwały. Przedstawiono model polowy magnetyczny sprzęgła magnetoreologicznego, a także wyniki obliczeń rozkładu pola magnetycznego w sprzęgle. Zaprezentowano również wyniki obliczeń momentu sprzęgającego, którego wartości obliczono na podstawie obliczonego rozkładu pola magnetycznego w sprzęgle oraz znajomości relacji pomiędzy granicznymi naprężeniami stycznymi w cieczy magnetoreologicznej a indukującym je polem magnetycznym. 1. WSTĘP Nowoczesne materiały typu SMART (tzw. materiały inteligentne lub materiały o specjalnych właściwościach) dają możliwości projektowania urządzeń, których funkcjonalność dzięki wykorzystaniu owych właściwości może stanowić nową jakość. Jednym z materiałów należących do tej grupy jest ciecz magnetoreologiczna (ciecz MR), której specjalne właściwości ujawniają się pod działaniem zewnętrznego pola magnetycznego ciecz zmienia swoją lepkość. Właściwości cieczy MR, znane od lat 40 ubiegłego wieku, zostały wykorzystane w aplikacjach technicznych dopiero w latach 90. Powodem tego były trudności technologiczne związane z produkcją cieczy. Dzisiaj produkowane są z zastosowaniem cieczy MR hamulce i amortyzatory o sterowalnych charakterystykach siły i momentu. * PolitechnikaŚląska, Wydział Elektryczny, Katedra Mechatroniki, 44-100 Gliwice, ul. Akademicka 10a
575 2. CIECZ MAGNETOREOLOGICZNA Ciecz magnetoreologiczna jest zawiesiną drobinek ferromagnetyku w cieczy nośnej (rys.1a), którą może być: woda, olej mineralny, olej syntetyczny, silikon, ester, diester. Cechą charakterystyczną cieczy magnetoreologicznej jest zmiana lepkości po umieszczeniu cieczy w polu magnetycznym z cieczy o gęstawej konsystencji staje się twardą masą niczym zmarznięte masło. Efekt ten wynika ze zmiany struktury cieczy: ferromagnetyczne drobinki zawieszone w cieczy nośnej, stanowiące pojedyncze domeny magnetyczne, pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego ulegają orientacji i koncentracji wzdłuż linii sił pola magnetycznego, tworząc skupiska cząsteczek w postaci łańcuchów (rys.1b). Po zaniku zewnętrznego pola magnetycznego ciecz przyjmuje swoją pierwotną postać cząsteczki ulegają rozproszeniu. a) b) Rys. 1. Ciecz magnetoreologiczna: a) budowa cieczy: 1 drobinki ferromagnetyku, 2 ciecz nośna, 3 powłoka niemagnetyczna, b) w jednorodnym polu magnetycznym. Fig. 1. Magnetorheological fluid: a) structure of the fluid: 1 ferromagnetic particles, 2 carrier fluid, 3 nonmagnetic layer, b) in external homogenous magnetic field Im silniejsze pole magnetyczne im większa indukcja magnetyczna pola B tym większe naprężenie łańcuchów utworzonych z ferromagnetycznych cieczy a tym samym większa lepkość cieczy. Zmianę lepkości cieczy magnetoreologicznej, która jest cieczą nienewtonowską, opisuje model Binghama [6]: gdzie: τ naprężenia styczne w cieczy, τ 0 (B) graniczne naprężenia styczne, µ lepkość dynamiczna cieczy, γ odkształcenie postaciowe cieczy. dγ τ = τ 0 ( B) + µ (1) dt
576 Jeśli naprężenia styczne w cieczy nie przekroczą naprężeń granicznych τ 0, zależnych od zewnętrznego pola magnetycznego o indukcji B, ciecz zachowuje się jak ciało sprężyste nie płynie. 3. PRZETWORNIKI ELEKTROMECHANICZNE Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ Ciecz magnetoreologiczna znalazła zastosowania przede wszystkim w hamulcach i tłumikach, ze względu na możliwość uzyskania dużych naprężeń stycznych w cieczy. Konstrukcje hamulców obrotowych (rys. 2) i tłumików liniowych umożliwiają wypełnienie cieczą magnetoreologiczną przestrzeni pomiędzy obudową a elementem ruchomym przetwornika, którym w przypadku hamulca obrotowego jest wirnik. Rys. 2. Hamulec obrotowy z cieczą magnetoreologiczną: 1 cewka, 2 ciecz magnetoreologiczna, 3 wał, 4 wirnik, 5 obudowa Fig. 2. Rotary brake with the magnetorheological fluid: 1 coil, 2 magnetorheological fluid, 3 shaft, 4 rotor, 5 housing, Na elemencie ruchomym lub w obudowie przetwornika (rozwiązanie na rys. 2), umieszczona jest cewka zasilana prądem. Prąd przepływający przez cewkę wytwarza strumień magnetyczny, przenikający przez warstwę cieczy, znajdującą się pomiędzy obudową, a elementem ruchomym. Zmiana siły hamującej ruch wirnika wynika ze zmiany lepkości cieczy, znajdującej się w szczelinie pomiędzy obudową a elementem ruchomym przetwornika elektromechanicznego. Lepkość cieczy jest sterowana za pośrednictwem pola magnetycznego, wytworzonego przez prąd przepływający przez cewkę. Sprzęgła magnetoreologiczne są urządzeniami, których budowa jest podobna do hamulców magnetoreologicznych. Stąd też hamulce magnetoreologiczne, zasilane poprzez pierścienie ślizgowe bądź przez transformator obrotowy, są wykorzystywane jako sprzęgła magnetoreologiczne [1].
577 W sprzęgłach magnetoreologicznych wartość momentu sprzęgającego T S (momentu, po przekroczeniu którego następuje wysprzęglenie wzajemny ruch wirnika i obudowy) wynika z granicznych naprężeń stycznych τ 0 (B). Zatem wartość momentu T S zadaje się wymuszając odpowiednią wartość prądu I, który płynie w uzwojeniach cewki sprzęgła wytwarzając pole magnetyczne o indukcji B. 4. SPRZĘGŁO MAGNETOREOLOGICZNE Z PODMAGNESOWANIEM Na podstawie przeprowadzonych studiów literaturowych [1, 5, 6, 7] oraz doświadczeń własnych autorów artykułu [3,4] przyjęto tarczową budowę sprzęgła. Za wyborem tego rozwiązania przemawiają następujące argumenty: zwarta konstrukcja sprzęgła przy zachowaniu dużej powierzchni czynnej, a więc dużego momentu sprzęgającego, możliwość modułowej budowy sprzęgła, co umożliwia ewentualne opracowanie typoszeregu sprzęgieł w zależności od wymaganej maksymalnej wartości momentu przenoszonego przez sprzęgło. Idea budowy sprzęgła magnetoreologicznego została przedstawiona na rysunku 3. Po lewej stronie widoczna jest obudowa: zespół tarcz obudowy, magnes trwały oraz cewka i zespół łożyskowy. Po prawej stronie przedstawiono wirnik: wał wraz z uszczelnieniami i tarczami wirnika. b) a) Rys. 3. Wizualizacja 3D konstrukcji sprzęgła magnetoreologicznego (przed złożeniem): a) obudowa, b) wirnik Fig. 3. 3D visualization of the magnetorheological clutch (before assembly): a) housing, b) rotor Na rysunku 4. przedstawiono przekrój osiowy przez sprzęgło po osadzeniu wału w korpusie.
578 Rys. 4. Konstrukcja sprzęgła: 1 wał (stal), 2 pierścień osadczy sprężynujący, 3 łożyska toczne, 4 uszczelnienia, 5 tarcze wału (stal), 6 tarcze obudowy (stal), 7 cewka sprzęgła, 8 magnes trwały, 9 pierścienie magnetowodu (stal), 10 obudowy łożysk i uszczelnień (aluminium), 11 pierścień dociskający (aluminium), 12 element obudowy (aluminium), 13 mocowanie tarcz wirnika (aluminium), 14 przestrzeń wypełniona cieczą magnetoreologiczną, 15 mocowanie tarcz obudowy (aluminium) Fig. 4. Clutch structure: 1 shaft (steel), 2 spring ring, 3 bearings, 4 seals, 5 discs of rotor (steel), 6 discs of housing (steel), 7 coil, 8 permanent magnet, 9 rings of magnetic core (steel), 10 housing (aluminium), 11 holder (aluminium), 12 housing sleeve (aluminium), 13 fixing of rotor discs (aluminium), 14 magnetorheological fluid, 15 fixing of housing discs (aluminium) Idea działania sprzęgła oparta jest na wykorzystaniu zmiany lepkości cieczy magnetoreologicznej wypełniającej przestrzenie pomiędzy tarczami wału i tarczami obudowy pod wpływem pola magnetycznego. W sprzęgle znajdują się dwa źródła pola magnetycznego: magnes trwały (nr 8 na rys. 4) i cewka (nr 7 na rys. 4) zasilana prądem I. Magnes trwały jest źródłem podmagnesowania stałego pola magnetycznego zapewniającego wytworzenie momentu sprzęgającego T S (I = 0). Cewka sprzęgła zasilana ze źródła prądu wytwarza pole magnetyczne, które odwzbudzi układ zmniejszając w ten sposób wartość momentu T S (I ) lub po zmianie kierunku przepływu prądu dowzbudzi układ zwiększając wartość momentu sprzęgającego T S (I + ). 5. OBLICZENIA ROZKŁADU POLA MAGNETYCZNEGO ORAZ MOMENTU SPRZĘGAJĄCEGO 5.1. OBLICZENIA POLOWE MAGNETYCZNE Dla zaproponowanej konstrukcji sprzęgła magnetoreologicznego stworzono magnetyczny model polowy w programie FEMM. Model polowy sprzęgła (rys. 5) jest modelem osiowosymetrycznym i uwzględnia nieliniowe charakterystyki magnesowania stali i cieczy magnetoreologicznej [8].
579 Rys. 5. Osiowosymetryczny 2D model polowy sprzęgła magnetoreologicznego Fig. 5. Axisymmetrical 2D field model of the magnetorheological clutch Z wykorzystaniem przedstawionego magnetycznego modelu polowego wyznaczono rozkłady pola magnetycznego, które przedstawiono na rysunku 6. a) b) Rys. 6. Rozkład pola magnetycznego w sprzęgle magnetoreologicznym przy prądzie cewki: a) I + =0,7 A, b) I = 0,7 A Fig. 6. Magnetic field distribution in the magnetorheological clutch 5.2. OBLICZENIA MOMENTU SPRZĘGAJĄCEGO Na podstawie wyznaczonych rozkładów pola magnetycznego w sprzęgle obliczono wartości momentu sprzęgającego [2]. Na podstawie znajomości rozkładu pola magnetycznego (składowej normalnej indukcji B n ) na powierzchniach tarcz wirnika (w modelu osiowosymetrycznym na krawędziach tarcz wirnika), w oparciu o funkcję τ 0 (B) [8], opisującą relacje pomiędzy granicznymi naprężeniami stycznymi τ 0 w cie-
580 czy a indukującym je polem magnetycznym o indukcji B, obliczono wartości momentu sprzęgającego: T S 2 = N R R1 ( B ( r) ) 2 τ 2πr dr (2) 0 gdzie: N ilość powierzchni tarcz wirnika R 1 wewnętrzny promień tarczy wirnika, R 2 zewnętrzny promień tarczy wirnika. Obliczeń dokonano dla szeregu wartości prądu cewki z zakresu I = 0,725 0,725 A. Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunku 7. Dla wartości prądu cewki I = 0,725 A sprzęgło wytwarza minimalną wartość momentu sprzęgającego T Smin = 4 10 4 N m. n N m 16 14 12 10 8 6 4 2 T 0-0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 I A Rys. 7. Moment sprzęgający T S (I) w funkcji prądu cewki Fig. 7. Clutching torque T S (I) versus coil current 6. WNIOSKI Przedstawiona konstrukcja sprzęgła magnetoreologicznego z podmagnesowaniem wykorzystującym magnes trwały zapewnia wytworzenie przez sprzęgło momentu sprzęgającego bez konieczności zasilania cewki sprzęgła. Natomiast wysprzęglenie sprzęgła następuje po zasileniu cewki. Jest to bardzo korzystne z energetycznego punktu widzenia: w stanie normalnej pracy (sprzęgnięcia) nie ma konieczności zasilania sprzęgła. Dodatkową zaletą sprzęgła z magnesem trwałym jest możliwość zwiększenia momentu sprzęgającego po zasileniu cewki sprzęgła przy wymuszeniu odwrotnego kierunku przepływu prądu.
581 LITERATURA [1] JĘDRYCZKA C., Analiza zjawisk sprzężonych w sprzęgle magnetoreologicznym, VII International Workshop for Candidates for a Doctor s Degree OWD 2005, Wisła 2005. [2] KOWOL P., Zastosowanie modelu polowego w procesie projektowania magnetoreologicznego hamulca obrotowo-liniowego, Przegląd Elektrotechniczny 12, 2005, s. 22 24. [3] KOWOL P., Hamulce magnetoreologiczne o jednym i dwóch stopniach swobody ruchu, Praca doktorska, Wydział Elektryczny Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007. [4] KOWOL P., PILCH Z., Design of magnetorheological rotary-linear brake, XV International Symposium Micromachines & Servosystems MiS 06, Soplicowo 2006, s. 171 176. [5] LI W. H., DU H., Design and Experimental Evaluation of a Magnetorheological Brake, The International Journal of Advanced Manufactuting Technology (2003) 21, pp. 508 515. [6] ŁAWNICZAK A., MILECKI A., Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Politechnika Poznańska, Poznań 1999. [7] SZELĄG W., NOWAK L., MYSZKOWSKI A., Hamulec elektromagnetyczny z cieczą magnetoreologiczną, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, nr 48, Wrocław 2000, s. 206 213. [8] Materiały informacyjne firmy LORD Corporation: www.rheonetic.com MAGNETORHEOLOGICAL CLUTCH WITH A DISC STRUCTURE WITH AN ADDITIONAL MAGNETIZATION CAUSED BY A PERMANENT MAGNET In the paper properties of magnetorheological fluids are described. Their application in electromechanical converters are presented. A magnetorheological clutch with a disc structure in magnetic core of clutch a permanent magnet is include. A field magnetic model of the magnetorheological clutch and results of magnetic field distribution are presented. Results of calculations of the clutching torque on the basis of magnetic field distribution and relation between yield stress in magnetorheological fluid caused by the magnetic field are presented. Praca została wykonana w ramach projektu badawczego Koncepcja, projekt i wykonanie elektromagnetycznego, reluktancyjnego wzbudnika drgań harmonicznych skrętnych do badania parametrów częstotliwościowych układów napędowych finansowanego ze środków KBN w 2008 r.