HAMOWNIA Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ

SCRIPTA COMENIANA LESNENSIA PWSZ im. J. A. Komeńskiego w Lesznie R o k 2 0 0 8, n r 6 MARIAN MARKIEWICZ* HAMOWNIA Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ ROLLER PERFORMANCE TESTER WITH MAGNETOREOLOGIC FLUID Słowa kluczowe: hamownia, projektowanie hamulca, silniki elektryczne Key words: roller performance tester, break projecting, electric engines Streszczenie: W artykule opisano opracowany i zbudowany hamulec z cieczą magnetyczną. Zaprezentowano algorytm projektowania hamulca. Przedstawiono sposób wykorzystania do wyznaczania charakterystyk mechanicznych silników elektrycznych oraz wybrane wyniki pomiarów. Abstract: In the article, project and structure of break with magnetoreologic fluid was described. Then algorithm of break projecting was presented, as well as the way of its applying in determining mechanical characteristics of electric engines. Selected results of measures were also described. 1. WPROWADZENIE 1. INTRODUCTION Reologia jest nauką o płynięciu i odkształcaniu się ciał pod wpływem działających na nie naprężeń. Jest działem fizyki zajmującym się mechaniką ciał rzeczywistych ulegających odkształceniom pod wpływem działania sił zewnętrznych, a także ruchami jednych elementów danego ciała względem * Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Jana Amosa Komeńskiego w Lesznie, Instytut Politechniczny.

198 M. MARKIEWICZ Hamownia z cieczą magnetoreologiczną drugich [Rosensweig 1985; Ławniczak i Milecki 1999; Materiały]. Reologia jako dział mechaniki płynów zajmuje się przede wszystkim cieczami nienewtonowskimi, do których należą m.in. stopy i roztwory polimerów oraz zawiesiny ciał stałych w cieczach i emulsjach. Ciecze nienewtonowskie są to takie ciecze, których współczynnik lepkości zależy od szybkości ścinania [Rosensweig 1985; Szeląg 2001]. Reologię dzieli się na makro- i mikroreologię. Makroreologia traktuje badane ciało jako ośrodek ciągły. Taki ośrodek można scharakteryzować doświadczalnie wyznaczając jego parametry. Nie uwzględnia się przy tym struktury cząsteczkowej danego ciała występującej w rzeczywistości. Mikroreologia bada związki między strukturą ciała a jego właściwościami reologicznymi na poziomie cząsteczkowym [Rosensweig 1985; Ławniczak i Milecki 1999]. Do cieczy reologicznych zalicza się także zawiesiny ciał stałych w cieczach i emulsjach, które w obecności pola elektrycznego lub magnetycznego zmieniają swoje właściwości fizyczne. Ciecze sterowane za pomocą pola magnetycznego i elektrycznego należą do płynów nienewtonowskich reostabilnych. Dzieli się je na: magnetoreologiczne, ferromagnetyczne, elektroreologiczne. Strukturę cieczy magnetycznej przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Struktura cieczy magnetycznej przy braku pola magnetycznego Fig. 1. The structure of magnetic fluid with lack of magnetic field W cieczy można wyróżnić: niemagnetyczną ciecz nośną (1), cząsteczki ferromagnetyczne (2) oraz powłoki powierzchniowe (3) [Ławniczak i Milecki 1999; Materiały]. Cząsteczki ferromagnetyczne są koloidalnie zawieszone w cieczy nośnej. Aby zapobiegać ich aglomeracji, są one powleczone środkiem

SCRIPTA COMENIANA LESNENSIA NR 6 199 powierzchniowo aktywnym. Takim środkiem jest np. kwas oleinowy. Cząsteczki te są domenami magnetycznymi mikromagnesami trwałymi. Podwyższona temperatura przyspiesza niszczenie środka powierzchniowo aktywnego. Konsekwencją niszczenia środka powierzchniowo aktywnego może być aglomeracja cząstek i utrata przez ciecz właściwości reologicznych. Przy braku zewnętrznego pola magnetycznego ciecze te nie wykazują namagnesowania, a momenty magnetyczne związane z każdą cząstką ferromagnetyczną są zorientowane przypadkowo. Wypadkowy wektor magnetyczny ma wówczas wartość zerową. Natomiast w cieczy magnetycznej umieszczonej w zewnętrznym polu magnetycznym cząsteczki ferromagnetyczne układają się wzdłuż linii sił pola magnetycznego tworząc łańcuchy. Sytuację taką przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Ciecz magnetyczna w polu magnetycznym Fig. 2. Magnetic fluid in magnetic field Rozróżnia się dwa rodzaje cieczy magnetycznych: mikromagnetoreologiczne nazywane również cieczami magnetoreologicznymi (MRF) oraz nanomagnetoreologiczne, zwane również ferromagnetycznymi (FRF). Ciecze magnetoreologiczne stanowią koloidalną zawiesinę magnetycznie spolaryzowanych cząstek w cieczy nośnej. Średnica tych cząstek wynosi od 0,5 do 10 µm. Zawartość procentowa cząsteczek w cieczy wynosi od 20 do 85% [Ławniczak i Milecki 1999; Szeląg 2001; Łyskawiński i Szeląg 2003; Materiały]. Ciecz zachowuje swoje właściwości w zakresie temperatur od 50 do 150 C. Jako ciecz nośną najczęściej stosuje się olej mineralny lub silikonowy

200 M. MARKIEWICZ Hamownia z cieczą magnetoreologiczną o niskiej zdolności parowania. Podstawową cechą cieczy MRF są duże zmiany jej lepkości już przy stosunkowo niewielkim polu magnetycznym. Przy natężeniach zewnętrznego pola magnetycznego od 150 do 250 ka/m w cieczy występują naprężenia styczne na poziomie od 50 do 250 kpa [Szeląg 2001; Materiały]. Ze względu na stosunkowo krótki czas reakcji cieczy MRF na zmianę pola, można je stosować w układach wymagających dużej dynamiki. W ciągu mikrosekund jest możliwa zmiana lepkości cieczy przy zmniejszaniu bądź zwiększaniu natężenia pola magnetycznego. Kolejnym czynnikiem przemawiającym na korzyść cieczy MRF jest jej niski koszt wytwarzania, co powoduje, że jest ona około 1000 razy tańsza od cieczy ferromagnetycznej. Negatywną cechą cieczy magnetoreologicznej jest to, że po dłuższym pozostawieniu jej w bezruchu cząstki ferromagnetyczne osiadają na dnie zbiornika. Średnica cząsteczek w cieczy ferromagnetycznej wynosi od 3 do 15 nm. Ze względu na utratę właściwości magnetycznych nie jest możliwe dalsze zmniejszanie tych rozmiarów. Ścisła kontrola wielkości cząstek zapewnia wysoką jakość uzyskiwanej cieczy ferromagnetycznej. Wysoka jakość z kolei gwarantuje dużą stabilność właściwości magnetycznych. Cząstki te są wykonywane z materiału ferromagnetycznego, zwykle z tlenku żelaza Fe 3 O 4. Procentowa zawartość mikromagnesów w cieczy wynosi od 2 do 15%. Typowa ciecz ferromagnetyczna zawiera w swojej objętości 5% cząsteczek ferromagnetycznych, 10% stanowią powłoki ochronne, a pozostałe 85% to ciecz nośna. Najczęściej jako ciecz nośną stosuje się olej syntetyczny, rzadziej lekki olej mineralny, glicerynę, polifenyl, estry albo wodę. To sprawia, iż wytwarzanych jest bardzo wiele typów cieczy ferromagnetycznych różniących się rodzajem zastosowanej w nich cieczy nośnej, a także ilością cząstek magnetycznych. Wartość maksymalnego indukowanego w nich naprężenia stycznego nie przekracza 5 kpa. Ciecze ferromagnetyczne są przystosowane do pracy w bardzo szerokim zakresie temperatury, od 65 C do 200 C. Bardzo ważną cechą jest to, że w tym zakresie temperatur magnetyzacja cieczy jest niezależna od zmian temperatury. Kolejną ważną cechą tych cieczy jest ich trwałość. Mała zdolność parowania zastosowanej cieczy nośnej gwarantuje dużą trwałość cieczy ferromagnetycznej. Dzięki ruchom termicznym poruszanie się bardzo małych cząstek ferromagnetycznych w cieczy nośnej jest bardzo ułatwione. Zapobiega to występowaniu w nich zjawisk aglomeracji i opadania cząstek na dno zbiornika mimo długotrwałego pozostawienia cieczy w bezruchu. Prace nad poprawą parametrów cieczy ferromagnetycznych doprowadziły w ostatnich latach do jej długoterminowej stabilności temperaturowej i niezmienności parametrów w trakcie długotrwałego użytkowania [Szeląg, Nowak i Myszkowski 2000; Materiały]. Porównując ciecze magnetoreologiczne z cieczami ferromagnetycznymi można zauważyć, że te pierwsze wykazują kilkakrotnie większą magnetyzację. Ciecze magnetoreologiczne i ferromagnetyczne są materiałem niemal doskonale miękkim magnetycznie. Indukowane przez pole magnetyczne naprężenie styczne τ o w cieczy jest funkcją indukcji magnetycznej B. Przykładowe charakterystyki naprężeń τ o (B) oraz magnesowania B(H) dla cieczy typu MRF 132 LD przedstawiono na rysunku 3 [Materiały].

SCRIPTA COMENIANA LESNENSIA NR 6 201 a) 45 τ o [kpa] 30 15 B [T] 0,0 0,5 1,0 b) B [T] 1,0 0,5 H [ka/m] 0,0 200 400 600 Rys. 3. Naprężenie τ o (B) (a) oraz charakterystyka B(H) (b) dla cieczy MRF 132LD Fig. 3. Stress τ o (B) (a) and the characteristics of B(H) (b) for the liquid 132LD Naprężenie τ o, lepkość dynamiczna ν cieczy, podobnie jak jej przenikalność magnetyczna µ w niewielkim stopniu zależy od temperatury. 2. ALGORYTM PROJEKTOWANIA HAMULCA TARCZOWEGO 2. Z CIECZĄ MAGNETYCZNĄ 2. ALGORITHM OF DISK BRAKE WITH MAGNETIC FLUID PROJECTING W Laboratorium Maszyn Elektrycznych Państwowej Wyższej Szkoły Zawodowej im. J. A. Komeńskiego w Lesznie zaprojektowano, zbudowano i przeprowadzono wstępne badania hamowni z hamulcem z cieczą magnetoreologiczną. Do projektowania hamulca wykorzystano ujęcie obwodowe opisane przez W. Szeląga, L. Nowaka i A. Myszkowskiego [2000]. Algorytm wyznaczania siły oporowej hamulca przedstawiono poniżej. Moment oporowy dt działający na element ds powierzchni tarczy, znajdujący się w odległości r od jej osi obrotu, jest proporcjonalny do naprężenia stycznego τ cieczy magnetycznej dt = rτds. (1)

202 M. MARKIEWICZ Hamownia z cieczą magnetoreologiczną Naprężenie styczne τ w cieczach magnetoreologicznych opisuje z dobrym przybliżeniem model cieczy Binghama [Ławniczak i Milecki 1999; Szeląg, Nowak i Myszkowski 2000; Materiały]. Wyraża on zmiany naprężenia stycznego τ w cieczy w zależności od szybkości dγ /dt jej odkształcania postaciowego dγ τ = τo (B) + ν, (2) dt gdzie: τ o(b) indukowane przez pole magnetyczne graniczne naprężenie styczne, B indukcja magnetyczna, ν lepkość dynamiczna cieczy, γ odkształcenie postaciowe płynu. Dla naprężeń mniejszych od naprężenia granicznego ciecz magnetoreologiczna zachowuje się jak ciało stale. Natomiast dla naprężeń większych ciecz płynie. Występujące w powyższym równaniu odkształcenie postaciowe definiuje się dla bardzo cienkiej warstwy cieczy o wysokości dδ. Jeśli na taką warstwę cieczy działa siła F stycznie do jednej z jej powierzchni, to jej odkształcenie postaciowe jest równe stosunkowi drogi du przebytej przez naprężaną powierzchnię cieczy w czasie dt do wysokości dδ warstwy Zatem dγ dt du γ =. (3) dδ d du dv = =, (4) dt dδ dδ gdzie: v = du/dt jest prędkością liniową cieczy. Z zależności (1) dla hamulca o strukturze tarczowej, przy założeniu jednorodnego pola magnetycznego B w szczelinie roboczej, otrzymuje się T = 2 2 dtds = 2 r (τ o (B) + S R R z w 2π 0 dγ ν )drdα dt, (5) gdzie: R z, R w są odpowiednio zewnętrznym i wewnętrznym promieniem tarczy, S jest jej powierzchnią boczną. W rozważaniach przyjęto, że prędkość liniowa v cieczy zależy od promienia r, od prędkości kątowej ω tarczy i jest proporcjonalna do współrzędnej z rω v (r, z) = z, (6) delta

SCRIPTA COMENIANA LESNENSIA NR 6 203 przy czym przez delta oznaczono długość szczeliny roboczej w kierunku osiowym, tj. w kierunku osi z. Ostatecznie po podstawieniu do równania (5) wzorów (4) oraz (6) otrzymuje się wyrażenie opisujące moment oporowy hamulca tarczowego 3 3 πνω 4 4 ( R R ) + (R R ) 4πτ (B) O T = z w z w. (7) 3 delta Występujące w powyższym równaniu naprężenie styczne τ o (B) wyznacza się dla zadanej indukcji w szczelinie z cieczą z wykresu umieszczonego na rysunku 3. 3. HAMULEC Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ 3. BRAKE WITH MAGNETOREOLOGIC FLUID Na podstawie przedstawionego algorytmu wyznaczania momentu oporowego zaprojektowano hamulec o strukturze pokazanej na rys. 4. Moment oporowy oraz wymiary hamulca dobrano w taki sposób, by można było go wykorzystać jako hamownię do badania maszyn elektrycznych o mocy do 300 W. Prototyp hamulca tarczowego wykonano w Centrum Kształcenia Praktycznego w Lesznie. uzwojenie tarcza zimmering szczelina robocza z cieczą oringi Rys. 4. Struktura hamulca tarczowego z cieczą magnetoreologiczną Fig. 4. The structure of disc brake with magnetoreologic fluid Wewnątrz korpusu składającego się z dwóch ferromagnetycznych części połączonych śrubami, umieszczony jest tarczowy wirnik o grubości 8 mm. Średnica i długość korpusu wynoszą odpowiednio ok. 140 i 80 milimetrów. Wirnik jest pozycjonowany w korpusie układem dwóch łożysk kulkowych.

204 M. MARKIEWICZ Hamownia z cieczą magnetoreologiczną W hamulcu zastosowano ciecz magnetoreologiczną typu Rheonetic MRF 132 LD firmy Lord Corporation. Umieszczono ją w szczelinie pomiędzy wirnikiem tarczowym a korpusem. Obszar z cieczą uszczelniono dwoma oringami oraz zimmeringiem. Pole magnetyczne w hamulcu wzbudzane jest za pomocą cewki pierścieniowej nawiniętej na karkas. Ma ona 230 zwojów i wykonano ją z drutu nawojowego o średnicy d = 0,8 mm. Zmontowany hamulec przedstawia rys. 5. Fot. 1. Hamulec z cieczą magnetoreologiczną Photo 1. Brake with magnetoreologic fluid 4. BADANIA HAMULCA 4. TESTING OF BRAKES Do wyznaczenia zależności M(I h ) momentu oporowego M od prądu wzbudzenia I h hamulca z cieczą magnetyczną wykorzystano hamownię proszkową typ: SE 2663 1D firmy Lucas Nulle. Hamownia ta umożliwia pomiar prędkości obrotowej silnika elektrycznego oraz wytwarzanego w nim momentu napędowego. Moment oporowy hamulca z cieczą określono w sposób pośredni. Najpierw za pomocą hamowni proszkowej (Fot. 2) przebadano silnik szeregowy prądu stałego typu PZSb22a o danych znamionowych: P n = 0,19 kw, U n = 220 V, I n = 1,48 A, n n = 1540 obr/min. Wyznaczono dla niego zależność I(M) prądu twornika I od momentu obciążenia M (rys. 5) oraz charakterystykę mechaniczną n(m), tj. zależność prędkości n od momentu obciążenia M (rys. 6). Następnie charakterystykę I(M) silnika wykorzystano do określenia charakterystyki sterowania hamulca magnetoreologicznego, czyli zależności M(I h ) momentu oporowego hamulca od prądu wzbudzenia I h. Badania przeprowadzono na stanowisku pokazanym na fot. 3, a uzyskaną charakterystykę M(I h ) sterowania

SCRIPTA COMENIANA LESNENSIA NR 6 205 hamulca zamieszczono na rys. 7. Zależność momentu oporowego M od prądu wzbudzenia I h jest nieliniowa. Utrudnia to określanie momentu oporowego hamulca na podstawie prądu wzbudzenia. 1,6 1,4 1,2 I [A] 1 0,8 0,6 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 M [Nm] Rys. 5. Zależność I(M) prądu silnika do momentu obciążenia na wale wyznaczona za pomocą hamownicy proszkowej Fig. 5. Dependence I(M) of the engine current until the moment of loading on the shaft calculated using powder roller performance tester 2400 2200 n [obr/min] 2000 1800 1600 1400 1200 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 M [Nm] Rys. 6. Charakterystyka mechaniczna n(m) silnika wyznaczona za pomocą hamownicy proszkowej Fig. 6. Mechanical characteristics n(m) of the engine calculated using powder roller performance tester

206 M. MARKIEWICZ Hamownia z cieczą magnetoreologiczną W celu sprawdzenia poprawności wycechowania hamulca magnetoreologicznego wykorzystano go do wyznaczenia na stanowisku pokazanym na fot. 3 charakterystyki mechanicznej wcześniej badanego silnika szeregowego. Prędkość obrotową silnika mierzono za pomocą prędkościomierza laserowego. Otrzymaną charakterystykę porównano z charakterystykę mechaniczną zmierzoną za pomocą hamownicy proszkowej (rys. 8). 1,6 1,4 1,2 M [Nm] 1 0,8 0,6 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Ih [A] Rys. 7. Charakterystyka sterowania hamulca magnetoreologicznego Fig. 7. The characteristics of steering of magnetoreologic brake Fot. 2. Hamownica proszkowa z silnikiem szeregowym Photo 2. Fluid roller performance tester with series motor

SCRIPTA COMENIANA LESNENSIA NR 6 207 Różnice w przebiegach charakterystyk uzyskanych na obu stanowiskach pomiarowych spowodowane są niedokładnościami związanymi z procesem skalowania hamulca magnetoreologicznego, małą dokładnością nastawiania prądu wzbudzenia hamulca oraz wykorzystywaniem innych metod pomiaru prędkości obrotowej. Ponadto zauważono, że na wartość momentu oporowego hamulca ma również niewielki wpływ pozostałość magnetyczna jego rdzenia ferromagnetycznego. Fot. 3. Stanowisko do badania hamulca magnetoreologicznego Photo 3. Site for magnetoreologic brake testing 2400 2200 n [obr/min] 2000 1800 1600 hamownica proszkowa hamulec magnetoreologiczny 1400 1200 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 M [Nm] Rys. 8. Charakterystyki mechaniczne n(m) silnika wyznaczone za pomocą hamownicy proszkowej i magnetoreologicznej Fig. 8. Mechanical characteristics n(m) of the engine calculated using powder and magnetoreologic roller performance tester

208 M. MARKIEWICZ Hamownia z cieczą magnetoreologiczną 5. UWAGI KOŃCOWE 5. CONCLUSIONS Zaprojektowana i wykonana hamownia z cieczą magnetoreologiczną została przebadana pod kątem stwierdzenia jej przydatności do badania silników elektrycznych w Laboratorium Maszyn Elektrycznych PWSZ im. J. A. Komeńskiego w Lesznie, w szczególności do wyznaczania charakterystyk mechanicznych i sprawności maszyn o mocach rzędu od 100 do 300 W. Z założenia hamownica miała być tania, niezawodna i prosta w obsłudze oraz powinna zapewniać płynną regulację momentu obciążenia na wale silnika w zakresie od 0 do 1,5 Nm. Zaletą zbudowanej hamowni jest brak drogiego układu do bezpośredniego pomiaru momentu obrotowego. Moment oporowy określa się w sposób pośredni, na podstawie pomiaru prądu wzbudzenia hamulca oraz charakterystyki sterowania M(I h ). Wydaje się, że opracowana hamownia z cieczą magnetoreologiczną jest w pełni przydatna dla celów dydaktycznych. Wadą hamowni jest nagrzewanie się hamulca przy dużych obciążeniach, co w sposób istotny ogranicza zakres możliwych do osiągnięcia obciążeń. Z tego powodu wskazane jest, by przy większych obciążeniach badania przeprowadzać sprawnie i możliwie szybko. Autor kontynuuje prace i badania nad hamulcami z cieczami magnetycznymi w kierunku opracowania dokładniejszych algorytmów ich projektowania jak również zwiększenia zakresu możliwych do uzyskania momentów hamujących, opracowania efektywnych układów chłodzenia oraz ograniczenia ich gabarytów. LITERATURA BIBLIOGRAPHY ŁAWNICZAK A., MILECKI A., 1999, Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Politechnika Poznańska, Poznań. ŁYSKAWIŃSKI W., SZELĄG W., 2003, Stanowisko do badania hamulca z cieczą magnetoreologiczną, Materiały VIII Konferencji Naukowo-Technicznej ZkwE, 21 24 kwietnia 2003, Poznań. MATERIAŁY informacyjne firmy Lord Corporation: www.rheonetic.com. ROSENSWEIG R. E., 1985, Ferrohydrodynamics, Cambridge University Press. SZELĄG W., 2001, Elektromagnetyczne elementy wykonawcze z cieczą magnetyczną, Zeszyty Naukowe Wydz. Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej nr 16, Gdańsk. SZELĄG W., NOWAK L., MYSZKOWSKI A., 2000, Hamulec elektromagnetyczny z cieczą magnetorologiczną, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej nr 48.