Magnetorheological rotary-linear brake - analysis of magnetic field distribution and forces at standstill

• Autorzy: Kowol P.

Warianty tytułu

PL

Magnetoreologiczny hamulec obrotowo-liniowy - obliczenia rozkładu pola magnetycznego i sił w stanie bezruchu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The magnetorheological fluid is a magnetic one. A magnetic fluid changes its properties (viscosity) under the influence of an external magnetic field. The consistence of the fluid changes in a magnetic field: from a dense fluid being a suspension of ferromagnetic particles in the carrier fluid (Fig.1a) it becomes a hard mass, like frozen butter. This effect is the result of changes in the fluid structure: the ferromagnetic particles of the fluid, being single domains, when subjected to an external magnetic field, become orientated and concentrated along the lines of forces of the magnetic field (Fig.1b). In stillstand the fluid behaves like an elastic body, as long as the tangential stresses in the body do not exceed the limit values tau0(B). The magnetorheological fluid found applications first of all in brakes and dampers. The design of the electromechanical converters mentioned above permits the space between the casing and the moving component of the converter to be filled with the magnetorheological fluid. A coil supplied with power is placed on the moving component of the converter or inside the casing, depending on the design type. The current flowing through coil produces a magnetic flux which penetrates the layer of fluid between the casing and the moving element of the converter. A change in the force of resistance to motion results from the change in the fluid viscosity which is obtained by the control effected with the magnetic field (current flowing through the coil). The essence of the design of the rotary-linear brake (Fig.3) is the integration in a single piece of equipment the magnetorheological rotary brake and a magnetorheological linear brake. The magnetorheological rotary-linear brake permits to obtain change in the torque in the rotary movement, and in the braking force in the linear movement, as well as in the torque and the braking force in a composed rotary-linear movement. The created 3-dimensional field model of the brake (Fig.4) (constituting a quarter of the brake, because of its biplanar symmetry) permits the magnetic field distribution in the brake to be determined. The determined magnetic field distributions: at the linear brake coil (Fig.5a) and the rotary brake coil (Fig.5b) supplied with power, permit the maximum linear braking force F (Fig.6a) to be determined from tau0(B(x, y, z)), and the maximum braking torque T (Fig.6b), produced by the brake in stillstand. The results obtained, show that the forces (F) and torques (T) produced by the brake can be easily controlled.

PL

Ciecz magnetoreologiczna jest cieczą magnetyczną. Ciecz magnetyczna zmienia swoje właściwości (lepkość) pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. W polu magnetycznym konsystencja cieczy ulega zmianie: z gęstej cieczy, będącej zawiesiną drobinek ferromagnetyka w cieczy nośnej (rys.1a), staje się twardą masą niczym zmarznięte masło. Efekt ten wynika ze zmiany struktury cieczy: ferromagnetyczne cząsteczki cieczy, będące pojedynczymi domenami, pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego ulegają orientacji i koncentracji wzdłuż linii sił pola magnetycznego (rys.1b). Zmianę lepkości cieczy magnetycznej opisuje prawo Binghama (1) (rys.2) [1, 3]. W stanie bezruchu, jeśli naprężenia styczne w cieczy nie przekroczą naprężeń granicznych tau0(B) - ciecz zachowuje się jak ciało sprężyste. Ciecz magnetoreologiczna znalazła zastosowania przede wszystkim w hamulcach i tłumikach. Konstrukcja wspomnianych przetworników elektromechanicznych umożliwia wypełnienie cieczą magnetoreologiczną przestrzeni pomiędzy obudową a elementem ruchomym przetwornika. Na elemencie ruchomym przetwornika bądź w odbudowie - w zależności od typu konstrukcji - umieszcza się cewkę zasilaną prądem. Prąd przepływający przez cewkę wytwarza strumień magnetyczny przenikający przez warstwę cieczy znajdującej się pomiędzy obudową a elementem ruchomym przetwornika. Zmiana siły oporu ruchu wynika ze zmiany lepkości cieczy, którą uzyskuje się poprzez sterowanie polem magnetycznym (prądem przepływającym przez cewkę). Istotą konstrukcji magnetoreologicznego hamulca obrotowo-liniowego (rys.3) jest zintegrowanie w jednym urządzeniu magnetoreologicznego hamulca obrotowego i magnetoreologicznego hamulca liniowego. Magnetoreologiczny hamulec obrotowo-liniowy umożliwia zmianę zarówno momentu hamującego w ruchu obrotowym, siły hamującej w ruchu liniowym, jak i momentu hamującego i siły hamującej w złożonym ruchu obrotowo-liniowym. Stworzony trójwymiarowy model polowy hamulca (rys.4) (stanowiący jedną czwartą hamulca - ze względu na jego dwupłaszczyznową symetrię) pozwala na wyznaczenie rozkładu pola magnetycznego w hamulcu. Wyznaczone rozkłady pola magnetycznego: przy zasilaniu cewki hamulca liniowego (rys.5a) oraz przy zasilaniu cewki hamulca obrotowego (rys.5b), pozwalają na wyznaczenie - z tau0(B(x, y, z)) - maksymalnej liniowej siły hamującej F (rys. 6a) i maksymalnego momentu hamującego T (rys.6b), wytwarzanych przez hamulec w stanie bezruchu. Otrzymane wyniki wykazują łatwość sterowania siłami (F, T) wytwarzanymi przez hamulec.

Słowa kluczowe

PL

hamulec magnetoreologiczny; ciecz magnetoreologiczna; rozkład pola magnetycznego

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Elektrotechniki
• Czasopismo: Prace Instytutu Elektrotechniki
• Rocznik: 2004
• Tom: Z. 220
• Strony: 101--110
• Opis fizyczny: Bibliogr. 6 poz., rys.

Twórcy

autor

Kowol P.

• Silesian University of Technology Institute of Theoretical and Industrial Electrical Engineering Mechatronic Division ul. Akademicka 10, 44-100 Gliwice, POLAND

Bibliografia

• 1. Ławniczak A., Milecki A.: Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice. Politechnika Poznańska, Poznań 1999.
• 2. Kowol P.: Magnetorheological electromechanical devices – researches and new conception.(in Polish) Science Bull of Silesian Technical University „Elektryka”, Bull 193 (accepted for printing).
• 3. Szeląg W.: Finite element analysis of coupled phenomena in magnetorheological fluid devices. XVII Symposium Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits, Lueven, 2002.
• 4. LORD Rheonetic™: Hydrocarbon Based MR Fluid MRF-132AD Product Bulletin.
• 5. Documentation of FEMLAB/MATLAB software.
• 6. Documentation of FEMM software.