О генерации силы в электротехнике

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 22274 (2022) Цитировать эту статью

683 Доступа

Подробности о метриках

В системах привода на феррожидкостях силы создаются путем активного управления давлением и потоком внутри жидкости с помощью приложенного магнитного поля. Существует множество факторов, способствующих возникновению силы, включая сложные нелинейные связи между электромагнитными полями и полями давления жидкости. Это создает серьезные проблемы в теоретическом проектировании и оптимизации. В этой статье построена теоретическая модель передачи давления между феррожидкостью и твердым телом, исходя из тензора напряжений Максвелла и учета магнитного насыщения внутри жидкости. Эта модель показывает, что конструкции линейных приводов, основанные на работе в ортогональном режиме, где направление поля через жидкость перпендикулярно направлению движения, могут обеспечить максимальную допустимую силу при заданной напряженности поля от катушки привода. Это подтверждается теоретическим анализом некоторых основных топологий линейных приводов. Результаты применены при проектировании и анализе нового линейного привода поршневого типа с герметичной камерой и двумя внутренними электрическими катушками для двунаправленного действия. Показано, что экспериментальные измерения как статического, так и динамического поведения подтверждают описанные принципы. Привод обеспечивает плавное и точное движение с регулированием расхода, имеет нулевую собственную жесткость и демонстрирует очень низкое трение благодаря эффекту подвешивания слоев феррожидкости внутри привода.

Феррожидкость — это тип умной магнитной жидкости, содержащей суспензию магнитно-поляризованных наночастиц, обычно оксида железа или сплава железа и кобальта1,2. Взвешенные частицы покрыты поверхностно-активным веществом для предотвращения агрегации и седиментации. Это позволяет контролировать давление и поток внутри феррожидкости с помощью приложенного магнитного поля. За последние несколько десятилетий феррожидкости нашли широкое применение в областях науки, медицины и техники3,4,5,6,7.

Феррожидкости обладают высокой магнитной проницаемостью, теплопроводностью и вязкостью по сравнению с воздухом и другими типами жидкостей8,9,10. Следовательно, их можно использовать для повышения эффективности обычных электромагнитных исполнительных систем, включая приводы силы Лоренца (звуковая катушка)11,12. Феррожидкости также могут обеспечить принципиально иной метод приведения в действие, при котором движение механической системы зависит от давления и потока внутри жидкости, управляемого непосредственно через электромагнитное поле13,14,15. Были предложены различные применения приводов на феррожидкости в высокоточных и микромасштабных системах управления движением4,14,15,16,17. В настоящее время существуют серьезные проблемы в создании компактных приводов на феррожидкости с большим диапазоном смещения и усилием, что требуется во многих системах микропозиционирования. Описанная здесь работа решает эти проблемы путем разработки и применения теории генерации сил с помощью феррожидкостей в контексте линейных исполнительных систем. Тематические исследования представлены для конструкций, основанных на двух различных режимах работы, в которых магнитное поле через жидкость параллельно и ортогонально направлению движения/приведения в действие. Эти результаты привели к созданию новой конструкции двунаправленного привода на феррожидкости, который изготовлен и исследован экспериментально. Теоретические предсказания статического и динамического поведения сравниваются с экспериментальными результатами для подтверждения теории и принципов проектирования.

Хотя это исследование направлено на содействие оптимальному проектированию феррожидкостных линейных исполнительных систем, результаты актуальны и для других ситуаций, когда функциональное давление создается с помощью феррожидкости, и результирующая комбинация давления жидкости и магнитного давления должна быть предсказана и проанализирована. К ним относятся подшипники на феррожидкостях, виброизоляторы и демпферы, клапаны, насосы, а также другие новые применения управления силой и движением с помощью феррожидкостей.