Na geração de força em eletro

Mar 07, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22274 (2022) Citar este artigo

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Em sistemas de atuação de ferrofluido, as forças são geradas controlando ativamente a pressão e o fluxo dentro do fluido usando um campo magnético aplicado. Existem vários fatores contribuintes na geração de força envolvendo acoplamentos não lineares complexos entre campos eletromagnéticos e de pressão de fluido. Isso traz desafios significativos no design e na otimização baseados em teoria. Neste artigo, um modelo teórico de transmissão de pressão entre um ferrofluido e um sólido é derivado a partir do tensor de tensão de Maxwell e considerando a saturação magnética dentro do fluido. Este modelo mostra que os projetos de atuadores lineares baseados na operação de modo ortogonal, onde a direção do campo através do fluido é perpendicular à direção do movimento, podem fornecer a maior capacidade de força para uma determinada intensidade de campo da bobina do atuador. Isso é verificado pela análise teórica de algumas topologias básicas de atuadores lineares. Os resultados são aplicados no projeto e análise de um novo atuador linear do tipo pistão com câmara selada e duas bobinas elétricas internas para operação bidirecional. Medições experimentais de comportamento estático e dinâmico são mostradas para validar os princípios descritos. O atuador produz um movimento regulado por fluxo suave e preciso, tem rigidez intrínseca zero e apresenta fricção muito baixa devido ao efeito de suspensão das camadas de ferrofluido dentro do atuador.

O ferrofluido é um tipo de fluido magnético inteligente que contém uma suspensão de nanopartículas magneticamente polarizadas, tipicamente de óxido de ferro ou liga de ferro-cobalto1,2. As partículas suspensas são revestidas com um surfactante para evitar agregação e sedimentação. Isso torna a pressão e o fluxo dentro de um ferrofluido controláveis ​​por um campo magnético aplicado. Nas últimas décadas, os ferrofluidos encontraram amplas aplicações nos campos da ciência, medicina e engenharia3,4,5,6,7.

Os ferrofluidos possuem alta permeabilidade magnética, condutividade térmica e viscosidade, quando comparados com o ar e outros tipos de fluidos8,9,10. Consequentemente, eles podem ser usados ​​para melhorar o desempenho de sistemas convencionais de atuação eletromagnética, incluindo atuadores de força de Lorentz (bobina de voz)11,12. Os ferrofluidos também podem fornecer um método de atuação fundamentalmente diferente, onde o movimento de um sistema mecânico depende da pressão e do fluxo dentro do fluido, controlado diretamente por meio de um campo eletromagnético13,14,15. Várias aplicações para atuadores de ferrofluido em sistemas de controle de movimento de alta precisão e microescala foram propostas4,14,15,16,17. Atualmente, existem desafios significativos na criação de atuadores de ferrofluido compactos para ampla faixa de deslocamento e capacidade de força, conforme desejado em muitos sistemas de microposicionamento. O trabalho aqui descrito aborda esses desafios desenvolvendo e aplicando a teoria de geração de força com ferrofluidos no contexto de sistemas de atuação linear. Estudos de caso são apresentados para projetos baseados em dois modos diferentes de operação, onde o campo magnético através do fluido é paralelo e ortogonal à direção do movimento/atuação. Esses resultados levam a um novo projeto de um atuador de ferrofluido bidirecional que é fabricado e estudado experimentalmente. As previsões teóricas de comportamento estático e dinâmico são comparadas com os resultados experimentais para validar a teoria e os princípios de design.

Embora este estudo tenha como objetivo facilitar o projeto ideal de sistemas de atuação linear ferrofluídica, os resultados são relevantes para outras situações em que a pressão funcional é gerada através de um ferrofluido, e a combinação resultante de fluido e pressões magnéticas deve ser prevista e analisada. Isso inclui mancais de ferrofluido, isoladores e amortecedores de vibração, válvulas, bombas, bem como outras aplicações emergentes de controle de força e movimento com ferrofluidos.