Na geração de força em eletro

Apr 11, 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.

M_{s}\). Nonetheless, for very high strength fields \(H\gg M_{s}\), we obtain \(p_{act}\rightarrow \frac{1}{2}\mu _{0}H^{2}\) and so the total pressure becomes similar to the case without fluid. It can also be seen that, for a field strength of 100 kA/m, the orthogonal field generates over twice the magnitude of pressure compared with the axial field (15.49 kPa compared with 6.83 kPa). Clearly, the symmetry of force generation seen in the linear case, where the pressure magnitude \(|p_{act}|\) is the same for \(\theta =0^{\circ }\) and \(\theta =90^{\circ }\), is not preserved for large fields./p>

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