Autoreferát - Polcar Petr - FEL

Transkript

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI
FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ
Elektromechanický systém s magnetickou
kapalinou
obor
Elektrotechnika
Autoreferát disertační práce k získání akademického titulu
"Doktor"
Plzeň, 2012
Ing. Petr Polcar
Disertační práce byla vypracována v prezenčním doktorském studiu na Katedře
teoretické elektrotechniky Fakulty elektrotechnické ZČU v Plzni.
Uchazeč:
Ing. Petr Polcar
Fakulta elektrotechnická ZČU v Plzni
Katedra teoretické elektrotechniky
Školitel:
Prof. Ing. Daniel Mayer, DrSc.
Katedra teoretické elektrotechniky
Oponenti:
Prof. Ing. Milan Štork, CSc.
Katedra aplikované elektroniky a telekomunikací
Doc. Dr. Ing. Jan Kyncl
Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze
Katedra elektroenergetiky
Ing. Petr Rada, CSc.
Brush SEM Plzeň
Autoreferát byl rozeslán dne: __________________________________________
Obhajoba disertační práce se koná dne: __________________________________
před komisí oboru Elektrotechnika na FEL ZČU v Plzni, Univerzitní 26, Plzeň
v zasedací místnosti č. ___________ v hod. ______________________________
S disertační prací se je možno seznámit na oddělení vědecké výchovy FEL ZČU
v Plzni, Univerzitní 26, EU202.
Prof. Ing. Václav Kůs, CSc.
předseda oborové rady
2
Anotace
Tato práce se zabývá využitím magnetických kapalin v elektromechanických
systémech. V úvodní části obsahuje kritický přehled současných možných aplikací
těchto moderních materiálů včetně výrobců, složení a známých fyzikálních vlastností
magnetických kapalin. V následujících kapitolách jsou navrženy, modelovány
a ověřovány vlastní originální aplikace včetně inovativní metodiky pro měření
klíčového materiálového parametru nutného pro návrh elektromechanických systémů
s magnetickou kapalinou.
Klíčová slova
magnetická kapalina, ferokapalina, magnetoreologická kapalina, elektromechanický
systém, měření permeability, magnetoreologická brzda, magnetoreologický tlumič
Abstract
This paper deals with the usage of magnetic fluids in electromechanical systems. The
opening part includes critical overview of present applications of magnetic fluids, their
producers, composition and known physical properties. Following chapters contain
designs original applications and innovative approach to measurement of the key
material parameter vital for the design of electromechanical systems with magnetic
fluid.
Keywords
magnetic liquid, ferrofluid, magnetorheological fluid, electromechanical system,
permeability measurement, magnetorheological brake, magnetorheological damper
3
Obsah
ÚVOD ........................................................................................................................................... 6
1
CÍLE PRÁCE ....................................................................................................................... 7
2
KRITICKÁ
STUDIE
FYZIKÁLNĚ-CHEMICKÝCH
VLASTNOSTÍ
MAGNETICKÝCH KAPALIN A VYMEZENÍ JEJICH APLIKACÍ VE SPOLEČENSKÉ
PRAXI .......................................................................................................................................... 8
2.1.1
Složení magnetických kapalin ................................................................................................... 8
2.1.2
Dělení magnetických kapalin: ferokapaliny a magneto-reologické kapaliny ........................... 9
2.1.3
Magnetoviskózní jev magnetoreologických kapalin ............................................................... 10
2.1.4
Brownův pohyb feročásteček ferokapalin .............................................................................. 11
2.2
Zhodnocení metod způsobů výroby magnetických kapalin......................................................... 12
2.3
Zhodnocení elektromagnetických vlastností magnetických kapalin ........................................... 12
2.4
Zhodnocení biomedicínských aplikací magnetických kapalin...................................................... 13
2.5
Zhodnocení technických aplikací magnetických kapalin ............................................................. 14
3
ELEKTROMECHANICKÉ
SYSTÉMY
VYUŽÍVAJÍCÍ
FEROKAPALINY
KE
ZVÝŠENÍ SILOVÉHO PŮSOBENÍ ...................................................................................... 15
3.1
Silové poměry elektromechanického systému s ferokapalinami ................................................ 15
3.2
Magnetický obvod elektromechanického systému s ferokapalinou............................................ 17
3.3
Analýza elektromechanického systému s ferokapalinou s pomocí MKP ..................................... 19
3.4
Krokový transduktor s ferokapalinou ......................................................................................... 28
3.4.1
Studie sil v krokovém transduktoru ........................................................................................ 30
4
METODIKA PRO MĚŘENÍ PERMEABILITY MAGNETICKÝCH KAPALIN .... 33
4.1
Specifikace problému ................................................................................................................. 33
4.2
Princip měření permeability kapalin ........................................................................................... 34
4
4.3
Možné měřicí konfigurace .......................................................................................................... 35
4.3.1
Toroidní tvar měřeného vzorku kapaliny ................................................................................ 35
4.3.2
Cylindrický tvar měřeného vzorku kapaliny ............................................................................ 36
4.3.3
Měřicí sonda ponořená ve vzorku měřené kapaliny ............................................................... 37
4.4
Určení výsledné indukčnosti s užitím RLC můstku ...................................................................... 39
4.5
Příklad - užití metody pro rychlé operativní průmyslové měření permeability magnetických
kapalin ................................................................................................................................................ 39
5
EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ ELEKTROMECHANICKÉHO SYSTÉMU S
MAGNETICKOU KAPALINOU ............................................................................................ 42
5.1
Experimentální magnetoreologická brzda .................................................................................. 42
5.2
Návrh magnetoreologické brzdy................................................................................................. 42
5.3
Použitá MR kapalina ................................................................................................................... 44
5.4
Návrh magnetického obvodu na základě matematického modelu generovaného magnetického
pole a jeho experimentální verifikace.................................................................................................. 44
5.5
Experimentální zařízení .............................................................................................................. 47
5.6
Brzdicí moment navržené MR brzdy ........................................................................................... 49
5.7
Experimentální ověření navržené MR brzdy ............................................................................... 50
5.8
Zhodnocení návrhu MR brzdy..................................................................................................... 51
ZÁVĚR ...................................................................................................................................... 52
POUŽITÁ LITERATURA ...................................................................................................... 54
SEZNAM AUTOROVÝCH PRACÍ ........................................................................................ 59
5
ÚVOD
Přestože jsou výjimečné vlastnosti některých magnetických kapalin sledovány již od 40.
let 20. století, zažívají tyto materiály v posledním desetiletí nový boom. Intenzivní
rozvoj v oblasti nanotechnologií umožnil syntézu nových typů stabilních magnetických
kapalin se stále lepšími užitnými vlastnostmi umožňující široké aplikační využití.
Přes tento fakt je informovanost o těchto materiálech a jejich aplikacích v České
republice nízká a elektrotechnický průmysl je přes zřejmou výhodnost nepoužívá.
Již v 19. století mnozí fyzikové (M. Faraday, T. J. Seebeck a další [5])
předpovídali a zároveň ověřovali výjimečné vlastnosti kapalin obsahujících jemné
feromagnetické částečky pod vlivem magnetického pole. Tyto první experimenty ovšem
poukázaly na značnou nestabilitu tehdy používaných magnetických kapalin a jejich
využití bylo z tohoto důvodu omezeno na studium chování domén pevných látek
pod vlivem magnetického pole. Chemikům a materiálovým inženýrům trvalo dalších
100 let, než vyvinuli stabilní magnetické kapaliny. V roce 1938 popsal Elmore přípravu
stabilní magnetické kapaliny [6], v roce 1940 si nechal Jacob Rabinow patentovat první
zařízení využívající ferokapalinu [7], nicméně cílem intenzivního výzkumu se tyto látky
stávají až v 60tých letech 20. století. Od té doby jsou neustále vyvíjeny další a další
typy kapalin různých složení a vlastností, k nejvýznamnějším současný producentům
a distributorům patří německá společnost Ferotec GmbH a britské laboratoře Liquids
Research Limited. V zemích bývalého východního bloku magnetické kapaliny vyrábí
laboratoře při technické univerzitě v Timisoaře v Rumunsku a laboratoře Ivanovské
Státní Energetické Univerzity V.I. Lenina v Ruské Federaci.
Magnetické kapaliny představují jediný dostupný feromagnetický materiál
kapalného skupenství. Aplikační potenciál těchto materiálů v elektromechanických
systémech je značný a v této práci jsem se něj zaměřil.
6
Cíle práce
1 CÍLE PRÁCE
Cíle předkládané práce jsou:

Kritická
studie
fyzikálně-chemických
vlastností
magnetických
kapalin
a vymezení jejich aplikací ve společenské praxi

Analýza dynamických systémů s magnetickými kapalinami
Ideový návrh transduktorů s ferokapalinou a stanovení možností jejich
dalšího vývoje

Experimentální vyšetření systémů s magnetickou kapalinou
Metodika pro měření permeability magnetických kapalin
Experimentální vyšetření elektromechanického systému s magnetickou
kapalinou
7
Kritická studie fyzikálně chemických vlastností magnetických kapalin
2 Kritická studie fyzikálně-chemických vlastností
magnetických kapalin a vymezení jejich aplikací ve
společenské praxi
2.1.1 Složení magnetických kapalin
První typy magnetických kapalin byly vyráběny mletím magnetitu s heptanem
nebo polymerních uhlovodíků a mlecí přísady, např. kyseliny olejné. Běžně používané
kapaliny jsou sraženiny železnatých a železitých vodných roztoků (např. Fe3O4,
γ-Fe2O3, MnFe2O4 a jiné), pro speciální použití lze ovšem syntetizovat i kapaliny
na bázi jiných látek (např. i přechodných prvků jako dysprosium). Tyto částečky jsou
pokryty kyselinou olejnou a rozptýleny v nosné kapalině. Nosnou kapalinou může být
voda, minerální či rostlinný olej, parafin, petrolej i další. Přestože se chemické složení
kapalin může lišit, hlavní vliv na jejich elektromagnetické a mechanické materiálové
vlastnosti má velikost částeček a četnost jednotlivých velikostí těchto částeček
obsažených v kapalině. Tato velikost je zároveň kritériem pro jejich dělení. Na základě
těchto velikostí lze magnetické kapaliny dělit na ferokapaliny a magnetoreologické
(zkráceně MR) kapaliny [8].
Současné magnetické kapaliny jsou dle výrobců koloidně stabilní, tzn. nedochází
k shlukování jejich feromagnetických částeček, a to ani vlivem magnetických sil.
Toho se dociluje při výrobě tak, že na každou pevnou částici je chemicky navázán
řetězec povrchově aktivního ochranného polymeru (tzv. detergent či surfaktant),
který zabraňuje dotyku jednotlivých částic. Surfaktant je tvořen dlouhými řetězci
polárních molekul, každý řetězec je jedním koncem pevně vázán s magnetickou částicí
a druhým koncem volně přitahován molekulami nosné kapaliny. Vrstva detergentu
o šířce 1-2nm vyvolá odpudivé síly mezi jednotlivými částicemi, pokud by se na tuto
vzdálenost přiblížily. Koloidní stabilita má zásadní vliv na fyzikální vlastnosti
magnetických kapalin, pokud je porušena, nelze tyto vlastnosti garantovat.
8
Obr. 2.1.: Struktura typické ferokapaliny [13]
2.1.2 Dělení magnetických kapalin: ferokapaliny a magnetoreologické kapaliny
Jak již bylo zmíněno, hlavním kritériem pro dělení magnetických kapalin je velikost
jejich feročástic. Tzv. ferokapaliny dosahují velikosti částic v řádu nanometrů
(3-15 nm), magnetoreologické (MR) kapaliny mají velikost částic v řádu mikrometrů
(1-20 µm) [9]. S těmito velikostmi souvisí další fyzikální vlastnosti. Přestože jsou obě
skupiny magnetických kapalin kapalným feromagnetickým materiálem, velikost částic
v řádu mikrometrů umožňuje MR kapalinám vynikat magnetoreologickým (také
nazývaném magnetoviskózním) jevem, velikost částic v řádu nanometrů u ferokapalin
je příliš malá na to, aby tento jev vznikal. Tím se zcela jasně vymezuje praktické využití
jednotlivých kapalin. Na druhou stranu se pevné částečky ve ferokapalinách díky svým
nízkým rozměrům a hmotnosti neustále termicky pohybují vlivem Brownova pohybu
a vykazují stálý magnetický dipól. Magnetický moment částeček MR kapalin je zcela
závislý na působícím magnetickém poli a jejich Brownův pohyb je díky hmotnosti
jejich částic zanedbatelný. Těmto fyzikálním vlastnostem se budeme věnovat v dalších
kapitolách, ve stručnosti je shrnuje tabulka 2.1.
9
Tabulka 2.1.: Základní rozdíly mezi ferokapalinami a MR kapalinami
Brownův
velikost
ferokapaliny
pohyb
částic
MR jev
částic
3-15nm
ne
nezanedbatelný
ano
zanedbatelný
MR kapaliny 1-20µm
2.1.3 Magnetoviskózní jev magnetoreologických kapalin
Magnetoreologické kapaliny se vyznačují tzv. magnetoviskózním jevem, jejich
viskozita je závislá na působícím magnetickém poli. Podmínkou pro vznik tohoto jevu
je dostatečná velikost a koncentrace feročásteček v nosné kapalině, ferokapaliny
s drobnými, řídce koncentrovanými částečkami jsou druhem magnetických kapalin,
který se magnetoviskózním jevem nevyznačuje a jejich viskozitu lze tedy považovat
za nezávislou na magnetickém poli.
Změnu viskozity kapaliny vysvětlíme na obr. 2.2. Bez působícího magnetického
pole se magnetické částečky chaoticky pohybují v nosné kapalině. Při působícím
magnetickém poli dojde k uskupení částic ve směru působení tohoto pole. Tato
seskupení brání v pohybu kolmém na směr siločar, v případě vysoké koncentrace částic
dokonce dochází ke změně skupenství kapaliny na pevné. Řetězce omezují
mezimolekulární pohyby. Je zřejmé, že fyzikální vlastnosti kapaliny s takto uskupenými
částicemi budou silně anizotropní, nejvyšší viskozita je právě ve směru kolmém na směr
siločar.
Obr. 2.2.: Vlevo - Magnetické částečky rozptýlené v nosné kapalině, vpravo – seskupení
částeček při působení magnetického pole
10
Vliv magnetoviskózního jevu může být pozitivní i negativní, záleží na konkrétní
aplikaci. Mnohé aplikace s výhodou využívají změnu viskozity s magnetickým polem
(magnetická brzda, magnetoreologický řízený tlumič, magnetická
kapalinová
ucpávka aj.), pro jiné aplikace se jedná naopak o jev negativní, kdy vznikají díky
magnetoviskóznímu jevu vyšší viskózní ztráty.
Obr. 2.3.: Viskozita magnetoreologické kapaliny MRHCCS4-B jako funkce
aplikovaného magnetického pole [19].
2.1.4 Brownův pohyb feročásteček ferokapalin
Brownův pohyb je náhodný pohyb mikroskopických částeček rozptýlených v tekutině.
Molekuly v roztoku se vlivem tepelného pohybu neustále srážejí, směr a síla těchto
srážek jsou náhodné a zároveň i poloha částic je náhodná. Nanorozměry a tedy i nízké
hmotnosti nosných částic ve ferokapalinách znamenají, že tyto částice podléhají vlivu
Brownova pohybu. Z makroskopického hlediska je kapalina navenek statická,
jednotlivé chaotické pohyby se vyrovnávají, v případných mikro- či nanoaplikacích
11
(například v lékařských aplikacích) ovšem nelze Brownův pohyb zanedbat a jeho vliv je
potřeba započítat při návrhu těchto aplikací [9].
2.2 Zhodnocení metod způsobů výroby magnetických
kapalin
Mechanické způsoby výroby [14, 15, 16] lze efektivně využít jen v případě přípravy
magnetoreologických kapalin s vyšší velikostí částic, v řádech desítek µm. Rozměry
částeček obsažených ve ferokapalinách v řádu nm omezují jejich výrobu na využití
chemických nanotechnologických procesů [12, 15, 18]. S intenzivním rozvojem
nanotechnologií v posledních letech lze počítat s vývojem nových efektivních metod
výroby ferokapalin. Předpokládám, že v budoucnu bude možné navázat na nosnou
kapalinu velkou řadu možných látek, a tím bude dosaženo široké nabídky ferokapalin
s různými unikátními vlastnostmi.
2.3 Zhodnocení elektromagnetických vlastností
magnetických kapalin
Magnetizační vlastnosti magnetických kapalin nabízí unikátní elektrotechnický materiál
- kapalné feromagnetikum. Přestože je permeabilita magnetických kapalin jen o několik
řádů nižší, než permeabilita pevných feromagnetik, stále zesilují působící magnetické
pole a nabízí široké aplikační možnosti. Relativní permeabilita současných
magnetických kapalin se pohybuje dle složení, velikosti a koncentrace částic v rozmezí
µr = 1 ~ 5 [11].
Curiova teplota magnetických kapalin je srovnatelná s Curiovou teplotou
pevných feromagnetik, při použití magnetických kapalin s vhodnou tepelnou chemickou
stabilitou tedy nerostou nároky na chlazení zařízení [22]. Zároveň se v typických
magnetických kapalinách z důvodu velmi nízké konduktivity [20] nevyskytují
hysterezní ztráty, systémy s těmito kapalinami mají tedy potenciál vysoké účinnosti.
Kapalné feromagnetikum navíc umožňuje levitaci ponořených diamagnetických těles
[42], čehož lze opět aplikačně využít.
Magnetoreologický jev [19] u MR kapalin umožňuje konstrukci relativně snadno
řiditelných přímých elektromechanických převodníků, jakou jsou řízené tlumiče, brzdy
12
či ucpávky. Zároveň ovšem mají tyto systémy na rozdíl od klasických mechanických
systémů zvýšené nároky na těsnost, soudržnost a pevnost, protože jejich klíčovou
součástí je kapalina.
Vysoká elektrická pevnost ferokapalin [29] v kombinaci s feromagnetickými
vlastnostmi je vhodná pro použití těchto materiálů jako kapalných izolantů [30],
u kterých lze aplikací vhodného magnetického pole vyvolat proudění. Proudící kapalina
se poté lépe chladí.
Vhodnou kombinací nosné látky a pevné částice o dané velikosti lze docílit
zajímavých kombinací a hodnot elektromagnetických vlastností. Ferokapaliny se díky
těmto vlastnostem, velikosti svých molekul a možnosti navázat na ně chemicky další
látky zdají perspektivním materiálem pro použití v lékařské technice.
Klíčovou nevýhodou je nemožnost použít řadu metod pro určování
materiálových vlastností používaných na pevná feromagnetika. Hlavními komplikacemi
znemožňujícími užití těchto metod jsou kapalné skupenství, silná anizotropie a relativně
nízké hodnoty permeability ve srovnání s pevnými feromagnetiky. Pro zkoumání
materiálových parametrů je tedy nutný vývoj speciálních měřících metod respektujících
tyto vlastnosti.
2.4 Zhodnocení biomedicínských aplikací magnetických
kapalin
Lékařská praxe se řídí jasně stanovenými postupy a principy, a přestože možné
biomedicínské aplikace magnetických kapalin vypadají slibně a jsou častým tématem
odborných lékařských diskusí, výzkumů i publikací [viz řada publikací, např. 22, 23,
24, 25, 26, 27, 28], nejsou v současné době používány v lékařské praxi v ČR a v blízké
době ani neočekávám jejich zavedení. Hlavním důvodem je absence odborné studie
mapující dopad nano- a mikro-částic na lidský organismus, protože většina metod
počítá se zavedením magnetických kapalin do organismu, ale bez znalosti všech
možných dopadů, které mohou na organismus mít, je to hazardování se zdravím
pacienta. Některé odborné prameny uvádějí ukládání pevných částic obsažených
v magnetických kapalinách v mozku, játrech a ledvinách [např. 23], ale komplexní
studie s definicí dopadů na lidský organismus v současnosti chybí. Díky Brownovu
pohybu, který nanočástice ve ferokapalinách vykazují, předpokládám jejich snadný
13
průchod buněčnou stěnou a studie zaměřující se na posouzení karcinogenity těchto látek
se zdá na místě.
2.5 Zhodnocení technických aplikací magnetických kapalin
Mnohé technické aplikace magnetoreologických kapalin jsou v současné době již
vyráběny a uváděny do praxe. Lze dohledat několik výrobců MR těsnění [33], ucpávek
[32, 52] a tlumičů [2, 37]. Jinak je tomu ovšem co se týče MR brzd [35], tato
technologie ještě není zcela vyřešena. Hlavními problémy jsou přítomnost brzdícího
momentu i bez vybuzení MR kapaliny, která disponuje počáteční viskozitou, a zároveň
otázka bezpečnosti, tj. spoléhání se na kapalinu jako pracovní látku zajišťující brzdění.
Přesto se tato aplikace zdá perspektivní díky odlišným dynamickým charakteristikám
v porovnání s charakteristikami klasických brzdných systémů. Počáteční brzdění může
být ve speciálních aplikacích žádoucí, např. v robotických umělých končetinách.
Reproduktory s ferokapalinou [31, 32] se vyrábí již několik desítek let a jejich
konstrukce je plně zvládnuta, navíc na jejich výrobu není potřeba velkého množství
kapaliny. Naopak hlavním problémem separátorů [32, 33] a ferokapalinou chlazených
transformátorů [29] je cena magnetických kapalin, která se v současné době pohybuje
řádově v tisících Kč za litr. V těchto systémech je potřeba relativně velké množství
kapaliny, čímž značně rostou pořizovací náklady. S vývojem nových technik výroby
a její automatizací lze očekávat pokles ceny kapalin a široký rozmach těchto aplikací.
Elektrické motory a aktuátory používající ferokapaliny ve vzduchové mezeře
jsou v současnosti terčem intenzivního výzkumu [50]. Hlavním úskalím těchto
technologií jsou viskózní ztráty způsobené při pohybu tělesa v magnetické kapalině.
Zároveň
experimentálně
získané
výsledky mnohdy neodpovídají
teoretickým
předpokladům. Matematické modely založené na teorii magnetických obvodů jsou totiž
dle mého názoru nedostatečné pro simulaci těchto systémů, protože dostatečně
nerespektují jejich geometrickou konfiguraci. Technologie, která má potenciál zvýšit
účinnost elektrických strojů, je
v každém případě velmi perspektivní a v případě
vyvinutí magnetického média s velmi nízkou viskozitou lze očekávat její celoplošné
uvedení do praxe.
14
Elektromechanické systémy využívající ferokapalinu ke zvýšení silových poměrů
3 Elektromechanické systémy využívající ferokapaliny
ke zvýšení silového působení
Ferokapaliny představují tekutý feromagnetický materiál, tj. jejich relativní permeabilita
µr > 1, a přitom na rozdíl od pevných feromagnetik díky kapalnému skupenství
umožňují pohyb v prostředí, které vyplňují. Tato skutečnost vede k myšlence využít je
jako výplně vzduchových mezer mezi pevnou a pohyblivou částí elektromechanických
systémů za účelem snížení magnetické reluktance zařízení. V této aplikaci nelze využít
MR kapaliny, protože nárůst jejich viskozity při aplikaci magnetického pole zabrání
případnému pohybu jednotlivých částí.
3.1 Silové poměry elektromechanického systému s
ferokapalinami
Soudobý elektrotechnický průmysl využívá ve svých zařízeních značné množství
různých
elektromechanických
převodníků,
tyto
převodníky
bývají
nazývány
elektromechanické aktuátory či transduktory. Konstruktéři těchto zařízení mají
k dispozici celou škálu transduktorů s rozdílnými statickými i dynamickými
charakteristikami, založených na různých fyzikálních principech, viz např. [46].
Společným požadavkem na tyto prvky bývá mimo jiné nízká hmotnost, malé rozměry
a vysoká účinnost. Využití ferokapaliny nabízí zajímavé možnosti pro naplnění těchto
požadavků.
Mechanická síla transduktoru je obvykle způsobena stejnosměrným nebo
střídavým magnetickým polem působícím na pohyblivou část zařízení. Ta sestává buď
z železné kotvy, nebo cívky napájené elektrickým proudem. Kotva, resp. cívka, je částí
magnetického obvodu, která může konat pohyb, ať už lineární či rotační. Tento pohyb
představuje mechanický výstup transduktoru. Velikost síly způsobující tento pohyb
závisí mimo jiné na magnetické indukci; ta očividně roste s poklesem magnetické
reluktance procházejícího magnetického toku. Vyplnění vzduchové mezery přítomné
v magnetickém obvodu ferokapalinou s permeabilitou µr > 1 způsobí pokles celkové
reluktance. Nabídka současných ferokapalin je široká, proto odvození výhodnosti tohoto
principu provedu výběrem vhodné kapaliny za následujících předpokladů:
15
 Lineární a izotropická permeabilita ferokapalin.
Permeabilita ferokapalin je obecně nelineární díky magnetické saturaci a obecně
funkcí prostoru díky anizotropickým vlastnostem závisejícím na směru
působícího magnetického pole, µr = µr (x, y, z, B). Předpokládáme funkci
zařízení při relativně nízkých hodnotách magnetické indukce (B < 0.6 T ),
tj. v lineární oblasti magnetizační křivky použité kapaliny. Zároveň
předpokládáme, že vektory magnetické indukce B působící na kapalinu a směru
magnetického toku Φ způsobujícího pohyb zařízení procházejícího kapalinou
jsou kolineární či s malou odchylkou kolineární, čili
anizotropické změny
permeability jsou velice nízké, a tedy zanedbatelné. Budeme tedy pracovat
s konstantními hodnotami permeability. Tento předpoklad je fyzikálně
realizovatelný.
 Neviskózní kapaliny a statická silová charakteristika.
Ferokapaliny jsou tekutiny s viskózními vlastnostmi. Pohyb zařízení v oblasti
vyplněné
ferokapalinou
je
tedy
brzděn
díky
viskózním
ztrátám.
Ferokapaliny v současnosti nabízené na trhu mají dle konkrétního typu
dynamickou viskozitu v rozsahu η = 5 ~ 10000 mPa·s. Omezíme se na výstupní
statické
charakteristiky
dynamické
charakteristiky
prozatím
nebudou
systémů
s
ferokapalinou,
diskutovány.
Uvažujeme
neviskózní kapaliny, ukážeme pouze možnosti navýšení magnetických sil
působících
v
převodnících
nabízené
využitím
ferokapaliny, tj. bez počítání viskózních ztrát. Jelikož je viskozita kapalin
dynamickou veličinou a závisí na rychlosti částic kapaliny, tento předpoklad je
fyzikálně realizovatelný u relativně pomaluběžných zařízení.
16
3.2 Magnetický obvod elektromechanického systému s
ferokapalinou
Představme si jednoduchý elektromechanický transduktor znázorněný na obr. 3.1.
Obr. 3.1.: Elektromechanický transduktor a jeho náhradní magnetický obvod;
1 - pohyblivá část, 2 - magnetický obvod, 3 - budicí vinutí, 4 - vzduchová mezera mezi
pevnou a pohyblivou částí, lze ji vyplnit ferokapalinou
Magnetický obvod vyrobený z feromagnetického materiálu je opatřen budicím vinutím
napájeným ze stejnosměrného zdroje. Mezi póly magnetického obvodu je umístěno
těleso z téhož feromagnetického materiálu, je-li obvod vybuzen, toto těleso bude
vtaženo mezi póly obvodu do takové pozice, kdy bude výsledná energie magnetického
pole minimální. Mezi pevnou a pohyblivou částí zařízení je vyžadována vzduchová
mezera, aby byl umožněn pohyb. Takové zařízení lze matematicky modelovat
s využitím teorie magnetických obvodů (např. [3]).
Celkový magnetický tok, který se uzavírá magnetickým obvodem, je dán
celkovým proudem budicím cívku a magnetickým odporem (reluktancí) obvodu:
Φ
(3.1)
NI
NI

Rm Rm1  Rm2
17
kde Rm1 a Rm2 představují magnetické reluktance feromagnetického materiálu
a vzduchové mezery
l1
1S
(3.2)
l2
1
 f ( ).
2 S
2
(3.3)
Rm1 
Rm2 
Výslednou magnetickou sílu působící na pohyblivé těleso ve směru pohybu x lze určit
například z celkové energie magnetického pole:
dWm
Fx 
dx
(3.4)
Wm  ΦI .
(3.5)
kde
Pro určení této síly lze využít i Maxwellův tenzor pnutí či Lorentz-KortewegHelmholtzovy vztahy, viz např. [3].
Je zřejmé, že velikost výsledného magnetického toku (a s ním i velikost působící
síly) závisí mimo jiné na magnetické reluktanci vzduchové mezery. Pokud je tato
mezera vyplněna ferokapalinou s relativní permeabilitou µr > 1, celková magnetická
reluktance obvodu klesá a působící síla roste. Víme, že relativní permeabilita
v současnosti dostupných kapalin je µr = 1 ~ 5 v lineární části jejich magnetizační
charakteristiky, použití ferokapaliny tedy teoreticky umožňuje až několikanásobné
zvýšení působící síly.
18
3.3 Analýza elektromechanického systému s ferokapalinou
s pomocí MKP
Přestože teorie magnetických obvodů nabízí snadné vysvětlení principu zvýšení
magnetických
sil,
předpokládaný
matematický
model
je
příliš
jednoduchý
a nerespektuje geometrii zařízení, počítá pouze se střední délkou siločáry. Proto bude
vytvořen sofistikovanější model problému a numericky řešen s využitím metody
konečných prvků. Výsledky buď potvrdí, vyvrátí nebo specifikují kritéria principu
zvýšení magnetických sil s využitím ferokapaliny.
Uvažujeme transduktor z obr. 3.1. Pohyblivé těleso vtahované mezi póly
magnetického obvodu bude vybaveno lineárním mechanickým vedením (tedy ližinami
či lineárním ložiskem) tak, aby bylo zamezeno pohybu tělesa ve vertikálním směru.
Toto vedení je umístěno z boku zařízení a vyrobeno z nevodivého nemagnetického
materiálu (viz. obr. 3.2.).
Obr. 3.2.: Pohyblivá část transduktoru (červeně) vtahovaná mezi póly magnetického
obvodu (šedě) je z boku opatřena lineárním vedením (žlutě a zeleně) tak, aby bylo
zamezeno pohybu ve vertikální části.
19
Pro pohyb tělesa je vyžadována mezera mezi pohyblivou a statickou částí zařízení,
jak tato mezera, tak celá komora, v které se koná pohyb, mohou být vyplněny
ferokapalinou. Uvažovaný transduktor je navržen pro využití v mechanických spínacích
procesech a je tedy relativně malý, jeho rozměry lze vidět na obr. 3.3.
Obr. 3.3.: Rozměry uvažovaného elektromechanického transduktoru určeného pro
spínací procesy
Magnetický obvod je buzen tak, aby magnetická indukce v jeho mezeře nepřesáhla
hodnotu B = 0.6 T, což odpovídá proudové hustotě v budicích cívkách
J = 5·106 A/m2. Jak použitá ferokapalina, tak železo tedy nejsou v saturovaném stavu,
relativní permeabilita železa je uvažována µr = 1000.
Vzhledem ke geometrickému uspořádání zařízení lze pro jeho simulaci použít
2D model, kdy je magnetické pole indukováno proudem J = k Jz a magnetický
vektorový potenciál má opět pouze složku A = k Az. Zvolíme definiční oblast
kruhového tvaru Ω (viz. obr. 3.4), velikost této oblasti později upravíme na základě
konvergence jednotlivých řešení. Tato definiční oblast je složena z suboblastí Ωi
obsahujících materiály o různých permeabilitách µi (vinutí, magnetický obvod, vzduch,
magnetická kapalina). Pro zjištění sil generovaných zařízením bude numericky
analyzováno rozložení magnetického vektorového potenciálu A v oblasti Ω.
20
Obr. 3.4.: Definiční oblast a suboblasti modelu uvažovaného systému
V našem případě platí v podoblasti budicího vinutí první Maxwellova rovnice, která má
v diferenciálním tvaru po dosazení vektorového magnetického potenciálu a následné
úpravě tvar:
rot
1

(3.6)
rot A  J ext
ve zbylých podoblastech je proudová hustota rovna nule, rovnice tedy nabývá tvar:
rot
1

(3.7)
rot A  0
Pro přesnou formulaci matematického modelu řešeného problému je dále nutné stanovit
podmínky, které platí na hranicích definiční oblasti, přičemž obecně je možné volit
mezi Dirichletovou podmínkou (okrajová podmínka 1. druhu, na hranici je známa
21
hodnota potenciálu), Neumannovou podmínkou (okrajová podmínka 2. druhu,
na hranici je známa hodnota derivace potenciálu podle vnější normály) nebo smíšenou
okrajovou podmínkou (tj. jejich vzájemnou kombinací) [3].
Hranice použité definiční oblasti je siločárou a platí na ní tedy Dirichletova
okrajová podmínka:
A0
(3.8)
Řešením této okrajové úlohy je rozložení magnetického vektorového potenciálu A
na oblasti Ω. Toto řešení lze obecně provést analyticky, nebo s využitím některé
numerické metody (v současnosti nejčastěji metodou konečných prvků).
Magnetickou indukci v libovolném bodě oblasti lze při znalosti rozložení
magnetického vektorového potenciálu A určit z jejího definičního vztahu:
B  rot A
(3.9)
Magnetická síla působící na pohyblivou část bude určena s použitím známého vztahu
pro Maxwellův tenzor pnutí:
Fm 
(3.10)
1
  H ( nB)  B( nH )  n( HB) dS
2S
Cílem našeho zájmu je velikost působící magnetické síly v horizontálním směru,
která způsobuje pohyb tělesa. Funkce popisující velikost této síly v závislosti na poloze
pohyblivé části vzhledem k stabilní poloze je statickou charakteristikou uvažovaného
elektromechanického transduktoru Fx(l).
Pro řešení modelu byl použit software Agros2D založený na knihovně Hermes
[4] vyvíjený na KTE ZČU s vlastními uživatelskými skripty vytvořenými v jazyku
Python. Výstupem simulace je statická charakteristika zařízení, tj. funkce Fx(l). Byla
sledována konvergence řešení v závislosti na velikosti definiční oblasti, počtu uzlů
a stupni použitého polynomu. Model s 26661 uzly a 11180 elementy 2. řádu byl shledán
dostatečně přesným a rychlým, tento model a užitou síť lze vidět na obr. 3.5.
22
Obr. 3.5.: Matematický model řešeného transduktoru - užitá definiční oblast a síť
Celá pracovní komora, tj. oblast mezi póly magnetického obvodu, v které pracuje
pohyblivá část, byly vyplněny ferokapalinou. Byla uvažována řada různých typů
ferokapalin, dokonce byl sledován i vliv kapalin s vyšší permeabilitou, než µr = 5,
předpokládaje, že v budoucnosti by teoreticky mohlo dojít k vývoji nových typů
ferokapalin s vyšší permeabilitou. Výslednou statickou charakteristiku
Fx(l)
uvažovaného zařízení lze vidět na obr. 3.6.
Na rozdíl od předpokladů daných matematickým modelem založeným na
magnetickém obvodu, přítomnost ferokapaliny způsobí značný pokles výsledné
působící síly. Důvodem je skutečnost, že výsledný magnetický tok Φ se neuzavírá
pouze přes pohyblivou část zařízení, ale také přes ferokapalinu. Tento jev lze sledovat
na obr. 3.7.
23
Obr. 3.6.: Statická charakteristika síly v horizontálním směru řešeného transduktoru
pro kapaliny s různou permeabilitou, celá pracovní oblast vyplněna ferokapalinou
Obr. 3.7.: Výsledek numerické simulace zobrazující magnetické siločáry. Magnetický
tok se neuzavírá pouze přes pohyblivou část (vybarvena), ale i přes ferokapalinu přítomnou v pracovní komoře transduktoru, v tomto případě v modelu použita kapalina
s permeabilitou µr = 500 pro zvýraznění jevu
24
Je zřejmé, že geometrické uspořádání zařízení a oblasti vyplněné ferokapalinou mají
zásadní vliv na výslednou sílu a funkčnost zařízení. Model založený na magnetickém
obvodu je tedy v řadě případů nedostačující, protože při návrhu zařízení využívajícího
ferokapalinu je potřeba brát ohled na prostorovou konfiguraci systému.
V našem případě lze problém vyřešit tak, že kapalina vyplní pouze oblast
vzduchové mezery mezi pevnou a pohyblivou částí zařízení, nesmí být přítomna
v jiných oblastech. Lineární vedení zajistí, že se pohyblivá část nepotopí do kapaliny.
Zabránit tomu, aby kapalina natekla jinam, lze např. tak, že se čela pohyblivé části
opatří nástavci z nemagnetického materiálu s permeabilitou µr = 1, lze užít např. bloky
z plastu. V matematickém modelu dojde k rozdělení definiční suboblasti Ωkapalina na dvě
suboblasti, jak ukazuje obr. 3.8.
Obr. 3.8.: Úprava matematického modelu rozdělením suboblasti Ωkapalina na dvě dílčí
suboblasti
Výslednou statickou charakteristiku získanou numerickým modelem takto upraveného
zařízení lze vidět na obr. 3.9.
25
Obr. 3.9.: Statická charakteristika síly v horizontálním směru řešeného transduktoru
pro kapaliny s různou permeabilitou, pouze vzduchová mezera mezi pevnou
a pohyblivou částí je vyplněna ferokapalinou
Lze sledovat znatelné zvýšení sledované působící síly. Na rozdíl od předchozí
konfigurace, magnetický tok Φ se uzavírá téměř pouze přes pohyblivou část zařízení,
viz. obr. 3.10.
Výhodnost užití ferokapaliny v mezeře elektromechanického systémy tedy byla
potvrzena i numerickou simulací s využitím MKP. Byla ale objevena geometrická
podmínka růstu magnetických sil, která musí být brána v potaz při návrhu zařízení
využívajících ferokapalinu ke zlepšení magnetického obvodu.
26
tok se uzavírá téměř pouze přes pohyblivou část (vybarvena), v tomto případě v modelu
použita kapalina s permeabilitou µr = 500 pro zvýraznění jevu
Pro zlepšení funkce zařízení je ve směru působící síly nutná
výrazná změna
permeabilit. Toho lze dosáhnout použitím různých materiálů. Tento závěr je v souladu s
Lorentz-Korteweg-Helmholtzovou teorií definující hustotu magnetických sil jako [3]:
1
fm  J  B  H 2 grad 
2
(3.11)
27
3.4 Krokový transduktor s ferokapalinou
V předchozí části jsme došli k závěru, že přítomnost ferokapaliny ve vzduchové mezeře
působí pozitivně na velikost generované magnetické síly při dodržení geometrické
podmínky změny permeabilit ve směru předpokládaného pohybu. Zkoumaný
elektromechanický systém byl ale poměrně primitivní, v další části bude provedena
analýza sofistikovanějšího elektromechanického systému za účelem potvrzení či
vyvrácení pozitivního vlivu ferokapaliny ve složitějších zařízeních.
Předpokládáme využití
ferokapaliny ve vzduchové mezeře krokového
elektromechanického transduktoru, jehož konstrukce je znázorněna na obr. 3.11. Tento
transduktor lze využít všude tam, kde je vyžadováno přesné lineární polohování.
Obr. 3.11.: Princip funkce krokového transduktoru využívajícího ferokapalinu
Jak pevná, tak pohyblivá část transduktoru jsou vyrobeny z feromagnetického materiálu
opatřeny drážkami vyplněnými nemagnetickým materiálem s permeabilitou µr = 1
(např. pryskyřicí či plastem). Pokud na tyto části působí magnetická indukce B, působí
mezi nimi síla F. Tato síla má tangenciální složku F1 a normálovou složku F2, jak lze
vidět na obr. 3.11. Působící síla uvede pohyblivou část do pohybu, ta se pohybuje až do
28
polohy s drážkami proti sobě. V této pozici síla F1 zmizí, zatímco síla F2 dosahuje svého
maxima, viz obr. 3.12.
Další pohyb je docílen zrušením magnetické indukce B1 a vytvořením
magnetické indukce B2 v jiné části identického transduktoru, která je mechanicky
spojena s předchozí částí a geometricky posunuta o požadovanou vzdálenost nižší
než délka jedné drážky. Poté dojde k posunu o další krok a celý proces se může
opakovat.
Obr. 3.12.: Transduktor v pozici drážka proti drážce, působí pouze vertikální síla
Síla F2 nemá vliv na výstupní sílu transduktoru, ale může být rušivá. Tuto sílu lze
vyrušit symetrickým spojením dvojice transduktorů, viz. obr. 3.13.
Obr. 3.13.: Symetrické spojení dvou krokových transduktorů za účelem potlačení
vertikální síly
29
3.4.1 Studie sil v krokovém transduktoru
Statická charakteristika navrhovaného krokového transduktoru je závislost horizontální
síly na poloze pohyblivé části F1=F1(x). Závisí na následujících parametrech:
 geometrické rozměry drážek a vzduchové mezery, jejich tvar
 permeability použitých materiálů: magnetický obvod z feromagnetika r1 →  ,
drážky vyplněné diamagnetickým materiálem r2 = 1 ( plastem či pryskyřicí,
magnetický tok se nesmí uzavírat drážkami) a mezera vyplněná kapalinou r3
(ferokapalina, např. r3 = 1.2 ~ 5).
 působící magnetická indukce B.
V programu Agros2D byl vytvořen matematický model pro řešení problému pomocí
MKP a zvolena definiční oblast. Geometrie problému je poměrně složitá díky tvaru
pohyblivé části. Z tohoto důvodu byla užita MKP s h-p adaptivitou za účelem dosažení
vysoké přesnosti při akceptovatelné době řešení [49]. Na základě sledování
konvergence výsledných sil byl zvolen model s 835583 uzly a 40832 elementy druhého
řádu, použitou síť lze vidět na obr. 3.14.
Obr. 3.14.: Příklad sítě použité pro analýzu magnetického pole v jedné poloze
krokového aktuátoru
30
Výslednou statickou charakteristiku pro jeden pohon při vyplnění vzduchové mezery
(materiál r3 na obr. 3.10) ferokapalinami s různou relativní permeabilitou r lze vidět
na obr. 3.15.
Obr. 3.15.: Statická charakteristika jednoho pohonu modelovaného krokového
transduktoru při plněním ferokapalinami o různé relativní permeabilitě
Zesílení statické charakteristiky při použití ferokapaliny je patrné. Zároveň ferokapalina
nezpůsobuje odklon magnetického toku Φ od pólů pohonu. Výsledný generovaný
magnetický tok Φ uzavírající se přes pohyblivou část zařízení lze vidět
na obr. 3.16. Výsledné zvýšení magnetických sil způsobené zlepšením magnetického
obvodu dané snížením jeho magnetické reluktance je srovnatelné s relativní
permeabilitou použité ferokapaliny.
31
tok se uzavírá téměř pouze přes pohyblivou část (vybarvena), v tomto případě v modelu
použita kapalina s permeabilitou µr = 5
Pozitivní vliv ferokapaliny v mezeře byl potvrzen. Je tedy zřejmé, že vyplnění
vzduchové mezery ferokapalinou může značně zvýšit výsledné statické silové
charakteristiky elektromechanického převodníku. V další fázi vývoje těchto zařízení se
je potřeba zaměřit na:
 Optimalizaci návrhu transduktoru s pomocí numerických optimalizačních
metod, kriteriální funkce bude F1(x).
 Konkrétní návrh transduktoru, včetně utěsnění mezery vyplněné magnetickou
kapalinou.
 Dynamickou analýzu transduktoru s respektováním toku magnetické kapaliny.
32
4 METODIKA PRO MĚŘENÍ PERMEABILITY
MAGNETICKÝCH KAPALIN
4.1 Specifikace problému
Pro kvalitní návrh jakéhokoli elektromechanického zařízení je nutné znát materiálové
vlastnosti použitých součástí. Nejdůležitějšími parametry definujícími vlastnosti
magnetických kapalin jsou jejich magnetizační a magneto-viskózní vlastnosti. Na rozdíl
od magneto-viskózních křivek, které jsou hlavně u většiny magnetoreologických
kapalin dostupné [1], výrobci obvykle negarantují - a mnohdy ani nedodávají magnetizační charakteristiky magnetických kapalin a konstruktéři jsou tedy odkázání
na vlastní měření.
Měřicí metody pro určování magnetizačních vlastností pevných feromagnetik
jsou v
současnosti detailně popsány [např. 2], ale tyto metody nelze využít
pro magnetické kapaliny, které mají tyto specifické vlastnosti:
 velmi nízkou relativní permeabilitu
 jejich hystereze je zanedbatelná
 jejich magnetická nelinearita se projevuje až při dosažení relativně
vysokých hodnot magnetizace
Pro konstruktéra elektromechanických zařízení je nejdůležitějším magnetickým
parametrem materiálu jeho magnetická permeabilita. Různé formy permeability
v izotropním prostředí (např. počáteční permeabilita, reverzibilní permeabilita) splývají
v jediný materiálový parametr definovaný poměrem B/H [viz např. 3].
Magnetické kapaliny představují poměrně komplexní fyzikální prostředí. Pokud
na magnetickou kapalinu nepůsobí externí magnetické pole ( tj. intenzita magnetického
pole H = 0), je magnetická kapalina izotropní, zatímco pokud H > 0, kapalina vykazuje
anizotropii, tato anizotropie je výraznější s nárůstem H. Při nízkých hodnotách H je
magnetická kapalina lineární, při vyšších hodnotách se projevuje magnetická saturace
a způsobuje nelinearitu. Při H = 0 jsou magnetické kapaliny homogenní, ale při vyšších
hodnotách H se v kapalině vytváří řetězce feromagnetických částeček a tyto struktury
způsobují lokální nehomogenity. Pokud je působící externí pole nehomogenní, vznikají
33
vyšší koncentrace těchto řetězců částic v oblastech s vyšším H a magnetická kapalina se
chová jako magneticky nehomogenní. Speciálně, pokud je externí magnetické pole
homogenní, magnetická kapalina je také magneticky homogenní.
Pro magnetické kapaliny tedy platí pro podíl mezi vektorem magnetické indukce
B a vektorem intenzity magnetického pole H vztah:
B  μH
(4.1)
Kde μ je tenzor permeability. Prvky tohoto tenzoru permeability jsou dány vztahem
ij  ij ( H , x, y, z); i, j  1,2,3 .
(4.2)
Analýza magnetického pole v takovém komplexním prostředí je tedy velice složitá.
Mým cílem ovšem nebyl vývoj měřicí metody pro určení tenzoru permeabilit
magnetických kapalin μ , ale fundamentální úloha vyšetření permeability µ při orientaci
magnetických kapalin ve směru S pod vlivem magnetického pole orientovaného H. Ve
většině praktických aplikací magnetických kapalin jsou tyto vektory orientovány
kolineárně (viz kapitola 2.5) a zároveň se pracovní bod systémů pohybuje po lineární
části magnetizační křivky kapaliny, zaměřil jsem se tedy na vyšetření permeability
v takovýchto konfiguracích. V budoucnu předpokládám vývoj zobecněné metody
umožňující vyšetření permeability při obecném směru B a H.
4.2 Princip měření permeability kapalin
Pokud zajistíme, že je měřený vzorek magnetické kapaliny magnetizován homogenním
magnetickým polem, platí pro indukčnost toroidní cívky z teorie elektromagnetického
pole [např. 3] známý vztah:
(4.3)
L   F ( N 2 , rozměry cívky),
kde µ = µ0µr je permeabilita materiálu jádra cívky a funkce F závisí na počtu závitů N
a na geometrických rozměrech cívky. Pokud je indukčnost cívky s vzduchovým
34
(dutým) jádrem L0 a indukčnost cívky s jádrem vyplněným magnetickou kapalinou Lx,
je relativní permeabilita magnetické kapaliny:
r 
(4.4)
Lx
.
L0
Cílem měření tedy bude určení indukčnosti cívky s a bez jádra vyplněného magnetickou
kapalinou. Existuje mnoho metod měření indukčnosti cívky, např. [2]. Pokud máme
k dispozici vzorek magnetické kapaliny se známou permeabilitou, lze ho použít
k ocejchování.
4.3 Možné měřicí konfigurace
Zvážil jsem a numericky jsem nasimuloval několik možných konfigurací pro měření
indukčnosti cívky s jádrem vyplněným kapalinou vybuzené proudem za účelem volby
nejvhodnější konfigurace. Bylo sledováno množství generovaných magnetických
rozptylových toků a cesty, jimiž se uzavírají. Díky nízké relativní permeabilitě
magnetických kapalin (z teorie známe µr = 1 ~ 5, viz kap. 2.3.3) má vzniknuvší
magnetický tok tendenci neuzavírat se pouze přes měřený vzorek kapaliny, ale také
přes okolní prostředí, např. přes stěny nádoby, cívku či dokonce feromagnetické
materiály v okolním prostředí. Tyto permeability mohou ovlivnit výslednou změřenou
indukčnost. Z tohoto pohledu je ideální měřicí konfigurace taková, že se celý
magnetický tok uzavírá přes vzorek měřené kapaliny. Fiktivní magnetická kapalina
s relativní permeabilitou µr = 2 byla použita v matematických simulacích navrhovaných
konfigurací, kapaliny s vyšší permeabilitou by generovaly ještě méně rozptylových
magnetických toků. Simulace byly provedeny s využitím metody konečných prvků
(MKP) v programu Agros2D [4].
4.3.1 Toroidní tvar měřeného vzorku kapaliny
Dutá nádoba ve tvaru anuloidu je naplněna magnetickou kapalinou. Na nádobu je
rovnoměrně navinuta cívka, indukčnost výsledné cívky je cílem měření. Závity je nutno
navíjet rovnoměrně podél celého toroidu, aby výsledné pole v jádře toroidní cívky bylo
35
homogenní. Jak lze vidět z obr. 4.1, magnetický tok vznikající vybuzením cívky se
neuzavírá pouze přes měřenou kapalinu, ale zároveň i stěnami nádoby. Permeabilita
materiálu použitého na tuto nádobu ovlivní výslednou indukčnost cívky. Z tohoto
důvodu je potřeba zvolit nádobu s co možná nejtenčí stěnou z diamagnetického
materiálu (ideálně µr = 0 ) pro co nejmenší ovlivnění měření.
Obr. 4.1.: Měřicí konfigurace s toroidním tvarem vzorku měřené kapaliny a výsledek
její 2D numerické simulace v planárním souřadném systému zobrazující magnetické
siločáry
Tato konfigurace má ovšem několik praktických omezení z důvodu náročné údržby.
Pro naplnění toroidu kapalinou je potřeba otvor, který ovšem naruší rovnoměrné
navinutí a způsobí nehomogenitu. Mnohé magnetické kapaliny navíc používají jako
nosnou kapalinu olej, takže při výměně měřené kapaliny je potřeba měřicí zařízení
rozebrat a vyčistit.
4.3.2 Cylindrický tvar měřeného vzorku kapaliny
Dutá válcová nádoba (např. zkumavka) je naplněna měřenou magnetickou kapalinou.
Dlouhá cívka je rovnoměrně navinuta kolem nádoby. Indukčnost vzniklé cívky je
36
porovnána s indukčností cívky s prázdnou nádobou. Jak lze vidět na obr. 4.2,
magnetický tok se neuzavírá jen přes měřenou kapalinu, ale zároveň přes stěny nádoby
a vinutí cívky, a dokonce se může uzavírat i přes feromagnetická tělesa umístěna
vně cívky.
Permeability těchto materiálů opět ovlivní výslednou indukčnost,
pro eliminaci této chyby je potřeba poměrně velký okolní prostor bez přítomnosti
feromagnetických těles. Na druhou stranu, údržba, provoz a čištění této konfigurace je
snadné a pro každý vzorek kapaliny lze snadno zajistit vlastní nádobu.
Obr.4.2.: Měřicí konfigurace s válcovým tvarem vzorku měřené kapaliny a výsledek její
numerické simulaci v osově symetrickém souřadném systému znázorňující magnetické
siločáry
4.3.3 Měřicí sonda ponořená ve vzorku měřené kapaliny
Malá solenoidní cívka byla zvolena jako měřicí sonda a ponořena do nádoby s měřenou
magnetickou kapalinou. Pokud je nádoba dostatečně velká, magnetický tok generovaný
cívkou se uzavírá pouze přes kapalinu a přes vlastní cívku, viz obr. 4.3. V této
37
konfiguraci ovlivní výslednou indukčnost pouze permeabilita měřené kapaliny
a materiálu použitého na výrobu cívky. Z tohoto důvodu by cívka měla být
co
nejsubtilnější
a
navinuta
z
diamagnetického
materiálu
(např.
z
mědi)
pro minimalizaci výsledné chyby měření.
Tato konfigurace má řadu hlavně praktických výhod. Ponoření a vyjmutí sondy
z kapaliny lze provést rychle a operativně, údržba je také snadná. Tuto konfiguraci lze
z těchto důvodů doporučit pro průmyslové využití.
Obr.4.3.: Měřicí konfigurace s cívkou ponořenou do měřené kapaliny a výsledek její
numerické simulace v osově symetrickém souřadném systému znázorňující magnetické
siločáry.
38
4.4 Určení výsledné indukčnosti s užitím RLC můstku
Je známo mnoho metodik určování indukčnosti cívky, nejběžnější metodou je můstkové
měření s využitím měřicího RLC můstku. Pro vyvážený můstek je měřená cívka
prakticky bez proudu a je tedy měřena tzv. počáteční permeabilita [blíže viz. 3]
(4.4)
B
H 0 H
r0  lim
Jak již bylo řečeno, tvar B-H křivky magnetických kapalin se liší od křivek pevných
feromagnetických materiálů a hodnotu počáteční permeability lze s malou nepřesností
považovat za hodnotu permeability v lineární části B-H křivky. Pokud chceme získat
hodnotu permeability pro vyšší hodnoty H, je potřeba vzorek při měření externě
předmagnetovat.
4.5 Příklad - užití metody pro rychlé operativní průmyslové
měření permeability magnetických kapalin
Pro návrh elektromechanického aktuátoru (např. zařízení v kapitole 5) využívajícího
zlepšení magnetického obvodu vyplněním vzduchové mezery magnetickou kapalinou je
potřeba znát její relativní permeabilitu µr v lineární části magnetizační křivky, kde leží
pracovní body zařízení. Kapalina bude v aktuátoru pracovat tak, že vektory H a S jsou
kolineární.
Pro měření byla zvolena měřicí konfigurace se sondou ponořenou do kapaliny.
Pro určení výsledných indukčností byl využit měřicí můstek Agilent RLC 6243B
dostupný na oddělení. Detaily měření lze vidět na obr. 4.4, 4.5 a 4.6, na můstku bylo
měřeno se střídavým napětím o amplitudě 100 mV při frekvenci 100 kHz.
39
Obr. 4.4.: Cívka použitá jako měřicí sonda
Obr. 4.5.: Ponoření sondy do nádoby s kapalinou
Obr. 4.6.: Použitá měřicí konfigurace pro rychlé průmyslové operativní měření
permeability kapalin
40
Počáteční permeability několika typů magnetických kapalin (všechny vyrobené firmou
Ferotec) dostupných na našem oddělení byly změřeny, výsledné hodnoty lze vidět
v Tabulce 4.1.
Tab. 4.1. Kolineární složka permeabilit několika vzorků ferokapalin v lineární části
magnetizační křivky
Vzorek kapaliny
Relativní permeabilita µr [-]
EMG1111
1,14
EMG607
1,21
EFH1
1,799
EMG707
2,03
Lze vidět, že užitím navržené metody bylo možné změřit i velice nízké hodnoty
permeability kapalin o hodnotách µr < 1.2.
Vzhledem k tvaru rovnice (4.4) se případné chyby vyskytují v čitateli
i jmenovateli a jsou zkráceny. Výsledná chyba měření je tedy dána chybou měřicího
můstku Agilent RLC 6243B.
41
Experimentální ověření elektromechanického systému s magnetickou kapalinou
5 Experimentální ověření elektromechanického
systému s magnetickou kapalinou
Logickým vyústěním předcházejících kapitol by byl návrh, sestavení a experimentální
ověření
elektromechanického
aktuátoru
využívajícího
ferokapalinu
k
zesílení
generovaných magnetických sil. K sestavení takového zařízení bohužel není Katedra
teoretické elektrotechniky ZČU vybavena a výrobu se ani nepodařilo kontraktovat
zvenčí. V našich možnostech bylo zkonstruovat experimentální magnetoreologickou
brzdu, jiný typ elektromechanického systému využívajícího magnetickou kapalinu.
Konstrukcí a experimentálním ověřením ferokapalinového aktuátoru se hodlám zabývat
v budoucnu ihned, jakmile to bude prakticky možné.
5.1 Experimentální magnetoreologická brzda
Klasické mechanické brzdné systémy mají řadu nevýhod. Tření pevných mechanických
součástí způsobuje opotřebení zařízení, potřeba hydraulických prvků zvyšuje nároky
na rozměry zařízení a k řízení těchto pasivních systémů jsou potřeba aktivní prvky.
Magnetoreologické prvky nabízí řešení všech těchto problémů: neobsahují žádné
kontakty pevných mechanických částí, umožňují spojité změny brzdění a samy o sobě
jsou přímými elektromechanickými převodníky, což umožňuje jejich snadné řízení.
Současný průmysl využívá magnetoreologické brzdy v řadě aplikací a lze dohledat
návrhy mnoha typů těchto brzdných systémů (např. [39, 40].
5.2 Návrh magnetoreologické brzdy
Fyzikální princip navrhované MR brzdy lze vidět na obr. 5.1. Brzdný disk rotuje
v mezeře magnetického obvodu vyplněné MR kapalinou. Pokud je obvod vybuzen,
vzniklý magnetický tok je obvodem veden tak, že se uzavírá přes mezeru vyplněnou
kapalinou. Na MR kapalinu působí magnetické pole ve směru kolmém na pohyb
brzdného kotouče a ovlivňuje viskozitu. Brzdění systému je spojitě řízeno změnou
viskozity kapaliny vyvolanou proudem v budicích cívkách. Řešení neobsahuje žádný
přímý kontakt mechanických částí, brzdění je způsobeno viskózními ztrátami
v kapalině.
42
Obr.5.1: Principiální schéma navrhované MR brzdy
Spoj disku a hřídele je mechanicky nejvíce namáhanou součástí zařízení. Uchycení
těchto částí musí být dostatečně pevné, aby vydrželo vznikající krouticí moment.
Materiál použitý na výrobu brzdicího kotouče má vliv na princip funkčnosti zařízení je-li disk vyroben z vodivého materiálu, brzda bude fungovat zároveň na principu
vířivých proudů. Tyto proudy jsou indukovány do vodivého kotouče pohybujícího se
v magnetickém poli a vytvářejí vlastní magnetické pole, které silově působí proti směru
otáčení. Výsledný brzdný moment zařízení je tedy dán superpozicí brzdného momentu
způsobeného vířivými proudy a brzdného momentu způsobeného viskózními ztrátami
a výsledná brzdicí charakteristika bude mírně odlišná od charakteristiky brzdy čistě
magnetoreologické.
Pokud
je
materiál
nevodivý,
brzda
je
tedy
pouze
magnetoreologická, ale nevodivé materiály mají obecně horší mechanické vlastnosti,
což může mít negativní dopad na mechanicky namáhaný spoj hřídele a disku.
Hlavní nevýhodou MR brzdného systému je počáteční viskozita MR kapaliny,
tj. viskozita bez přítomnosti externího magnetického pole. Rotující kotouč je brzděn
i bez vybuzení kapaliny.
Další související nevýhodou je oteplení kapaliny, při brzdění je energie
přeměněna na teplo a ohřívá MR kapalinu. Viskozita MR kapalin je teplotně závislá
a tato závislost je dána nosnou kapalinou, pro potlačení tohoto jevu může být
vyžadováno chlazení.
43
5.3 Použitá MR kapalina
Na základě magneto-viskózních charakteristik získaných z [21] byla jako brzdicí
kapalina v navrhované brzdě použita MR kapalina MRHCCS4-B od firmy Liquids
Research Ltc. Tyto charakteristiky lze vidět na Obr. 5.2. Vzhledem ke konfiguraci
magnetického obvodu a saturační magnetizaci uváděné výrobcem Ms = 750 mT byla k
určení permeability v pracovním režimu použita metoda zmíněná v kap. 4. Změřená
hodnota je µr = 1.61.
Obr. 5.2: Viskozita MRHCCS4-B jako funkce otáček a intenzity magnetického pole [21]
5.4 Návrh magnetického obvodu na základě
matematického modelu generovaného magnetického
pole a jeho experimentální verifikace
Vzhledem k přepokládaným rozměrům brzdy byl navržen magnetický obvod s rozměry
dle obr. 5.3. Obvod bude buzen stejnosměrně, nehrozí tedy vznik vířivých proudů a jako
materiál postačí konstrukční ocel, elektrotechnické listěné plechy nejsou nutné.
44
Obr. 5.3: Rozměry předpokládaného magnetického obvodu, v mm
Dle magnetoviskózní křivky použité kapaliny je k dosažení požadovaného intervalu
změn viskozity potřeba v mezeře magnetického obvodu magnetické pole o indukci
v rozmezí B = 0 ~ 400 mT.
Je tedy potřeba navrhnout vhodnou šířku mezery
v magnetickém obvodu δ a zvolit dostatečný zdroj k napájení budicích cívek při této
šířce mezery tak, aby v mezeře byla dosažena požadovaná indukce. Mezera musí být
zároveň tak široká, aby se do ní vešel rotující disk a dostateční množství brzdicí
kapaliny.
Za tímto účelem byl vytvořen matematický model magnetického obvodu
a analyzován s použitím programu Agros2D a metody konečných prvků. Vzhledem
k známým magnetickým vlastnostem použité kapaliny (µr = 1.61 v lineární části
magnetizační křivky až do Ms = 750 mT) lze pro simulaci v rozmezí B = 0 ~ 400 mT
v mezeře problém řešit jako lineární. Saturační hodnoty použité oceli jsou ještě vyšší
a zařízení tedy pracuje v lineárních částech magnetizačních křivek všech použitých
materiálů. Zároveň lze problém řešit jako nesdruženou úlohu, změny v magnetické
kapalině neovlivní výsledné magnetické pole.
Řešením rovnice pro magnetický vektorový potenciál A
rot
1

(5.1)
rot A  J ext
45
lze snadno určit hodnotu magnetické indukce B v libovolném místě pomocí formule
B  rot A .
(5.2)
Byla sledována konvergence řešení, matematický model s 7689 uzly a 3216 elementy
druhého řádu je dostatečný pro dosažení vysoké přesnosti výpočtu při krátkém
výpočetním čase. Příklad rozložení výsledného magnetického pole lze vidět na obr. 5.4.
Obr. 5.4: Příklad rozložení magnetických siločar v magnetickém obvodu navrhované
MR brzdy, výsledek simulace v programu Agros2D
Na základě sady simulací byla zvolena šířka mezery δ = 7 mm při nutnosti takového
buzení, aby byla v budicích cívkách dosažena proudová hustota v rozmezí
J = 0 ~ 6·104 A/m2. Maximální hodnota tohoto intervalu je velice snadno dosažitelná
poměrně nízkými proudy.
Magnetický obvod byl opatřen cívkou s 500 závity z měděného drátu o průřezu
d = 0.6 mm. Tato cívka byla buzena stejnosměrným zdrojem s proudovou regulací
schopným dodávat proud o hodnotě až Imax = 3 A. Výsledná hodnota magnetické
indukce v mezeře byla změřena pomocí teslametru Elimag Mp-1 s Hallovou sondou
a po započtení koeficientu plnění cívky λ = 0.54 srovnána s výsledky obdrženými
46
simulací. Srovnání lze vidět na obr. 5.5. Shoda naměřených a simulací spočítaných
hodnot je velice dobrá, z obrázku je potvrzeno, že zařízení pracuje v lineární části
magnetizačních křivek použitých materiálů. Záměrně byla změřena jedna hodnota
indukce pro vyšší hodnotu budicího proudu, na které lze vidět, že magnetická
nelinearita se začíná projevovat až při vyšších hodnotách, než při kterých
předpokládáme provoz brzdy.
Obr. 5.5: Srovnání výsledků simulace a měření magnetické intenzity v mezeře
navrhované MR brzdy
5.5 Experimentální zařízení
Na základě předchozích informací bylo zkonstruováno experimentální zařízení, které
lze vidět na obr. 5.6. Hřídel a disk byly vyrobeny z hliníku z důvodu dosažení dobré
mechanické pevnosti, brzda tedy bude fungovat zároveň na bázi vířivých proudů.
Z důvodu zjištění vlivu těchto vířivých proudů byl vyroben druhý disk z plastu, jehož
47
spoj s hřídelí sice nedosahuje takové mechanické pevnosti, lze ho ale využít k zjištění
vlivu vířivých proudů na základě srovnání výsledného momentu s momentem
vznikajícím při použití hliníkového disku.
Obr. 5.6: Experimentální MR brzda s hliníkovým diskem
Nádoba na MR kapalinu je otevřená z důvodu umožnění zavádění měřicích sond
do experimentálního zařízení, v reálném zařízení by byla komora s kapalinou uzavřena
a utěsněna.
Reakci použité MR kapaliny na vybuzení cívek stejnosměrným proudem lze
vidět na obr. 5.7.
Obr. 5.7: Experimentální MR brzda s plastovým diskem, reakce kapaliny na vybuzení;
vlevo - obvod není buzen; vpravo - obvod je buzen proudovou hustotou J = 6·104 A/m2
48
5.6 Brzdicí moment navržené MR brzdy
Brzdicí moment způsobený viskózními ztrátami disku rotujícího v kapalině závisí
na viskozitě η, otáčkách disku ω a geometrických rozměrech disku [41]:
M rheo 

(5.3)
4 r l
2
Tento moment lze snadno spočítat ze známých hodnot magnetické indukce B a známé
křivky závislosti viskozity na působícím magnetickém poli a otáčkách disku použité
kapaliny MRHCCS4-B (obr. 5.2.). Je zřejmé, že tento brzdicí moment je nenulový
i pokud MR kapalina není vystavena působení magnetického pole, tj. i při nulovém
buzení cívky. MR kapalina má počáteční viskozitu, která při pohybu tělesa v kapalině
způsobí viskózní ztráty. Tyto ztráty rostou s růstem viskozity při vybuzení brzdy.
Celkový brzdicí moment se tedy skládá z momentu způsobeného počáteční
viskozitou při nulovém buzení, momentu způsobeného růstem ztrát díky zvýšení
viskozity a momentem způsobeným vířivými proudy:
M mech  M rheo( I 0)  M rheo( I )  M eddy
(5.4)
Brzdicí moment Meddy způsobený vířivými proudy indukovanými do disku závisí
na působícím poli a čtverci otáček a lze ho snadno spočítat s použitím elementárních
vztahů známých z teorie elektromagnetického pole (viz. např. [3]). Díky relativně
nízkým hodnotám magnetické indukce v mezeře brzdy ( v řádu stovek mT) postačující
pro vybuzení dostatečné změny viskozity v kapalině lze předpokládat hodnoty tohoto
momentu o několik řádů nižší než momentů způsobených viskózními ztrátami. Tento
předpoklad byl ověřen na základě srovnání momentových charakteristik brzdy
s plastovým a s hliníkovým diskem a vliv vířivých proudů na funkčnost zařízení tedy
lze zanedbat.
49
5.7 Experimentální ověření navržené MR brzdy
Dynamická momentová charakteristika sestavené MR brzdy byla změřena s použitím
sestavy, kterou lze vidět na obr. 5.8.
Obr. 5.8.: Sestava pro měření dynamické charakteristiky experimentální MR brzdy
Hřídel brzdy byla poháněna asynchronním strojem. Mechanické otáčky brzdicího disku
byly měřeny otáčkoměrem a činný výkon spotřebovaný asynchronním strojem síťovým
analyzátorem. Vztah mezi činným výkonem odebíraným strojem a otáčkami brzdicího
disku je dán:
P  M mech .
(5.5)
Kde P značí činný výkon, κ reprezentuje ztráty na hřídeli asynchronního stroje a ω jsou
mechanické otáčky změřené na disku brzdy. Výsledná momentová charakteristika
v závislosti na buzení cívky brzdy lze vidět na obr. 5.9.
Obr. 5.9. ukazuje nárůst brzdicí momentu v závislosti na buzení brzdy,
který způsobí nárůst viskozity MR kapaliny a sním i nárůst viskózních ztrát. Otáčky
na brzdě klesly pod ω = 1 s-1 při buzení cívky proudem vyšším než I = 0.7 A. Otáčky
disku se zastavily při buzení proudem I = 1 A.
50
Obr. 5.9.: Brzdicí momentová charakteristika v závislosti na buzení MR brzdy
5.8 Zhodnocení návrhu MR brzdy
Navržená experimentální MR brzda má oproti jiným brzdným systémům značné
výhody - neobsahuje přímý spoj pevných částí a nedochází tedy k mechanickému
opotřebení, lze ji přímo řídit a její řízení je energeticky nenáročné a rozměry zařízení
jsou malé.
K vyvolání změn viskozity v použité kapalině MRHCCS4-B dostatečných k
zastavení otáček disku je potřeba proudová hustota v budicí cívce pouze v řádu
J = 104 A/m2 , v našem případě bylo této hodnoty dosaženo při použití 500 závitů
protékaných stejnosměrným proudem I = 1 A. Při použití více závitů by stačily
i mnohem menší hodnoty budicího proudu. Za hlavní nevýhodu zařízení lze považovat
přítomnost brzdicího momentu i bez aktivního buzení, což předurčuje tento typ brzdy
k použití v relativně pomalu běžných systémech či v systémech, kde je takové brzdění
vyžadováno.
51
ZÁVĚR
V předložené práci byla provedena kritická studie fyzikálně-chemických vlastností
magnetických kapalin a jejich možného uplatnění ve společenské praxi. Z této studie
mimo jiné vyplývá značný potenciál ferokapalin jako kapalného feromagnetického
materiálu pro užití v elektromechanických systémech a potenciál magnetoreologických
kapalin jako inteligentního materiálu, jehož viskozitu lze měnit aplikací magnetického
pole. Zároveň je patrná absence měřicích metod pro určování materiálových parametrů
magnetických kapalin.
Analýza elektromechanického systému s využitím matematického modelu
založeného na metodě magnetických obvodů ukázala zesílení generovaných statických
magnetických sil. Toto zesílení je úměrné velikosti permeability ferokapaliny použité
v mezeře zařízení. Tento způsob analýzy ovšem nerespektuje geometrické uspořádání,
počítá pouze s materiálovými parametry použitých součástí a střední délkou magnetické
siločáry. Z důvodu upřesnění výsledků byla provedena analýza statických silových
charakteristik s využitím modelu založeného na metodě konečných prvků, který
respektuje geometrické rozložení. Výsledky analýzy potvrzují zesílení statických sil,
ale zároveň z nich plyne geometrická podmínka nutná pro funkčnost zařízení.
Ferokapalina musí být přítomná pouze ve vzduchové mezeře mezi pevnou a pohyblivou
částí elektromechanického systému, její přítomnost v jiných částech má naopak
negativní vliv na velikost výsledné elektromagnetické síly. Ve směru pohybu
elektromechanického systému je potřebný dostatečný gradient permeabilit použitých
materiálů.
Na základě principu zvýšení statických sil vyplněním mezery zařízení
ferokapalinou byl vytvořen ideový návrh inovativního krokového elektromechanického
transduktoru. Z jeho matematického modelu vyšetřovaného pomocí metody konečných
prvků plyne, že při použití v současnosti dostupných ferokapalin s permeabilitou řádově
µr = 5 lze docílit až 2,5 násobného zesílení generovaných statických sil než při použití
vzduchové mezery. Zásadní nevýhodou tohoto systému je viskozita použité
ferokapaliny, při pohybu tělesa v kapalině dochází k viskózním ztrátám. Nárůst
statických sil je ovšem značný a v případě pomalu běžných systémů může být zisk
účinnosti díky zvýšení sil vyšší než přítomné viskózní ztráty. Výsledky v každém
případě potvrzují korektnost a značnou perspektivu výzkumu, který bude pokračovat
vyšetřováním dynamických charakteristik těchto systémů.
52
Stěžejním materiálovým parametrem vymezující použití v elektromechanických
aplikacích je magnetická permeabilita. Standardní metody měření permeabilit,
používané na pevná feromagnetika, nelze z řady důvodů použít pro magnetické
kapaliny. V práci byla navržena inovativní technika měření pro návrhy praktických
aplikací klíčové složky permeability magnetických kapalin. Pomocí této metody lze
měřit i kapaliny o velmi nízkých hodnotách relativní permeability µr < 2.
Teoretické předpoklady využití magnetických kapalin v elektromechanických
systémech byly prakticky využity při návrhu experimentální magnetoreologické brzdy.
Tato brzda byla sestavena a následně byla experimentálně proměřena její dynamická
brzdicí charakteristika. Zařízení je plně funkční, energeticky nenáročné a jeho výstup
lze snadno řídit přímo regulací budicího proudu. Hlavní nevýhodou sestrojeného
zařízení je přítomnost počátečního brzdicího momentu i bez vybuzení zařízení. Tato
nevýhoda je dána přímo fyzikálním principem, na kterém zařízení funguje.
Předpokládané využití tohoto typu brzdy je tam, kde je počáteční brzdění vyžadováno,
například v umělé robotické končetině.
Magnetické kapaliny jsou perspektivním elektrotechnickým materiálem s řadou
praktických aplikací. Vzhledem k současnému intenzivnímu výzkumu v oblasti
nanotechnologií lze očekávat vývoj nových druhů magnetických kapalin se zajímavými
elektromagnetickými vlastnostmi. Ferokapalina s vysokou permeabilitou a nízkou
viskozitou může být použita v elektromechanických systémech a podstatně zvýšit jejich
účinnost, studie takových zařízení je tedy plně na místě. Vývoj stabilního plynného
feromagnetika chemickým navázáním feromagnetických částic na molekuly nosného
plynu by způsobil revoluci v technologii elektrických strojů.
53
POUŽITÁ LITERATURA
[1]
German
[cit.
Ferrofluid
Community
2012-04-20].
Dostupné
Information
z:
Server.
[online].
http://www.maschinenbau.tu-
ilmenau.de/mb/wwwtd/hydromag/ferro/start.html
[2]
BAKSHI, U. A., AJAV, U. A. Electrical measurements and measuring
instruments. Pune, India: Technical Publications Pune, 2007. ISBN 81-8431255-5.
[3]
MAYER, D. Aplikovaný elektromagnetizmus. 1. vyd. České Budějovice: Kopp,
2012. ISBN 978-80-7232-424-8.
[4]
HPFEM GROUP. [online]. [cit. 2012-04-20]. Dostupné z: http://hpfem.org
[5]
MAYER, D. Future of electrotechnics: ferrofluids. Advances in electrical and
electronic engineering. roč. 2008, č. 7, s. 9-14. ISSN 1336-1376.
[6]
ELMORE, W. C. Phys.Rev. 1938, č. 59, s. 309.
[7]
RABINOW, J. Magnetic fluid clutch. National Bureau of Standards Technical
News Bull., 32(4), 1948, s. 54-60.
[8]
BEHRENS, S. Synthesis and Characterization. Lect. Notes Phys. SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2009, č. 763, s. 1-82. DOI: 10.1007/978-3-54085387-9_1.
[9]
VEKÁS, L. Ferrofluids and Magnetoreological Fluids. Advances in Science and
Technology. 2008, č. 54, s. 127-136. Dostupné z: www.scientific.net
[10]
TIMKO,
M.,
ZENTKO,
A.,
ZENTKOVÁ,
M.,
KONERACKÁ,
V.
a KELLNEROVÁ, M. Magnetoreological Properties of some Ferrofluids. IEEE
TRANSACTIONS ON MAGNETICS,. 1994, roč. 30, č. 2, s. 1117-1119.
[11]
ODENBACH, S. Magnetoviscous effects in ferrofluids. Berlin: Springer, 2002,
151 s. Lecture notes in physics. Monographs. ISBN 3-540-43068-7; ISSN 09407677.
54
[12]
PILENI, M. P. Magnetic Fuids: Fabrication, Magnetic Properties, and
Organisation of Nanocrystals. Adv.Funct.Mater. Wiley-VCH Verlag GmbH,
2001, roč. 11, č. 5. ISSN 1616-301X/01/0510-0323.
[13]
AccessScience
[online].
[cit.2012-04-20].
Dostupné
z:
http://accessscience.com/content/Ferrofluid/801330
[14]
PAPELL, S. S. Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal
suspension of magnetic particles [patent]. USA. 3,215,572. Uděleno 1965.
[15]
CHARLES, S., V. The Preparation of Magnetic Fluids [online]. [cit.2012-04-20]
Dostupné
z:
http://pages.csam.montclair.edu/~yecko/ferro/oldpapers/DIRECTORY_LNP594
/Charles_Prep.pdf
[16]
KHALAFALLA, S. E., REIMERS, G. W.
Magnetofluids and their
manufacture. [patent]. USA. 3,764,540. Uděleno 1973.
[17]
GOBE, M., K. KON-NO a A. KITAHARA. Preparation of magnetite superfine
sol in w/o microemulsion. J. Coll. Int. Sci 93, 1984. 293, 5.
[18]
PAPIRER E., HORNY, P., BALARD, H., ANTHORE, R., PETIPAS, R.,
MARTINET, A. The preparation of a ferrofluid by the decomposition of
dicobalt octacarbonyl. J. Coll. Int.Sci. 94, 1983. 207, 20.
[19]
BALAN, C., BROBOANA, D., GHEORGHIU, E., VÉKÁS, L. Reological
characterization of complex fluids in electro-magnetic fields. Journal of NonNewtonian Fluid Mechanics. 2008, 154-1, s. 22-30. ISSN 0377-0257.
[20]
DYUPOVKIN, N.I. Conductivity of magnetic fluids. Kolloidnyj Zhurnal. 1995,
č. 5, s. 666-669.
[21]
KOPČANSKÝ, P., TOMČO, L. , MARTON, K., KONERACKÁ, M., TIMKO,
M., POTOČOVÁ, I. The DC dielectric breakdown strength of magnetic fluids
based on transformer oil. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2005,
č. 289, s. 415-418. ISSN 0304-8853.
[22]
HUKE, B., LUECKE, M. Magnetic properties of colloidal suspensions of
interacting magnetic particles,. Rep. Prog. Phys., 2004. 67 1731.
55
[23]
TRAHMS, L. Biomedical Applications of Magnetic Nanoparticles. Lect. Notes
Phys. Springer-Verlag Heidelberg, roč. 2009, č. 763, s. 327-358. DOI:
10.1007/973-3-540-85387-9_5.
[24]
WEITCHIES, W., KOTITZ, R., BUNTE, T., TRAHMS, L. Relaxing and
remanent nanoparticle magnetization provides a novel binding specific signal for
the evaluation of immunoassays. Pharm. Parmacol. Lett. 1997, č. 7, s. 1-4.
[25]
BUSCH, C.J. Einfluss heftiger Erysipeln auf organisierte Neubildungen.
Verhandlungen des naturhistorischen Vereines der preussischen Rheinlande und
Westphalens. Bonn: Max Cohen & Sohn, 1866, s. 28-33.
[26]
GILCHRIST, R. K., MEDAL, R., SHOREY, W. D., HANSELMAN, H.,C.,
PARROT, J.C., TAYLOR, C.B. Selective inducting heating of lymph nodes.
Annals of Surgery. 1957, 146-596.
[27]
HERGT, R., ANDRA, W. Magnetism in Medicine: Magnetic Hyperthermia and
Thermoabalation. Wiley, 2006.
[28]
CLEMENT, J. H., SCHWALBE, M., BUSKE, N., SCHNABELRACUH, M.,
GORNETR, P., KLICHE, K.O., PACHMANN, K., WEITSCHIES., W.,
HOFFKEN, K. Differential interaction of magnetic nanoparticles with tumor
cells and peripheral blood cells. J. Cancer Res. Clin. Oncol. 2006, č. 132, s. 281292.
[29]
SEGAL, V., HJORTSBERG, A., RABINOVICH, A., NATTRASSS, D., RAJ,
K. AC(60Hz) and Impulse Breakdown Strength of a Colloidal Fluid Based on
Transformer oil and Magnetite Nanoparticles. In: Conference of the 1998 IEEE
International Symposium on Electrcal Insulation. Arlington, Virginia, USA,
1998. 0-7803-4927-X/98.
[30]
MOREGA, A. M., MOREGA, M., PISLARU-DANESCU, L., STOICA, V.,
NOURAS, F., STOIAN, F.D. A novel, ferrofluid-cooled transformer.
electromagnetic field and heat transfer by numerical simulation. In: Optimization
of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM): 2010 12th International
Conference. 2010, s. 140-146. DOI: 10.1109/OPTIM.2010.5510425.
[31]
SHIRO, T., ROSENZWEIG, R. E. [patent]. USA. 77289504B2. Uděleno
1.6.2010.
56
[32]
Ferrotec: Audio Ferrofluids. [online]. [cit. 2012-02-08]. Dostupné z:
http://www.ferrotec.com/products/ferrofluid/audio/
[33]
MAYER, D. Magnetické kapaliny a jejich použití (2. Část - dokončení). Elektro.
2007, roč. 17, č. 4, s. 4-8.
[34]
MAYER, D. ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI. Ferokapalinová
ucpávka [patent]. ČR. 177, 301769. Uděleno 2009.
[35]
AVRAAM, M. MR-fluid brake design and its application to a portable muscular
rehabilitation
device.
[online].
[cit.
2012-04-20].
Dostupné
z:
http://www.scribd.com/doc/66128779/Avraam09-Presentation
[36]
HU, W., ROBINSON, R., WERELEY, N. M. A Design Strategy for
Magnetoreological Dampers Using Porous Valves. In: 11th Conference on
Electroreological Fluids and Magnetoreological Suspensions: Journal of
Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2009. 149. 012056.
[37]
DELPHI
Pressss
Releases
[online].
[cit.
2012-04-20].
Dostupné
z:
http://delphi.com/news/pressReleases/pressReleases_2006/pr_2006_11_30_001/
[38]
MAYER, D. ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI. Magnetoreologický
torzní tlumič [patent]. ČR. 176, 302067. Uděleno 2009.
[39]
LI, W. H., DU, W. H. Design and experimental evaluation of a
magnetoreological brake. International Journal of Advanced Manufacturing
Technology. 2003, 21(7), s. 508-515.
[40
J.WANG, J., MENG, G. Magnetoreological fluid devices: Principles,
characteristics and applications in mechanical engineering. Proceedings of the
Institution of Mechanical Engineers: Part L: Journal of Materials: Design and
Applications. 2001, 215(3), s. 165-174.
[41]
MFF UK. Studium reologického chování látek [online]. [cit. 2012-02-29].
Dostupné z: http://physics.mff.cuni.cz/vyuka/zfp/txt_106.pdf.
[42]
ODENBACH, S. Ferrofluids - Magnetically controlled suspensions, colloids and
surfaces. Physicochemical and Engineering Aspects. 2003, s. 171-178.
57
[43]
DOLEŽEL, I., KARBAN, P., ŠOLÍN, P. Integral Methods in Low-frequency
Electromagnetics. Hoboken : John Wiley & Sons, 2009, 388 s. ISBN 978-0-47019550-5.
[44]
LASER, D. J., SANTIAGO J. G. A review of micropumps. Journal of
Micromechanics and Microengineering. 2004, 14(6), R35-R64.
[45]
BÜSCHER, K., HELM, C.A., GROSS, C., GLÖCKL, G., ROMANUS, E.,
WEITSCHIES, W. Nanoparticle Composition of a ferrofluid and its effects on
the magnetic properties. Langmuir. 2004, 20(6), s. 2435-2444.
[46]
SPENCER, Jr. B.F., DYKE, S. J., SAIN, M. K.,
Phenomenological
model
for
magnetoreological
CARLSON, J. D.
dampers.
Journal
of
Engineering Mechanics. 2007, 123(3), s. 230-238.
[47]
ŠOLÍN, P., ČERVENÝ, J., DOLEŽEL, I. Arbitrary-level hanging nodes and
automatic adaptivity in the hp-FEM. Mathematics and Computers in Simulation.
2008, 77(1), s. 117-132.
[48]
IDELCHIK, I. E. Handbook of Hydraulic Resistence 3rd edition. Begell House.
ISBN-10 1567000746. ISBN-13 978-1567000740
[49]
RAJ, K. a kol. Electrically conductive ferrofluid compositions and method of
preparing and using same. [patent]. USA. 4604229. Uděleno 1986.
[50]
NETHE, A., SCHOLZ, T., STAHLMANN, H. D. Theoretical evaluation of the
ferrofluid-driven electric machine. Journal of Magnetism and Magnetic
Materials. 2005, 293(1), s. 709-714. ISSN 0304-8853.
[51]
KIM, Y., LANGARI, R., HURLEBAUS, R. Semiactive nonlinear control of a
building with a magnetoreological damper system. Mechanical Systems and
Signal Processing. 2009, 23(2), s. 300-315. ISSN 0888-3270.
[52]
DELPHI Pressss Releases [online]. 2012-04-20 [cit. 2012-04-20]. Dostupné z:
http://www.ferrolabs.com/en/
[53]
University
of
Ferrofluid
Heat
Washington,
Transfer
department
[online].
[cit.
http://faculty.washington.edu/finlayso/ferrofluid/
58
of
Chemical
2012-04-20].
Engineering:
Dostupné
z:
SEZNAM AUTOROVÝCH PRACÍ
[A1]
POLCAR, P., MAYER, D. Design of a Stepper Transducer with Ferroliquid.
Acta Technica, Institute of Thermomechanics AS CR, 2012, přijato k
publikování
[A2]
MAYER, D., POLCAR, P. A novel approach to measurement of permeability
of magnetic fluids.
Przeglad Elektrotechniczny (Electrical Review), 2012,
přijato k publikování
[A3]
POLCAR, P., ULRYCH, B., KROPÍK, P. Actuator with Ferromagnetic Plunger
Working in Ferrofluidic Liquid. Przeglad Elektrotechniczny (Electrical Review),
2012, přijato k publikování
[A4]
POLCAR, P. Magnetoreological brake design and experimental verification.
Proceedings of ELEKTRO 2012, 9th international conference, Žilina, ISBN
978-1-4673-1178-6
[A5]
POLCAR, P. Elektromechanický transduktor s ferrokapalinou. Elektrotechnika a
informatika 2011. Část 1., Elektrotechnika, Zámek Nečtiny, Západočeská
univerzita v Plzni, 2011, ISBN 978-80-261-0016-4., s. 105-108
[A6]
POLCAR, .P., MAYER, D. Design of a Stepper Transducer with Ferroliquid.
Advanced Methods in the Theory of Electrical Engineering, Klatovy,
Západočeská
univerzita
v
Plzni,
2011,
ISBN 978-80-7043-993-7, s. IV-5
[A7]
DOLEŽEL, I., POLCAR, P., KROPÍK, P. Actuator with Ferromagnetic Plunger
Working in Ferrofluidic Liquid. Advanced Methods in the Theory of Electrical
Engineering,
Klatovy,
Západočeská
univerzita
v
Plzni,
2011,
ISBN 978-80-7043-993-7 s. IV-1
[A8]
POLCAR, P., MAYER, D., PÁNEK, P. A Novel Approach to Magnetic Fluids
Permeability
Measurement. Advanced Methods in the Theory of Electrical
59
Engineering,
Klatovy,
Západočeská
univerzita
v
Plzni,
2011,
ISBN 978-80-7043-993-7, s. VI-1
[A9]
MAYER, D., POLCAR, P. Theory of Electrical Engineering Upgrade:
Supercapacitors. Advanced Methods in the Theory of Electrical Engineering,
Klatovy,
Západočeská
univerzita
v
Plzni,
2011,
ISBN 978-80-7043-993-7, s. IV-11
[A10] PÁNEK, D., HRUŠÁK, J., KROPÍK, P., POLCAR, P. On discretization of
strongly non-linear systems. Acta Technica, Institute of Thermomechanics AS
CR, 2010, ISSN 0001-7043. 2010, 55(3), s. 301-314
[A11] POLCAR, P., MAYER, D. A View on the Reactive Power in Nonsinusoidal
Steady State. Proceedings of International School on Nonsinusoidal Currents
and Compensation 2010, ISNCC 2010, 2010
[A12] POLCAR, P. Řízený magnetoreologický tlumič s membránou, princip a výpočet
tlumení. Elektrotechnika a informatika - 11. ročník konference doktorských
prací, Zámek Nečtiny, část 1. Elektrotechnika, Západočeská univerzita v Plzni,
2010, ISBN 978-80-7043-913-5, s. 94-97
[A13] MAYER, D., POLCAR, P. Novel Approach to Electrodynamics Education.
Computational Problems of Electrical Engineering (CPEE), Lázně Kynžvart,
ISBN 978-80-7043-899-2, 2010, s. 107
[A14] POLCAR P. Magneto-Reological damper with Membrane. ST.Petersburg,
International forum-competition of young researchers - Topical issues of subsoil
usage, State Mining Institute, 2009. s.66
[A15] POLCAR, P. Membránový magnetoreologický tlumič. XLI. Sešit katedry
Elektrotechniky 2009, Katedra elektrotechniky FEI VŠB-TU Ostrava, 2009,
ISBN 978-80-248-2020-0, s. 106-108
[A16] POLCAR, P. Podmíněnost a stabilita numerického řešení systému ODR
reprezentujícího kmitavou mechanickou soustavu s řízeným elektromagnetickým
tlumičem. Elektrotechnika a informatika 2009. Část 1., Elektrotechnika, 10.
60
ročník konference doktorských prací, Zámek Nečtiny, 4.-5. listopadu 2009.
Plzeň Západočeská univerzita, 2009. ISBN 978-80-7043-810-7. s. 83-86
[A17] POLCAR, P. Analýza kmitavé mechanické soustavy s elektromagnetickým
tlumičem. Elektrotechnika a informatika 2008. Část 1., Elektrotechnika : 9.
ročník konference doktorských prací, Zámek Nečtiny, 6. - 7. listopadu 2008. V
Plzni : Západočeská univerzita, 2008. ISBN 978-80-7043-702-5. s. 91-94
[A18] POLCAR, P. Návrh antikoronní ochrany statorového vinutí synchronního stroje.
Elektrotechnika a informatika 2007. Část 1., Elektrotechnika: 8. ročník
přehlídky doktorských prací, zámek Nečtiny, 31.10. 1.11.2007. V Plzni:
Západočeská univerzita, 2007. ISBN 978-80-7043-572-4. s. 73-76
[A19] POLCAR, P. Návrh antikoronní ochrany statorového vinutí synchronního stroje.
[diplomová práce] Západočeská univerzita v Plzni, 2007.
61

Autoreferát - Polcar Petr - FEL

Transkript

Podobné dokumenty

Result Forms Cadet Boys Singles

Result Forms Cadet Mixed Doubles

openMagazin 03/2010

sims11

Výroční zpráva FEL 2007 - Fakulta elektrotechnická

pdf 745kB - Národní knihovna České republiky

21001 Výzkum a vývoj řídicích systémů pneumatických

Implementační akční plán – Technologická

Nanotechnologie - CORDIS

Více informací o smart materiálech

pragovac 2001

HDS-7 Gen3 : HDS-7 Gen3 bez sondy

DS03062A