Sulla generazione di forza in elettro

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22274 (2022) Citare questo articolo

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Nei sistemi di attuazione del ferrofluido, le forze vengono generate controllando attivamente la pressione e il flusso all'interno del fluido utilizzando un campo magnetico applicato. Esistono molteplici fattori che contribuiscono alla generazione di forza che coinvolge complessi accoppiamenti non lineari tra campi di pressione elettromagnetici e fluidi. Ciò comporta sfide significative nella progettazione e ottimizzazione basate sulla teoria. In questo articolo, un modello teorico di trasmissione della pressione tra un ferrofluido e un solido viene derivato a partire dal tensore dello stress di Maxwell e tenendo conto della saturazione magnetica all'interno del fluido. Questo modello mostra che i progetti di attuatori lineari basati sul funzionamento in modalità ortogonale, in cui la direzione del campo attraverso il fluido è perpendicolare alla direzione del movimento, possono fornire la massima capacità di forza per una determinata intensità di campo dalla bobina dell'attuatore. Ciò viene verificato mediante l'analisi teorica di alcune topologie di attuatori lineari di base. I risultati vengono applicati nella progettazione e nell'analisi di un nuovo attuatore lineare di tipo a pistone con camera sigillata e due bobine elettriche interne per il funzionamento bidirezionale. Vengono mostrate misurazioni sperimentali del comportamento sia statico che dinamico per convalidare i principi descritti. L'attuatore produce un movimento regolare e preciso con regolazione del flusso, ha una rigidità intrinseca pari a zero e presenta un attrito molto basso grazie all'effetto di sospensione degli strati di ferrofluido all'interno dell'attuatore.

Il ferrofluido è un tipo di fluido magnetico intelligente contenente una sospensione di nanoparticelle polarizzate magneticamente, tipicamente di ossido di ferro o lega ferro-cobalto1,2. Le particelle sospese sono rivestite con un tensioattivo per prevenire l'aggregazione e la sedimentazione. Ciò rende la pressione e il flusso all'interno di un ferrofluido controllabili da un campo magnetico applicato. Negli ultimi decenni, i ferrofluidi hanno trovato applicazioni ad ampio raggio nei campi della scienza, della medicina e dell’ingegneria3,4,5,6,7.

I ferrofluidi possiedono un'elevata permeabilità magnetica, conduttività termica e viscosità, se confrontati con l'aria e altri tipi di fluidi8,9,10. Di conseguenza, possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni dei sistemi di attuazione elettromagnetici convenzionali, compresi gli attuatori a forza di Lorentz (bobina mobile)11,12. I ferrofluidi possono anche fornire un metodo di attuazione fondamentalmente diverso in cui il movimento di un sistema meccanico dipende dalla pressione e dal flusso all'interno del fluido, controllato direttamente tramite un campo elettromagnetico13,14,15. Sono state proposte varie applicazioni per attuatori ferrofluidi in sistemi di controllo del movimento ad alta precisione e su microscala4,14,15,16,17. Attualmente, ci sono sfide significative nella creazione di attuatori ferrofluidi compatti per un ampio intervallo di spostamento e capacità di forza, come desiderato in molti sistemi di microposizionamento. Il lavoro qui descritto affronta queste sfide sviluppando e applicando la teoria della generazione di forza con ferrofluidi nel contesto dei sistemi di attuazione lineare. Vengono presentati casi di studio per progetti basati su due diverse modalità di funzionamento, in cui il campo magnetico attraverso il fluido è parallelo e ortogonale alla direzione di movimento/attuazione. Questi risultati portano a un nuovo design di un attuatore ferrofluido bidirezionale che viene prodotto e studiato sperimentalmente. Le previsioni teoriche del comportamento statico e dinamico vengono confrontate con i risultati sperimentali per convalidare la teoria e i principi di progettazione.

Sebbene questo studio abbia lo scopo di facilitare la progettazione ottimale di sistemi di attuazione lineare ferrofluidici, i risultati sono rilevanti per altre situazioni in cui la pressione funzionale viene generata attraverso un ferrofluido e la combinazione risultante di pressioni fluide e magnetiche deve essere prevista e analizzata. Questi includono cuscinetti ferrofluidi, isolatori di vibrazioni e smorzatori, valvole, pompe, nonché altre applicazioni emergenti di controllo della forza e del movimento con ferrofluidi.