Mô phỏng từ trường của phanh dầu từ trường đa cực từ

Bài báo trình bày kết quả mô phỏng từ trường và tính toán mômen phanh của phanh sử dụng dầu từ trường (MRF). Một mô hình phanh sử dụng dầu từ trường đã được thiết kế, mô phỏng và tính toán lực phanh tạo ra.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 MƠ PHỎNG TỪ TRƯỜNG CỦA PHANH DẦU TỪ TRƯỜNG ĐA CỰC TỪ SIMULATION OF THE MAGNETIC FIELD OF A MULTI-POLE MAGNETORHEOLOGICAL BRAKE TRẦN THANH TÙNG1*, NGUYỄN TIẾN HOÀNG1, HOÀNG QUANG TUẤN1,2 Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Khoa Công nghệ ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email liên hệ: tung.tranthanh2@hust.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày kết mơ từ trường tính tốn mơmen phanh phanh sử dụng dầu từ trường (MRF) Một mơ hình phanh sử dụng dầu từ trường thiết kế, mô tính tốn lực phanh tạo Mơ hình phanh gồm: Hai rotor, stator với sáu cuộn dậy quấn hai lớp dầu nằm rotor stato Từ mơ hình 3D xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn giải toán từ tường môi trường 3D - từ trường phần mềm FLUX Từ kết cường độ từ trường, mật độ từ thơng tính tốn mơmen phanh dựa cơng thức Bingham dầu từ trường Tổng kết, nghiên cứu mơ từ trường phanh tính tốn mơmen phanh đối loại dầu từ trường khác Từ khóa: Dầu từ trường (MRF), phanh từ trường (MRB), FLUX Tổng quan nghiên cứu Dầu từ trường (MRF) phát nghiên cứu Jacob Rabinow Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ vào cuối năm 1940 [1] Theo nhiều nghiên cứu tài liệu, dầu từ trường (MRF) loại vật liệu thơng minh có trạng thái pha thay đổi nhanh chóng thuận nghịch từ chất lỏng có độ nhớt thấp sang chất bán rắn từ trường có kiểm sốt Thơng thường, chất lỏng MR bao gồm hạt sắt từ thuận từ mềm (0,03 ~ 10 μm) phân tán chất lỏng Hiện nay, có nhiều nghiên cứu MRF ứng dụng dầu Có nhiều ứng dụng MRF như: giảm chấn, ly hợp, giá đỡ, rô bốt, xúc giác phanh Ví dụ, Liu cộng nghiên cứu “Phân tích mơ rung động máy cơng cụ dựa giảm chấn từ trường” [2] Jing Shubua đưa “Phân tích mơmen phanh phanh dầu từ trường dạng đĩa” [3] Ngồi cịn có nhiều nghiên cứu khác dầu từ trường (MRF) Abstract The paper presents the results of magnetic field and braking torque using Magnetorheological Fluid (MRF) A Magnetorheological Brake (MRB) was designed, simulated and calculated the generated braking torque The MR brake model consists of: two rotors, a stator with six upper winding and two MRF layers between the rotors and stator From the 3D model, a 3D finite element electromagnetic model of MRB was built and simulated by FLUX software From the results of the magnetic field strength, the magnetic flux density will calculate the braking torque based on the Bingham Rheological model of MRF Summary, this study simulated the magnetic field of the MR Brake and calculated the braking torque for different MRFs Keywords: Magnetorheological Fluid (MRF), magnetorheological Brake (MRB), FLUX 332 Hình Phanh sử dụng dầu từ trường lớp dầu Trong thiết kế khác, phanh sử dụng dầu từ trường với nhiều cực điện từ sử dụng thay cho thiết kế phanh cực thơng thường Mặc dù phanh cực có cấu tạo đơn giản dễ chế tạo hiệu phanh khơng cao Hình thể phanh sử dụng dầu từ trường với lớp dầu cực từ cách SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Khi chất lỏng MR sử dụng cấu chấp hành điều khiển thiết bị ứng dụng, ứng xử chất lỏng phân loại thành bốn chế độ khác nhau: Chế độ chảy, chế độ ép, chế độ kẹp chế độ cắt Trong chế độ cắt, thông thường người ta cho hai phận kích hoạt từ trường tự dịch xoay so với phận Trong nghiên cứu này, dầu từ trường sử dụng chế độ cắt cho phanh MR Bảng Thông số thiết kế phanh Thông số thiết kế Giá trị (mm) Bán kính rotor 22 Bề dày lớp dầu từ trường bên 0,5 Bán kính stator 43,5 Bề dày lớp dầu từ trường bên ngồi 0,5 Bán kính rotor ngồi 50 Độ dày cực 15 Khe hở lắp chữ T Chiều dài phanh 75 Hình Ứng dụng cắt dầu từ trường Thiết kế phanh từ trường nhiều cực sử dụng hai lớp dầu từ trường Để tạo từ trường để điều khiển mômen xoắn, sáu cuộn dây đặt sáu cực stator phanh Dầu từ trường (MRF) bao gồm hai lớp, lớp nằm rotor bên stator lớp nằm vịng phân cách hình trụ rotor bên ngồi Dưới mơ hình thiết kế 3D phanh sử dụng dầu từ trường đa cực hai lớp dầu từ trường phần mềm thiết kế 3D NX Hình Thiết kế mơ hình 3D phanh sử dụng dầu từ trường phần mềm NX Vì vậy, gọi phanh nhiều cực, mục đích cải thiện mơmen xoắn phanh Bên cạnh đó, vịng ngăn cách hình trụ ngăn chặn rị rỉ dầu từ trường chảy vào bên cuộn dây Những thông số phanh sử dụng dầu từ tường với sáu cực hai lớp dầu đưa Bảng SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Mơ hình chia lưới phần mềm FLUX Hình Mơ hình chia lưới mơi trường xung quanh Xây dựng tốn phương pháp tính mơmen phanh Từ mẫu thiết kế 3D phần mềm NX, mơ hình đưa vào mơi trường 3D - từ trường phần mềm FLUX để thiết lập toán Sử dụng Meshgems Voronoi-Delaury để chia lưới mơ hình, lưới sử dụng lưới tetra Một tứ diện có đỉnh, cạnh giới hạn mặt giác 333 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Thơng số lưới mơ hình Thơng số Số lượng phần tử Nodes 390.083 Phần tử đường 55.069 Phần tử mặt phẳng Phần từ thể tích 499.588 2.224.810 Một thơng số quan trọng dầu từ trường ứng dụng cắt ứng suất chảy theo từ trường cấp vào Tùy thuộc vào ứng dụng mục đích yêu cầu phanh, thông số như: độ nhớt dầu khơng có từ trường, ứng suất chảy, đặc tính từ trường, độ dẫn nhiệt hệ số giãn nở nhiệt Trong Bảng đưa thông số quan trọng loại dầu khác (MRF-122EG, MRF-126LF: Ứng suất chảy thấp; MRF-132DG: Ứng suất chảy trung bình MRF-140BC: Ứng suất chảy cao) [5] Với kết cấu ứng dụng khác sử dụng loại dầu từ trường khác Đối với phanh sử dụng dầu từ trường thơng số ứng suất chảy ảnh hưởng trực tiếp đến mơmen phanh 3.2 Tính tốn mơmen phanh Hình Đường cong B-H vật liệu thép 1018 3.1 Vật liệu Thép từ tính 1018: Theo tham khảo với xem xét chi phí vật liệu khả gia công, thép 1018 lựa chọn để gia công cho phanh sử dụng dầu từ trường Loại thép hỗ trợ làm tăng cường độ từ trường cho lớp dầu phanh Hơn nữa, thép có đặc tính thơng dụng khác là: nhiệt đặc tính cấu tạo Thép sử dụng để gia cơng chi tiết: Rotor ngồi, stator Bên cạnh nhơm chữ T lắp đặt ngăn cách cuộn dây cạnh Hiện tượng ảnh hưởng đến từ trường phanh Vì nhơm vật liệu có tính chất cách từ, giá thành hợp lý với nhơm vật liệu có sẵn thị trường Dầu từ trường: Dầu từ trường hãng Lord chia làm nhóm chính: Ứng suất chảy thấp, trung bình cao Trong nghiên cứu này, có loại dầu (MRF122EG; MRF-122LF; MRF-132DG and MRF140BC) sử dụng để đưa vào mô tính tốn Ứng xử dầu từ trường thể ứng dụng mơ hình ứng xử Bingham [6] Công thức Bingham công thức đơn giản để mô tả ứng xử dầu từ trường Ứng dụng trường hợp ứng suất cắt: τ = τγ + η.γ (1) Trong đó: τ ứng suất cắt tổng, τγ ứng suất chảy theo từ trường đặt vào phụ thuộc vào cường độ từ trường HMR chất lỏng, η độ nhớt dầu từ trường khơng có từ trường tác dụng γ tốc độ cắt phanh sử dụng dầu từ trường chế độ cắt Để đơn giản hóa việc phân tích mơmen xoắn, đặc tính ứng suất cắt lớp dầu từ trường tạo ra, mômen phanh tính tốn từ thơng qua lớp dầu từ trường theo phương vng góc Khi dịng điện đầu vào bên ngồi đặt vào cuộn dây, từ thông xuất Trong phanh sử dụng dầu từ trường đề xuất này, mômen xoắn phanh (TMR) tạo lớp dầu từ trường xác định sau: Bảng Đặc tính số loại dầu từ trường thị trường [5] Đặc tính dầu Hạt mang theo Khối lượng riêng (g.cm-3) Ứng suất chảy 100 kA.m-1 (kPa) Ứng suất chảy 200 kA.m-1 (kPa) Độ nhớt (mPa) Nhiệt độ hoạt động (°C) Độ dẫn nhiệt (W.m-1.°C-1) Hệ số giãn nở nhiệt 0÷50°C 334 MRF-122EG Hydrocacbon 2,28 ÷ 2,48 22 MRF-126LF Hydrocacbon 2,64 ÷ 2,84 30 MRF-132DG Hydrocacbon MRF-140BC Hydrocacbon 2,95 ÷ 3,15 30 3,75 ÷ 3,95 29 32 39 44 50 0,042 ± 0,020 0,070 ± 0,020 0,112 ± 0,02 0,1140 ± 0,040 -40 ÷ 130 -40 ÷ 130 - -40 ÷ 130 -40 ÷ 130 - 0,21 ÷ 0,81 6,5 x 10 -4 - 0,25 ÷ 1,06 5,5 × 10-4 - SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 ∫ TMR = ∫ TMR = (2) + ⲱ (3) Trong đó: AMR vùng chất lỏng từ trường hoạt động RMR bán kính lớp dầu từ trường z chiều dài phanh xét, tốc độ quay phanh bề dầy khe hở chứa dầu từ trường Tổng mơmen phanh phanh MR (Tbt) tính tổng mơmen xoắn phanh (TMR) mơmen ma sát sinh từ phận làm kín chịu lực phanh MR (Tfr): Tbt = TMR + T fr độ từ trường cực đại đạt 116,3kA.m-1 dòng điện 3A Đường sức từ cuộn dây gần nhau: Từ cuộn dây vng góc với dầu từ trường, rotor quay lại vào cuộn dây bên cạnh theo chiều ngược lại Tạo thành vịng khép kín từ thơng Với thiết kế phanh dầu từ trường đa cực từ có cường độ từ trường lớn mà cịn diện tích tiếp xúc tạo mơmen phanh hiệu (4) Vì cấu tạo phanh sử dụng dầu từ trường gồm có hai lớp dầu: Lớp dầu lớp dầu ngồi nên tổng mơmen phanh tổng mơmen phanh lớp lớp ngồi: Tbt = ( ⲱ ( + + )∫ ∫ ) + T fr + (5) Hình Cường độ từ trường phanh Trong đó: Tbt tổng mơmen phanh phanh MR, TMRi TMRo mômen phanh dầu từ trường bên bên ngồi, Tfr mơmen ma sát sinh từ phận làm kín chịu lực phanh RMRi, AMRi bán kính vùng làm việc lớp chất lỏng từ trường bên RMRo, AMRo bán kính vùng làm việc lớp chất lỏng MR bên ngồi Mơ phân tích Trong báo đưa kết vùng từ trường tập trung, phân bố từ thông mômen phanh loại dầu khác liệt kê Bảng Dòng điện cấp vào cuộn dây từ 0A đến 3A với bước nhảy 0,5A lần Phần mềm FLUX phần mềm sử dụng cho vấn đề từ tính nhiều khía cạnh: 2D, Skew, 3D PEEC Dựa cấu trúc phanh nhiều cuộn dây hai lớp dầu từ trường, nên áp dụng điều kiện biên cho mơ hình Sau mơ từ trường phần mềm FLUX, kết phân tích: cường độ từ trường, mật độ từ thông mômen phanh 4.1 Cường độ từ trường Cường độ từ trường thông số quan trọng để chuyển đổi ứng suất chảy, từ tính tốn mơmen phanh theo cơng thức (5) Hình cho thấy cường độ từ tính đặc biệt tất phận phanh MR: Stator, rotor, nhơm hình chữ T, lớp cách stator rotor lớp chất lỏng MR Cường SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Phân bố từ trường lớp dầu từ trường Hình thể vùng phân bố từ trường lớp dầu phanh sử dụng dầu từ trường lớp lớp ngồi Từ trường chia làm vùng là: Vùng từ trường lớn, vùng từ trường trung bình vùng từ trường thấp Phân bố không theo chiều dọc cuộn dây, cường độ từ trường lớn tập trung đầu đỉnh cuộn dây cường độ bổ sung hai phía cuộn dây (theo chiều dọc chiều ngang) Tiếp theo giảm dần phía cuộn dây, thể màu xanh nhạt Vị trí đỉnh chân nhơm chữ T có cường độ nhỏ nhơm vật liệu dẫn từ thấp với đường sức từ tập trung 4.2 Mơmen phanh Mơmen phanh cấu phanh phụ thuộc vào nhiều yếu tố là: kết cấu phanh, thiết bị lắp ráp kèm theo dòng điện cuộn dây Một 335 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 yếu tố quan trọng khác loại dầu từ trường sử dụng phanh Trong tốn tính tốn cho loại dầu từ trường sau: MRF122EG, MRF-126LF, MRF-132DG MRF-140BC Hình thể mơmen phanh thay đổi dịng điện cấp vào loại dầu từ trường khác Trong loại dầu nói dầu MRF-132DG tạo mơmen phanh tốt nhanh dịng điện 3A vào khoảng 7,56N.m Và dầu sinh mômen thấp MRF-122EG 5,07N.m Đối với dầu MRF-126LF thời điểm dòng điện từ 0,75A đến 2,5A sinh mơmen lớn loại dầu cịn lại tăng dịng mơmen lại tăng chậm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rabinow J, The magnetic fluid clutch, AIEE Transactions, Vol.67, pp.1308-1315, 1948 [2] Liu S and Zhang X., Analysis and simulation of machine tool vibration based on magnetorheological dampers, Advanced materials research, 971-973, pp.368-371, 2014 [3] Ping W., Jing H and Shuhua W., Analysis of Torque in Magnetorheological Rotary Brake, Advanced Materials Research, 239-242, pp.22972301, 2011 [4] Wei W D., Application Analysis of Magnetorheological Technology in Hydraulic Transmission and Control, Journal of Physics: Conference Series (ISPECE), 1449, 012123, 2019 [5] Lord Technical Data 2019 Website: www.lord.com [6] Osama A , Craig A R and William K., MagnetoRheological Fluids: Materials, characterization and devices, Journal of intelligent material systems and structures, Vol.7, pp.123-130, 1996 Hình Mơmen phanh thay đổi dòng điện theo loại dầu từ trường (MRF-122EG, MRF-126LF, MRF-132DG MRF-140BC) Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 26/6/2021 05/8/2021 16/8/2021 Kết luận Ứng dụng dầu từ trường vấn đề nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Trong báo đưa kết cấu phanh có cực từ sử dụng lớp dầu từ trường Bài báo đạt kết sau đây: • Xây dựng mơ hình 3D cấu phanh sử dụng dầu từ trường phần mềm thiết kế NX; • Đưa kết quả: Từ trường, mật độ từ thơng mơmen Tính tốn mơmen phanh tính tốn cho loại dầu từ trường khác 336 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... bố từ trường lớp dầu từ trường Hình thể vùng phân bố từ trường lớp dầu phanh sử dụng dầu từ trường lớp lớp ngồi Từ trường chia làm vùng là: Vùng từ trường lớn, vùng từ trường trung bình vùng từ. .. kín từ thơng Với thiết kế phanh dầu từ trường đa cực từ có cường độ từ trường lớn mà cịn diện tích tiếp xúc tạo mơmen phanh hiệu (4) Vì cấu tạo phanh sử dụng dầu từ trường gồm có hai lớp dầu: ... dầu từ trường Thiết kế phanh từ trường nhiều cực sử dụng hai lớp dầu từ trường Để tạo từ trường để điều khiển mômen xoắn, sáu cuộn dây đặt sáu cực stator phanh Dầu từ trường (MRF) bao gồm hai