Bevezetés

Elektroreológiai (ER) folyadékhoz juthatunk, ha εp dielektromos permittivitású részecskéket εf dielektromos permittivitású folyadékban diszpergálunk. Az elektroreológiai hatás kialakulásához szükséges, hogy εp > εf teljesüljön. A gyakorlati alkalmazások során a gömb alakúnak tekintett részecskék átmérője a 0,1–100 μm intervallumba esik. (A diszperziók kiülepedését felületaktív anyagok adagolásával csökkentik.) Ha egy ilyen diszperziót külső elektromos térbe helyezünk, az elektrosztatika törvényei alapján belátható, hogy a részecskéknek a külső tér irányába mutató dipólusmomentuma indukálódik (Greiner, 1991). Az indukált dipólusmomentum arányos a részecskék térfogatával, ezért az nagyságrendekkel nagyobb, mint a molekuláris folyadékoknál megszokott dipólusmomentumok. A dipólus–dipólus kölcsönhatás anizotrop jellegének következményeként a diszpergált részecskék igyekeznek olyan pozíciót felvenni, hogy egyik részecske indukált pozitív töltése a másik részecske indukált negatív töltése közelében helyezkedjék el. Az ilyen konfigurációk a többi lehetséges konfigurációval szemben energetikailag kedvezőbbek. (Az indukált dipólusmomentumokkal megfogalmazva ezt úgy is mondhatjuk, hogy a dipólusoknak energetikailag a nose to tail konfiguráció a kedvező.) Így az elektromos tér hatásideje alatt a részecskék elmozdulnak, és először párokba, láncokba, majd oszlopokba szerveződnek. Az egész folyamat lejátszódásához – a konkrét fizikai paraméterek függvényében – ms-októl néhány s-ig terjedő időre van szükség. A láncok, oszlopok – dipólusmomentumaikkal együtt – a külső tér irányába mutatnak. Ha ezt az anizotrop elektroreológiai folyadékot a láncokra merőleges nyírási sebesség-gradiensnek tesszük ki, az a nyírási feszültség növekedését eredményezi, ami a viszkozitás több nagyságrendbeli növekedéséhez vezet (Nava et al., 1997). Az elektromos tér kikapcsolásával a részecskék elvesztik indukált dipólusmomentumukat, és a viszkozitás az eredeti értékre áll vissza. Az elektroreológiai folyadékokat a külső elektromos tér kapcsoló hatása miatt intelligens fluidumoknak is hívják. Ennek az ún. elektroreológiai hatásnak mára már számtalan alkalmazása alakult ki a mechatronikában. Szabályozható módon alkalmazzák rezgéscsillapításra, nyomatékátvitelre és több méréstechnikai fejlesztés is megjelent az utóbbi időben (Bossis, 2001).

A magnetoreológiai (MR) folyadékok felépítésének megismeréséhez először a mágneses folyadékokkal kell foglalkoznunk. A mágneses folyadékok olyan kolloidok, amelyekben ferromágneses részecskék vannak stabilizálva. A részecskék (például magnetitrészecskék) mágneses mono-domének, így permanens mágneses dipólusmomentummal rendelkeznek. A gömb alakúnak feltételezett részecskék átmérője jellegzetesen a 10–50 nm-es mérettartományba esik. A hordozó közeg minősége alapján megkülönböztetünk vizes és szerves bázisú mágneses kolloidokat (Rosensweig, 1985). A részecskék stabilizálása felületaktív anyagok, polimerek vagy elektrolitok adagolásával történhet. Az ilyen kolloidok több tíz évig stabilak, és folyadékfázisban szuper-paramágneses (ferromágneses) tulajdonságokat mutatnak. (Relatív mágneses permeabilitásuk jellegzetesen az 1 < μr < 5 intervallumba esik. Kis ferromágneses részecskekoncentráció esetén mágnesezettségük a Langevin-féle mágnesezettségi egyenlet segítségével írható le. A mágnesesen dipoláris folyadékok az elektromosan dipoláris folyadékok polarizációjával szemben telítésig mágnesezhetők.) Mágneses folyadékokat alkalmaznak egyes printerek festékeiben, hangszórók lengőtekercseinek hűtésére, szenzorokban (Odenbach, 2009) és a gyógyászatban a mágneses hipertermiás kezeléseknél (Roca et al., 2009). Amennyiben egy μf mágneses permeabilitású ferrofluidumban μp > μf mágneses permeabilitású ferromágneses részecskéket diszpergálunk, úgy magnetoreológiai folyadékhoz juthatunk (Odenbach, 2002). A gömb alakúnak tekintett részecskék jellemző átmérője a 0,1 < a < 50 µm mérettartományba esik. A diszpergált részecskék ferromágnesesek, de méretüknél fogva több mágneses domént is tartalmaznak, így külső mágneses tér hiányában nincs eredő mágneses dipólusmomentumuk. Magnetoreológiai fluidumunkat külső mágneses térbe helyezve – az elektroreológiai folyadékok viselkedéséhez hasonlóan – a diszpergált részecskéknek mágneses dipólusmomentuma indukálódik (de Vincente, 2011). A mágneses és az elektromos dipólusok kölcsönhatását leíró összefüggések analógiája alapján, külső mágneses tér hatására az előzőekhez hasonló módon értelmezhető dipóluspárok, láncok és oszlopokba tömörült láncok alakulnak ki a magnetoreológiai fluidumokban is. Ez a hatás a tér kikapcsolásával gyorsan megszűnik. A láncok kialakulása – az elektroreológiai folyadékoknál már ismertetett módon – a viszkozitás növekedését eredményezi. Megjegyezzük, hogy külső tér hatására a hordozó mágneses folyadékban is bekövetkezik a láncosodás, ám ennek a viszkozitásnövekedésre gyakorolt hatása jóval kisebb, mint a magnetoreológiai részecskék megfelelő hatása. Napjainkban a finommechanika és a gépjárműtechnika számos területén alkalmaznak magnetoreológiai folyadékokat rezgések csillapítására, nyomatékátvitelre és autonóm lengéscsillapítókban (Ohno et al., 2008).

Jelen munkánkban léptetőmotor-forgórész lengéseinek csillapítására alkalmazzuk az elektro- és magnetoreológiai folyadékokat. Jól ismert, hogy a léptetőmotorok rotorja egy-egy lépés után csillapodó lengéseket végez. (A csillapítás mértékére a léptető nyomaték után bekapcsolt tartó nyomatéknak is meghatározó szerepe van.) Folyamatos léptetés esetén ennek zavaró hatása kisebb, ám egy pozícióra állás esetén – különösen az utolsó lépésekben – a csillapítás mértéke meghatározó lehet a motort tartalmazó mechatronikai rendszer pontosságára nézve is. Egyes gyártók viszkózus folyadékot vagy gélt tartalmazó korongot javasolnak (és gyártanak) a rotorok lengéseinek csillapítására, amelyek a léptetőmotor forgó tengelyére rögzíthetők. Az ilyen esetekben a csillapítás mértéke nem szabályozható, ezek a viszkózus csillapítók azonos csillapítást nyújtanak folyamatos léptetés és a pozícióra állás utolsó – kritikus – lépéseiben is. Ebben a közleményben egy méréstechnikai fejlesztés eredményeit mutatjuk be, amely segítségével az egyedi lépések utáni csillapodó lengőmozgás jól regisztrálható. Munkánk során nem a lengések szögelfordulását, hanem a belőle származtatható tangenciális gyorsulást mértük. A méréshez alkalmazott gyorsulásérzékelőt és néhány adatfeldolgozó áramköri egységet a rotor tengelyéhez rögzítettük. A súrlódási veszteségek elkerülése végett a forgó elektronikus egység tápfeszültségellátását – csúszó érintkezők helyett – egy, a forgó részbe ültetett galvánelemmel oldottuk meg. A forgó egységről a mért adatokat egy rádiófrekvenciás (RF) modul segítségével adtuk át az asztali egységnek. A továbbiakban az általunk fejlesztett méréstechnikát mutatjuk be, a mérési eredmények fizikai modell alapján történő feldolgozásával egy következő publikációnkban foglalkozunk.

Kísérleti berendezés

A léptetőmotor olyan digitális vezérlésű elektromechanikai eszköz, amelynek a rotorja egy léptető impulzus hatására diszkrét szögelfordulást végez, azaz a léptetési parancs kiadásakor eredeti helyzetéből egy, a motorra jellemző meghatározott szöggel elfordul. A motor forgórészének Θ lépésszögnyi elfordulásához t lépésidőre van szüksége. A forgórész szöggyorsulásának növelésével érhetjük el, hogy adott szögelfordulás mellett a motor a lehető leggyorsabban álljon a kívánt pozícióba. Ekkor azonban a nagy gyorsítás nagy túllendülést és csillapodó lengést eredményez, ami növeli az ahhoz szükséges t’ időt, hogy a motor a léptető impulzus kiadása után stabil helyzetbe álljon. Felhasználástól függően ez a lengés sokszor nem megengedhető, így nem is csoda, hogy mára számos módszert alkalmaznak a lengések csillapítására. Az általunk épített berendezéssel egy, a Vexta cég által gyártott PH2610-E2.9 típusú kétfázisú léptetőmotor lengéseinek csillapítását vizsgáltuk. Ez a léptetőmotor egy átmenőtengelyes, nyolc kivezetéssel rendelkező típus, melynek szögelfordulása lépésenként 1,8º. Maximális fázis- és tartóárama fázisonként 2,9 A. A rotor tehetetlenségi nyomatéka 320 gcm2. Méréseink során a motort egy 2700 gcm2 tehetetlenségi nyomatékú, bronzból készült tárcsával (műterhelés) terheltük, amit a motortengely egyik végén rögzítettünk. A mérő- és adatátviteli áramköri egységeket a műterheléshez rögzítve alakítottuk ki. A teljes mérőrendszer elvi felépítése a választható ER- és MR-csillapító egységekkel együtt az 1. ábrán látható. A léptetés utáni lengést 3 kHz-es mintavételezési frekvencia mellett a forgórészhez rögzített elektronikus egység gyorsulásérzékelőjével (ADXL345) regisztráljuk. A gyorsulásérzékelő jelét egy mikrovezérlő (ATmega 1284p) fogadja, amely gondoskodik a mérési adatok átmeneti tárolásáról és az XBee RF-modul vezérléséről. A mikrovezérlő által végrehajtott programkódot C programozási nyelven fejlesztettük. A forgó-, mérő- és kommunikációs egység elvi felépítése a 2. ábrán látható.

2. ábra • A léptetőmotor rotorján elhelyezett mérő- és kommunikációs egység elvi felépítése

A léptetőmotor vezérlését és meghajtását az L297 és L298 típusú integrált áramkörpárossal valósítottuk meg. A motorvezérlő elektronika és az asztali számítógép között RS-232 szabvány szerint zajlik a kommunikáció. Az asztali számítógépen futó, vezérlést és adatfeldolgozást végző szoftvert LabVIEW grafikus fejlesztői környezetben programoztuk. A forgó egységen lévő RF-modullal kommunikáló XBee modul szintén RS-232 szabvány szerint kapcsolódik az asztali számítógéphez.

A léptetőmotor tengelyéhez rögzített műterhelés és a nyomtatott áramköri lemezen kialakított mérő- és kommunikációs egység fényképét a 3. ábrán mutatjuk be. Az alkatrészek aszimmetrikus elhelyezkedéséből eredő, tengelyre ható deviációs nyomaték elhanyagolható. A gyorsulásérzékelőt a mérés érzékenységének növelése érdekében a forgástengelytől távol helyeztük el.

3. ábra • A műterhelés a hozzá rögzített mérő-

és kommunikációs egységgel.

Az 1. ábrán az általunk épített MR- és ER-csillapítóegységek sematikus rajzát is bemutatjuk. Ezek az egységek egy merev tengelykapcsoló segítségével csatlakoztathatók a léptetőmotor átmenő tengelyének másik végéhez. Az MR-csillapítót egy 4 cm belső átmérőjű N = 1500 menetű szolenoid belsejében alakítottuk ki. A motor tengelyéhez lágyvas tárcsa csatlakozik, amely egy ugyancsak lágyvas hengerrel szemben tud rotációs mozgást végezni. (Ez utóbbi, a készülék állórészéhez rögzített henger fluxusvezető szerepet is játszik.) A tárcsa és a henger közti 2 mm-es résben helyezkedik el az MR-fluidum. A mágneses indukciót ebben a résben mértük egy Hall-érzékelő segítségével. Az MR-folyadéknak a résből való kifolyását egy műanyag hengerpalást akadályozza meg. A szolenoidot egy nagyáramú tápegységről (I = 1-3 A) hajtottuk meg. Az ER-csillapítót egy a léptetőmotor tengelyéhez kapcsolódó 4 cm magas és 3,8 cm átmérőjű alumínium hengerből és egy alumínium serlegből alakítottuk ki. A henger és a serleg felületei között 1 mm rést biztosítottunk. Ebbe a résbe töltöttük az általunk előállított ER-folyadékot. A serleget a nagyfeszültségű tápegység (Stanford Research PS350) föld potenciálú negatív pólusára, míg a hengert a pozitív polaritású pólusra kapcsoltuk. (Ebben az esetben a tengelykapcsolót szigetelő anyagból készítettük.)

Kiegészítő mérőberendezések és mérések
ER- és MR-folyadékok vizsgálatára

Az általunk használt MR- és ER-fluidumok viszkozitásának mágneses és elektromos térerősség függését egy Physica MCR 301 típusú Anton Paar reométerrel határoztuk meg. Az alapkészülékhez egy MRD70/1T típusú MR-feltétet és egy P-PTD200/E típusú ER-feltétet használtunk. A mágneses indukciót egy Magnet-Physik gyártmányú teslaméterrel (FH 54) mértük. A méréseket 20 °C hőmérsékleten végeztük. Az MR-csillapításhoz a Lord cég magnetit alapú MRF-122EG típusú magnetoreológiai folyadékját használtuk. Az ER-csillapítási mérésekhez laboratóriumunkban összeállított különböző koncentrációjú, η = 0,97 Pas dinamikai viszkozitású szilikonolaj és bárium-titanát (BaTiO₃) alapú elektroreológiai folyadékokat használtunk. A BaTiO3-szemcsék átmérője 50 nm körüli.

A 4. ábrán az MRF-122EG magnetoreológiai fluidum viszkozitásának mágneses indukció függését mutatjuk be különböző nyírási sebességeknél. Látható, hogy a legkisebb nyírási sebességnél az MRF-122EG szuszpenzió viszkozitása három nagyságrendet is változik az alkalmazott mágneses indukció tartományban. A nyírási sebesség növekedésével a viszkozitás értéke csökken.

Az 5. ábrán a 40 m/m %-os szilikonolaj és bárium-titanát ER-fluidum viszkozitásának elektromos térerősség függése látható különböző nyírási sebességek mellett. Az 5. ábrát a 4. ábrával összehasonlítva jól látható, hogy az ER-szuszpenzió viszkozitásnövekedése kisebb mértékű, mint az MR-fluidumnál tapasztalt. A nyírási sebesség növekedésével a viszkozitás vs elektromos térerősség görbék ellaposodnak, alig változnak. A továbbiakban az általunk használt ER- és MR-szuszpenziók lengéscsillapító hatását részletezzük.

Mérési eredmények és értékelésük

Mérési eredményeinket a csillapítási idő változása alapján értékeljük. A csillapítási idő az az időintervallum, amelynek elteltével a gyorsulás mint az idő függvénye a maximális gyorsulás ±5%-ával adott gyorsulási intervallumon belül marad. (A csillapítási időt általában a kitérések alapján definiálják, esetünkben a definíciót a közvetlenül mért gyorsulásra terjesztjük ki.)

Az általunk épített mérőberendezést először MR-fluidumok lengést csillapító hatásának mérésével teszteltük. A 6. ábrán az MRF-122EG fluidum csillapító hatását mutatjuk be. Az ábra az idő függvényében mért tangenciális gyorsulást szemlélteti, amelyet nehézségi gyorsulás egységekben tüntettünk fel.

Látható, hogy a mágneses indukció növelésével a csillapítási idő csökken. Míg MR-csillapítás nélkül a csillapodó rezgőmozgás gyorsulási amplitúdója még 0,4 s után sem esik az előírt sávba, addig az MR-csillapítás bekapcsolásával a csillapítási idő 0,25 s-nak adódik. Kvalitatív módon megállapítható az is, hogy a csillapítás mértéke nemlineáris függvénye a mágneses indukciónak. Az ER-csillapítás hatását a 7. ábra szemlélteti.

A 7. ábrán látható, hogy már az E = 0 elektromos térerősséghez tartozó csillapítási idő jóval kisebb mint a 6. ábrán a B = 0 mágneses indukcióhoz tartozó csillapítási idő. Ez az MR- és az ER-csillapítók geometriai kialakításával és az alapfluidumok eltérő viszkozitásával magyarázható. (Az ER-csillapító esetén sokkal nagyobb az effektív felület, amelynek mentén a csillapító feszültség kifejti hatását.) Megállapítható: míg E = 0 elektromos térerősség esetén a rotor kb. 0,3 s csillapítási idő elteltével éri el az egyensúlyi állapotot, addig E = 3,5 MV/m elektromos térerősség esetén ez már 0,15 s alatt megtörténik. Az ábrán jól látható, hogy a csillapítási idő csökken az elektromos térerősség növelésével. A 8. ábrán a csillapítás ER-fluidum koncentrációfüggését mutatjuk be. A töményebb ER-szuszpenzió csillapítási ideje kb. 2/3 része a hígabb ER-szuszpenzió csillapítási idejének.

Összefoglalás

1. Gyorsulásmérésen alapuló kísérleti berendezést állítottunk össze léptetőmotor-forgórész ER- és MR-fluidumok által csillapított lengéseinek meghatá-rozására. A rotációs mozgást végző forgórészen mért gyorsulásadatokat RF-kommunikáció révén juttattuk el a megfelelő asztali egységhez.

2. Az általunk épített kísérleti berendezéssel ER- és MR-csillapítás mellett megmértük egy léptetőmotor egyszeri léptetése utáni lengés gyorsulásgörbéit.

3. Mérési eredményeinket a csillapítási idő változása alapján értelmeztük.

4. A vizsgált rendszer fizikai modellezésével, a modellparaméterek identifikálásával egy következő publikációnkban foglalkozunk.
 

A kutatási téma a Magyar Állam és az Európai Unió anyagi támogatásával a TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0003 projekt keretén belül valósult meg.
 

Kulcsszavak: mechatronika, léptetőmotorok, elektroreológiai folyadékok, magnetoreológiai folyadékok
 

IRODALOM

Bossis, G. (2001): Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions. Proceedings of the Eighth International Conference, World Scientific, London
Greiner, W. (1991): Klassische Elektrodynamik. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main

Nava, R. – Ponce, M. A. – Rejón, Z. et al. (1997): Response Time and Viscosity of Electrorheological Fluids. Smart Materials and Structures. 6, 67–75.

Odenbach, S. (2002): Magnetoviscous Effects in Ferrofluids. Springer, Berlin

Odenbach, S. (2009): Colloidal Magnetic Fluids; Basics, Development and Application of Ferrofluids. (Lecture Notes in Physics 763), Springer, Berlin

Ohno, K. – Shimoda, M. – Sawada, T. (2008): Optimal Design of a Tuned Liquid Damper Using a Magnetic Fluid With An Electromagnet. Journal of Physics D: Condensed Matter. 20, 204146, 1–5.

Roca, A. G. – Costo, R. – Rebolledo, A. F. et al. (2009): Progress in the Preparation of Magnetic Nanoparticles for Applications in Biomedicine. Journal of Physics D: Applied Physics. 42, 1–11.

Rosensweig, R. E. (1985): Ferrohydrodynamics. Cambridge University Press, Cambridge

de Vincente, J. – Klingenberg, D. J. – Hidalgo et al. (2011): Magnetorheological Fluids: A Review. Soft Matter. 7, 3701–3709.