fluide magnetice

  • View
    477

  • Download
    3

Embed Size (px)

Text of fluide magnetice

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN TIMIOARA FACULTATEA DE ELECTROTEHNIC

CERCETRI PRIVIND LAGRELE CILINDRICE CU LICHID MAGNETIC

Teza de doctorat

Ing. Marian Greconici

Conductor tiinific

Prof. dr. ing. Ioan De Sabata

2003

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN TIMIOARA FACULTATEA DE ELECTROTEHNIC

CERCETRI PRIVIND LAGRELE CILINDRICE CU LICHID MAGNETIC

Teza de doctorat

Ing. Marian Greconici

Conductor tiinific

Prof. dr. ing. Ioan De Sabata

2003

Cuprins:

INTRODUCERE 1. LICHIDE MAGNETICE. GENERALITI ...... 1-1 1.1 Structura lichidelor magnetice. Generaliti despre preparare 1-1 1.1.1 Tipuri de fluide magnetice .. . 1-2 1.1.2 Interaciuni specifice. Dimensiunea medie a particulelor magnetice . 1-3 1.1.3 Metode de stabilizare a lichidelor magnetice .. 1-4 1.1.4 Procese de aglomerare ..... 1-6 1.1.5 Metode de preparare a lichidelor magnetice ... 1-7 1.2 Proprietile lichidelor magnetice .. 1-12 1.2.1 Proprietile magnetice 1-12 1.2.2 Proprietile reologice . 1-19 1.3 Aciuni ponderomotoare n lichide magnetice .. 1-25 1.3.1 Fore de volum exercitate asupra lichidelor magnetice 1-25 1.3.2 Presiunea de natur electromagnetic exercitat n lichid 1-27 1.3.3 Fore de suprafa 1-28 1.3.4 Fora exercitat de cmpul magnetic asupra unui corp magnetic imersat ntr-un lichid magnetic .... 1-29 2. LAGRE MAGNETICE CU MAGNET PERMANENT I LICHID MAGNETIC .... 2-1 2.1Calculul analitic al unui lagr cilindric cu lichid magnetic . 2-1 2.1.1 Lagre cu lichid magnetic. Levitaia magnetic .. 2-1 2.1.2 Lagrul cilindric cu lichid magnetic 2-3 2.1.3 Calculul analitic al cmpului magnetic ntr-un lagr cilindric cu lichid magnetic ..... 2-4 2.1.4 Calculul forei de levitaie pentru lagrul cilindric cu lichid magnetic ... 2-9 2.2 Calculul aproximativ al unui lagr cilindric cu lichid magnetic 2-17 2.2.1 Calculul analitic al cmpului magnetic generat de un cilindru uniform magnetizat nconjurat de lichid magnetic 2-18 2.2.2 Calculul aproximativ al lagrului cilindric cu lichid magnetic ..... 2-21 2.3 Calculul numeric al lagrului cilindric cu lichid magnetic 2-26 2.3.1 Stabilirea ecuaiilor cmpului electromagnetic n lagr 2-27 2.3.2 Calculul numeric al forei de levitaie . 2-28 2.3.3 Modelarea numeric i rezultatele obinute . 2-31

3. LAGR CU POLI ALTERNANI I LICHID MAGNETIC ... 3-1 3.1 Calculul analitic al lagrului cu poli alternani plasai n stator . 3-1 3.2 Calculul analitic aproximativ al lagrului cu poli alternani plasai n stator ... 3-3 3.2.1 Calculul analitic aproximativ al cmpului magnetic ntr-un lagr cu lichid magnetic i poli alternani plasai n stator . 3-3 3.2.2 Calculul forei de levitaie ... 3.6 3.3 Calculul numeric al lagrului cu poli alternani plasai n stator ... 3-9 3.3.1 Calculul numeric aproximativ al cmpului magnetic Folosind MEF-2D .... 3-9 3.3.2 Calculul numeric al forei de readucere ... 3-11 3.4 Calculul analitic al lagrului cu poli alternani cu r=1, plasai n rotor .... 3-14 3.4.1 Calculul analitic aproximativ al cmpului magnetic ... 3-14 3.4.2 Calculul forei de levitaie ... 3-18 3.4.3 Influena dimensiunilor geometrice ale lagrului asupra forei de readucere ... 3-25 3.5 Influena magnetizaiei temporare a polilor asupra forei de readucere la lagrul cu poli alternani plasai n rotor .... 3-31 3.6 Luarea n considerare a armonicilor superioare ale cmpului magnetic la lagrul cu poli alternani plasai n rotor ..... 3-41 3.6.1 Calculul analitic aproximativ al cmpului magnetic ... 3-41 3.6.2 Calculul forei de levitaie ... 3-44 3.6.3 Interpretarea rezultatelor ..... 3-50 3.7 Calculul numeric al lagrului cu poli alternani plasai n rotor 3-52 3.7.1 Stabilirea ecuaiilor cmpului electromagnetic n lagr ... 3-52 3.7.2 Descrierea programului MagNet 5.0 - 3D. Modelarea numeric a lagrului .... 3.54 3.7.3 Calculul numeric al forei de levitaie ..... 3-63 4. CONCLUZII I SUBLINIEREA PRINCIPALELOR CONTRIBUII 4-1 5. BIBLIOGRAFIE ..... 5-1 6. ANEXE . 6.1 Anexa 1 Program pentru analiza numeric prin MEF-3D (definirea geometriei) ..... 6.2 Anexa 2 Program pentru analiza numeric prin MEF-3D (definirea materialelor) .. 6.3 Anexa 3 Program de calcul numeric al forei de levitaie pe baza elementelor finite ... 6.4 Anexa 4 Program de calcul al coordonatelor medii ale elemetelor finite i al ariei acestora ..... 6.5 Anexa 5 Program de calcul al valorilor medii ale componentelor cmpului magnetic n fiecare element finit .... 6-1 6-1 6-7 6-9 6-11 6-13

Cuvnt nainte

Lichidele magnetice (ferofluidele) sunt dispersii de particule magnetice subdomenice (10 nm) ntr-un lichid de baz. Numrul acestor particule este foarte mare, o valoare de referin fiind 1023 particule pe metru cub. Aceste lichide magnetice au proprietile uzuale ale lichidelor, dar n plus se comport ca un material puternic magnetizabil. Primele lichide magnetice au fost preparate n 1960 la NASA, n cadrul cercetrilor de tehnologie spaial, pentru a pune la punct un sistem de curgere controlat a combustibililor fluizi n condiii de imponderabilitate. Sintetizarea i studiul sistematic al proprietilor lichidelor magnetice a fost nceput n grupul de cercetare al lui R.E.Rosensweig din SUA. Termenul de ferofluid propus de Rosensweig s-a ncetenit i n literatura de specialitate. Studiul asupra lichidelor magnetice a evideniat o serie de fenomene senzaionale, care fac posibile noi soluionri ale problemelor din tiin i tehnologie. ncepnd din 1970 au fost impulsionate cercetrile legate de obinerea, microstructura, proprietile, magnetohidrodinamica i aplicaiile lichidelor magnetice, ele fiind azi folosite n numeroase dispozitive i tehnologii: n tehnica spaial, energetica nuclear, electrotehnic, geofizic, medicin, prelucrarea minereurilor neferoase. Ca urmare a proprietilor lor remarcabile, dup 1970 lichidele magnetice au captat i interesul unor grupuri de cercettori romni, dintre care i amintesc pe cei din Iai, i nu n ultimul rnd, pe cei din Timioara. Formarea, sub conducerea Dlui. Acad. Ioan Anton, a unui puternic colectiv de specialiti n hidrodinamic, fizic, chimie i electrotehnic n cadrul Institutului pentru Fluide Complexe al Universitii Politehnica din Timioara, respectiv al Laboratorului de Lichide Magnetice al Centrului de Cercetri Tehnice Fundamentale i Avansate din cadrul Filialei Timioara a Academiei Romne a corespuns pe deplin cerinelor domeniului profund interdisciplinar al lichidelor magnetice. Aceasta a facilitat abordarea eficient a problemelor tiinifice fundamentale, precum i a celor orientate spre aplicaii tehnice, colectivul timiorean polariznd cercetrile n acest domeniu n Romnia. La Simpozionul Tendine actuale n tiina i tehnologia lichidelor magnetice, desfurat n octombrie 1997 n India, reputatul specialist dr. Kuldip Raj, vicepreedinte al companiei Ferrofluidics din SUA, n prelegerea de inaugurare la simpozion, trecnd n revist activitatea tiinific internaional n continu dezvoltare n domeniu, evideniaz Laboratorul de Lichide Magnetice din Timioara la un loc de frunte printre primele opt centre academice din lume. Ca o recunoatere internaional a competenei colectivului de lichide magnetice din Timioara, a opta Conferin Internaional de Lichide Magnetice,i

ICMF-8, a avut loc chiar n Timioara, n 1998. Conferina, cu o periodicitate trienal, s-a constituit ntr-o incontestabil reuit, reunind la Timioara principalele nume de referin din domeniu, n frunte cu printele lichidelor magnetice, R.E.Rosensweig. Activitatea tiinific n domeniul lichidelor magnetice la Timioara a ntrunit de-a lungul celor peste dou decenii de existen, cercetri preponderent cu caracter fundamental, precum i cercetri orientate spre aplicaii tehnice de vrf, grupate n mai multe direcii de cercetare. Una dintre aceste direcii de cercetare, sub conducerea Dlui. Prof. Ioan De Sabata, o reprezint cea legat de forele ponderomotoare magnetice, cu aplicaii n domeniul etanrilor rotitoare, separatoarelor magnetogravimetrice i al lagrelor magnetofluidice. Problema forelor ponderomotoare magnetice i efectele acestora n cazuri concrete ale unor aplicaii de mare interes, considernd lichidul magnetic un mediu fluid cvasiomogen magnetizabil, a fcut obiectul unor cercetri teoretice, rezultatele crora au servit ulterior la stabilirea unor relaii de dimensionare a componentelor unor dispozitive magnetofluidice. Prezenta lucrare reprezint o continuitate a activitii de cercetare a acestui colectiv, ncercnd s aduc o contribuie privind cercetarea teoretic n domeniul aplicaiilor inginereti, n particular n domeniul lagrelor cilindrice cu lichid magnetic. Lucrarea de fa este organizat pe patru capitole, cinci anexe i o list bibliografic cu lucrri din domeniul lichidelor magnetice, al electrotehnicii i al metodelor numerice de calcul, folosite pe parcursul elaborrii acestei lucrri. Primul capitol reprezint o prezentare general pe baza bibliografiei consultate a problemelor generale ale lichidelor magnetice. Se fac referiri la prepararea i stabilizarea lichidelor magnetice, la proprietile de natur magnetic i reologic ce pot influena comportarea lagrelor cilindrice cu lichid magnetic. n ultimul subcapitol sunt prezentate aciuni ponderomotoare ce se manifest n lichidele magnetice, (levitaia de ordinul 1 i 2). n capitolul doi se analizeaz lagrul cilindric cu magnet permanent i lichid magnetic. Sunt propuse expresii analitice noi pentru calculul forei de levitaie ce se exercit asupra unitii de lungime a arborelui, funcie de dimensiunile geometrice ale lagrului si de proprietile magnetice ale arborelui i ale lichidului magnetic. n ultimul paragraf al acestui capitol, se determin fora de levitaie pe baza modelrii numerice a lagrului cilindric. Pentru a demonstra veridicitatea noilor relaii obinute, acestea sunt comparate cu cele existente n literatur i cu cele obinute pe cale numeric. n capitolul trei este tratat lagrul cu poli alternani. Este propus lagrul cu poli alternani plasai n rotor. Pentru cazul cnd polii alternani nu se magnetizeaz temporar, s-a reali