전기에서의 힘 생성에 관하여

Apr 11, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22274(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

자성유체 작동 시스템에서는 적용된 자기장을 사용하여 유체 내의 압력과 흐름을 능동적으로 제어함으로써 힘이 생성됩니다. 전자기장과 유체 압력장 사이의 복잡한 비선형 결합과 관련된 힘 생성에는 여러 가지 기여 요인이 있습니다. 이는 이론 기반 설계 및 최적화에 심각한 문제를 가져옵니다. 본 논문에서는 자성유체와 고체 사이의 압력 전달에 대한 이론적 모델이 Maxwell의 응력 텐서로부터 시작하여 유체 내 자기 포화를 고려하여 도출되었습니다. 이 모델은 유체를 통한 자기장 방향이 운동 방향에 수직인 직교 모드 작동을 기반으로 한 선형 액추에이터 설계가 액추에이터 코일의 주어진 자기장 강도에 대해 가장 높은 힘 용량을 제공할 수 있음을 보여줍니다. 이는 일부 기본 선형 액추에이터 토폴로지의 이론적 분석을 통해 검증됩니다. 결과는 밀봉된 챔버와 양방향 작동을 위한 두 개의 내부 전기 코일을 갖춘 새로운 피스톤형 선형 액추에이터의 설계 및 분석에 적용됩니다. 설명된 원리를 검증하기 위해 정적 및 동적 동작에 대한 실험적 측정이 표시됩니다. 액츄에이터는 부드럽고 정밀한 흐름 조절 모션을 생성하고 고유 강성이 없으며 액츄에이터 내의 자성유체층의 서스펜션 효과로 인해 마찰이 매우 낮습니다.

자성유체(Ferrofluid)는 일반적으로 산화철 또는 철-코발트 합금1,2 등 자기적으로 분극된 나노 입자의 현탁액을 포함하는 스마트 자성 유체의 일종입니다. 부유 입자는 응집과 침전을 방지하기 위해 계면활성제로 코팅됩니다. 이는 적용된 자기장에 의해 자성유체 내의 압력과 흐름을 제어할 수 있게 합니다. 지난 수십 년 동안 자성유체는 과학, 의학 및 공학 분야에서 광범위한 응용 분야를 발견했습니다3,4,5,6,7.

자성유체는 공기 및 기타 유형의 유체8,9,10와 비교할 때 높은 투자율, 열 전도성 및 점도를 가지고 있습니다. 결과적으로 로렌츠 힘(음성 코일) 액추에이터11,12를 포함한 기존 전자기 작동 시스템의 성능을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 자성유체는 또한 기계 시스템의 움직임이 유체 내의 압력과 흐름에 의존하고 전자기장을 통해 직접 제어되는 근본적으로 다른 작동 방법을 제공할 수 있습니다. 고정밀 및 마이크로 스케일 모션 제어 시스템에서 자성유체 액추에이터에 대한 다양한 응용이 제안되었습니다. 현재 많은 마이크로 포지셔닝 시스템에서 요구되는 큰 변위 범위와 힘 용량을 위한 소형 자성유체 액츄에이터를 만드는 데 상당한 어려움이 있습니다. 여기에 설명된 작업은 선형 작동 시스템의 맥락에서 자성유체를 사용한 힘 생성 이론을 개발하고 적용함으로써 이러한 과제를 해결합니다. 유체를 통과하는 자기장이 운동/작동 방향과 평행하고 직교하는 두 가지 작동 모드를 기반으로 한 설계에 대한 사례 연구가 제시됩니다. 이러한 결과는 실험적으로 제조되고 연구되는 양방향 자성유체 액츄에이터의 새로운 설계로 이어집니다. 정적 및 동적 동작에 대한 이론적 예측을 실험 결과와 비교하여 이론 및 설계 원리를 검증합니다.

본 연구는 자성유체 선형 작동 시스템의 최적 설계를 촉진하는 것을 목표로 하고 있지만, 그 결과는 자성유체를 통해 기능압력이 생성되는 다른 상황과 관련이 있으며, 결과적인 유체압력과 자기압력의 조합을 예측하고 분석해야 합니다. 여기에는 자성유체 베어링, 진동 차단 장치 및 댐퍼, 밸브, 펌프뿐만 아니라 자성유체를 사용한 힘 및 모션 제어의 기타 새로운 응용 분야가 포함됩니다.