剪切閥式磁流變減震器磁路分析與仿真

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(中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院， 天津　300300)

引言

磁流變液作為一種新型智能材料，其黏度系數(shù)能夠隨著磁場(chǎng)的變化而變化，而且反應(yīng)時(shí)間一般在毫秒級(jí)[1-4]?；诖颂匦裕帕髯儨p震器具有穩(wěn)定性強(qiáng)和阻尼力連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，正在成為振動(dòng)控制工程中新一代的控制元件研究熱點(diǎn)[5]。其中，磁路設(shè)計(jì)一直以來都是減震器結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)方向之一,但是究竟什么樣的磁路結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到針對(duì)某性能指標(biāo)的最優(yōu)效果，需要進(jìn)行在相同工況條件下的對(duì)比研究。如果在完成了單級(jí)、雙級(jí)和三級(jí)剪切閥式磁流變減震器的磁路對(duì)比之后，得到在磁利用率、阻尼出力及其調(diào)節(jié)范圍等方面的較優(yōu)結(jié)構(gòu)，就可以為減震器的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供具體的指導(dǎo)方向。

1　磁路理論分析

1.1　確定結(jié)構(gòu)及基本尺寸

剪切閥式磁流變減震器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[6, 7]。

采用Bing-ham平板模型，忽略阻尼力的閥式分量，磁芯半徑r、阻尼通道厚度h和活塞有效長(zhǎng)度L是影響阻尼力和磁場(chǎng)飽和的重要參數(shù)， 根據(jù)李忠獻(xiàn)等人

圖1　剪切閥式磁流變減震器結(jié)構(gòu)原理圖

完成的磁路飽和分析，分別取磁芯半徑r=11 mm、h=1 mm、L=40 mm、活塞直徑D=38 mm[8]；電流I的調(diào)節(jié)范圍一般為0～2 A，線圈長(zhǎng)度L1、深度h1、隔磁材料厚度h3、外筒厚度h2根據(jù)減震器整體尺寸適當(dāng)選取，初步確定尺寸如表1所示。

表1　減震器的磁路結(jié)構(gòu)尺寸

按照?qǐng)D1和表1的結(jié)構(gòu)與尺寸要求，分別確定單級(jí)、雙級(jí)和三級(jí)剪切閥式磁流變減震器的結(jié)構(gòu)模型，如圖2～圖4所示。表1中列出的所有結(jié)構(gòu)尺寸在三種減震器中完全相同，僅把線圈長(zhǎng)度分為：18 mm、2×9 mm、 3×6 mm。

圖2　單級(jí)磁路結(jié)構(gòu)　　　　圖3　雙級(jí)磁路結(jié)構(gòu)

圖4　三級(jí)磁路結(jié)構(gòu)

1.2　磁路矢量圖

一般磁流變減震器的電流設(shè)計(jì)范圍為0～2 A，考慮到上一階段所確定的基本尺寸偏小并為下一階段的電流調(diào)整預(yù)留一定空間，設(shè)定三種線圈的加載電流均為I=0.5 A，線圈總匝數(shù)為N=360匝，保證每個(gè)線圈區(qū)域內(nèi)的電流密度相同。單級(jí)磁路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流方向?qū)Υ怕贩植紵o影響，但是雙級(jí)和三級(jí)線圈中每部分電流的方向設(shè)定會(huì)對(duì)阻尼通道中磁路分布產(chǎn)生很大的影響，從而影響整體的磁場(chǎng)利用率，最終對(duì)減震器的阻尼出力和可調(diào)系數(shù)產(chǎn)生重大影響。三種線圈電流加載磁路分析圖如圖5 ～圖9所示，其中粗實(shí)線代表B、D線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，虛線代表C、E線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng),細(xì)實(shí)線代表F線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

圖5　單級(jí)磁路　圖6　雙級(jí)反向磁路　圖7　雙級(jí)同向磁路

圖8　三級(jí)同向磁路　　　圖9　三級(jí)依次反向磁路

1.3　磁路分析

如圖5～圖9所示，線圈被平均分為A、B(C)、D(E和F)三個(gè)等級(jí)，其理論強(qiáng)度關(guān)系為IA=2，IB=2，IC=3，ID=3，IE=3，IF，A線圈在1、3處產(chǎn)生的磁場(chǎng)為BA1、BA3,以此類推得到其他線圈在阻尼通道不同位置產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度表示符號(hào)；B1～B5依次表示單級(jí)、雙級(jí)反向、雙級(jí)同向、三級(jí)同向和三級(jí)反向磁路阻尼通道中的總磁場(chǎng)強(qiáng)度。

(1) 圖5單級(jí)磁路:B1=BA1+BA3；

(2) 圖6雙級(jí)反向磁路：兩線圈在4、6處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向如圖6所示，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著空間距離和阻尼通道的增大逐漸減弱：BA1=BA3=2BB4= 2BC6=2BB5=2BC5>2BB6=2BC4，4處的磁場(chǎng)疊加方向與BB4相同，6處的磁場(chǎng)疊加方向與BC6相同，對(duì)整個(gè)阻尼通道求和并合并相同量得：

B2=BB4+BB5+BC5+BC6-BB6-BC4=4BB4-2BB6；

(3) 同理,圖7雙級(jí)同向磁路：

B3=BB7+BB9+BC7+BC9=2BB4+2BB6；

(4) 按照相同的原理分析圖8、圖9得：

B4=2BD10+4BD12+2BD13，11處磁場(chǎng)疊加方向與BF11方向相同，12處磁場(chǎng)疊加方向與BD12方向相同；14～17處磁場(chǎng)情況彼此相同，強(qiáng)度相同，B5=6BD14-4BD16+2BD17；

(5) 單—雙級(jí)磁路對(duì)比結(jié)果：

B1-B2=2BB6>0，B1-B3=2BB4-2BB6>0，B1>B2，B1>B3；

(6) 雙級(jí)同向、反向磁路對(duì)比結(jié)果:

B2-B3=2BB4-4BB6，由于采用高磁通率材料，雖然磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的增大有所損失，但減弱幅度較小，BB4與BB6數(shù)值相差不大，所以：B2-B3<0，B2

(7) 三級(jí)同向、反向磁路對(duì)比結(jié)果：

B4-B5=8BD16-4BD14，同理B4>B5，同向磁路的磁利用率比反向磁路更高。

2　磁路仿真驗(yàn)證

2.1　磁路仿真

按照規(guī)定的尺寸和電流強(qiáng)度，分別得到單級(jí)、雙級(jí)反向、雙級(jí)同向、三級(jí)同向和三級(jí)反向磁路阻尼通道磁場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線[9]，如圖10～圖14所示。

圖10　單級(jí)磁場(chǎng)分布圖

圖11　雙級(jí)反向磁場(chǎng)分布圖

圖12　雙級(jí)同向磁場(chǎng)分布圖

圖13　三級(jí)同向磁場(chǎng)分布圖

圖14　三級(jí)反向磁場(chǎng)分布圖

由磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真曲線分別計(jì)算出每一種磁路阻尼通道中的磁場(chǎng)強(qiáng)度積分值和磁場(chǎng)強(qiáng)度平均值，如表2所示。

表2　磁場(chǎng)強(qiáng)度積分值與平均值

2.2　磁場(chǎng)分布比較驗(yàn)證

由圖10～圖14可知，五種磁路的理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果相一致：?jiǎn)渭?jí)線圈磁場(chǎng)集中在線圈兩側(cè)1、2處，雙級(jí)反向線圈磁場(chǎng)在5處相互疊加，其強(qiáng)度比兩側(cè)4、6處磁場(chǎng)強(qiáng)度大約高出兩倍；雙級(jí)同向線圈8處磁場(chǎng)強(qiáng)度方向相反且強(qiáng)度相同，相互抵消，強(qiáng)度基本為0 T；三級(jí)同向線圈，10、13處磁場(chǎng)相互疊加，總磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，11、12部分磁場(chǎng)相互抵消，強(qiáng)度相對(duì)較弱；三級(jí)反向線圈，14～17四處磁場(chǎng)情況相同，強(qiáng)度相當(dāng)；

由表2可以看出，總磁場(chǎng)強(qiáng)度從大到小依次為：?jiǎn)渭?jí)、三級(jí)同向、雙級(jí)同向、雙級(jí)反向、三級(jí)反向，驗(yàn)證了磁路理論分析中在磁場(chǎng)利用率方面單級(jí)優(yōu)于雙級(jí)和三級(jí)，同向磁路優(yōu)于同級(jí)反向磁路的結(jié)論。

3　磁場(chǎng)曲線分析

在上一階段得到了磁場(chǎng)利用率方面的較優(yōu)磁路結(jié)構(gòu)，但減震器最重要的性能指標(biāo)為阻尼出力和調(diào)節(jié)范圍，磁流變液飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度大約為0.5 T，導(dǎo)磁材料的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度約為0.5 T。以上仿真都是在I=0.5 A的情況下進(jìn)行，磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較小，阻尼出力小，當(dāng)需要較大阻尼出力時(shí)，必須相應(yīng)調(diào)高加載電流，對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度分布較為集中的單級(jí)、雙級(jí)同向和三級(jí)同向磁路，就會(huì)在磁場(chǎng)集中地區(qū)大大超過飽和上限，產(chǎn)生無效磁場(chǎng)，而其他區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度仍為0。

為此，進(jìn)行不同加載電流和阻尼通道間隙條件下的磁場(chǎng)仿真研究，以三級(jí)正向和三級(jí)反向線圈為研究對(duì)象，阻尼通道間隙取值為1 mm和2 mm，電流取值以0.2 A為間隔，從0開始增加，到阻尼通道或者導(dǎo)磁材料中出現(xiàn)磁場(chǎng)飽和現(xiàn)象為止，仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15　三級(jí)磁路磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流曲線

由圖15可得：同向磁路在相同加載電流的情況下可以獲得較大磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)利用率高，但磁場(chǎng)分布高度集中，通道兩側(cè)有效區(qū)域在電流為0.5 A時(shí)已達(dá)到飽和最值0.5 T，電流調(diào)整空間0～0.5 A，調(diào)整范圍小，阻尼出力??；

反向磁路磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著電流的增加緩慢增強(qiáng)，在加載電流分別達(dá)到1.4 A和3 A時(shí)，阻尼通道達(dá)到飽和極值0.5 T，雖然磁場(chǎng)利用率有所下降，但由于磁場(chǎng)分布均勻，變化曲線平緩、磁流變液和導(dǎo)磁材料都不易達(dá)到飽和，電流調(diào)整范圍大，磁場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍大且變化均勻穩(wěn)定,有利于較大阻尼力減震器的平穩(wěn)有效控制。

4　結(jié)論

本研究以磁場(chǎng)利用率、阻尼出力及其調(diào)節(jié)范圍為指標(biāo)，理論分析了單級(jí)、雙級(jí)和三級(jí)等磁路結(jié)構(gòu)，并用ANSYS軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，研究表明：

(1) 在基本尺寸和總負(fù)載電流相同的情況下，在磁場(chǎng)利用率方面單級(jí)磁路明顯優(yōu)于雙級(jí)和三級(jí)磁路，多級(jí)同向磁路優(yōu)于同級(jí)反向磁路；

(2) 多級(jí)同向磁路結(jié)構(gòu)雖然在磁利用率方面高于同級(jí)反向磁路結(jié)構(gòu)，但是磁場(chǎng)過于集中，在電流增大的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速達(dá)到飽和，電流調(diào)整空間有限，阻尼力出力小，調(diào)節(jié)范圍小，不適合在大尺寸、大出力要求下實(shí)際應(yīng)用；

(3) 當(dāng)減震器要求的阻尼出力和尺寸較小時(shí)，建議采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，磁場(chǎng)利用率較高的單級(jí)磁路結(jié)構(gòu)；當(dāng)減震器的阻尼出力和尺寸要求較大時(shí)，建議采用三級(jí)反向磁路結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kordonsky W I. Magnetorheological Effect as a Base of New Devices and Technologies [J]. Magnetic Materials, 1993, 122 (1-3): 395-398.

[2]祝世興, 梁鐘, 李喬治. 電流變流體和磁流變流體在工程上的應(yīng)用 [J]. 稀有金屬, 2003, 27(5): 621-627.

[3]Winslow. Methods and Means for Transmitting Electrical Impulses into Mechanical Force [P]. US Patent 2417850,1947.

[4]Rabinow. The Magnetic Fluid Clutch [J]. AIEE Transactions, 1948,(67):1308-1315.

[5]徐冬苓, 李玉忍. 飛機(jī)起落架數(shù)學(xué)模型的研究 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2005, 17 (4): 831-833.

[6]秦巖. 新型結(jié)構(gòu)磁流變減震器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究 [D]. 天津: 中國(guó)民航大學(xué), 2007.

[7]祝世興, 劉建邦, 崔甲子. 新型磁流變減振器的磁路設(shè)計(jì)與有限元分析 [J]. 機(jī)電技術(shù), 2009,(Z): 63-66.

[8]李忠獻(xiàn), 徐龍河,等. 新型磁流變阻尼器及半主動(dòng)控制設(shè)計(jì)理論[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2008.

[9]謝龍漢, 耿煜, 邱婉.ANSYS電磁場(chǎng)分析 [M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.