剪切阀式磁流变减震器磁路分析范文

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《液压与气动杂志》2015年第十一期

摘要:

针对剪切阀式磁流变减震器，设计出了不同的磁路结构，其中磁路分级和电流方向是影响减震器磁场利用率、阻尼出力和调节范围的重要因素。为了得到这两个因素对减震器的综合影响结果，设计了几种不同的剪切阀式磁流变减震器模型，对其进行了磁路分析，比较了以上两个因素对磁场利用率的影响，并通过ANSYS软件仿真，验证了理论分析结论，得到了在相同加载电流和尺寸条件下基于磁场利用率的最优结构。通过进一步建模分析，得到了基于不同阻尼出力和结构尺寸综合指标下的最优磁路方案。

关键词:

磁流变减震器;磁路分析;ANSYS

磁流变液作为一种新型智能材料，其黏度系数能够随着磁场的变化而变化，而且反应时间一般在毫秒级［1－4］。基于此特性，磁流变减震器具有稳定性强和阻尼力连续可调的优点，正在成为振动控制工程中新一代的控制元件研究热点［5］。其中，磁路设计一直以来都是减震器结构研究的热点方向之一，但是究竟什么样的磁路结构能够达到针对某性能指标的最优效果，需要进行在相同工况条件下的对比研究。如果在完成了单级、双级和三级剪切阀式磁流变减震器的磁路对比之后，得到在磁利用率、阻尼出力及其调节范围等方面的较优结构，就可以为减震器的应用设计提供具体的指导方向。

1磁路理论分析

1．1确定结构及基本尺寸剪切阀式磁流变减震器的基本结构如图1所示。采用Bing-ham平板模型，忽略阻尼力的阀式分量，磁芯半径r、阻尼通道厚度h和活塞有效长度L是影响阻尼力和磁场饱和的重要参数，根据李忠献等人完成的磁路饱和分析，分别取磁芯半径r=11mm、h=1mm、L=40mm、活塞直径D=38mm［8］;电流I的调节范围一般为0～2A，线圈长度L1、深度h1、隔磁材料厚度h3、外筒厚度h2根据减震器整体尺寸适当选取，初步确定尺寸如表1所示。按照图1和表1的结构与尺寸要求，分别确定单级、双级和三级剪切阀式磁流变减震器的结构模型，如图2～图4所示。表1中列出的所有结构尺寸在三种减震器中完全相同，仅把线圈长度分为:18mm、2×9mm、3×6mm。

1．2磁路矢量图一般磁流变减震器的电流设计范围为0～2A，考虑到上一阶段所确定的基本尺寸偏小并为下一阶段的电流调整预留一定空间，设定三种线圈的加载电流均为I=0．5A，线圈总匝数为N=360匝，保证每个线圈区域内的电流密度相同。单级磁路结构简单，电流方向对磁路分布无影响，但是双级和三级线圈中每部分电流的方向设定会对阻尼通道中磁路分布产生很大的影响，从而影响整体的磁场利用率，最终对减震器的阻尼出力和可调系数产生重大影响。三种线圈电流加载磁路分析图如图5～图9所示，其中粗实线代表B、D线圈产生的磁场，虚线代表C、E线圈产生的磁场，细实线代表F线圈产生的磁场。

1．3磁路分析如图5～图9所示，线圈被平均分为A、B(C)、D(E和F)三个等级，其理论强度关系为IA=2，IB=2，IC=3，ID=3，IE=3，IF，A线圈在1、3处产生的磁场为BA1、BA3，以此类推得到其他线圈在阻尼通道不同位置产生的磁场强度表示符号;B1～B5依次表示单级、双级反向、双级同向、三级同向和三级反向磁路阻尼通道中的总磁场强度。(1)图5单级磁路:B1=BA1+BA3;(2)图6双级反向磁路:两线圈在4、6处产生的磁场方向如图6所示，由于磁场强度随着空间距离和阻尼通道的增大逐渐减弱。

2磁路仿真验证

2．1磁路仿真按照规定的尺寸和电流强度，分别得到单级、双级反向、双级同向、三级同向和三级反向磁路阻尼通道磁场强度分布曲线［9］，如图10～图14所示。由磁场强度仿真曲线分别计算出每一种磁路阻尼通道中的磁场强度积分值和磁场强度平均值，如表2所示。

2．2磁场分布比较验证由图10～图14可知，五种磁路的理论分析结果与仿真结果相一致:单级线圈磁场集中在线圈两侧1、2处，双级反向线圈磁场在5处相互叠加，其强度比两侧4、6处磁场强度大约高出两倍;双级同向线圈8处磁场强度方向相反且强度相同，相互抵消，强度基本为0T;三级同向线圈，10、13处磁场相互叠加，总磁场强度最强，11、12部分磁场相互抵消，强度相对较弱;三级反向线圈，14～17四处磁场情况相同，强度相当;由表2可以看出，总磁场强度从大到小依次为:单级、三级同向、双级同向、双级反向、三级反向，验证了磁路理论分析中在磁场利用率方面单级优于双级和三级，同向磁路优于同级反向磁路的结论。

3磁场曲线分析

在上一阶段得到了磁场利用率方面的较优磁路结构，但减震器最重要的性能指标为阻尼出力和调节范围，磁流变液饱和磁场强度大约为0．5T，导磁材料的饱和磁场强度约为0．5T。以上仿真都是在I=0．5A的情况下进行，磁场强度相对较小，阻尼出力小，当需要较大阻尼出力时，必须相应调高加载电流，对于磁场强度分布较为集中的单级、双级同向和三级同向磁路，就会在磁场集中地区大大超过饱和上限，产生无效磁场，而其他区域磁场强度仍为0。为此，进行不同加载电流和阻尼通道间隙条件下的磁场仿真研究，以三级正向和三级反向线圈为研究对象，阻尼通道间隙取值为1mm和2mm，电流取值以0．2A为间隔，从0开始增加，到阻尼通道或者导磁材料中出现磁场饱和现象为止，仿真结果如图15所示。由图15可得:同向磁路在相同加载电流的情况下可以获得较大磁场，其磁场利用率高，但磁场分布高度集中，通道两侧有效区域在电流为0．5A时已达到饱和最值0．5T，电流调整空间0～0．5A，调整范围小，阻尼出力小;反向磁路磁场强度随着电流的增加缓慢增强，在加载电流分别达到1．4A和3A时，阻尼通道达到饱和极值0．5T，虽然磁场利用率有所下降，但由于磁场分布均匀，变化曲线平缓、磁流变液和导磁材料都不易达到饱和，电流调整范围大，磁场强度调节范围大且变化均匀稳定，有利于较大阻尼力减震器的平稳有效控制。

4结论

本研究以磁场利用率、阻尼出力及其调节范围为指标，理论分析了单级、双级和三级等磁路结构，并用ANSYS软件进行了仿真验证，研究表明:(1)在基本尺寸和总负载电流相同的情况下，在磁场利用率方面单级磁路明显优于双级和三级磁路，多级同向磁路优于同级反向磁路;(2)多级同向磁路结构虽然在磁利用率方面高于同级反向磁路结构，但是磁场过于集中，在电流增大的情况下，磁场强度迅速达到饱和，电流调整空间有限，阻尼力出力小，调节范围小，不适合在大尺寸、大出力要求下实际应用;(3)当减震器要求的阻尼出力和尺寸较小时，建议采用结构简单，能耗低，磁场利用率较高的单级磁路结构;当减震器的阻尼出力和尺寸要求较大时，建议采用三级反向磁路结构。

参考文献:

［1］KordonskyWI．MagnetorheologicalEffectasaBaseofNewDevicesandTechnologies［J］．MagneticMaterials，1993，122(1－3):395－398．

［2］祝世兴，梁钟，李乔治．电流变流体和磁流变流体在工程上的应用［J］．稀有金属，2003，27(5):621－627．

［3］Winslow．MethodsandMeansforTransmittingElectricalIm-pulsesintoMechanicalForce［P］．USPatent2417850，1947．

［4］Rabinow．TheMagneticFluidClutch［J］．AIEETransac-tions，1948，(67):1308－1315．

［5］徐冬苓，李玉忍．飞机起落架数学模型的研究［J］．系统仿真学报，2005，17(4):831－833．

［6］秦岩．新型结构磁流变减震器的设计与实验研究［D］．天津:中国民航大学，2007．

［7］祝世兴，刘建邦，崔甲子．新型磁流变减振器的磁路设计与有限元分析［J］．机电技术，2009，(Z):63－66．

［8］李忠献，徐龙河，等．新型磁流变阻尼器及半主动控制设计理论［M］．北京:科学出版社，2008．

［9］谢龙汉，耿煜，邱婉．ANSYS电磁场分析［M］．北京:电子工业出版社，2012．

作者：田静 倪卫国 祝世兴 单位：中国民航大学 航空工程学院