剪切阀式磁流变减震器磁路分析与仿真

2015-04-16，，

液压与气动 2015年12期

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(中国民航大学航空工程学院，天津　300300)

引言

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[6, 7]。

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

图1　剪切阀式磁流变减震器结构原理图

完成的磁路饱和分析，分别取磁芯半径r=11 mm、h=1 mm、L=40 mm、活塞直径D=38 mm[8]；电流I的调节范围一般为0～2 A，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。

表1　减震器的磁路结构尺寸

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：18 mm、2×9 mm、 3×6 mm。

图2　单级磁路结构　　　　图3　双级磁路结构

图4　三级磁路结构

1.2　磁路矢量图

一般磁流变减震器的电流设计范围为0～2 A，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=0.5 A，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。

图5　单级磁路　图6　双级反向磁路　图7　双级同向磁路

图8　三级同向磁路　　　图9　三级依次反向磁路

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：BA1=BA3=2BB4= 2BC6=2BB5=2BC5>2BB6=2BC4，4处的磁场叠加方向与BB4相同，6处的磁场叠加方向与BC6相同，对整个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,图7双级同向磁路：

B3=BB7+BB9+BC7+BC9=2BB4+2BB6；

(4) 按照相同的原理分析图8、图9得：

B4=2BD10+4BD12+2BD13，11处磁场叠加方向与BF11方向相同，12处磁场叠加方向与BD12方向相同；14～17处磁场情况彼此相同，强度相同，B5=6BD14-4BD16+2BD17；

(5) 单—双级磁路对比结果：

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

(6) 双级同向、反向磁路对比结果:

B2-B3=2BB4-4BB6，由于采用高磁通率材料，虽然磁场强度随着距离的增大有所损失，但减弱幅度较小，BB4与BB6数值相差不大，所以：B2-B3<0，B2

(7) 三级同向、反向磁路对比结果：

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。

图10　单级磁场分布图

图11　双级反向磁场分布图

图12　双级同向磁场分布图

图13　三级同向磁场分布图

图14　三级反向磁场分布图

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。

表2　磁场强度积分值与平均值

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0 T；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0.5 T，导磁材料的饱和磁场强度约为0.5 T。以上仿真都是在I=0.5 A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1 mm和2 mm，电流取值以0.2 A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。