剪切閥式磁流變減震器磁路分析與仿真

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(中國民航大學 航空工程學院， 天津　300300)

引言

磁流變液作為一種新型智能材料，其黏度系數能夠隨著磁場的變化而變化，而且反應時間一般在毫秒級[1-4]?；诖颂匦?，磁流變減震器具有穩定性強和阻尼力連續可調的優點，正在成為振動控制工程中新一代的控制元件研究熱點[5]。其中，磁路設計一直以來都是減震器結構研究的熱點方向之一,但是究竟什么樣的磁路結構能夠達到針對某性能指標的最優效果，需要進行在相同工況條件下的對比研究。如果在完成了單級、雙級和三級剪切閥式磁流變減震器的磁路對比之后，得到在磁利用率、阻尼出力及其調節范圍等方面的較優結構，就可以為減震器的應用設計提供具體的指導方向。

1　磁路理論分析

1.1　確定結構及基本尺寸

剪切閥式磁流變減震器的基本結構如圖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和活塞有效長度L是影響阻尼力和磁場飽和的重要參數， 根據李忠獻等人

圖1　剪切閥式磁流變減震器結構原理圖

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的調節范圍一般為0～2 A，線圈長度L1、深度h1、隔磁材料厚度h3、外筒厚度h2根據減震器整體尺寸適當選取，初步確定尺寸如表1所示。

表1　減震器的磁路結構尺寸

按照圖1和表1的結構與尺寸要求，分別確定單級、雙級和三級剪切閥式磁流變減震器的結構模型，如圖2～圖4所示。表1中列出的所有結構尺寸在三種減震器中完全相同，僅把線圈長度分為：18 mm、2×9 mm、 3×6 mm。

圖2　單級磁路結構　　　　圖3　雙級磁路結構

圖4　三級磁路結構

1.2　磁路矢量圖

一般磁流變減震器的電流設計范圍為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整預留一定空間，設定三種線圈的加載電流均為I=0.5 A，線圈總匝數為N=360匝，保證每個線圈區域內的電流密度相同。單級磁路結構簡單，電流方向對磁路分布無影響，但是雙級和三級線圈中每部分電流的方向設定會對阻尼通道中磁路分布產生很大的影響，從而影響整體的磁場利用率，最終對減震器的阻尼出力和可調系數產生重大影響。三種線圈電流加載磁路分析圖如圖5 ～圖9所示，其中粗實線代表B、D線圈產生的磁場，虛線代表C、E線圈產生的磁場,細實線代表F線圈產生的磁場。

圖5　單級磁路　圖6　雙級反向磁路　圖7　雙級同向磁路

圖8　三級同向磁路　　　圖9　三級依次反向磁路

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)三個等級，其理論強度關系為IA=2，IB=2，IC=3，ID=3，IE=3，IF，A線圈在1、3處產生的磁場為BA1、BA3,以此類推得到其他線圈在阻尼通道不同位置產生的磁場強度表示符號；B1～B5依次表示單級、雙級反向、雙級同向、三級同向和三級反向磁路阻尼通道中的總磁場強度。

(1) 圖5單級磁路:B1=BA1+BA3；

(2) 圖6雙級反向磁路：兩線圈在4、6處產生的磁場方向如圖6所示，由于磁場強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處的磁場疊加方向與BB4相同，6處的磁場疊加方向與BC6相同，對整個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處磁場疊加方向與BF11方向相同，12處磁場疊加方向與BD12方向相同；14～17處磁場情況彼此相同，強度相同，B5=6BD14-4BD16+2BD17；

(5) 單—雙級磁路對比結果：

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

(6) 雙級同向、反向磁路對比結果:

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

(7) 三級同向、反向磁路對比結果：

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　磁路仿真驗證

2.1　磁路仿真

按照規定的尺寸和電流強度，分別得到單級、雙級反向、雙級同向、三級同向和三級反向磁路阻尼通道磁場強度分布曲線[9]，如圖10～圖14所示。

圖10　單級磁場分布圖

圖11　雙級反向磁場分布圖

圖12　雙級同向磁場分布圖

圖13　三級同向磁場分布圖

圖14　三級反向磁場分布圖

由磁場強度仿真曲線分別計算出每一種磁路阻尼通道中的磁場強度積分值和磁場強度平均值，如表2所示。

表2　磁場強度積分值與平均值

2.2　磁場分布比較驗證

由圖10～圖14可知，五種磁路的理論分析結果與仿真結果相一致：單級線圈磁場集中在線圈兩側1、2處，雙級反向線圈磁場在5處相互疊加，其強度比兩側4、6處磁場強度大約高出兩倍；雙級同向線圈8處磁場強度方向相反且強度相同，相互抵消，強度基本為0 T；三級同向線圈，10、13處磁場相互疊加，總磁場強度最強，11、12部分磁場相互抵消，強度相對較弱；三級反向線圈，14～17四處磁場情況相同，強度相當；

由表2可以看出，總磁場強度從大到小依次為：單級、三級同向、雙級同向、雙級反向、三級反向，驗證了磁路理論分析中在磁場利用率方面單級優于雙級和三級，同向磁路優于同級反向磁路的結論。

3　磁場曲線分析

在上一階段得到了磁場利用率方面的較優磁路結構，但減震器最重要的性能指標為阻尼出力和調節范圍，磁流變液飽和磁場強度大約為0.5 T，導磁材料的飽和磁場強度約為0.5 T。以上仿真都是在I=0.5 A的情況下進行，磁場強度相對較小，阻尼出力小，當需要較大阻尼出力時，必須相應調高加載電流，對于磁場強度分布較為集中的單級、雙級同向和三級同向磁路，就會在磁場集中地區大大超過飽和上限，產生無效磁場，而其他區域磁場強度仍為0。

為此，進行不同加載電流和阻尼通道間隙條件下的磁場仿真研究，以三級正向和三級反向線圈為研究對象，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，到阻尼通道或者導磁材料中出現磁場飽和現象為止，仿真結果如圖15所示。

圖15　三級磁路磁場強度與電流曲線

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，其磁場利用率高，但磁場分布高度集中，通道兩側有效區域在電流為0.5 A時已達到飽和最值0.5 T，電流調整空間0～0.5 A，調整范圍小，阻尼出力??；

反向磁路磁場強度隨著電流的增加緩慢增強，在加載電流分別達到1.4 A和3 A時，阻尼通道達到飽和極值0.5 T，雖然磁場利用率有所下降，但由于磁場分布均勻，變化曲線平緩、磁流變液和導磁材料都不易達到飽和，電流調整范圍大，磁場強度調節范圍大且變化均勻穩定,有利于較大阻尼力減震器的平穩有效控制。

4　結論

本研究以磁場利用率、阻尼出力及其調節范圍為指標，理論分析了單級、雙級和三級等磁路結構，并用ANSYS軟件進行了仿真驗證，研究表明：

(1) 在基本尺寸和總負載電流相同的情況下，在磁場利用率方面單級磁路明顯優于雙級和三級磁路，多級同向磁路優于同級反向磁路；

(2) 多級同向磁路結構雖然在磁利用率方面高于同級反向磁路結構，但是磁場過于集中，在電流增大的情況下，磁場強度迅速達到飽和，電流調整空間有限，阻尼力出力小，調節范圍小，不適合在大尺寸、大出力要求下實際應用；

(3) 當減震器要求的阻尼出力和尺寸較小時，建議采用結構簡單，能耗低，磁場利用率較高的單級磁路結構；當減震器的阻尼出力和尺寸要求較大時，建議采用三級反向磁路結構。

參考文獻：

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