新型磁流变阻尼器的磁路设计及磁饱和分析.doc

新型磁流变阻尼器的磁路设计及磁饱和分析*通讯作者：涂奉臣，男，黑龙江人，博士，研究方向：振动与噪声控制。涂奉臣*，周滨，周娟，冯学斌1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲，412007摘 要： 针对一种新型磁流变阻尼器，利用磁路欧姆定律对其进行磁路设计，得到了磁流变阻尼器的具体磁路参数。采用有限元方法对设计的磁流变阻尼器进行磁路饱和分析，结果认为：在整个磁路当中，活塞中心区域最先达到磁饱和，此时阻尼器的耗能能力达到最大值。在设计此种阻尼器结构时，为了避免磁路过早饱和，需减小活塞中心的磁阻。关键词： 新型MR阻尼器；磁路设计；磁饱和中图分类号：TB381 文献标识码：A1 前 言磁流变阻尼器是一种智能耗能器，它能够根据不同的工况要求提供变化的阻尼力。由于其具有响应迅速，出力大，功耗小等特点，已经在建筑、桥梁和车辆工程领域中得了广泛应用1，主要用其消耗较大量级的振动能量。对于在隔振当中使用的阻尼器，一方面要求在隔振系统共振时具有大阻尼来抑制共振，另一方面还要求在隔振频域内具有较小的动刚度以达到较好的隔振效果，这在普通的剪切阀式磁流变阻尼器中是较难实现的。为解决此问题，出现了一种新型结构的磁流变阻尼器2，这种磁流变阻尼器的活塞和活塞杆之间是分离的，因此在设计磁路时会与普通磁流变阻尼器有所差别，本文将对这种新型磁流变阻尼器的磁路进行设计。磁流变阻尼器的耗能能力随着电流增大而提高，但并不是可以无限提高的，这是由于整个磁流变阻尼器的磁路会存在饱和，当磁路饱和时，即使再提高电流，阻尼器的耗能能力也不会提高。对于每一个具体的磁流变阻尼器，根据磁路的磁饱和特性来确定最大输入电流是必要的。2 新型磁流变阻尼器的磁路设计为了在结构尺寸和重量一定的情况下，提高磁流变阻尼器的阻尼力和增大动态可调范围，必须使磁流变液工作在较强的磁场当中，并且磁场强度的变化范围要足够大。因此，磁路的结构设计和计算尤为重要。根据磁流变阻尼器的工作模式及结构形式的不同，磁流变阻尼器的磁路会有差异，但都是基于磁路欧姆定律来进行设计和计算的3-4。这里根据新型磁流变阻尼器的结构，将磁流变阻尼器的计算磁路简化为图1所示的形式。由于这种阻尼器的活塞杆和活塞之间存在间隙，若活塞杆也采用导磁材料制造的话，将使磁路中的磁动势过多地降到这些间隙上，从而降低了工作间隙上的磁动势。因此，在设计时，确定活塞杆由不导磁材料制成。图1 磁流变阻尼器的磁路Fig.1 Magnetic circuit of the MR damper由图1可见，如果忽略磁漏因素的影响，励磁线圈产生的磁力线走向如下：首先通过内外径分别为和的中心筒到一端的侧翼，然后经过侧翼穿过缸体与活塞的空气间隙到达阻尼器外壳，而后通过外壳再次穿过缸体与活塞间的间隙，最后经过侧翼回到中心筒形成一个闭合回路。为计算阻尼器气隙内的磁场强度，需首先计算磁回路中各段的的磁阻。中心轴段的磁阻为 (1)式中，阻尼器材料的磁导率。如果侧翼磁阻面积按照侧翼柱体的体积与其半径的比值的计算方法来考虑，则侧翼的磁阻为 (2)间隙处的磁阻为 (3)缸体外壳内的磁阻为 (4)因此，整个磁路的总磁阻为 (5)将磁路总磁阻带入到以下磁路欧姆定律中 (6)式中 线圈的磁通量；I 线圈中的电流强度；N 线圈的匝数。由于间隙处断面的磁通量与闭合磁回路中的其它位置相同，而间隙处的磁导率要比其他部位小得多。因此，在整个闭合磁回路中，间隙处的磁场强度远远大于其它位置，也即是说，整个磁路的磁动势主要降落在间隙处。 a) 曲线 b) 曲线a) Curve of b) Curve of 图2 MRF27/50型磁流变液的曲线和曲线Fig.2 Curves of and of MRF27/50 fluid再利用间隙处的磁感应强度公式，就可以很容易地对磁路进行设计计算。其中，为磁场强度，为电流强度，为线圈匝数，为线圈长度。本文的磁流变阻尼器中使用MRF27/50型磁流变液。MRF27/50型磁流变液的曲线和曲线如图2所示。可见，若要使MRF27/50型磁流变液产生50kPa的剪切屈服强度，则需要的磁感应强度B为0.8T（特斯拉）。利用反推得到磁场强度H，进而得到线圈的匝数N。3 磁路饱和分析导磁体中的磁感应强度并不是可以无限增大的，而是具有饱和特性，所以整个磁路中的最大磁通取决于导磁体的饱和磁感应强度和导磁体磁通面积的乘积5。若磁路中某一段的饱和磁感应强度和磁通面积的乘积小，则最大磁通量小，该段磁路最先达到磁饱和状态。根据磁路欧姆定律可知，磁路中的磁通处处相等。当磁路的某一段处于饱和时，则整个磁路的磁通也达到饱和状态，这时即使再增加外部磁动势也不会增加磁路的磁感应强度，磁流变阻尼器的最大出力也因此受到限制不再增大。可见，磁饱和分析在磁路设计中是必要的，有助于提高磁路效率，增大磁流变阻尼器的出力范围。下面采用有限元方法对前面设计的磁流变阻尼器进行磁路饱和分析。采用有限元软件对磁路结构进行仿真分析。由于磁流变阻尼器的磁路是一个典型的轴对称结构，且在设计中忽略漏磁效应，所以在仿真中只需利用二维结构对磁路部分进行建模分析。采用通量平行边界条件，即假设磁力线无漏地通过磁路结构且平行于边界。仿真结果如图3和图4所示。 图3 磁力线分布图 图4 磁流密度分布图Fig.3 Distribution of magnetic line Fig.4 Distribution of magnetic current density图3为磁流变阻尼器中磁力线分布图，图4为磁流密度分布图，可见磁力线主要集中在活塞-环型间隙-缸筒这样的一个封闭路径当中，在这个封闭路径当中，活塞中心段的磁力线最密集，磁流密度最大。所以当活塞和缸筒的材料相同时，活塞的中心区域首先达到饱和。当活塞中心区域饱和时，整个磁路也达到饱和。图5为通过有限元方法计算得到的活塞中心及缸筒上磁通密度与输入电流的关系曲线，可见当该磁流变阻尼器的输入电流达到0.4A之后，磁路基本达到饱和。这时，磁流变液的剪切屈服强度达到最大值。由以上分析可见，在设计新型磁流变阻尼器的结构式时，为了避免阻尼器磁路过早地饱和，应在保证活塞杆的强度和受压稳定性的前提下，尽量减小活塞杆直径以增大活塞中心区域的磁通面积，即应该尽量减小活塞中心的磁阻。 图5 电流和磁通密度的关系曲线Fig.5 Relationship of Magnetic flux and current4 结 论(1)利用磁路欧姆定律对新型磁流变阻尼器进行磁路设计是磁流变阻尼器结构设计的关键步骤，可确定磁路的具体参数。(2)在新型磁流变阻尼器的磁路设计时，应考虑磁路的磁饱和状况。在整个磁路当中，活塞中心区域最先达到磁饱和，为了避免阻尼器磁路过早地饱和，应在保证活塞杆的强度和受压稳定性的前提下，尽量减小活塞中心的磁阻。参考文献：1 欧进萍, 关新春. 磁流变耗能器及其性能J. 地震工程与工程振动, 1998, 18(3): 74-812 涂奉臣, 陈照波, 李华，等. 一种改进型磁流变阻尼器用于宽频隔振研究J. 振动工程学报, 2007, 20(5): 484-4883 瞿伟廉，樊友川. 磁流变阻尼器的磁路有限元分析与优化方法J. 华中科技大学学报, 2006, 23(3): 1-44 闫维明，纪金豹，葛惠娟. 逆变式MR阻尼器磁路设计与试验研究J. 北京工业大学学报, 2006, 32(7): 592-5955 张红辉，廖昌荣， 陈伟民，等. 磁流变阻尼器磁路设计及磁饱和有限元分析J. 功能材料与器件学报，2004, 10(4): 493-497Design of Magnetic Circuit and Analysis of Magnetic Saturation on New Type of MR DamperTU Fengchen, ZHOU Bin, ZHOU Juan, FENG XuebinZHUZHOU Times New Material Technology Co. LTD, Zhu Zhou, 410083，ChinaAbstract: By magnetic Ohms law, the magnetic circuit is designed for a new type of MR damper. The magnetic circuit parameters are obtained. And the magnetic saturation is analyzed by numerical simulation. It is concluded that the central area of piston reaches magnetic saturation, and the energy dissipation of the damper reaches maximum in the whole magnetic circuit simultaneously. In order to avoid premature satu