（车辆工程专业论文）车用磁粉离合器分析、设计及控制的研究.pdf

联士论空车用磁榜离舍嚣分析、设计及控制的研究 摘要 磁耪离台器具有优庭的控制特性并且便于电控，能够满足车辆复杂的工况要求， 翻丽在汽车裔动变速系统中有着融好的应用前景。以磁耪离合器为研究对象，对其工 作机理、电磁场分析、设计以及控制等方面进行了研究，主要研究内容包括： 1 甜磁粉离合器的工作机理进行了深入的分析，并进行了相应的磁路计算； 2 建立了磁粉离合器肉电磁场的数学模型，特躺在嗣格翔分、磁场力计算等方 嚣进行了较深入瀚研究，完成了虢粉离合器内电磁场的有限元计算； 3 进行了磁耪离台嚣性能的相关实验，以对计算结槊进行验证，结莱表明计算 跫可应用于磁耢裔合器静工程化设诗中， 4 在有隈元计算豹基础上，应用正交设计方法迸一步探讨了磁耪离嚣的设计 鸯案渡遵及饶亿，并握描和分橇了数种新的设诗方案； 5 针对车建褰含器翁控靛要求，裙步设计了符奢车辆工况要求酌磁耪离合嚣驱 动器的硬饽方案帮软件框图。 关键诲：磁粉离仑嚣，电磁场，露限霆计算，磁场力 硕士论文车用磁粉离合器分析、设计及控制的研究 m a g n e 此p a r t i c l ec l u t c hh a se x c e l l m tp e r f o r m 瓶a n di sc o n v e n i m tf o rd e c t r o n i c c o n u v li tc a n 鼢t i s f yc o m p f i c a t e dw o r k i n gc o n d i t i o no fv e h i c l ea n dh 勰f a v o r a b l e a p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt l l ea u w m a f i ct r a n s m i s s i o nf o rv e l l i c l e r e g a r dm a g n e t i cp a t t i c 王e c l u t c h 鹊t h er e s e a r c ho b j e c t , r e s p e c mo fa n a l y s m g d e s i g n i n ga n dc o n t r o l l i n ga b o u ti t s w o r k i n gm e c h a n i s m 。e l w t r o m a 驴e f i cf i e l de t c a l er e s e a r c h l g i ，t l l em a i nr e s e a r c hc o m 朗t s m c l u d e 1 t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fm a g n e t i cp a r t i c l ec l u w hi sd e e p l ya n a l y s e da n dt h e c o r r 掣n d m gm a 弘e f i s m 咖“i sc a l l t e d ； 2 t h em t h 1 a l i c sm o d e lo ft l l ed e c t r o m a 鲫cf i e l di nm a 印甜cp a r t i c l ed u t c hi s s e tu p , e s p e c i a yt h eg n dd i v i d i i i ga n dt h ec a l 础f i o no fm a l e f i cf i e l df o r c ea r e r e s e a r c h e d u s i n gf i n i md e m e n tm e 血o dt h ee l e c 扛i cm a l e f i cf i e l d mm a l e f i cp a r t i c l e c l u t c hi sc a l c u h t e d ； 3 t h er e l e v a n te x p e r i m e n t0 fm a l e f i cp a r t i c l ed u t c hp e r f o r m a n c ei sc a r r i e do nt o p r o v et h er e s u l to fc a l c u l a f i o n 。t h er e m hj n d ic a _ t e st h a tt 量l ec a l c u l a l i o nc a na l r e a d yb e a p p l i e dt ot h ep r o j e c td e s i 印o f t i l em a l e f i cp a r t i c l ec l u 口c h ； 4 b a s e d t i l ec a l c l l l a t i o nr e s u l lt h eo p t i m i z a t i o na n di m p r o m 髓to fi t sd e s i 弘p l m a r cd i s c u s s e d m e ns e v e r a ll ( i n d sn e w d e s i g n sa r cp u tf o r w 部da n da n a l y s e d ； 5 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es c h e m e so ft h ec o n 仃o lc i r c u i tf o rm a l e f i cp a r t i c l e d u t c ha r ed 锚i 印e da c c 咖d i n gt 0t 1 1 ec o n t r o ld e m a n do f c l u t c hf o rv e r d e k e yw o r d s l m a l e f i cp a r t i c l ec l u t c h ，d e c t r o m a g n e f i cf i d d ，f i n i me l e m e n tm e t l l o d ， m a l e f i c f o r c e i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 o “ 研究生签名： 蛰丕 o6 年g 月5 ，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：要盘。6 年易月5 口日 硕士论文车用磁粉离合器分析、设计及控制的研究 1 绪论 1 i 研究的目的和意义 随着汽车技术的自动变速技术的不断发展，对于自动变速中所用的离合器的功能 和性能要求也越来越高。在汽车变速系统中要求在任何工况条件下要可靠传递发动机 的最大转矩储备；接合时要平稳，减小汽车起步时的冲击和抖动；分离时则要迅速彻 底；离合器从动部分转动惯量要小，结构简单紧凑等，所以在汽车自动变速系统中离 合器的选用是很关键的。 针对车用离合器的工况要求和使用环境，汽车自动变速中现今采用的离合器主要 包括液力变矩器以及附加驱动控制装置的摩擦片式离合器。摩擦片式离合器是当今运 用最广泛的车用离合器，要运用到自动变速中需要附加执行机构来完成对离合器的驱 动，现选用的大部分电子控制离合器主要有电子控制部分，液压执行机构( 或其他执 行机构如电机驱动和气压驱动等) 和传感器等组成，结构较为繁冗。液力变矩器也是 目前高挡轿车普遍采用的离合器，但它的体积较大，又因为加工精度高，所以其价格 偏高，还有待于低成本化 磁粉离合器是一种工作机理不同于上述两种离合器的新型离合器。它在结构上比 液力变矩器简单，传递效率高，价格上也具有一定的优势；摩擦片式离合器运用于自 动变速系统中时，需要先对其执行机构进行控制，通过执行机构转化为作用于摩擦片 的压紧力，从而实现对离合器传递转矩的控制，而对于磁粉离合器则是直接通过控制 电流大小实现转矩控制，过程简单，无需附加执行结构1 1 1 磁粉离合器作为电控离合 器的一种，其工作机理与一般的电控离合器也有一定的差别，它是通过励磁电流形成 磁粉链来传递转矩，离合器主从动件的转速差等为反馈量，在弱激磁电流下，磁粉离 合器的线性特性不是很好，当输出转矩达到额定转矩的1 0 以后，激磁电流与输出 转矩表现出很强的线性性【2 】1 3 】。所以磁粉离合器非常适用于电控其优良的控制特性也 对其控制电路控制策略的制定提供了很大的便利性。 汽车在起步、换挡时受汽车复杂多变的运行工况影响，磁粉离合器能够保证汽车 在起步和换挡时平顺和连贯；当其负载超过离合器的传递负载时，磁粉离合器的主动 件和从动件将会出现滑磨，从而有利于发动机的过载保护。正是磁粉离合器所具有的 一系列优点，所以它在汽车自动变速中将会得到广泛的应用，对其进行深入研究还是 很有必要的。 本课题的研究目的就是在详细分析磁粉离合器工作机理的基础上对其进行设计 方案的改进和优化，使它可以在汽车自动变速系统中更好的发挥优良的控制特性，同 时又能在最大程度上提高功率密度、简化结构和降低成本。由于课题是属于功率分流 l 硕士论文车用磁粉离合器分析、设计及控制的研究 式无级变速项目中的一部分，所以论文中关于磁粉离合器驱动器的设计要求是针对车 用离合器的，研究的目标也是为了保证磁粉离合器在汽车各种工况下能够正常工作。 但是由于近年来磁粉离合器在其他工业领域越来越广泛的应用，对它研究的意义不仅 限于汽车工业。 1 2 国内外研究现状 国外对磁粉离合器的研究开发和对磁粉材料的研究相对国内来说都比较早，欧美 和日本很早就对磁粉离合器及其磁粉材料进行了研究，日本科学家宫崎秀夫和村田俊 哉早在上世纪六十年代就针对磁粉离舍器的工作原理以及其在工业上的运用做了深 入的研究。他们通过实验说明了磁粉的性能是决定离合器性能的重要因素，同时对磁 粉离合器在工业方面的应用作了简单的阐述。而美国科学家也把磁粉离合器作为火箭 系统多用途的一种控制元件进行了深入研究，研究主要侧重于其控制特性在火箭系统 上的应用。进入二十一世纪之后，由于磁粉离合器在工业领域越来越广泛的应用，人 们对于磁粉离合器的研究更加深入和广泛，研究的内容包括：磁粉的性能，传递转矩 和激磁电流的关系、传递转矩和滑差的关系，磁粉离合器的响应时间，磁粉离合器 断电时的剩余转矩以及在使用过程中离合器的热容量和耐久性等。根据这些研究成 果，国外已经实现了磁粉离合器的量产，例如日本的o g u p 溘公司和美国的t m 4 f e c 公司现今就有种类繁多的磁粉离合器产品，其主要产品按照励磁线圈的供电方式分为 两大类：线圈旋转型( z k a ) ，线圈静止型( z k b ) 翻。而按照输出转子的形状来分 又可以分为圆柱形转子、杯形转子和盘形转子。其中圆柱型转子一般运用于大中型产 品，结构比较简单；而杯型转子的散热好，滑差功率大；而盘型转子产品用于精密控 制的场合j 【j j 。 在国内由于现代化的生产过程需要装备自动化的机械，在用户对伺服连接的需求 日益增长的今天，这类产品的需求量越来越大。鉴于这种情况，现在国内也有很多公 司和研究所开始或已经对磁粉离合器进行了研究和应用，宁夏机械研究院是国内最早 开展磁粉离合器、制动器研究并完成产业化的科研单位，他们在国外同行研究的基础 上，对磁粉离合器的工作机理进行了深入了研究，对磁粉离合器和制动器的结构、性 能以及在工业上的具体应用作了阐述，同时对磁粉离合器的工作机理提出了一些新的 理论。某些高校也对磁粉离合器的工作机理、磁粉离合器的工作特性、磁粉离合器以 及制动器结构的优化、磁粉离合器的滑差功率的计算、磁粉特性参数对其性能的影响 以及磁粉离合器的应用等相关问题进行了深入研究。山东工业大学对工作机理提出了 新的见解，建立了工作间隙中磁粉的磁感应强度与单位面积剪切力之问的关系式，并 且探讨了磁粉的粘滞力和离心力对传递转矩的影响以及规律四南京理工大学在 p s v t ( 车用功率分流式无级变速器) 中就采用了磁粉离合器，通过实验对其静态性 2 硕士论文 车用磁粉离奇嚣分析、设计及撩制韵研究 髭戳及慈聚蔽邀淀壤益下离会器圭、麸动转子懿转速交纯等痘矮臻7 聚究，强冁7 磁 粉离合器怒可以满足车辆的实际工况要求的翻踊。上海材料研究所针对磁粉离含器内 磁粉的填充密度对磁粉性能的影响进行了研究，讨论了激磁过獠磁粉在实材以及不同 的填充密嶷下磁场强度靛大p j 4 s l 。在这些磺究的鏊勰上，屋内墩蠢一些公司舞娥对其 进行生产( 知强1 1 巢磁耪离舍器麓产品鹜) ，弗开始逐步遮矮予一些王靓矮域， 例如启动和制动控制、张力控制以及负载与转矩的控制等。 图1 1 磁粉离合器产品图 由于磁粉离合器所传递的转矩岛励磁电流的j 璇似线性关系，所以在无级调逮，张 力控裁，羧岛与饲黢传动等工业矮竣褥到j # 鬻广泛戆应用t 9 1 1 0 1 ，餐是簌瑗奁豹磁粉蹇 合器的磺究茅珏应用情况来看，针对予车辆的研究和应用还是剐剐起步。虽然磁粉离合 器具有优良的控制特性，非常适用予电控，但是对车用磁粉离含器有着更商的要求。 这些要求镪括： 车瘸凑合器豹体获释重耋要求 常严藜，蠢璐在磁粉蔫会爨瓣一令主要蠲瑟是其 体积过大，而传递的转矩则比较小，很难将其运用刹大功率车辆变速系统中搬；由于 车辆运行时相对复杂、恶劣的工作环境，对其工作可靠性有着较高的要求，磁粉离合 器在溪蓑麓终拔态下，磁粉之阕摩擦缀丈，浮差功宰缀囊，嚣囊警车弼戆特辣性，采 用永冷则不太现实；溺时由于车辆强行驶过程中振动尉熟，对予磁粉离合器的供电特 别是对于z k a ，由于采用电刷供电，强烈韵振动会引起供电的不可靠。这贱因素都 对磁粉离会器在车辆土的运甩造成一定的困难。 瘊淡森汽车矮城羹，丑裁蔽耪蕊含器痊瘸较少，热法国豹於a 集嚣豹p e u g o t 公 司曾经把磁粉离合器逡用于一些车擞的无级变速系统中 4 1 ，而本文就针对车用磁粉离 硕士论文 车用磁粉离合器分析，设计及控制的研究 合器体积过大的缺点，在分析了磁粉离合器工作机理的基础上，对原有的结构进行了 改进，提出了结构上的一些新的方案，并对它们作了分析，这对减小磁粉离合器的体 积，提高传递的转矩是有实际意义的。 在研究方法上，国内外目前对磁粉离合器的分析以及结构上的优化主要还是建立 在传统的以磁路计算理论为基础之上的，还没有对其磁场在磁粉离合器内的分布作过 精确的分析。本文利用a n s y s 的电磁场模块对其作磁场有限元分析，从而更精确地 得到磁粉工作间隙中的磁感应强度值，这对以后磁粉离合器更深入的分析是有一定借 鉴意义的。 1 3 研究的计划 该课题首先是利用电磁场的相关理论对磁粉离合器的工作机理深入的研究，并对 其模型进行简化，结合相关的应用软件做电磁场分析处理。在这些分析处理韵基础上 对磁耢离合器设计方案进行改进和优化。最后是针对车用离合器的控制要求，设计其 驱动器，包括硬件方案和软件框图。本课题是一个理论性很强，但又强调理论与应用 相结合的课题，通过本课题的研究能够对其工作机理做深入研究，并对其结构进行改 进设计，使其更好的应用于实际。 4 硕士论文车用磁粉离台器分析、设计及控制的研究 2 磁粉离合器工作机理的分析 2 1 磁粉离合器结构的介绍 ， 本课题研究的磁粉离合器按照工作原理一般认为是属于电磁离合器的一种，但是 它与概念中电磁离合器的有着一些区别，虽然两者都是通过磁场力的相互作用来传递 转矩，但是普通意义上的电磁离合器一般励磁后靠被衔铁压紧了的摩擦片之间的相互 摩擦力来传递转矩，而磁粉离合器财是通过填充于工作间隙的被磁化了的磁粉链传递 转矩，所传递的转矩随着励磁电流近似成正比例变化。如果把磁粉离合器的输出端加 以固定就是磁粉制动器，所以磁粉离合器和制动器在结构和原理上是完全一样的。 磁粉离合器的结构多样，如果按照励磁线圈的供电方式来分，可以分为线圈旋转 型和线圈静止型( 如图2 1 ) ，线圈旋转型产品的主动件在工作时是需要旋转的，所 以线圈的供电是通过安装在轴上的滑环进行的【l 射。线圈静止型的励磁线圈在工作时则 是静止的，所以供电比较可靠，但是由于线圈与主动转子是分开来的，所以旋转型磁 粉离合器多了一个非工作间隙，由于非工作间隙中是不易导磁的空气，所以能量在这 一部分的损失比较大。 轶葫韩予 。抖党 子 箍 轴承轴承 。，m 一# 线圈静止型线圈旋转型 图2 1 磁粉离合器的结构图 如果按照从动转子的形状来分又可以分为圆柱型、盘型和杯型。就目前来看，圆 柱型的运用比较广泛，因为相对于其它种类的磁粉离合器来说，其结构比较简单，但 是转动惯量较大，如果实际运用中对离合器的输出端转动惯量要求不是很严格，一般 选用它比较经济。盘型磁粉离合器的从动转子制作成盘形，这样输出惯量比较小，一 般运用于微型产品中，适用于精密控制的场雀一玎】【。 磁粉离合器按照其它的角度来分，还可以分为同轴式离合器和非同轴式离合器、 5 硕士论文 车用磁粉离台嚣分析设计及控制的研究 铁芯叠片式和非铁芯叠片式。其中同轴式离合器是两个或多个磁粉离合器共用同一个 磁路，这样可以提高磁路的利用效率，增大所传递的转矩。铁芯叠片式主要是把磁粉 离合器中的磁路材料换成叠片式铁芯，这样可以减少由于磁场变化引起的电涡流，从 而加快控制时的时间响应，减少能量损耗和离合器的发热量( 这个技术在叠片式变压 器中也被广泛采用) ，所以如果在应用过程中对磁粉离合器的响应时间要求比较高， 而且对其发热量有严格限制，应选用叠片式。 各种不同类型的磁粉离合器都有其应用范围，磁粉磁粉离合器的结构如何改变， 其主要的工作原理还是保持不变的。以线圈静止圆柱型进行分析并其结构进行具体的 介绍：如图2 2 ( 轴对称) 所示，磁粉离合器主要 由外壳、主动转予、从动转子三部分组成。离合器 在工作时，静止型的外壳相于主从动转予是不动 的，励磁线圈被安装在外壳中并与直流电源连接。 在外壳和主动转子之间是非工作间隙，这是静止型 所特有的( 对于旋转型，由于外壳和主动转予构成 一体的，所以不存在非工作间隙) 。在主动转子中 与线圈中心位置相对应的是隔磁环，它的主要作用 是阻隔磁力线未经过工作间隙便形成磁场的回路。 如果缺少它，离合器中便不能形成有价值的磁场分 童渡电瓣 布，磁粉离合器是无法正常工作的。 图2 2 静止型结构示意图 需要详细说明的是隔磁环轴向上的厚度对磁粉工作间隙之间的磁场分布是有很 大影响的，这一点将在第三章中进行详细分析。从动转子一般上面开有储粉槽，在主 动转子和从动转子之间是磁粉离合器的工作间隙，中间充满了磁粉，这是主动转子和 从动转子力矩传递的位置。当线圈两端通以直流电时，如图中所示，磁力线绕过隔磁 环经过工作间隙和从动转子形成回路，工作间隙和储粉槽中的磁粉在磁场的作用下被 磁化，形成“磁粉链”。当主动转子旋转时，靠磁粉间的电磁力造成的切向力把转矩从 主动转子传到从动转子。这样动力就由输入轴通过“磁粉链 传递到输出轴。电流断开 时，磁粉重新处于松散状态，因此主、从动转子脱离，离合器处于断开状态。 2 2 磁粉离合器磁阻的计算 2 2 1 磁路计算的基本原理 按照电磁场理论，磁场是由磁力线构成的许多磁通管构成，磁路计算就是将磁场 按照磁通管和等磁位面分割成为许多个串联和并联的小段，这个概念类似于电路中电 阻的串联与并联关系，磁路磁阻的计算公式也与电路中的电阻的计算相似：磁阻与磁 6 硕士论文 车用磁粉离合器分析、设计及控制的研究 路长度成正比，而与磁路的横截面积成反比。对于大多数的电磁机构，由于磁通的分 布比较集中，而且是沿着以磁导体为主体的路径闭合，当磁导体在不饱和钓情况下， 其磁导率为大约空气磁导率的数千倍以上，所以大部分磁通均以磁导体构成的路径为 通路。实际上，如果只考虑沿磁导体形成闭路的主磁通，那么，磁通就是完全在磁导 体中“流动”，于是磁导体就成了与电路极为相象的磁通管。对于本文所要研究的磁粉 离合器，其主要磁路是由电工软铁构成的磁路与磁粉工作间隙的磁路串联而成，所以 磁通主要分布在这两个部分中，在进行磁路的计算的过程中忽略外围空气层的少量漏 磁( 不包括磁粉工作间隙中的空气隙) ，其主要磁路如图2 3 所示( 取对称轴上半部 分) 图2 3 磁粉离合器磁路简化图 图2 3 中的虚线为磁力线的走向，磁粉离合器主要磁路有三部分：从动转子的磁 极部分、工作间隙以及磁轭部分( 主动转子) 。磁力线起始于主动转子，绕过隔磁环， 再通过磁粉工作间隙进入从动转子中，最后再次通过磁粉工作间隙终止于主动转子。 磁路的计算需要遵循两个定律，这两个定律分别是从磁场的两个基本定理即磁通 连续性定律和安培环路定律导出的。分别为磁路第一定律和第二定律【1 5 】： ( 1 ) 磁路的第一定律：根据磁通连续性定律，穿过任一封闭曲面的总磁通量等于 零。将封闭全面取在磁路的分支处，并将分支处称为磁路的节点，那么磁路的第一定 律可以描叙为：由磁路节点流出或流入的磁通的代数和恒为零，即：y 妒= o 。 ( 2 ) 磁路的第二定律：根据安培环路定律，磁场中任意一个闭合回路上的磁压降 的代数和，等于该回路中磁势的代数和沿各段磁导体的中心线取一闭合回路，并认 为在各段中的h 与硼均同向，则闭合回路中的磁势等于回路所包围的线圈电流j 乘 上线圈压数用公式表示为：罗i l l = y i n 磁路的计算跟电路钓计算非常类似，对应于电路中的电阻与电导，在磁路中也采 用磁阻与磁导的概念，并且电路中电阻的串并联关系也适用磁阻的计算。于将上面所 7 硕士论文车用磁粉离合嚣分析，设计及控制的研究 叙的磁通管的概念运用于等截面的一端磁路，就有r = i 腰其中z 和s 分别是等截面 磁路的长度和截面面积，且是磁路介质的磁导率。根据这个公式就可以计算出磁粉离 合器各段磁路的磁，再利用磁阻的串并联关系得到整个磁路的磁阻【1 4 1 。， 2 2 2 磁粉离合器工作间隙的简化模型和磁路的计算 2 2 2 1 工作向隙的磁阻计算 对于本课题中的车用线圈旋转型磁粉离合器，采用等效磁路的计算方法：设线圈 匝数为匝，励磁电流大小为，的线圈，根据安培环路定律有： n i = 日+ 也厶 ( 2 1 ) 其中，日。为磁粉工作间隙的磁场强度，日：是在电工软铁中的磁场强度。而由于磁粉 间隙实际上被隔磁环分为左右两个部分，工作时这两个部分的磁场强度的大小相等， 方向相反。实际计算时可以把两部分做串联处理，所以厶的大小是工作间隙6 的两倍， 厶是在电工软铁中的磁路长度。 。 由电磁场等效磁路知识可知磁路各处的磁通量大小一定。用公式表示为： 卟卟焉n i，1 u ，匕o ( 2 - 2 ) 其中，“，鸬分别为磁粉与电工软铁的磁导率，s 与s 7 分别为两磁路的平均横截面积， 因为工作间隙左右两部分的磁路做串联处理，所以s 为磁极工作面积& 的一半。又 因为空气间隙的磁导率为4 z r x l o 。7 h m 。而磁粉离合器中选用的磁粉的磁导率范围 一般为3 7 x l o 。h m 即相对磁导率( 其值为磁粉磁导率与空气磁导率之比) 范围约 为2 4 。5 6 ，所以空气间隙所产生的磁阻相对于磁粉来说是不可以忽略的，本论文在 对工作间隙的建模中将空气间隙所产生的磁阻同磁粉所产生的磁阻做并联等效处理 来进行计算。 磁粉离合器的工作机理主要是在工作间隙产生的很多小的磁粉链，在磁场的作用 下磁粉链是按主从动轴的径向分布的，并且在磁场建立之后，工作间隙实际上充满着 均匀分布的磁粉链和空气间隙。磁粉离合器在工作过程中，磁粉链是不断的形成与断 裂的，但是总是有一定数量的磁粉链传递着作用力，这些磁粉链中被磁化的磁粉在垂 直于两个极面的法向方向，相邻的磁粉粒子互相挤压，使磁粉链的两端受到垂直于两 个极面的法向压紧力，当离合器主动转子和从动转子相对运动时，这些磁粉链就会被 向相反的方向拉扯，造成了磁粉间的相对运动或有相对运动的趋势而产生摩擦力，从 而传递转矩。磁粉链的分布密度取决于参加工作的磁粉的体积占整个工作间隙空腔体 8 硬士论文 车用磁粉离台器分析、设计及控制的研究 积的百分比( 根据后面的分析这一点对工作间隙的平均磁感应强度的大小有直接的影 响) 。 本论文将对磁粉离合器的工作间隙的实际情况做如下简化假设以便分析这种关 系，如图2 4 所示，上图为离合器工作时磁粉的实际分布情况，下图为简化的后的情 况。 图2 a 磁粉工作间隙中的磁粉链 把离合器的轴向对称的工作间隙简化成如图2 4 所示的矩形工作区间，并把均匀 分布的细小磁粉链简化为“大磁粉链”。这样简化的目的是便于计算磁粉离合器工作间 隙的平均磁阻，同时也有利于第三章中在a n s y s 中对其建模分析。 如图2 a 下图所示：工作间隙的宽度用万来表示，磁粉和空气在工作间隙分别所 占的长度大小为a 和b ，很显然磁粉的填充密度( 按体积来计算) 为a ，( a + b ) ( 这里 的填充密度和磁粉填充率不同，它是按照体积计算的，而磁粉填充率是磁粉的比重与 磁粉间隙容积的乘积所表示的重量，大小一般为9 0 - 1 0 0 ，磁粉的填充密度的标称 值一般取为8 0 ) 设磁粉以及空气的磁导率分别为：鸬，加在工作间隙两端的磁 动势为m ，并忽略漏磁现象。根据磁路计算原理磁力线在这里分两路：一路从磁链 处通过，第二路从空气间隙处通过其磁阻为： 片 蛊= 素 ( 2 _ 3 ) 广1 。l 霄 磊5 去 q 4 ) 其中墨，是分别为两个通路的横截面积，易得墨：是= 4 ：6 根据前面的分析两个磁路的关系为并联关系，所以总磁阻为 善= 簏 ( 2 - 5 ) ( 2 _ 6 ) 9 硕士论文车用磁粉离合器分析，设计及控制的研究 毒：笪：至( 2 - 7 ) 参。蕊2 赢 由于工作整个工作间隙被隔磁环分成左右对称的两部分并且两部分等效为为串 联关系所以根据上面的分析磁粉王作问隙的磁阻应该是： 品一丽飘2 8 ( 2 - 8 ) 其中s 。和艿分别是磁粉工作间隙的有效工作面积和宽度。 2 2 2 2 影响工作同隙平均磁感应强度的一些因素 上面根据简化模型计算出了工作间隙的总的磁阻，但是这不是最终目的，因为要 使磁粉离合器能正常工作，就必须要保证工作间隙的平均磁感应强度达到一定值( 一 般最大要达到8 0 0 0 g s ) 所以下面着重分析对间隙处平均磁感应强度b 值有影响的一 些因素，这对于磁粉离合器的设计和应用是有一定意义的。 以图2 4 中的简化模型为研究对象，假设间隙两端的磁动势即磁压降不变( 实际 工作时，工作间隙两端的磁压降是随着它的磁阻变化的，在分析工作间隙的占值时忽 略电工软铁中的磁压降) ，根据磁路计算的基本原理，b 值的大小为单位面积内流过 的磁通量，用公式表示为： 肚竺s 8 兰磊= 志脚删 ( 2 9 ) i j 而s + 是) 烈s + 是“1 1 。“ 由上式可以看出影响b 的大小的因素，b 的大小受制于s l ，s ，的比例关系。因为 麒 9 0 所以如果磁粉的填充密度较大的话( e pa ( a + b ) 较大) ，在同样的磁动势下 平均磁感应强度就越高，所以从理论上分析工作间隙的平均磁感应强度随着磁粉填充 密度的增加而增加的，并且( 2 - 9 ) 式给出了具体的定量关系。虽然磁粉填充密度影 响平均磁感应强度大小，但是根据上面( b ) 图的简化模型，单独在“大磁粉链中流 过的磁通量的大小用公式表示为： 卟m 卫z o s 2 = t h i 卫i s 2 = 学( 2 - l o ) h s 硒是h s + 硒是h s 风s 2 在t t 大”磁粉链中分布的磁感应强度为置：孚：! 警 ( 2 1 1 ) 硕士论文车用磁粉离台嚣分析、设计及控制的研究 所以可以看出在磁动势一定的情况下，磁粉的填充密度只影响平均磁感应强度， 而不影响磁粉链中的磁感应强度。因为在磁动势一定的情况下产生转矩的剪切力只与 磁粉链作用的工作面积有关，即与( b ) 图中韵a 值大小有关且成正比关系。所以可 以得出结论：在保证不出现磁粉填充密度过大而使离合器工作时卡死的情况下，磁粉 的填充密度应该是尽可能大。 2 2 3 磁窜臣及磁极磁阻的计算 在计算了磁粉间隙的磁阻之后，进一步计算磁极和磁轭即通过电工软铁的磁阻。 为了计算的方便，认为电工软铁中的磁路的横截面积的大小是相同的。取主动件中励 磁线圈左边的磁路来计算横截面积，由于磁粉离合器的机构是是轴对称的( 如图2 3 ) ， 所以面积为2 石( r + c ) c ，再根据磁力线的路线可以计算磁路的长度为2 a + 5 c + 2 h + 扫， 根据磁路计算的基本原理整个磁极和磁轭的磁阻大小用公式表示为： 厶# ：三：2 a + 5 c + 2 h + b ( 2 1 2 ) 铁2 一u s 2 1 磊丽 屺。 为了方便，在上一小节中分析对工作间隙的磁感应强度的影响因素时，曾经忽略 了磁极和磁轭的磁阻产生的磁压降，即认为整个磁动势均分配在工作间隙两端，而在 进行磁粉离合器整个磁路磁阻的计算时两者就都必须予以考虑。比较( 2 - 8 ) 式和 ( 2 1 2 ) 式可以看到：虽然电工软铁的磁导率觞远远大于磁粉磁导率鸬和空气磁导 率风，但是前者磁路的长度( 2 a + + 2 h + b ) 也远远大于后者的磁路长度2 6 ，所 以在整个磁粉离合器的磁路计算过程中，炙谯相对于易来说不可以忽略，对于实际 的产品品大概是炙铁的十几倍，整个磁路的磁阻应是两者之和。 硕士论文车用磁粉离合器分析、设计及控制的研究 3a n s y s 磁场分析的前处理 3 1a n a s y s 电磁场分析模块简介 a n s y s 主要通过有限元方法来进行电磁场分析，有限元方法最大的优点是通用 性强，精度高，它可以分析电磁场的多方面问题如电感电容，磁通量密度、涡流、 电场分布，磁力线、磁力运动效应电路和能量损耗等。可以来有效的分析诸如电 力发动机，变压器、螺丝管、起动器电动机、磁成像系统，图象显示设备，传感器 ，回旋加速器，磁悬浮装置波导、谐振腔电解槽等各类设备的有关问题。软件提 供了丰富的线形和非线形材料的表达式，包括各向同性和各向异性的磁导率，材料的 b h 曲线和用磁体的退磁曲线，后处理功能允许用户显示磁力线以及通量密度等参 数。 a n s y s 分析时，必须从三个方面进行考虑： ( 1 ) 维数一当电磁场分析属于平面场问题或是轴对称场时，尽可能按2 d 场分 析处理。 ( 2 ) 场的类型若场仅由恒定源产生，则可认为静态场；若场是正弦交流且频 率较低时则可用谐场来处理；“顺态场是最接近实际的一种场，同时其代价也最高， 它是指场量的波形完全是无规律的，或某些即使有规律的波形利用“时曾法也只能计 算出平均值，此时也只能按“瞬态”场来分析。 ( 3 ) 有限元法基于节点法和基于单元边法传统的有限元法均是基于节点法 的，即每个节点均有若干个自由度，将这些不同节点的自由度列出有限元方程，然后 求解，其直观性较好，而且只要网格划分合理，可以保证良好的精度“6 1 1 1 7 1 。 3 1 1 电磁场求解中常见的边界条件 电磁场实际求解过程中，有各种各样的边界条件，但归结起来可包括为三种： d i r i c h l e t 边界条件、n e u m a n n 边界条件以及它们的组合u 9 2 0 1 d i r i c h l e t 边界条件用公式可以表示为：妒i r = g ( 1 - 3 、 其中r 为d i r i c l d e t 边界，g ( d 是位置函数，可以是常数或者是零。当为零时称 此为d i r i c h l e t 次边界条件。本文将要讨论的磁粉离合器的外围空气层的边界条件就可 以认为是d i r i c h l e t 次边界条件。 n e u m a n n 边界条件用公式表示为：a 妒，硫| r + ，妒l r = h ( r 3 其中r 为n e u m a n n 边界，一为边界r 的外法线矢量，( d 和矗为一般函数( 可 以为常数和零) 当为零对为n e u m a n n 次边界条件 硕士论文车用磁粉离舍嚣分析设计及控制的研究 在电磁场问题的求解中，只有在边界条件和初始条件的限制时，电磁场才有确定 解。所以通常称此类问题为边值问题和初值问题。 3 1 2 电磁场求解的方法和步骤 在a n s y s 中进行电磁场求解的基本方法是有限元法，有限元法是把要求解的区 域划分成若干个小区域，这些小区域称作为“单元 或“有限元，从而采用线性或非线 性方法求解每一个小区域，然后把各个区域的结果总和便得到了整个区域的解。整体 区域划分成单元后，在单元上求解便得非常简单，仅是一些代数运算，如在单元内应 用线性插值法就得到单元内未知点的值，而区域积分交成了小区域的求和。 有限元法在c a e 各个领域特别是应力分析方面已经比较成熟，电磁场分析的过 程与应力分析的原理和过程基本类似。其原理是将所处理的对象首先划分成有限个单 元，每个单元包括若干个节点，然后根据矢量磁势或标量磁势求解一定的边界条件和 初始条件下每一个节点处的磁势或电势，继而进一步求解出其他相关量，如磁通量密 度，磁场强度值等。a n s y s 对此问题的主要分析过程如下： ( 1 ) 定义物理环境，包括坐标系的选用、单位制设定、有限元单元选用与说明和 材料特性定义等； ( 2 ) 对电磁机构进行几何建模，然后对其求解区域用选定的单元进行划分，并对 划分的单元赋予特性和进行编号； ( 3 ) 施加边界条件和载荷： ( 4 ) 求解和后处理。 。 3 2a n a s y s 磁场分析的前处理步骤 3 2 1 在a n s y s 中对磁粉离合器建模 对磁粉离合器进行磁场分析必须先要在a n s y s 中对其进行建模。由于实际的产 品图比较复杂，包括轴承、螺栓、键槽等，而本论文只需对磁粉离合器的主要磁路进 行分析，所以对其进行简化，即对磁力线分布的主要部分建模。磁粉离合器是一个轴 对称图形，在任意一个轴对称面上磁场分布的情况完全一致，所以只需要建立它的 2 1 ) 模型。对于3 d 模型中的磁场分布状况，可以通过a n s y s 中后处理模块还原立体 模型。 根据上面的简化，本论文主要对磁粉离合器的主动转子( 包括线圈和隔磁环) 、 从动转子、磁粉的工作问隙( 分为磁粉和空气间隙) 以及围绕在离合器外围的空气层 进行建模。除了在结构上进行了简化，在其他方面也作了一些处理： ( 1 ) 在对磁粉工作闻隙建模时，考虑到如果按照磁粉链的实际分布情况建模非 1 3 硕士论文 车用磁粉离台嚣分析，设计及挫制的研究 零复杂墓苓太瑗实，骥戮壤摆蓬2 4 巾熬麓诧，工终簿隙教看露是峦毒缀多套豹爨餐 链组成豹“穴磁粉链”以及空气隙两个分开的部分所组成，两部分分别以隔磁环上下对 称，且工作间隙内部的空气隙与围绕柱磁粉离合器外围的空气滋相连通。 2 ) 在实际的产菇枣为了增加磁耪离舍器工俘簿骧磁粉的填充密度，麸动转子 土分布存缀多戆谵耪稽，这垡褚耪稽在工作对是不能作为有效瑟积传递转短鹃，所瑷 在对从动转子建模时其磁极宽度按照实际宽度缩小约1 3 倍，这样更接近实际韵情况。 圈3 1 磁粉离台器2 d 援型 踅3 1 楚在a n s y s 孛豹疆耪麓念器静麓纯模黧。由于产葫瓣结褥为辘瓣称，所 以只要建娆实体模型的一个截面。熬个模型是以圈中y 轴为对称轴的，最外围一层 区域为空气层，a n s y s 在计算过程中会求解磁粉离合器在空气层中的漏磁。空气层 审磁擐嚣戏撵形状静( 搽号荛a 7 ) 必寒舍器簸动转子，鑫逮( 标号为a 8 ) 懿矩形区 域为离合嚣的主动转予，中间包含线潮和隔磁环，磁粉工作间隙位于主动转予和从动 转子之间。 3 2 0 定义瓣耱曩缝；整慈努萃元类羹 磁粉离合器模型备个区域材料性熊不同，其羹要磁路总共包括四种材料，按照相 对磁导率从小到大分别是：蕊磁环、空气、磁粉以及电工软铁。隔磁环的作娜是阻止 磁力线逶避，磁霉率较夺，在a n s ￥s 榜辩藩毪巾耀霹磁导率设霪海0 1 。 1 4 里垡：! ! ：! l 兰望壁丝苎鱼墨坌堑：堡兰墨丝型竺翌窒 图3 2 隔磁环磁导率定义 空气分布在磁粉离合器的外层以及磁粉工作区域内，在a n s y s 材料属性中相对 磁导率设置为l 。 图3 3 空气磁导率定义 而磁粉的磁导率是以b h 曲线给出的，图3 4 是在a n s y s 中对磁粉磁导率的拟 合曲线。 颂士论文 车用磁粉离合器分析设计及控制的研究 锉”7j 47 坤r 坩。 ? 嗍“1 。带1 。 t r 7 rl一 ll l |i纠l ； 一l ； lil ； ；l l l 菇l 攀 卜 l 撕； 口砧 h 图3 4 磁粉磁导率定义 电工软铁磁导率也是在变化的，用于磁粉离合器的电工软铁的饱和磁感应强度在 1 6 0 0 0 g s 以上，磁粉离合器在达到额定转矩时，工作间隙的平均磁感应强度约为 8 0 0 0 g s ，由计算可知此时的电工软铁中的磁感应强度约为1 2 0 0 0 g s 左右，由电工软 铁的b h 曲线可得在0 到1 2 0 0 0 g s 这个区间内( 曲线的斜率) 磁导率变化较小，所 以在定义它的材料属性相对磁导率的值设为常值3 0 0 0 。 图3 5 电工软铁磁导率定义 a n s y s 电磁场模块针对2 d 模型的平面场分析有其规定的单元类型，最常用的 两种类型包括p l a n e l 3 和p l a n e 5 3 ( 表3 1 ) 其中p ia n _ e 1 3 的形状有：4 节点 四边形和3 节点三角形；p l a n e 5 3 为四边形8 节点和6 节点三角形1 2 5 l 。对于相同的 单元尺寸，用p l a n e 5 3 进行网格划分比p l a n e l 3 节点数更多，求解也更精确，所 以采用p l a n e 5 3 单元格。它包含四个自由度：矢量磁势( a z ) 、时间积分、电流、 1 6 电动势压降。由于整个模型的形状以矩形为多，所以选择四边形8 节点形状的单元划 分两格比较均匀 表3 - 1 电磁场有限元分析的单元类型嘲 x 臼f 船糯毋 城k 务 墨| 铀明赶i 髓霸娟孽| 莹 图3 6p l a n e 5 3 单元形状和节点数 并在a n s y s 中对p l a n e 5 3 单元属性设置为( e l e m e n tb e h a v i o r 项选a x i s y m m e t r i c ) 。 硕士论文 车用磁粉离音嚣分析、设计及控制的研究 3 2 3 跨捺数对穗l 场分耩结系翦澎稍 在对模型的各个区域赋予材料属性和单元属饿之后，对模型邂行网格划分。理论 上努摄瓣楱数越多，那么求解懿结采蔽该越薅礁，懿霆一嚷逡壤麓网疆数篷会增热谤 算豹负掇；同对，如采潮格数爱变化时求裤的结果变化很大，这会影响解豹可参考性， 因此对磁场分析做网格数的灵敏度计算是很有必嚣的。 图3 8 分裂以鼹格逑长大小为0 。0 0 4 m 、0 0 0 3 m 、0 。0 0 2 m 、o 0 0 1 m 和o 0 0 0 8 m 对 摸墅遴露了弼捂翅分。 图3 8 不间髓格大小划分的结果 瘸络题分之嚣，分麓薅线餐嚣域翅羧1 8 5 9 5 0 4 a l c m 2 稚鍪予6 3 0 安蓬鹣聚磁耄 流) 进行求解，得到各个节点的b x ( 丑的水平方向) 的值。分别求取工作阐隙中磁 粉区域的带点b x 的平均值 只有b x 的值影响离龠器传递转矩的大小) 由于网格 1 8 硕士论文 车用磁粉离台器分析、设计及控制的研究 密度不同，所以工作间隙区域的节点数也不同，其对应的节点值如下所示： ( 1 ) 网格边长大小为o 0 0 4 m ，单元总数1 2 0 2 个，选取的两个节点值的大小为： i n o d e i b x l b y i b z i b s u m l 3 3 4 2 l 1 2 0 7 0 l0 3 8 5 1 3 e - 0 11 0 0 0 0 0 l 1 2 0 7 7 l ： 3 4 4 l 1 0 5 8 0 10 8 4 7 6 3 e - 0 2l 0 0 0 0 0 i 1 0 5 8 1 ( 2 ) 网格边长大小为0 0 0 3 m ，单元总数2 1 4 8 个，选取的三个节点值的大小为： l n o d e i b x l b y i b z i b s u m i 5 8 9 81 2 1 8 60 7 1 6 - 1 7 e 4 ) 110 0 0 0 01 _ 2 2 0 7 i 5 9 0 0 1 0 5 3 5旬4 0 4 7 0 e - 0 210 0 0 0 01 0 5 3 5 i 5 9 0 21 0 2 9 l0 4 8 2 7 6 e - 0 210 0 0 0 01 0 2 9 l ( 3 ) 网格边长大小为0 0 0 2 m ，单元总数4 6 8 5 个，选取的四个节点值的大小为： n o d e b x b yb zb s u m 1 2 6 1 9 1 0 5 5 7- o 2 6 5 8 7 e - o l0 0 0 0 01 0 5 6 1 1 2 6 2 11 0 2 8 l0 9 5 1 3 9 e 0 20 o 【) 0 01 0 2 8 l 1 2 6 2 31 - 0 3 1 l旬1 5 3 9 4 e 觎o o 0 0 01 0 3 1 1 1 2 6 2 51 0 3 1 30 1 9 11 7 聃2o 0 0 0 01 0 3 1 3 ( 4 ) 网格边长大小为0 0 0 1 m ，单元总数1 6 7 7 6 个，选取的八个节点值的大小为： n