磁流变阻尼器磁路设计及磁饱和有限元分析.pdf

第 l 0 卷第 4期 2 0 0 4年 l 2月 功能材料与器件学报 J OUR NAL OF F UN CT I O NA L MAT E RI AL S AND DE VI CE S Vo 1 1 0 N o 4 D e c 2 0 0 4 文章编号 1 0 0 7 4 2 5 2 2 0 0 4 0 4 0 4 9 3 0 5 磁流变阻尼器磁路设计及磁饱和有限元分析 张红辉 廖昌荣 陈伟民 黄尚廉 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 重庆 4 0 0 0 4 4 摘要 针对磁流变阻尼器的典型磁路结构 阐述了磁流变阻尼器的磁路设计原理 并针对实例进行 了设计计算 提出了避免设计中遇到的磁饱和现象的方法 利用 A N S Y S软件进行了有限元分析 表明了有限元方法在磁流变阻尼器磁路设计中的应用价值 关键词 磁路设计 磁流变阻尼器 磁饱和 有限元分析 中图分类号 T M 2 7 文献标识码 A M a g n e t i c d e s i g n o f M R d a mp e r a n d FEM a n a l y s i s o n s a t u r a t i o n ZHANG Ho n g h u i L I AO C h a n g r o n g C HE N We i rai n HUANG S h a n g l i a n K e y L a b o r a t o r y f o l O p t o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g y a n d S y s t e ms E d u c a t i o n Mi n i s t r y o f C h i n a C h o n g q i n g U n i v e r s i t y C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e t y p i c a l ma g n e t i c p a t h s t r u c t me t h e d e s i g n p r i n c i p l e o f t h e ma g n e t i c p a t h wa s d i s c u s s e d a n e x a mp l e o f t h e d e s i g n me t h o d t o a v o i d t h e ma g n e t i c s a t u r a t i o n wa s p u t f o r w a r d An d t h e ma g n e t i c s a t u r a t i o n W I S a n a l y z e d b y t h e AN S YS F EM T l l e r e s u l t s s h o w t h a t t h e F EM me t h o d i s v a l u a b l e i n t h e ma g n e t i c d e s i g n o f t h e ma g n e t o r h e o l o g i c a l d a mp e r s Ke y wo r d s ma g n e t i c d e s i g n MR d a mp e l s ma g n e t i c s a t u r a t i o n F E M a n a l y s i s l 引言 磁流变液由载体液 分散于载体液中的铁磁性 或顺磁性微粒和添加剂组成 当施加外加磁场时 磁 流变液可以快速获得 几乎完全可逆的屈服强度变 化 屈服应力变化从 0 1 0 0 k P a 经历从液态到半 固态的过程 1 典型的磁流变阻尼器应由工作缸 节 流装置 励磁线圈和密封在工作缸中的磁流变液组 成 它不仅要求作为工作介质的磁流变液具有零场 粘度低 屈服应力大 响应时间短 良好的沉降稳定 性和凝聚稳定性等优 良性质 尤为关键的是 磁流变 液必须具有高的饱和磁感应强度 以保证融 变阻 尼器有足够大的力值调节范围 避免磁流变液过早 饱和带来的不利影响 选择性能优良的导磁材料以及磁流变液 只是 磁路设计的第一步 关系到设计意图能否实现 良好 的磁路设计还取决于良好的磁路结构设计 磁场在 导磁体中的传递形成回路 回路中任何位置达到饱 币 将影响整个回路工作磁场的进一步增大 因此 在研究工作中 需要进行磁流变阻尼器磁路设计的 探讨和磁饱和分析 解决在研究进程和工程实施中 遇到的问题 推进磁流变阻尼器在工程领域的应 J 收稿 日期 2 0 0 4 0 3 2 9 修订 日期 2 0 0 4 0 6 0 4 基金项目 国家 自然科学基金重点项目 N o 5 0 1 3 5 0 3 0 重庆市院士基金项 目 N o 0 2 7 7 5 4 作者简介 张红辉 1 9 7 7 一 男 江西黎川人 博士生 研究方向为智能结构系统 E m a i l h h z a i m m 1 6 3 c o 维普资讯 4 9 4 功能材料与器件学报 l O卷 2 磁路的设计计算 2 1磁场基本参量 基于铁磁物质的磁导率大大超过了非铁磁物质 的磁导率 即磁导率大的导磁体构成磁通的路径 以 下的设计计算中忽略了漏磁效应 类比于电路基本定律 欧姆定律 磁路的基本 参量有磁阻 R 磁通 和磁势 F 并有如下基本关 系成立 F R 1 其中磁势 F又可表达为 F M r A J 为线 圈匝数 为励磁电流 磁通 为 I B d S W b B为通过面积 S 的磁感应强 J S 度 假设磁路 面积为 S m 磁路平均长度为 f f m 相对磁导率为 则磁阻 可以表示为 l A T W b 2 2 2磁流变阻尼器的磁路设计 根据结构设计的结果 可以得到基本的磁路结 构如图 1 所示 其中 g为磁流变液的工作间隙宽 度 D为活塞直径 为活塞长度 t 为工作缸筒厚 度 d 为活塞杆通孔 用以引出导线 直径 一 b b l l r 一 J y 二 l 一 l F i g 1 Ma g n e t i c c i r c u i t o f MR d a mp e r 图 1磁流变阻尼器磁路结构图 由磁流变液的性能测试曲线 可以得到磁流变 液工作的磁感应强度区间 假定磁流变液工作间隙 为均匀磁场 在饱和磁感应强度为 s 时 由于间 隙 g 远小于活塞直径 D时 则通过间隙的磁通为 sB d S B S rrD b 3 对于图 1 所示的磁路结构 磁路形成闭合回路 类比于串联电路可知 在磁路各处的磁通量应为恒 值 磁流变阻尼器的零场阻尼力应满足使车辆等正 常工作的条件 因此可以根据流体动力学得到合理 的磁流变液工作间隙宽度 g 根据同心圆柱极表面 间的磁导公式 磁流变液工作间隙的磁势降 磁压 降 为 4 F 一 f 4 1 A g 2 M R 此处 n 为磁流变液的磁导率 A 为间隙磁 导 同样 可以计算除了工作间隙之外的导磁体的 磁导以及磁压降 为此将活塞分成三部分 如图 2 所 示 F i g 2 S c h e ma t i c d r a w i n g l b r ma g n e t i c r e l u c t a n c e 图2 导磁体磁阻计算图 区域 1 区域 2 区域 3 组成导磁体 工作间隙组 成磁路 对于区域 1 其磁阻为 尘 一 5 P o P m IT D一 2 h 2 一 d 2IX o h 2 h 一 L 一 一 J 同理 区域 2和区域 3的磁阻分别近似为 IX o lX T b 6 r p R 3 一 7 IX o lX h v r D g 其中 分别为活塞材料和工作缸材料的 相对磁导率 维普资讯 4 期 张红辉等 磁流变阻尼器磁路设计及磁饱和有限元分析 4 9 5 总磁势为 F c 尺 2 尺 R 三 c8 根据总磁势 F 再根据阻尼器的功率和散热状 态确定最大激励电流 可以确定所需要的线圈 匝数 F 9 由于图 1 所示磁路为串联磁路 忽略漏磁效应 磁路回路中各处的磁通相等 因此 假定磁流变液和 活塞 缸筒的材料饱和磁感应强度分别为 B S M R B S p isl0 B S 导磁体磁通面积分别为 S M S S z s 1 2 分别代表活塞的两个区域 3 代表缸筒区域 3 将它们分别相乘 乘积最小者磁通通过能力最 低 将最先达到饱和状态 2 3 磁流变阻尼器磁路实例 有如下磁流变阻尼器结构 D 4 0 L 6 9 d 1 2 h 8 b 2 4 g 1 t 3 将结构参数代人磁路 设计过程的各公式中计算磁阻 然后求解磁势方程 得 F N 3 3 8 7 A T 假设磁流变液饱和磁感应强度为 0 6 T 活塞与 缸筒的饱和磁感应强度相同 均为 2 5 T 则有 S M B S M a 1 8 1 0 S l B S 8 4 8 S 2 B5 7 5 3 9 S 3 B S 1 0 0 1 从以上计算可知 活塞的区域 1 将最先达到磁 饱和状态 从而阻碍磁路磁通的继续增大 此时磁流 变液工作间隙处并没有达到所期待的比较大的磁感 应强度 下一个将出现饱和的将是缸筒区域 因此 有必要对活塞和缸筒进行设计修改 以磁流变液工 作间隙处的磁通值为准则 使磁流变液工作间隙 活 塞以及缸筒的饱和现象同时出现 由于电磁线圈处的高度 h变化不大 活塞杆孔 直径 d 也决定于机械结构的强度 所以 为了避免 活塞区域 1 过早达到饱和状态 根据区域 1 磁通通 过能力大致正比于 D的平方 而磁流变液工作间隙 的磁通通过能力仅正比于 D 可以适当增大活塞直 径 D 使区域 1 的磁通通过能力提高并接近磁流变 液工作间隙的磁通通过能力 假设将结构参数修改为 D 5 0 J 6 9 d 1 2 h 8 b 2 4 g 1 t 3 此时 S M lt BS M R 2 2 6 2 S l B S I 1 9 8 7 S 2 B S 9 4 2 5 S 3 B S h 1 2 3 7 缸筒变成最先达到磁饱和的区域 为了避免这 种情况 只有增大缸筒的壁厚 t 此外 根据以上公 式 由于活塞材料的饱和磁感应强度总比磁流变液 高 活塞区域 2 总不会先于磁流变液工作间隙达到 磁饱和 基于本磁路结构 仅需根据磁路需要以及结 构设计对活塞直径 D 缸筒壁厚 t 和活塞裙部长度 b 进行折中设计 综上所述 根据结构设计的结果 然后对结构进 行磁路优化 以达到优良的磁学性能 充分发挥材料 的导磁能力 但是 由于在磁路设计过程中涉及的相 对磁导率 材料饱和磁感应强度等物性参数都不是 常量 而是随着磁感应强度等磁场参量而变化的 因 此 传统的磁路设计方法并不能完全满足磁流变阻 尼器的设计需要 由此而产生的磁路结构也不尽合 理 存在局部磁饱和问题 导致不能充分发挥材料导 磁性能 放大磁流变阻尼器阻尼力的范围 以下将考 虑材料非线性等因素 利用有限元软件对磁流变阻 尼器的磁饱和问题进行解析仿真 3 磁饱和的有限元分析 3 1电磁场的约束方程 宏观的时变电磁场都服从麦克斯韦方程组 s f H d 2 詈 d r f E d 等 d r B d S 0 f D d S 尸 d 式中 f 是曲面 r的周界 5是区域 的闭曲 面 日为磁场强度 s 是外源的电流密度 是导电 媒质中电流密度 D是电位移 E是电场强度 B是 磁感应强度 t 是时间 但以上麦克斯韦方程组不是 一 个完备方程组 还需补充媒质方程关系 对于线性 媒质有 维普资讯 功能划魁与器件学报 l 0卷 I e E B f 1 联立以上方程组 即可成为一个完备方程组 可 以对电磁场进行解析计算 电就是有限元法计算电 磁场的理论依据 3 2电磁场的边界条件处理 为了确定电磁场的分布状况 除需要有场量的 约束方程外 还应具备场量在不同媒质交界面两但 所满足的边界条件 E 一日 0 j 2 其中i i 分别代表边界两侧媒质 n 为边界的法 向 上式表明磁感应强度在界面法向具有连续性 忽 略漏磁效应 在导磁体外部不存在磁场 也就是说 在导磁体边界外的媒质中 空气或其它非 导磁利 料 边界外法向的磁感应强度为零 世即 导磁休 内部靠近边界的磁感应强发方向 然平行于 界面 3 3磁饱和问题的有限元分析 根据上文提出的磁 ifc 变阻尼器实例 利用 A N S Y S 软件对磁饱和问题进行了分析由于罘 的是 轴对称磁路结构 因此 可以将三维电磁场问题简化 为二维二分之一轴对称平面电磁场进行计算 分析 实例采用的导磁体材料如 I 活塞一I y 14 l乜 上纯铁 阻尼器外筒一l 0 钢 空气采用臂相对磁导率 I 磁流 童的柑对磁导率为常数 取为 8 然后 针对 D 4 0 C 6 9 d l 2 h 8 6 2 4 g 1 3 的结辛 句 参数 结构一 和 D 5 0 L 6 9 d l 2 h 8 2 4 g 1 3的结构参数 结构二 分别建立有限元模型 平行磁通处理边 羿条件 并且加上同样的激励 3 0 0 A T 计算它 们的电磁场分布 情况 图3 为磁感应强度分布状态 剥比 国4 为间隙磁感应强度分布图对比 从以上分析结构可知 对于结构一 在活塞轴 处由于截面积过小 磁通通过能力过低 首先达 到融饱和状态 通过结构改进设 J 加大了活塞轴 心直径 使得截面积增加后 此时 阻尼器套筒首先 j 土 到盛饱和状态 扶图 3 的磁场慢度分布可见 由 于饱利现象的出现 虽然在结构一曲轴心位置以及 结构二阻尼器套筒位置的磁场强度较大 但并不能 继续增 人此处的磁感应强度 从而影响磁流变液工 n 1 l司盼I 10 磁感应强度的增加 I 图 4 间隙磁感应强 分布图可知 1 结构一的间隙磁感应强度大致在 I 4 0 0 2 5 0 0 G s 之间 而结构二的间隙磁感应强度 增大为2 0 0 0 3 8 5 0 G s 之间 可见增大轴心直径有 效地增加了磁流变液工作间隙的磁感应强度 4 结论 理沧与数值计算结果表明 针对磁 i c 变阻器典 型的m路结构 本文提出的磁路设汁方法是正确有 嫂的 划磁饱和现象的预测准确无误 对于其他结 i g 3 C1 I J L r o I ma l n e l l e i n l l u L t i u n 1 t l t r u c t 2 囝 3站伪一与结构二磁感应强表蚋讣布圈 维普资讯 4期 张红辉等 磁流变阻尼器磁路设计及磁饱和有限元分析 4 9 7 F i g 4 Co n t o u r s o f ma g n e t i c i n d u c t i o n f o r MRF w o r k i n g g a p 图 4结构一与结构二磁流变液工作间隙磁感应强度分布图 构的磁流变阻尼器 可以用类似的方法进行磁路分 析 优化磁路设计 充分发挥材料的磁I生 能 尽量提 高磁流变液工作间隙的磁感应强度 增大磁流变阻 尼器的可调力值范围 参考文献 1 廖昌荣 陈伟民 余淼 等 汽车磁流变减振器设计准则 探讨 J 中国机械工程 2 0 0 2 l 3 9 上接 p 4 9 2 6 赵达尊 张怀玉 著 空间光调制器 M 北京 北京 理工大学出版社 1 9 9 2 7 F r 6 d 6 r i c P 6 r e n n s Wi l l i 6 m A C r o s s l m 1 d O p t i m i z a t i o n o f f e r r o e l e c t r i c l i q u i d c r y s t a l o p t i c a l l y a d d r e s s e d s p a t i a l l i g h t m o d u l a t o r p e ff o r m a n c e J Op t i c a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 7 3 6 8 2 2 9 4 2 3 0 1 8 Y u k i o T a n a k a A k i o T a k i m o t o H i s a b i t o 0 g a w a An a l y s i s o f c h a r g e c o n t r o l l e d g r a y s c a l e i n f e r r o e l e c t r ic l i q u i d c rys t a l o p t i c a l l y a d d r e s s e d s p a t i a l l i g h t m o d u l a t o r J J a p a n e s e J Ap p l i c a t i o n P h y s i c s 1 9 9 4 3 3 6 3 4 6 9 3 4 7 7 9 H u d s o n T D Wo r c e s t e r R K G r e g o r v D A P e r i b r Ju a n c