混合磁源式磁流變閥的數值研究

楊小龍，宋云云，劉港

(廣西科技大學機械與汽車工程學院，廣西柳州 545006)

0 前言

傳統的磁流變閥[1-3]由磁流變液、閥芯、勵磁線圈和阻尼流道組成。幾何結構是影響磁流變閥壓降和動態性能的主要因素。為了實現更好的動態性能，研究磁流變閥的結構和優化設計非常必要。GRUNWALD和OLABI[4]對軸向式磁流變閥進行了結構設計和實驗分析，結果表明：在電流為4.5 A時，其壓降可達1.5 MPa。HU等[5]開發了一種雙線圈磁流變閥，通過增加勵磁線圈的數量可以實現多級壓力調節。IMADUDDIN[6]和HU等[7]對緊湊型磁流變閥進行了研究，間隙對其性能有很大的影響。KUBK等[8]對閥進行了設計、模擬和實驗測試，結果表明：可實現平均響應時間為4.1 ms和壓降的最大動態范圍為8。IMADUDDIN和胡國良等[9-10]對環形和徑向間隙組合形成的蜿蜒式流動路徑進行了研究，研究磁流變閥的壓降變化規律。胡國良等[11]提出了一種新型阻尼間隙可調式磁流變閥結構,可通過旋轉閥芯改變與閥體之間的相對位置來改變阻尼間隙。胡國良[12]和陳文等人[13]對磁流變閥的結構進行優化設計及性能分析，比較優化前后的結果。HU等[14-15]不僅對徑向磁流變閥的動態性能進行了分析，還對它在閥控缸系統中的應用進行了研究。在結構設計領域，雖然磁場的利用可以在有限的空間內提高磁流變閥的磁力線利用率，但會增加閥結構的復雜性。

為了在磁流變閥的阻尼通道簡單的情況下增加閥的壓降性能，本文作者提出一種基于軸向環形液流通道混合磁源的磁流變閥。混合磁源式磁流變閥的磁力線在隔磁環和永磁體的共同作用下，引導垂直通過液流通道，改變輸入電流，高梯度磁場產生變化，進而有效改變磁流變閥的壓降性能。利用有限元法對研制的磁流變閥的磁路進行設計、建模和仿真。建立磁流變閥的磁流場仿真模型，分析磁流變閥的輸入電流、液流通道阻尼間隙、圓環厚度和隔磁環厚度4個參數對磁流變閥壓降性能的影響規律。

1 磁流變閥的結構設計

1.1 混合磁源式磁流變閥的工作原理

混合磁源式磁流變閥的詳細結構與通道如圖1所示。其中,Δp1和Δp7為牛頓小孔流道對應的壓降，Δp2、Δp4和Δp6為徑向通道中的壓降，Δp3和Δp5為軸向通道中的壓降。

圖1 混合磁源式磁流變閥的結構與通道

該磁流變閥由環形流道、徑向流道和小孔流道依次組成。在工作狀態下，磁流變液流經左端蓋、左側小孔通道、徑向阻尼間隙、環形阻尼間隙、徑向阻尼間隙、環形阻尼間隙、徑向阻尼通道，最后從右端蓋流出。小磁環、閥體和大磁環由45鋼的磁性材料制成。端蓋和隔磁環由非磁性不銹鋼材料制成。如圖1所示，由于勵磁線圈施加電流，磁流變閥可以形成閉環磁場。當磁場產生時，流經流體流動阻尼通道的磁流變流體將立即從牛頓流體狀態變成鏈狀固態，這增強了磁流變流體的屈服應力，導致磁流變流體的流動受阻，從而形成磁流變閥入口和出口之間的壓降。這樣，磁流變閥的壓降可以通過調節勵磁電流來連續控制。因此，在保證磁路滿足設計要求的前提下，徑向阻尼間隙固定為1.0 mm，軸向阻尼間隙分別設置為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 mm。開發的閥門外徑尺寸為45 mm，總長度為47 mm。

1.2 混合磁源式磁流變閥的磁路設計

圖2所示為磁流變閥的磁路與結構參數。假設磁路中的磁力線均勻分布，不考慮漏磁，整個閉環可以寫成:

φ=φsteel

(1)

其中:φ為由勵磁線圈產生的磁通量和永磁體產生的磁通量;φsteel為導磁部件的磁通量。

圖2 磁流變閥的磁路

根據基爾霍夫定律，相應的磁路可由式(2)確定:

(2)

其中:Nc為勵磁線圈的匝數;I為施加到勵磁線圈的電流;Hi、li分別為磁路中部分的磁場強度和有效長度。另一方面，線圈中的磁通量可以表示為

(3)

其中:Bi和Si分別為磁路中i部分的磁通密度和橫截面積。

根據電磁理論，磁通密度B和磁場強度H之間的關系可以用式(4)表示:

Bi=μ0μiHi

(4)

其中:μ0為真空的絕對磁導率，其值為4π×10-7N/A2;μi為各部分磁性材料的相對磁導率。磁路中各部分的磁阻可以表示為

(5)

因此，可以進一步表示為

(6)

磁路各部分的磁通密度B可以寫成式(7)，但不超過磁性材料的飽和磁通密度:

(7)

式中:Bi為Biset鏈中相應材料的飽和磁通密度。通過計算之后，磁流變閥的主要結構參數如表1所示。

表1 磁流變閥主要結構參數 單位：mm

2 磁流變閥的壓降數學模型

根據圖1所示磁流變閥液流通道，建議的磁流變閥的總壓降分別包括圓管流道、導流板中的導流孔、環形流道、徑向流道和小孔流道的壓降。磁流變閥的總壓降p表示為

Δp=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4+Δp5+Δp6+Δp7

(8)

Δp1和Δp7為牛頓小孔流道對應的壓降，由式(9)給出：

(9)

其中：μ為1 Pa·s的零磁場的動態黏度；q為液壓系統的流量，其值為4 L/min。

Δp3和Δp5為軸向通道中的壓降，由式(10)給出：

(10)

Δp2、Δp4和Δp6為徑向通道中的壓降，由式(11)推導得出

(11)

3 磁流變閥的磁場仿真

根據表1所示的混合磁源式磁流變閥結構幾何參數，在ANSYS中建立如圖3所示的模型。在此模型中，A1是導磁材料，A2是磁流變液，A3是勵磁線圈，A4是非導磁材料，A5是永磁體。導磁材料是45鋼，磁流變液是MRF-J01T，勵磁線圈是0.6 mm漆包銅，導磁材料是304不銹鋼，永磁體材料選擇NdFeB，剩磁Br=1.10 T，矯頑力Hc=0.955×106A/m。圖4所示為混合磁源式磁流變閥結構的磁力線分布。

圖3 混合磁源式磁流變閥結構

圖4 混合磁源式磁流變閥結構的磁力線分布

由圖4可以看出：絕大部分的磁力線均垂直通過所設計的液流通道，隔磁環和永磁體對磁力線的引導起到一個很好的作用，這證明了結構設計的合理性。

4 壓降性能影響因素仿真分析

混合磁源式磁流變閥的壓降性能主要受有效電流、液流通道軸向阻尼間隙、圓環厚度和隔磁環厚度的影響。采用 ANSYS電磁場仿真軟件對磁流變閥壓降性能進行參數化仿真，改變上述參數，分析得到了上述參數對混合磁源式磁流變閥壓降的影響規律。

4.1 有效電流對磁流變閥壓降性能的影響

將混合磁源式磁流變閥的流量設置為4 L/min、阻尼間隙為1 mm、圓環內外徑差為8 mm、隔磁環厚度為5 mm，仿真得到不同有效電流時混合磁源式磁流變閥的阻尼通道內的磁感應強度分布，如圖5所示。通過MATLAB計算，得到有效電流對混合磁源式磁流變閥壓降的影響，如圖6所示。

圖5 不同有效電流時阻尼通道的磁感應強度分布

圖6 有效電流對閥壓降性能的影響

由圖5可知：在通入電流小于2 A時，有效阻尼通道間隙內磁感應強度小于所設計的磁感應強度0.5 T，所以從阻尼通道的磁感應強度分布可以看出：通入電流為2 A時，可以認為閥的壓降達到飽和。

由圖6可知：閥的壓降值隨著電流的增加而增加，在零電流的情況下，閥的壓降由黏性壓降和永磁體提供的磁致壓降所組成。在有效電流為0～2 A時，閥的壓降值隨著電流的增加而增加。在通入電流大于2 A時，閥的壓降基本保持不變，這說明，2 A為該閥的飽和有效電流，閥的飽和磁致壓降為8.553 2 MPa。

4.2 液流通道軸向阻尼間隙對磁流變閥壓降性能的影響

將混合磁源式磁流變閥的流量設置為4 L/min、有效電流為1.5 A、圓環內外徑差為8 mm、隔磁環厚度為5 mm，仿真得到不同液流通道軸向阻尼間隙下混合磁源式磁流變閥的阻尼通道內的磁感應強度分布，如圖7所示。通過MATLAB計算，得到液流通道軸向阻尼間隙對混合磁源式磁流變閥壓降的影響，如圖8所示。

圖7 不同軸向間隙的阻尼通道的磁感應強度分布

圖8 軸向間隙對閥壓降性能的影響

由圖7可知：在軸向間隙等于0.6 mm時，有效阻尼通道間隙內磁感應強度最大，大于所設計的磁感應強度0.5 T，在軸向間隙大于0.6 mm時，液流通道軸向阻尼間隙的磁感應強度不斷地減小，最后小于所設計的磁感應強度0.5 T。

由圖8可知：隨著軸向阻尼間隙的增大，混合磁源式磁流變閥壓降隨之減小。在軸向間隙為0.6～0.8 mm時，閥的壓降呈現快速下降，主要是由于電流為1.5 A，使得閥的飽和壓降提前出現，以及磁阻增長得過快，導致壓降下降得過快。在軸向間隙大于等于1 mm時，有效阻尼通道間隙內磁感應強度小于設計的磁感應強度0.5 T，此時有效電流不滿足閥的飽和壓降，所以閥的壓降緩慢減小。

4.3 圓環厚度對磁流變閥壓降性能的影響

將混合磁源式磁流變閥的流量設置為4 L/min、阻尼間隙為1 mm、有效電流為1.5 A、隔磁環厚度為5 mm，仿真得到不同圓環厚度時混合磁源式磁流變閥的阻尼通道內的磁感應強度分布，如圖9所示。通過MATLAB計算，得到圓環厚度對混合磁源式磁流變閥壓降的影響，如圖10所示。

圖9 不同圓環厚度的阻尼通道的磁感應強度分布

圖10 圓環厚度對閥壓降性能的影響

由圖9可知：有效阻尼通道間隙內磁感應強度隨著圓環厚度的增加而減小，這是由于增大圓環厚度會減小永磁體的內外徑差，減小了永磁體的磁動勢，從而減小了有效阻尼通道間隙內磁感應強度。但圓環厚度不是越小越好，因為磁流變液的飽和磁感應強度為0.5 T，過小的圓環厚度并不會帶來較高的閥壓降。

由圖10可知：隨著圓環厚度的增大，混合磁源式磁流變閥的壓降隨之減小。當圓環厚度小于等于8 mm時，閥的壓降基本達到了飽和值，主要是其阻尼間隙的有效工作長度的磁通密度大于0.5 T，而圓環厚度增大，減小了永磁體的磁動勢，所以閥的壓降緩慢下降；當圓環厚度大于8 mm時，其阻尼間隙的有效工作長度的磁通密度小于0.5 T，而圓環厚度增大，減小了永磁體的磁動勢，對閥的壓降有決定性的作用，所以此時閥的壓降較快下降。

4.4 隔磁環厚度對磁流變閥壓降性能的影響

將混合磁源式磁流變閥的流量設置為4 L/min、阻尼間隙為1 mm、圓環內外徑差為8 mm、有效電流為1.5 A，仿真得到不同隔磁環厚度時混合磁源式磁流變閥的阻尼通道內的磁感應強度分布，如圖11所示。通過MATLAB計算，得到隔磁環厚度對混合磁源式磁流變閥壓降的影響，如圖12所示。

圖11 隔磁環厚度的阻尼通道的磁感應強度分布

圖12 隔磁環厚度對閥壓降性能的影響

由圖11可知:隨著隔磁環厚度的增大，使隔磁環大圓環對應間隙的磁感應強度減小，以及使小圓環的阻尼通道內磁感應強度增大。隔磁環厚度對大圓環的磁感應強度影響較小，對小圓環的磁感應強度影響較大，但是小圓環的磁感應強度基本飽和，所以隔磁環厚度對閥的壓降影響較小。

由圖12可知:閥的壓降值隨著隔磁環厚度的增加而減小。主要原因是隨著隔磁環厚度的增大，使隔磁環大圓環對應間隙的磁通量減小，減小了其間隙的磁感應強度，導致閥的壓降逐漸減小。

5 結果與討論

(1)設計了一種基于軸向環形液流通道混合磁源的磁流變閥。混合磁源式磁流變閥的磁力線在隔磁環和永磁體的共同作用下，引導垂直于通過液流通道，改變輸入電流，高梯度磁場產生變化，進而有效改變磁流變閥的壓降性能。

(2)建立了磁流變閥的磁流場仿真模型，分析了磁流變閥的輸入電流、液流通道阻尼間隙、圓環厚度和隔磁環厚度 4個參數對磁流變閥壓降性能的影響規律，磁流變閥的輸入電流為2 A、液流通道阻尼間隙為 1 mm、圓環厚度為8 mm與隔磁環厚度為5 mm時，混合磁源式磁流變閥的壓降可達 8.553 2 MPa。

(3)選擇較大的勵磁線圈電流、合適的液流通道半徑及較小的圓環厚度能夠顯著提高混合磁源式磁流變閥的壓降性能。