新型磁流變阻尼器的磁路設(shè)計(jì)及磁飽和分析

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1、第一作者等：正標(biāo)題5新型磁流變阻尼器的磁路設(shè)計(jì)及磁飽和分析*通訊作者：涂奉臣，男，黑龍江人，博士，研究方向：振動(dòng)與噪聲控制。涂奉臣*，周濱，周娟，馮學(xué)斌1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，412007摘要：針對(duì)一種新型磁流變阻尼器，利用磁路歐姆定律對(duì)其進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)，得到了磁流變阻尼器的具體磁路參數(shù)。采用有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器進(jìn)行磁路飽和分析，結(jié)果認(rèn)為：在整個(gè)磁路當(dāng)中，活塞中心區(qū)域最先達(dá)到磁飽和，此時(shí)阻尼器的耗能能力達(dá)到最大值。在設(shè)計(jì)此種阻尼器結(jié)構(gòu)時(shí)，為了避免磁路過(guò)早飽和，需減小活塞中心的磁阻。關(guān)鍵詞：新型MR阻尼器；磁路設(shè)計(jì)；磁飽和中圖分類(lèi)

2、號(hào)：TB381文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1前言磁流變阻尼器是一種智能耗能器，它能夠根據(jù)不同的工況要求提供變化的阻尼力。由于其具有響應(yīng)迅速，出力大，功耗小等特點(diǎn)，已經(jīng)在建筑、橋梁和車(chē)輛工程領(lǐng)域中得了廣泛應(yīng)用[1]，主要用其消耗較大量級(jí)的振動(dòng)能量。對(duì)于在隔振當(dāng)中使用的阻尼器，一方面要求在隔振系統(tǒng)共振時(shí)具有大阻尼來(lái)抑制共振，另一方面還要求在隔振頻域內(nèi)具有較小的動(dòng)剛度以達(dá)到較好的隔振效果，這在普通的剪切閥式磁流變阻尼器中是較難實(shí)現(xiàn)的。為解決此問(wèn)題，出現(xiàn)了一種新型結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器[2]，這種磁流變阻尼器的活塞和活塞桿之間是分離的，因此在設(shè)計(jì)磁路時(shí)會(huì)與普通磁流變阻尼器有所差別，本

3、文將對(duì)這種新型磁流變阻尼器的磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)。磁流變阻尼器的耗能能力隨著電流增大而提高，但并不是可以無(wú)限提高的，這是由于整個(gè)磁流變阻尼器的磁路會(huì)存在飽和，當(dāng)磁路飽和時(shí)，即使再提高電流，阻尼器的耗能能力也不會(huì)提高。對(duì)于每一個(gè)具體的磁流變阻尼器，根據(jù)磁路的磁飽和特性來(lái)確定最大輸入電流是必要的。2新型磁流變阻尼器的磁路設(shè)計(jì)第一作者等：正標(biāo)題5為了在結(jié)構(gòu)尺寸和重量一定的情況下，提高磁流變阻尼器的阻尼力和增大動(dòng)態(tài)可調(diào)范圍，必須使磁流變液工作在較強(qiáng)的磁場(chǎng)當(dāng)中，并且磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化范圍要足夠大。因此，磁路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算尤為重要。根據(jù)磁流變阻尼器的工作模式及結(jié)構(gòu)形式的不同，磁流

4、變阻尼器的磁路會(huì)有差異，但都是基于磁路歐姆定律來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算的[3-4]。這里根據(jù)新型磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)，將磁流變阻尼器的計(jì)算磁路簡(jiǎn)化為圖1所示的形式。由于這種阻尼器的活塞桿和活塞之間存在間隙，若活塞桿也采用導(dǎo)磁材料制造的話(huà)，將使磁路中的磁動(dòng)勢(shì)過(guò)多地降到這些間隙上，從而降低了工作間隙上的磁動(dòng)勢(shì)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，確定活塞桿由不導(dǎo)磁材料制成。圖1磁流變阻尼器的磁路Fig.1MagneticcircuitoftheMRdamper由圖1可見(jiàn)，如果忽略磁漏因素的影響，勵(lì)磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁力線(xiàn)走向如下：首先通過(guò)內(nèi)外徑分別為和的中心筒到一端的側(cè)翼，然后經(jīng)過(guò)側(cè)翼穿過(guò)缸體與活

5、塞的空氣間隙到達(dá)阻尼器外殼，而后通過(guò)外殼再次穿過(guò)缸體與活塞間的間隙，最后經(jīng)過(guò)側(cè)翼回到中心筒形成一個(gè)閉合回路。為計(jì)算阻尼器氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，需首先計(jì)算磁回路中各段的的磁阻。中心軸段的磁阻為(1)式中，——阻尼器材料的磁導(dǎo)率。如果側(cè)翼磁阻面積按照側(cè)翼柱體的體積與其半徑的比值的計(jì)算方法來(lái)考慮，則側(cè)翼的磁阻為(2)間隙處的磁阻為第一作者等：正標(biāo)題5(3)缸體外殼內(nèi)的磁阻為(4)因此，整個(gè)磁路的總磁阻為(5)將磁路總磁阻帶入到以下磁路歐姆定律中(6)式中——線(xiàn)圈的磁通量；I——線(xiàn)圈中的電流強(qiáng)度；N——線(xiàn)圈的匝數(shù)。由于間隙處斷面的磁通量與閉合磁回路中的其它位置相同，而間

6、隙處的磁導(dǎo)率要比其他部位小得多。因此，在整個(gè)閉合磁回路中，間隙處的磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它位置，也即是說(shuō)，整個(gè)磁路的磁動(dòng)勢(shì)主要降落在間隙處。a)曲線(xiàn)b)曲線(xiàn)a)Curveofb)Curveof圖2MRF27/50型磁流變液的曲線(xiàn)和曲線(xiàn)Fig.2CurvesofandofMRF27/50fluid再利用間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度公式，就可以很容易地對(duì)磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。其中，為磁場(chǎng)強(qiáng)度，為電流強(qiáng)度，為線(xiàn)圈匝數(shù)，為線(xiàn)圈長(zhǎng)度。本文的磁流變阻尼器中使用MRF27/50型磁流變液。MRF27/50型磁流變液的第一作者等：正標(biāo)題5曲線(xiàn)和曲線(xiàn)如圖2所示?？梢?jiàn)，若要使MRF27/50型磁

7、流變液產(chǎn)生50kPa的剪切屈服強(qiáng)度，則需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0.8T（特斯拉）。利用反推得到磁場(chǎng)強(qiáng)度H，進(jìn)而得到線(xiàn)圈的匝數(shù)N。3磁路飽和分析導(dǎo)磁體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度并不是可以無(wú)限增大的，而是具有飽和特性，所以整個(gè)磁路中的最大磁通取決于導(dǎo)磁體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)磁體磁通面積的乘積[5]。若磁路中某一段的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通面積的乘積小，則最大磁通量小，該段磁路最先達(dá)到磁飽和狀態(tài)。根據(jù)磁路歐姆定律可知，磁路中的磁通處處相等。當(dāng)磁路的某一段處于飽和時(shí)，則整個(gè)磁路的磁通也達(dá)到飽和狀態(tài)，這時(shí)即使再增加外部磁動(dòng)勢(shì)也不會(huì)增加磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁流變阻尼器的最大出力也因此受到限制

8、不再增大?？梢?jiàn)，磁飽和分析在磁路設(shè)計(jì)中是必要的，有助