磁性液體靜音水泵的實驗研究

朱鵬軒，徐超熙，李玉彬，李學慧

（大連大學物理科學與技術學院納米磁性液體研發工作室，遼寧大連116622）

1 引 言

由于水泵在日常生產生活中有著廣泛的應用，從20世紀80年代開始，我國一些科研單位相繼開始了對高性能、高質量水泵的設計和研究[1－2].這些水泵工作時因壓力的波動與脈動、流體的不穩定流動與閥半開引起的渦流影響、氣蝕、水錘、轉動部件不平衡、安裝缺陷引起的偏心轉動、油膜的影響等因素會引起負面作用：影響水泵的使用壽命；容易產生振動與噪聲，造成噪聲污染[3－5].

磁性液體既具有液體的流動性，在磁場下又具有固體磁性材料的磁性.為了解決上述常規水泵引起的負面影響，利用磁性液體的場致軟磁特性[6]，研制了可以避免由于機械碰撞、摩擦產生噪聲的磁性液體靜音水泵，搭建了磁性液體靜音水泵研究裝置平臺，并設計加工了1臺樣機，對此樣機進行了相關的實驗研究，實驗結果表明其產生的噪聲級數遠小于常規水泵.

近幾十年來微機電系統技術（MEMS）發展迅猛[7]，磁性液體靜音水泵研究裝置平臺，提供了一種由變化磁場控制膜片腔往復運動的磁性液體微致動泵設計構造思路的可行依據，并且不同于文獻[8－9]中的設計.

2 裝置的設計

2.1 裝置總體設計與工作機制

如圖1所示，裝置主要由控制磁場模塊、磁性液體振子腔模塊與單向閥模塊組成.控制磁場模塊由2個控制電磁鐵對稱分布，該模塊還裝有顯示屏，可以實現對電磁鐵通電時間、通電電壓的控制.磁性液體振子腔由2片1mm厚，半徑為100mm的橡膠膜壓制而成，橡膠模中間形成的空腔內充入磁性液體，磁性液體振子腔固定在流體腔壁上，流體腔被磁性液體腔分成2個部分.裝置開始工作時，2個電磁鐵交替通電產生交變的磁場，磁性液體振子腔隨著磁場的變化做往復運動，使磁性液體振子腔兩側的流體腔體積發生改變，在單向閥對水流動方向的制約作用下，水流從下方流入流體腔，從上方流出流體腔.圖2為裝置實物圖.

圖1 磁性液體靜音水泵裝置示意圖

圖2 磁性液體靜音水泵裝置實物圖

2.2 控制磁場模塊的設計

控制磁場模塊使用變壓器等元件將220V 50Hz的交變電流轉換為24V的直流電流，使用DH48S系列數顯時間繼電器控制電磁鐵的通電時間，并設有RESET鍵和PAUSE鍵.

電磁鐵的主要參量如表1所示.如圖3所示，利用有限元分析ANASY得出單個電磁鐵通電時的流體腔所在空間的磁場分布不均勻，通電電磁鐵附近的磁場強度總是比距離通電電磁鐵遠處的磁場強度大，磁性液體在磁場中總是向磁場更強的地方運動，在此設計中磁性液體振子腔向通電電磁鐵一側加速運動.

表1 電磁鐵的主要參量

圖3 流體腔所在空間的磁場分布

2.3 磁性液體振子腔的設計

磁性液體振子離2個控制電磁鐵的距離均為16mm，其中橡膠模所用的材料為硅橡膠或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），其中充入的磁性液體的體積為60mL，并測量了在控制磁場中的往復運動的周期T，所用磁性液體參量和相關數據如表2所示.

表2 磁性液體參量

3 實驗結果與分析

3.1 磁性液體靜音水泵的機械效率與磁性液體磁飽和強度的關系

實驗中將不同的磁性液體樣品充入振子腔，測量振子腔往復運動周期T，發現磁性液體的磁飽和強度與磁性液體振子腔的往復運動周期成反比，如圖4所示.

圖4 磁飽和強度Ms與往復運動周期T的關系

從動力學角度分析，由于不均勻的磁場分布，磁性液體振子腔在磁場中受到磁場力f作用運動，f正比于磁性液體的磁飽和強度Ms，得出振子腔的運動速度正比于Ms，振子腔的運動路程是定值，振子腔的往復運動周期與振子腔的運動速度成反比，故有磁性液體的磁飽和強度與磁性液體振子腔的往復運動周期成反比的關系，

設磁性液體靜音水泵的電功率為P輸入，往復運動周期內對水所做的功為W，則P輸入與W為定值，與式（1）得出磁性液體靜音水泵的機械效率

即磁性液體靜音水泵的機械效率與磁性液體的磁飽和強度成正比，磁性液體振子腔中使用的磁性液體的磁飽和強度越高，其往復運動周期越短，磁性液體靜音水泵的機械效率越高.

3.2 磁性液體靜音水泵的機械噪聲輻射檢測

磁性液體靜音水泵的機械噪聲輻射檢測所用的儀器為福州欣銳儀器儀表有限公司專業生產HS5618聲級計，采用GBT 13802－1992工程機械輻射噪聲測量的通用方法，測得出磁性液體靜音水泵在工作時的噪聲聲級為25.0dB；使用相同的測量標準測量體積、功率相近的臺州市利達機電電機廠生產的15WG12－15型銅質熱水型增壓泵（常規離心水泵）在工作時的噪聲聲級為69.8dB.檢測結果表明磁性液體靜音水泵工作時的噪聲比常規水泵低了44.8dB.

4 結 論

對磁性液體靜音水泵樣機的實驗研究結果表明，該靜音水泵中振子腔部件往復運動的周期與使用的磁性液體的磁飽和強度成反比的關系，磁性液體靜音水泵產生的噪聲小于常規水泵.此裝置的機械效率不超過0.15，若將振子腔中充入的磁性液體換成磁飽和強度更高的磁流變液可以提高靜音水泵的機械效率.

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