一種新型的磁流變閥結構設計＊

弓建權，李亮，杜亞林，徐磊

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一種新型的磁流變閥結構設計＊

弓建權，李亮，杜亞林，徐磊

（山西大學，山西 太原 030006）

以往的磁流變閥結構對磁力線的利用程度并不高，真正產生效果的只有兩段區域。為了解決這個問題，提出了一種新型的磁流變閥結構。該結構改變了傳統結構的磁路，使磁力線能夠多次經過液流間隙，增加了阻尼力的作用范圍。對可雙向流動的磁流變閥結構進行了ANSYS仿真，仿真結果表明，提出的結構對磁力線的利用程度大大增加。

磁流變；流量閥；磁路設計；結構優化

由于磁流變液具有剪切屈服應力連續可調、響應快、耐久性好和低功耗等優點，近年來基于磁流變效應的阻尼器件已漸漸被國內外研究者們所重視，并被不斷開發。

對磁流變液效應的應用目前主要存在三種方式，分別為剪切模式、流動模式、擠壓模式。因為與磁流變液流動方向平行的磁力線分量對磁流變效應貢獻很小，而與磁流變液流動方向垂直的磁力線分量對磁流變液的貢獻比較大，同時存在幾乎可以不考慮平行方向的磁力線分量。所以，在此類結構設計中要盡量用剪切模式和流動模式兩種，這里我們運用流動模式。磁流變液效應的工作模式如圖1所示。

圖1 磁流變液效應的工作模式

1 磁流變閥的結構原理

1.1 新結構的提出

以前的磁流變閥原理如圖2所示，這種結構對磁力線的利用僅有2個區域。我們設計的新型結構如圖3所示，磁流變閥對磁力線的利用區域從2個增加到了4個。

圖2 以前的磁流變閥原理圖

1.2 新結構的建模

本文提出的磁流變閥3D結構如圖4所示。磁流變閥由活塞蓋、擋圈、擋板、支撐塊、活塞殼、閥芯、外活塞壁和內活塞壁組成。其中，磁力線由閥芯上段開始，經磁流間隙，到外活塞壁1，再經過磁流間隙，到內活塞壁2，又經過磁流間隙，到外活塞壁3，然后到閥芯下端，經閥芯到閥芯上端形成回路。其中，外活塞壁1、內活塞壁2、外活塞壁3和閥芯采用高導磁材料（20#鋼）。內活塞壁1、外活塞壁2和內活塞壁3 及剩余外部框架采用不導磁材料（304#鋼）。

2 磁流變響應的模擬與仿真

ANSYS軟件的電磁場分析提供的分析類型非常重要，具有強大的仿真功能，它以Maxwell方程組作為分析的出發點，通過有限元方法計算未知量，主要是磁位或磁通，還有電感、電容、磁通量密度、渦流等。本文利用了ANSYS/EMAG模塊中的電磁分析能力，對本文提到的可雙向流動的磁流變閥建立實體模型進行磁路仿真。

對240匝線圈分別施加0.5 A、1 A、1.5 A、2 A電流刺激，磁流變閥磁路仿真結果如圖5所示。由圖5可以看到，磁力線基本上按照設想中的路徑走，磁場分布也比較飽滿。如下為磁流變閥的新舊結構仿真對比。

圖4 本文提出的磁流變閥3D結構示意圖

圖5 磁流變閥磁路仿真結果

漏磁現象可以通過減小磁流間隙或者加寬阻磁環來消除，但是考慮到磁流間隙太小會影響阻尼器初始阻尼力的大小，太小的間隙使加上磁場后阻尼器效應力相對不太明顯，阻磁環太寬又會使磁場作用于磁流變液的有效面積降低，也會削弱其效應力。權衡三者，決定優化部分結構。求解沿定義直線將磁場強度進行映射運算，對磁場作用的每段有效面積的值求平均值得出接通不同電流下的磁場強度。通過Bingham模型，磁流變阻尼器產生的阻尼力可以表示為：

式（1）中：p為磁流變液受壓強有效面積；為磁流變液沒有磁場作用時的黏度；為流進磁流變閥的磁流變液的單位時間體積流量，每秒幾cc；為磁流變有效間隙；為阻尼間隙厚度尺寸；為閥芯截面半徑；y為磁流變液剪切屈服應力；sgn為signum函數。

再根據MRF-J01型磁流變液的剪切屈服應力y與磁感應強度之間關系特性擬合曲線得到本模型在不同電流下磁流變液流動剪切屈服應力y.

磁流變液（型號：MRJ-01）的屈服應力y與磁感應強度之間關系特性曲線為：

式（2）中：y（）為磁流變液（型號：MRJ-01）隨磁感應強度變化的磁流變液剪切應力。y5=4.583×103kPa/5，y4=﹣5.700×103kPa/4，y3=1.486×103kPa/3，y2=3.630×103kPa/2，y1=2.628 kPa/，y0=2.100×10-2kPa。

隨后計算磁流變閥Bingham曲線結果。舊結構磁流變液阻尼器受幅值為10 mm、頻率為0.5 Hz的正弦位移激勵時的可控阻尼力特性如圖6所示。設計的磁流變液阻尼器受幅值為10 mm、頻率為0.5 Hz的正弦位移激勵時的可控阻尼力特性如圖7所示。

圖6 舊結構磁流變液阻尼器受幅值為10 mm、頻率為0.5 Hz的正弦位移激勵時的可控阻尼力特性

圖7 設計的磁流變液阻尼器受幅值為10 mm、頻率為0.5 Hz的正弦位移激勵時的可控阻尼力特性

如圖6和圖7所示，舊結構的阻尼力在0.5 A、1 A、1.5 A和2 A時的最大值分別為3 N、12 N、22 N、28 N，本文設計的磁流變閥阻尼力在0.5 A、1 A、1.5 A和2 A時的最大值分別為9 N、21 N、36 N、54 N。本文設計的磁流變閥阻尼力的最大值大約是舊結構磁流變閥的1.93倍。實驗結果表明，提出的結構對磁力線的利用程度大大增加。

3 結論

以往的磁流變閥結構對磁力線的利用程度并不高，真正產生效果的只有兩段區域。為了解決這個問題，我們提出了一種新型的磁流變閥結構。該結構改變了傳統結構的的磁路，使磁力線能夠多次經過液流間隙，增加了阻尼力的作用范圍，對它進行了ANSYS仿真。本文設計的磁流變閥阻尼力的最大值是舊結構磁流變閥的大約1.93倍。仿真結果表明，提出的結構對磁力線的利用程度大大增加。

指導教師：徐磊

山西大學第十六期本科生科研訓練計劃項目（編號：2018016453）

2095－6835（2019）02－0112－02

TH134

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.112

〔編輯：嚴麗琴〕