磁流變制動器結構設計研究現狀分析

胡國良，吳禮繁

（華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌330013）

傳統的制動器主要采用零件之間的摩擦方式實現制動，其安全性較高，但摩擦制動存在著零件磨損大、工作壽命短以及噪聲大等缺點，比較難實現較高平穩性和制動可控性的制動要求[1-3]。 磁流變制動器利用磁流變液獨特的流變特性來實現運動部件的可控柔性制動，其制動性能可控、能耗低、響應較為迅速，便于集成新型控制技術[4-7]。 其通過控制勵磁電流產生可控的制動轉矩來代替傳統的機械式摩擦制動，不再需要傳統制動系統的機械傳動結構，因此能夠減少機械傳動耗時所導致的制動延時問題，更好地保證了制動的安全性。 磁流變制動器在醫療器械、公共設施、汽車制動等方面具有較好的應用前景[8-9]。 根據制動盤的結構特點，主要分為盤式和鼓式磁流變制動器[10]。 國內外的學者對磁流變液的流變性質和磁流變制動器做了大量的實驗研究，但受應用場合的空間限制以及磁流變液本身特性影響[11]，磁流變制動器應用于較大功率的制動時，常常會出現制動轉矩不足的問題，因此磁流變制動器的結構設計是影響制動性能的一個重要環節[12-15]。同時磁流變制動器在工作時產生的熱量會對磁流變液的流變特性有較大的影響，解決制動器工作時的溫升問題成為了目前研究的一個重要方向[16]。

1 磁流變制動器的工作原理

圖1 所示為典型的磁流變制動器的結構示意圖。 磁流變制動器主要由勵磁線圈、轉軸、制動盤及缸筒等組成[17]。 當磁流變制動器中勵磁線圈未通電時，磁流變液以牛頓流體狀態填充在有效阻尼間隙處，其自身零場粘度相對較小，提供磁流變制動器基礎的制動轉矩。 當磁流變制動器中勵磁線圈通電時，由于電流的磁效應，制動器阻尼間隙處產生感應磁場，在磁場的作用下，磁流變液中的磁性顆粒沿磁場方向迅速形成鏈狀結構，使其從牛頓流體轉變為類固體狀態，制動器中磁流變液粘度增加[18]，且隨磁場強度的增加而增大，從而提供制動所需的轉矩。 通過調節輸入電流的大小，進而控制磁流變制動器的轉矩大小，可實現對制動轉矩的無級調節。 由于磁流變制動器的工作特性，且為了避免其結構過于復雜，通常采用剪切模式作為磁流變液的工作模式。

圖1 磁流變制動器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of MR brake

2 磁流變制動器的結構設計

從磁流變制動器本身設計結構考慮，增加其制動性能主要有兩種方式，一是增加有效阻尼間隙處的磁感應強度；二是增加有效阻尼通道的長度。 增加有效阻尼間隙處的磁感應強度主要通過對激勵方式進行優化，如增加勵磁線圈個數或采用電磁雙激勵等工作方式；增加有效阻尼通道長度可以通過對制動鼓或制動盤進行結構及數量的改進，達到增加制動性能的目的[19-20]。

2.1 激勵方式的改進設計

為了獲得更好的制動性能，Kikuchi T 和Kobayashi K[21]設計了一種雙線圈鼓式磁流變制動器，該制動器磁路的外軛包含有2 個勵磁線圈，2 個勵磁線圈軸向排列，使每個線圈內的電流方向相反，可以達到制動器內磁感應強度的最大化。在零電流工況時的轉矩約為1.0 N·m，其主要由磁流變液自身粘度以及油封的摩擦而產生。 當輸入電流為1.0 A 時，該制動器的最大轉矩約為10 N·m，最大功率為6.1 W，功耗值低于常規的磁流變制動器，達到了節能減耗的目的。

Shiao Y 和Nguyen Q[22]提出了一種新的多磁極磁流變制動器，其結構原理圖如圖2 所示。 采用常規的單一環形磁極磁流變制動器，最大轉矩值相對不高，其中一個主要原因是由于線圈的尺寸約束，液流通道內的磁場強度不夠大。 多磁極式磁流變制動設計特點是采用多個勵磁線圈均勻布置，從而產生多個磁極，且相鄰線圈產生的磁極方向相反，轉子表面的磁感線得到了充分的利用。 結果表明，磁流變液的有效阻尼間隙處的磁感應強度有較大的增加，制動轉矩得到顯著提高。

如圖3 所示，Yu 等[23]提出了一種多磁路的磁流變制動器。 6 對線圈均勻分布在制動器的兩側，產生高強度的磁場。通過快速改變勵磁線圈的電流方向來改變磁場，實現制動狀態和非制動狀態的快速轉換。與切斷電流實現零制動轉矩狀態不同，該設計有效地減少了制動器中的磁滯現象。 該制動器的創新之處在于其利用了有限的磁場，制動性能在一定程度上得到了提升；另一方面因為有效避免了磁滯現象，非制動狀態轉換的響應時間也得到了縮短。

圖2 多磁極磁流變制動器原理圖Fig.2 Schematic diagram of multiple MR brake

圖3 多磁路磁流變制動器Fig.3 MR brake with multiple magnetic circuit

在大多數工況下， 粘滯轉矩導致的巨大能量損失是磁流變制動器在實際應用中主要存在的問題。Shamieh H 和Sedaghati R[24]提出了如圖4 所示的一種用于汽車的新型磁流變制動器設計方案，該方案通過在制動器內設置永磁體，使得其在無外加磁場的情況下幾乎不產生粘滯轉矩。 所提出的磁流變制動器采用永磁體來將磁流變液與阻尼間隙完全分離，因此在沒有應用磁場的情況下不會產生粘滯轉矩，使其更適用于汽車的應用。 研究表明，無論道路狀況如何，與傳統的液壓制動器和傳統的磁流變制動器相比，該磁流變制動器提供了良好的制動轉矩能力，沒有剩余粘滯轉矩產生，而且效率提高了約40%。

圖4 零粘滯磁流變制動器原理圖Fig.4 Schematic diagram of MR brake with no zero-field viscous torque

2.2 液流通道的改進設計

傳統的磁流變制動器一般為單鼓或單盤式，其結構相對較簡單，但輸出的制動轉矩相對較小[25]。 因此Qin H 等[26]設計了一種如圖5 所示的新型的中空多鼓式磁流變制動器來解決實際應用的磁滯問題，將微電機置于制動器內部，使其結構緊湊，且多鼓式結構增加了有效阻尼間隙長度。 制動器直徑為40 mm，長為28 mm，其產生的最大扭矩達到1.26 N·m。通過閉環控制，利用微電機PID 控制器使得微電機產生補償轉矩，混合式制動器的轉矩曲線中沒有明顯的滯回。前后轉矩的最大差值從總轉矩范圍的7.2%降低到1.94%，動態范圍從41.17 dB 增加到45.42 dB。實驗結果表明，與普通磁流變制動器相比，該混合式制動器在有限的體積下能夠產生更大的制動轉矩，且有效地減小了轉矩的滯回現象。

Wang S 等[27]提出的多鼓式磁流變制動器能夠很好的解決制動器內空間利用率不高的問題，常規的電磁線圈的放置方式有內置、外置和側置3 種， 其中側置結構型式更緊湊， 扭矩傳遞效率高。 圖6 所示為一種側面安裝電磁線圈、左右對稱結構的多鼓式磁流變制動器， 一共有16 個制動鼓，18 個有效阻尼間隙，當線圈通電時，制動器能夠獲得更大的制動轉矩。

圖5 中空多鼓式磁流變制動器Fig.5 Hollowed multi-drum type MR brake

圖6 多鼓式磁流變制動器Fig.6 Multi-drum MR brake

在相同激勵條件下，多鼓式磁流變制動器有效阻尼間隙處的磁通密度分布不均勻，每個液流通道處都有不同的磁感應強度和剪切面積。 因此，優化制動鼓的數量是多鼓式磁流變制動器設計中需要考慮的重要參數。 Qin H 等[28]根據優化制動鼓的數量，對制動器進行了有限元分析，對給定鼓數和優化阻尼間隙選擇條件下的制動器進行了優化。 過多的制動鼓會使得制動器的結構更加復雜，且體積會過大，結果表明，3 個制動鼓對制動性能的提升最大。

Mousavi S H 和Sayyaadi H 等[29]提出了一種T 形鼓磁流變制動器，T 形鼓的設計使得制動器在有限的體積下，獲得了更多的有效剪切區域，且在T 形鼓的左右兩端各設置一個勵磁線圈，增加了有效阻尼間隙處的磁感應強度。

為了研究阻尼間隙對制動性能的影響，Song W 等[30]設計了一種阻尼間隙可調的磁流變制動器。 通過改變轉軸和制動盤的相對位置，從而調節阻尼間隙的尺寸。實驗結果表明, 當阻尼間隙尺寸在0.25～1 mm 范圍內變化時，對制動器制動性能的影響較大，因此阻尼間隙的尺寸應該盡量根據實際工作需求在此范圍內進行適當的選取；且阻尼間隙可調的設計也有效地增加了制動轉矩的可調范圍，使其更加適用于各種變化的工況。

如圖7 所示，胡國良等[31]提出的多液流通道旋轉式磁流變制動器，將隔磁材料應用到旋轉套筒中間位置，從而使得磁力線通過未被利用到的外軸向液流通道部分，制動器發生磁流變效應的區域增加了，且有效阻尼間隙從傳統磁流變制動器的2 段變為4 段。 實驗結果表明其制動性能較常規液流通道制動器得到良好的改善。

2.3 針對散熱問題的結構改進設計

在制動過程中， 制動器中活動部件間的摩擦、磁流變液中磁性顆粒的摩擦、通電線圈的發熱都會導致制動器的溫度上升，從而使得其基液有一定蒸發， 粘度下降以及磁性顆粒出現沉淀，導致磁流變制動器工作失效。 制動過程產生的熱量成為目前影響磁流變制動器制動性能的主要因素[32-33]。

為了研究溫度對磁流變制動器制動性能的影響，Wang N 等[34]設計了一種水冷散熱的大轉矩磁流變液制動器。實驗結果表明，較大的冷卻水流量可以提高磁流變液的冷卻速率，通過水冷散熱方法可以有效的減少制動器溫升對制動性能的影響。因此，有效的冷卻方法對大轉矩磁流變制動器的穩定運行至關重要，極大地提高制動器的制動性能。

Huang H 等[35]設計了一種具有自保護和散熱功能的磁流變制動器。磁流變制動器采用永磁體系統，不僅能與勵磁線圈形成雙磁場，在正常運行狀態下提高制動轉矩，還能在斷電時提供一定的保護制動力矩。 此外，在磁流變制動器的制動軸上還設計了冷卻通道，以保證磁流變液的有效散熱。

圖7 多液流通道旋轉式磁流變制動器結構圖Fig.7 Structure diagram of rotary MR brake with multiple fluid flow channels

3 磁流變制動器的優化設計

磁流變制動器的性能指標主要有制動轉矩、轉矩可調系數、響應速度和質量等[36-37]。 而其性能指標的優劣主要受制動器的尺寸參數影響。 對磁流變制動器進行結構的改進在一定程度上提高了制動性能，但通過激勵方式以及液流通道改進的同時，其復雜的結構使得加工制造的難度更大，一定程度上增加了制造成本，且活動構件的數量隨之增加，導致制動器整體體積增大[38-40]。

因此在結構設計的基礎上合理的采用優化算法對磁流變制動器進行尺寸優化，不僅能夠改善其制動性能，且能有效地提高磁路的利用率以減小制動器的整體體積，使其結構更加緊湊[41-42]。

胡國良和李林森[43]提出的利用ANSYS 軟件中的一階優化方法對磁流變制動器進行結構優化，采用線性加權組合法將制動轉矩和轉矩可調系數構成目標函數，實現多目標優化。其優化設計如圖8 所示，結果表明，優化后的制動器體積更小，制動性能提升了34.6%。

圖8 優化設計流程圖Fig.8 Flowchart of optimization design

Assadsangabi B 等[44]利用遺傳算法對汽車用盤式磁流變制動器進行了結構優化。 通過有限元軟件分析了磁流變制動器內部的磁場強度分布，然后利用該制動器的有限元模型進行優化，并結合遺傳算法獲得最優設計參數。優化目標是在盡可能降低制動器重量的同時增加制動器的制動轉矩性能。與初始設計相比，優化設計的制動轉矩更大。

在對磁流變制動器進行優化時，由于優化目標的非單一性，且其都需要通過ANSYS 軟件進行仿真，因此優化過程比較費時。 曾寧[45]提出了一種基于RBF（radial basis function）網絡代理模型的磁流變制動器的優化方法，以改進制動器的性能并提高優化求解的效率。 將制動轉矩與制動器質量作為優化目標，利用拉丁超立方采樣方法構建了源函數的RBF 網絡代理模型，最后通過多目標遺傳算法對其進行優化。 該方法很好地解決了制動器的優化問題，且提出的優化方法在提高計算精度的同時，保證了求解的效率。

近年來，隨著優化理論的不斷發展，粒子群優化算法也被廣泛用于解決各類優化問題[46]。Topcu O 等[47]針對旋轉式磁流變制動器提出了一種改進的粒子群算法來解決多物理場工程優化問題。 與傳統粒子群算法不同的是，其將原始的單一種群分成多個次種群，求解速度較快。 仿真結果表明，改進的粒子群算法在提高精度的同時，克服了多物理場計算量大的問題，優化后的制動器體積更小。

Thanikachalam J 和Nagaraj P[48]提出一種基于實驗設計的磁流變制動器的優化設計方法，將幾組待優化變量各取不同的值，組合成9 種不同尺寸參數的磁流變制動器。 如表1 所示為其結構參數表，通過COMSOL軟件對制動器進行仿真，最終得出最優參數為制動盤半徑70 mm，線圈匝數300 匝，電流2 A。

表1 制動器結構參數表Tab.1 Structure parameter of brake

4 磁流變制動器的應用

磁流變制動器以其獨特的工作特性，越來越被廣泛應用于各個領域，在醫療器械、汽車制動、公共設備等方面具有良好的應用前景。Adiputra D 等[49]設計了一種用于矯正站姿的腳踝輔助裝置，集成磁流變制動器的設計使得矯正康復設備更加便攜穩定，利用被動控制使得該裝置能夠針對不同患者的步態習慣更好的輔助康復。王道明等[50]設計的一種用于汽車制動的多盤式磁流變制動器，其制動性能穩定可控，且工作噪音小。陳凱峰[51]設計了一種用于電梯制動的磁流變制動器，基于磁流變效應并結合了永磁鐵的制動，使得其更加適用于拽引式電梯，在突發斷電情況下能夠保證了電梯的安全性。 目前，磁流變制動器被應用于汽車制動的研究較為普遍，但磁流變制動器大多數尚處于理論和實驗的階段，仍存在一些待解決的問題，如單位體積輸出轉矩的不足，工作時內部溫升而導致的制動性能下降，這些問題成為了當前制約磁流變制動器推廣發展的主要因素。 國內外學者正在不斷研究改善，使得磁流變制動器能夠逐漸替代常規液壓或機械式制動器，應用于更多的工作場合。

5 結束語

磁流變制動器是一種被廣泛應用于各類制動的智能設備。 文中對近年來國內外現有的磁流變制動器設計研究進行了綜合分析，重點介紹了不同的結構設計以及優化方法對磁流變制動器性能的提升。 當前的磁流變制動器因其結構緊湊、能耗低、可控性強，比較適用于中低轉矩制動場合，但對于需要提供大轉矩的工作環境，磁流變制動器尚不能較好的滿足工作需求，同時對于需要持續工作的制動場合，自身的發熱問題也會影響其制動性能。 因此磁流變制動器的結構設計是影響制動性能的關鍵環節，本文對其結構及優化問題的探討為磁流變制動器的設計提供了一定的參考價值。