一种新型的磁流变阀结构设计＊

弓建权，李亮，杜亚林，徐磊



一种新型的磁流变阀结构设计＊

弓建权，李亮，杜亚林，徐磊

（山西大学，山西 太原 030006）

以往的磁流变阀结构对磁力线的利用程度并不高，真正产生效果的只有两段区域。为了解决这个问题，提出了一种新型的磁流变阀结构。该结构改变了传统结构的磁路，使磁力线能够多次经过液流间隙，增加了阻尼力的作用范围。对可双向流动的磁流变阀结构进行了ANSYS仿真，仿真结果表明，提出的结构对磁力线的利用程度大大增加。

磁流变；流量阀；磁路设计；结构优化

由于磁流变液具有剪切屈服应力连续可调、响应快、耐久性好和低功耗等优点，近年来基于磁流变效应的阻尼器件已渐渐被国内外研究者们所重视，并被不断开发。

对磁流变液效应的应用目前主要存在三种方式，分别为剪切模式、流动模式、挤压模式。因为与磁流变液流动方向平行的磁力线分量对磁流变效应贡献很小，而与磁流变液流动方向垂直的磁力线分量对磁流变液的贡献比较大，同时存在几乎可以不考虑平行方向的磁力线分量。所以，在此类结构设计中要尽量用剪切模式和流动模式两种，这里我们运用流动模式。磁流变液效应的工作模式如图1所示。

图1 磁流变液效应的工作模式

1 磁流变阀的结构原理

1.1 新结构的提出

以前的磁流变阀原理如图2所示，这种结构对磁力线的利用仅有2个区域。我们设计的新型结构如图3所示，磁流变阀对磁力线的利用区域从2个增加到了4个。

图2 以前的磁流变阀原理图

1.2 新结构的建模

本文提出的磁流变阀3D结构如图4所示。磁流变阀由活塞盖、挡圈、挡板、支撑块、活塞壳、阀芯、外活塞壁和内活塞壁组成。其中，磁力线由阀芯上段开始，经磁流间隙，到外活塞壁1，再经过磁流间隙，到内活塞壁2，又经过磁流间隙，到外活塞壁3，然后到阀芯下端，经阀芯到阀芯上端形成回路。其中，外活塞壁1、内活塞壁2、外活塞壁3和阀芯采用高导磁材料（20#钢）。内活塞壁1、外活塞壁2和内活塞壁3 及剩余外部框架采用不导磁材料（304#钢）。

2 磁流变响应的模拟与仿真

ANSYS软件的电磁场分析提供的分析类型非常重要，具有强大的仿真功能，它以Maxwell方程组作为分析的出发点，通过有限元方法计算未知量，主要是磁位或磁通，还有电感、电容、磁通量密度、涡流等。本文利用了ANSYS/EMAG模块中的电磁分析能力，对本文提到的可双向流动的磁流变阀建立实体模型进行磁路仿真。

对240匝线圈分别施加0.5 A、1 A、1.5 A、2 A电流刺激，磁流变阀磁路仿真结果如图5所示。由图5可以看到，磁力线基本上按照设想中的路径走，磁场分布也比较饱满。如下为磁流变阀的新旧结构仿真对比。

图4 本文提出的磁流变阀3D结构示意图

图5 磁流变阀磁路仿真结果

漏磁现象可以通过减小磁流间隙或者加宽阻磁环来消除，但是考虑到磁流间隙太小会影响阻尼器初始阻尼力的大小，太小的间隙使加上磁场后阻尼器效应力相对不太明显，阻磁环太宽又会使磁场作用于磁流变液的有效面积降低，也会削弱其效应力。权衡三者，决定优化部分结构。求解沿定义直线将磁场强度进行映射运算，对磁场作用的每段有效面积的值求平均值得出接通不同电流下的磁场强度。通过Bingham模型，磁流变阻尼器产生的阻尼力可以表示为：

式（1）中：p为磁流变液受压强有效面积；为磁流变液没有磁场作用时的黏度；为流进磁流变阀的磁流变液的单位时间体积流量，每秒几cc；为磁流变有效间隙；为阻尼间隙厚度尺寸；为阀芯截面半径；y为磁流变液剪切屈服应力；sgn为signum函数。

再根据MRF-J01型磁流变液的剪切屈服应力y与磁感应强度之间关系特性拟合曲线得到本模型在不同电流下磁流变液流动剪切屈服应力y.

磁流变液（型号：MRJ-01）的屈服应力y与磁感应强度之间关系特性曲线为：

式（2）中：y（）为磁流变液（型号：MRJ-01）随磁感应强度变化的磁流变液剪切应力。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。

随后计算磁流变阀Bingham曲线结果。旧结构磁流变液阻尼器受幅值为10 mm、频率为0.5 Hz的正弦位移激励时的可控阻尼力特性如图6所示。设计的磁流变液阻尼器受幅值为10 mm、频率为0.5 Hz的正弦位移激励时的可控阻尼力特性如图7所示。

图6 旧结构磁流变液阻尼器受幅值为10 mm、频率为0.5 Hz的正弦位移激励时的可控阻尼力特性

图7 设计的磁流变液阻尼器受幅值为10 mm、频率为0.5 Hz的正弦位移激励时的可控阻尼力特性

如图6和图7所示，旧结构的阻尼力在0.5 A、1 A、1.5 A和2 A时的最大值分别为3 N、12 N、22 N、28 N，本文设计的磁流变阀阻尼力在0.5 A、1 A、1.5 A和2 A时的最大值分别为9 N、21 N、36 N、54 N。本文设计的磁流变阀阻尼力的最大值大约是旧结构磁流变阀的1.93倍。实验结果表明，提出的结构对磁力线的利用程度大大增加。

3 结论

以往的磁流变阀结构对磁力线的利用程度并不高，真正产生效果的只有两段区域。为了解决这个问题，我们提出了一种新型的磁流变阀结构。该结构改变了传统结构的的磁路，使磁力线能够多次经过液流间隙，增加了阻尼力的作用范围，对它进行了ANSYS仿真。本文设计的磁流变阀阻尼力的最大值是旧结构磁流变阀的大约1.93倍。仿真结果表明，提出的结构对磁力线的利用程度大大增加。

指导教师：徐磊

山西大学第十六期本科生科研训练计划项目（编号：2018016453）

2095－6835（2019）02－0112－02

TH134

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.112

〔编辑：严丽琴〕