轴向绕组磁路结构磁流变液阻尼器设计
磁流变液阻尼器的磁路有限元分析与优化设计方法
外 简 直 径 工 作 间 隙 磁 芯 直 径
磁 芯 有 效 长度
行 程 线 圈 匝数 线 圈 总 电 阻 最 大 输 出 力 可 调 动 力 范 围
（ ２． 表 ）
路 系统 截 面对磁 路 系统 效 率的影 响 的研究 ．
由于磁 芯产 生 的磁 场 对 外 筒 的 作 用 ， 致 内 导
筒 与 外筒 会 相 互 吸 引 而使 测 量 值 产 生较 大 误 差．
１ ＭＲ 阻 尼器 的 有 限 元 分 析
１ １ ＭＲ 阻尼 器 的磁场 实 测 ． 针 对 自行 研 制 开 发 的三 段式 ２ ＭＲ 阻 尼器 Ｔ— 进 行磁 感 应 强度 现 场 实 测 （ １ ． 测 所 用 数 字 表 ）实 特斯拉 计 的可调 量程 为 ０ ２ ０ｍＴ～２Ｔ～ ｌ ￣ ０ Ｏ Ｔ，
阻尼 器 在 现场 实 测 时 不灌 入 一 种 为单 独磁 芯 磁路 ， 第 另
一
对 于 磁 路 设计 的 问题 ， 内外 许 多学 者 运用 国 有 限元 分 析 软 件 进 行 了阻尼 器 的 仿 真分 析 ， 是 但 大多 数 研 究 仅 限 于探 讨 ＭＲ 阻 尼 器 的 最 佳 工 作
磁流 变液 （ ＭＲ） 能 阻尼 器 是 一种 优 秀 的半 智 主动 控制 装 置 ， 有 控 制 力 大 ， 具 可调 范 围宽 ， 度 温 适应 性 强 ， 响应 速度 快且 能耗 低等 优 点． 装 置 的 该 最 大特 点 是 ， 用 了磁 流变 液 在 磁 场 作用 下 能 在 利
阻尼器设计
1.结构设计2.工作原理2.1磁流变液磁流变液是在1948 年被Rabinow,J.发明的一种由非磁性基液（如矿物油、硅油等）、微小磁性颗粒、表面活性剂（也称稳定剂）等组合而成的智能型流体材料。
在无磁场加入的条件下，磁流变液将表现为低粘度较强流动性的牛顿流体特性，加入磁场后，则会表现为高粘度低流动性的Bingham 流体特性。
非磁性基液是一种绝缘、耐腐蚀、化学性能稳定的有机液体。
基液所拥有的特征是：粘度较低，磁流变液在没有磁场加入的条件下表现为低粘度状态，这样能够较好的降低磁流变液的零场粘度；沸点高、凝固点较低，这样就可以确保磁流变液在温度变化波动较大的环境下工作依然可以保持较高的稳定性；较高的密度，能够保证磁流变液不会因沉降问题而无法正常使用；无毒无味、廉价，保障其安全性的同时做到能够广泛使用。
微小磁性颗粒是一种可离散、可极化的软磁性固体颗粒，其单位是微米数量级的。
其主要的特征有[5]：低矫顽力，对于已经磁化过的液体，加较小的磁场就能够使其恢复零磁场状态，即拥有较高的保磁能力；高磁导率，能够在弱磁场中获得较强的磁感应强度从而节约能量；磁滞回线狭窄、内聚力小；磁性颗粒的体积应相对大一些，用于存贮更多的能量。
表面活性剂是可以增加溶液或混合物等稳定性的化学物质。
在实际使用过程中，磁流变液比较容易出现沉降分层现象，所以需要在磁流变液中加入表面活性剂保证物理化学性能的平衡，减少分层、降低沉降。
2.2磁流变液的工作模式磁流变液在外加磁场影响下出现磁流变效应现象，改变流体的表观粘度、流动状态，从而改变剪切屈服应力等参数，使输出的阻尼力能够实时变化，达到所期望的目的。
现如今，磁路变液的一般工作模式有三类：流动式、剪切式及挤压式，如下图所示。
（a）流动式（b）剪切式（c）挤压式图1-3 磁流变液工作模式Fig. 1-3 MR fluid working mode流动式：如图1-3（a）所示，在两块固定静止的磁极板中间具有充足的磁流变液，对磁流变液施加一个压力使其流过两磁极板，其中，两极板之间外加了与磁流变液运动方向垂直的磁场。
磁流变液阻尼器运行状态敏感电流源设计
磁流变液阻尼器运行状态敏感电流源设计1、引言?汽车悬架系统阻尼特性的合理匹配对提高乘坐舒适性和操纵稳定性起着至关重要的作用。
目前，国外汽车制造商普遍采用更换不同阻尼特性的一系列阻尼器或者机械式可调阻尼器，主观与客观评价相结合的方法进行悬架阻尼参数的实验匹配[1～2]，国内汽车企业尚需国外技术支持。
但该匹配法只能实现压缩阻尼与复原阻尼联动调节（或阻尼离散调节），很难实现悬架阻尼参数的最优与自动匹配，因此，研究具有自主知识产权和创新特色的自1、引言?汽车悬架系统阻尼特性的合理匹配对提高乘坐舒适性和操纵稳定性起着至关重要的作用。
目前，国外汽车制造商普遍采用更换不同阻尼特性的一系列阻尼器或者机械式可调阻尼器，主观与客观评价相结合的方法进行悬架阻尼参数的实验匹配[1～2]，国内汽车企业尚需国外技术支持。
但该匹配法只能实现压缩阻尼与复原阻尼联动调节（或阻尼离散调节），很难实现悬架阻尼参数的最优与自动匹配，因此，研究具有自主知识产权和创新特色的自动匹配方法，对提高我国汽车悬架的开发能力具有重要的现实意义。
阻尼可调的磁流变阻尼器具有传统的被动液力阻尼器无可比拟的优点[3]，利用它来代替人工调节机械式可调阻尼器研究汽车悬架阻尼参数的最优与自动匹配是一种较理想的选择。
汽车悬架阻尼参数自动匹配的理论方法与关键实现技术涉及一系列问题需要解决，研制成功能辨识汽车阻尼器运行状态（复原与压缩工况）的可控状态敏感电流源是关键技术之一，对于特定的汽车磁流变阻尼器，针对给定的激励条件，通过调节励磁电流实现阻尼器压缩与复原阻尼参数的独立调节，使汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性达到最优，获取阻尼器在该激励下的阻尼特性，为成功开发出汽车悬架阻尼参数自动匹配装置奠定坚实的技术基础。
2、系统组成及软硬件设计2.1 系统工作原理及组成系统的工作原理是：在某一时刻，通过对固定于阻尼器活塞杆和工作腔上的传感器来的数据进行分析，判断出阻尼器与上一时刻比较是处于拉伸或是压缩状态，根据不同的状态，动态改变通过阻尼器励磁线圈的电流，引起内部磁场变化，从而达到改变其阻尼力的目的。
磁流变液阻尼器运行状态敏感电流源设计
磁流变液阻尼器运行状态敏感电流源设计磁流变液阻尼器是一种常见的非线性可控液阻性器件，通过改变流体的流动性来调节机械系统的阻尼特性。
它具有工作简单，响应速度快，可调性强等优点，在机械系统的振动控制、减震、减噪等方面得到了广泛应用。
而磁流变液阻尼器的控制电源则是控制其工作状态的重要装置之一，其中运行状态敏感电流源的设计是至关重要的一环。
磁流变液阻尼器的控制原理是激励电流在磁场作用下，使磁流变液体的相对平行排列方向随着电流强度的变化发生扭曲，产生较大的黏滞阻力。
在实际应用中，通常需要精确控制其工作状态，以满足不同的工作需求。
其中，运行状态敏感电流源会自动调节磁流变液阻尼器的控制电流，从而控制其阻尼特性。
因此，合理设计运行状态敏感电流源能够有效提高机械系统的控制精度和响应速度。
在磁流变液阻尼器运行状态敏感电流源设计中，需考虑以下几个方面：1.稳定性。
由于磁流变液阻尼器的控制电流对其阻尼特性有着重要的影响，因此控制电源的稳定性非常关键。
此处所指的稳定性主要包括输出电流的稳定性和输出电压的稳定性。
在满足精度要求的同时，稳定性也需要与效率权衡。
控制电源的稳定性不足会导致阻尼器工作不稳定，在实际应用中的效果可能会失去控制，甚至出现不可预测的后果。
2.控制特性。
在设计运行状态敏感电流源时，需要考虑控制特性与磁流变液阻尼器的要求。
如，在振动控制领域的应用中，需要快速、准确地响应振动频率的变化，否则会限制系统的调节性能。
因此，在设计控制特性时，需要结合实际应用场景进行调整。
3.保护措施。
在实际使用过程中，如遇到电源异常、短路等情况，可能会导致磁流变液阻尼器的工况发生异常，引起设备损坏。
因此，在设计运行状态敏感电流源时，需要考虑保护措施，如过流保护、过温保护等，避免发生安全事故。
为了满足这些设计要求，目前常见的电路方案主要有：线性限流电路、PWM电路、阻容限流等。
其中，线性限流电路具有结构简单、稳定可靠等优点，但是由于能耗较大，响应速度不及PWM电路。
新型磁流变液体阻尼器的设计
新型磁流变液体阻尼器的设计田玲;王焱玉;唐鸣【摘要】提出一种用于流体传动系统的磁流变液流动式阻尼器的设计方案,采用阻尼缸和阻尼阀并联的结构形式,阻尼阀长度不受系统气缸行程的限制.阻尼阀采用双线圈磁路设计,相对于普通阻尼器而言,该流动式阻尼器减少了导磁轴的横截面积,降低了漏磁的影响,具有体积小和结构紧凑的特点.实验结果表明该阻尼器用于实时气动伺服系统中能够实现系统的精确定位,其实时控制的稳定性、精确性、可靠性和快速响应性都有较大提高.【期刊名称】《桂林理工大学学报》【年(卷),期】2007(027)002【总页数】4页(P270-273)【关键词】磁流变液体(MRF);磁流变(MR)阻尼器;气动伺服系统【作者】田玲;王焱玉;唐鸣【作者单位】桂林电子科技大学,机电与交通工程系,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,机电与交通工程系,广西,桂林,541004;桂林航天工业高等专科学校,机械系,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,机电与交通工程系,广西,桂林,541004【正文语种】中文【中图分类】TH703.62流体传动装置广泛应用于各工业领域，但传统的气动位置伺服控制系统由于其工作介质具有较大的可压缩性，因而控制系统刚性差、抗负荷能力低，速度稳定性差、响应慢，系统的运行速度和定位精度较低［1］.在要求快速响应和高精度定位的闭环系统中控制难度大：电－气比例伺服控制系统虽可实现多点定位，但系统元件多，结构复杂不易调节，且元件对空气的清洁度等性质非常敏感，因而国内外在气动伺服控制方面的研究较少.根据实际需求，笔者设计出一种采用流动模式的分体式阻尼器，该阻尼器具有体积小、结构紧凑、重量轻、阻尼力调节范围大等特点，可配合气动执行元件实现半主动控制，具有良好的速度平稳性和较高的位置控制精度.1 MR 阻尼器的结构将MR 阻尼器引入到气动伺服系统中与气压系统执行元件串联，通过对外加磁场大小的调节控制阻尼器的制动力从而达到调节回路流动阻尼的目的. MR 阻尼器与各种传感器结合构成的闭环控制系统节对控制对象的位移、速度、方向等参数进行控制和调节以实现精确的传动控制. 因此MR 阻尼器是整个系统的核心部件，其性能好坏直接影响到整个系统的工作性能.根据气动控制原理采用流动模式的分体式结构设计MR 阻尼器( 图1) ，包括磁流变液( MRF) 阻尼缸和MRF 阻尼阀2 个部分.其中MRF 阻尼缸的结构参数为：缸径25 mm，活塞杆直径10 mm.为了减小阻尼器的体积，改善漏磁，MRF 阻尼阀采用三段式［2］( 双线圈反并联绕制) 形式.2 MRF 阻尼阀的结构和磁路设计图1 MR 阻尼器的结构Fig.1 Structure of the MR damperMRF 阻尼阀的性能主要取决于结构、磁路以及磁流变液体的性能［3］( 图2) .阻尼阀的磁力线走向为：先通过阀芯，经过侧翼后穿过阀体与侧翼间的磁流变液到达阀体，再穿过侧翼与阀体间的磁流变液到达另一侧翼，最后回到阀芯，其中两线圈产生的磁场方向相反，以保证磁场在MR 阻尼器的中间侧翼为叠加.阻尼器参数包括环形间隙g、阀芯直径Dcore、磁轭直径Din、阀体外径Dout、侧翼长度lactive、阀芯总长lcore、阀体厚度lthickness.图2 MR 阻尼器的磁路设计Fig.2 Sketch of magnet circuit of MR damper2.1 参数的初步确定(1) 工作间隙g［4］. 在忽略漏磁的情况下，图2中各段的理论磁场强度为其中：Φ 为闭合磁路的磁通量，处处相等;μ0 为真空磁导率;μr i 为各传输介质的相对磁导率;si 为磁路各断面面积;Bi 为各段磁感应强度.要提高MR 阻尼器的阻尼力需要提高磁流变液体工作区域的磁场强度. 环形间隙处断面与其他区域相比，磁通量Φ 相同，断面的面积相差不大而其相对磁导率却小得多，因此整个磁路中间隙处的磁场强度远远大于其它区域，即磁路的磁动势主要集中在间隙处，提高磁感应强度即可提高阻尼器的阻尼力.由于磁流变液的相对磁导率远小于阀芯和阀体，因此较小的环形间隙将有利于产生较大的磁通密度，通常环形间隙值g =0.25 ～2 mm. 本设计中选择g=1 mm.(2) 工作间隙lg 的有效长度：根据文献［4］可确定lg为5 mm.(3) 漏磁系数σ 和磁阻系数f 取值：σ 的下限为2.0，上限为无穷大;f 的取值范围为1.1 ～1.5.根据经验确定σ = 2.2，f = 1.2.2.2 磁路材料的选用材料的选择主要针对阀芯和阀体两部分［5］.设计要求阻尼器线圈通以不大电流时可以获得较大的磁场强度，并使磁流变液工作区间( 环形间隙) 处的磁场强度最大，而非工作区间的能量损失最小; 不通电流时，阻尼器内剩磁小，阻尼力能在尽可能短的时间内迅速下降. 因此磁芯应选择磁导率高、矫顽力小、磁饱和度高的材料，考虑到系统要求和成本，磁芯和磁轭选用低碳钢，轴、轴套和端盖材料选用紫铜. 各材料的相对磁导率分别为：低碳钢，μs = 1 000;磁流变液，μMRF =2.5;线圈和紫铜，μcoil = μcopper = 1.2.3 工作点的选择(1) 磁芯工作点的选择. 根据低碳钢的B－H曲线，选择其工作点为B=1.25.(2) 磁流变液体工作点的选择. 磁流变液体的工作点影响其最大阻尼力，因此其值需根据系统所需阻尼力和液体的恢复力模型来确定.2.3.1 计算系统所需最大阻尼力［6］设定系统执行元件的目标位移为xt，阻尼器施加阻尼力FMRF 时的位移为xa，执行元件在该点的运行速度为va. 根据能量守恒有：其中，xt－xa = Δx 为系统控制误差即定位精度.由式(1) 可得设气动伺服系统的定位精度0.1 mm，得到系统在其高速时要精确定位所需的最大阻尼力FMRF 为1000 N.2.3.2 计算磁流变液体的工作点对于流动式阻尼器，当其激磁线圈产生磁场时，环形间隙中的磁流变液体产生屈服剪应力，活塞两端的压差为式中：q 为流过MR 阻尼器环形间隙的MRF 流量;D为磁流变液体的动力粘度.此时阻尼力为其中：q = Av，A 为MR 阻尼器环形间隙的面积，v 为MRF 速度;η 为MRF 的动力粘度.根据已知参数得到磁流变液体所需最大剪应力为τy =40.4 kPa. 本文选用的磁流变液体为哈尔滨工业大学的TiderMRF 27/50，其本构关系为应用广泛的Bingham 模型，该模型表述简单、物理意义明显，对于控制策略还不充分的阻尼器来说，其用于阻尼器的设计，简单且具有一定的精度.根据MRF 的本构关系式中：C1 = 64.72，C2 = 1.63;τy 是MRF 的屈服强度.把τy = 40.4 kPa 代入式(5) ，计算得磁流变液体工作点为B = 0.6 T，即间隙处MRF 磁感应强度为0.6 T.阻尼器产生的阻尼力满足系统要求.2.3.3 阻尼阀结构参数的计算为使环形间隙处的磁场强度达到工作点，并考虑漏磁，磁芯和磁轭处的磁通满足式中：Φ 为磁通量;As、Ag 分别为磁芯和间隙的截面积;Bs、Bg 分别为磁芯和间隙的磁感应强度;σ 为漏磁系数.式中：Hs 和Hg 分别为磁芯和间隙的磁场强度;ls 和lg 分别为磁芯和间隙的总长度;f 为磁阻系数. 而磁感应强度与磁场强度的关系为式中：真空磁导率μ0的值取4π ×10－7 H/m.由式(6) ～(8) 计算得阻尼阀的结构参数为：铜芯直径D1 = 5 mm，阀芯直径Dcore = 12 mm，磁轭直径Din = 28 mm，环形工作间隙g = 1 mm，缸体外径Dout = 40 mm，环形工作间隙长度lg = 5 mm，线圈总长度l = 40 mm，阀芯总长度lcore = 60 mm.2.3.4 阻尼阀安匝数的计算由磁路基尔霍夫定律得式中：N 为线圈匝数;I 为线圈电流;li 为磁路各段的平均长度.由于阀芯、阀体等材料的磁导率要比磁流变液高3 个数量级，式(9) 右端求磁路长度中可只考虑工作间隙中磁流变液材料一项，磁路其它各段可忽略，则式(9) 可近似写为得到阻尼阀的安匝数为424，取为450. 当电流的上限值取为1.5 A 时，阻尼阀线圈的匝数为300.3 磁路的有限元仿真3.1 建立磁路模型阻尼阀为轴对称式结构，则取阻尼阀四分之一的部分采用二维轴对称模型［6］.模型中磁流变液、阀芯、线圈、阀体、绝缘体( 线圈与磁流变液间) 材料分别用A1、A2、A3、A4、A5 表示，其相对磁导率分别为：μr( A1) = 2.5，μr( A2) = μr( A3) = μr( A5) = 1，μr( A5) = 1 000模型单元类型选为PLANE53 ( 二维8 节点实体单元) 和远场PLANE110，并指定各材料类型.如上所述得到阻尼阀的模型图( 图3A) ，并根据磁场的分布规律对模型进行网格划分( 图3B) .对模型加载电流，通过后处理获得阻尼阀的磁路磁通量如图4. 磁场大部分落在间隙区，作用于磁流变液体产生的阻尼力可以满足阻尼器的工作要求，表明设计参数合理. 同时可知，环形间隙处磁通密度受到阻尼器阀芯直径、侧翼长度影响较大，尤其对前者的变化更为敏感.图3 磁路网格划分及模型Fig.3 Grids and model of magnet circuit图4 阻尼阀磁路磁场分布图Fig.4 Magnetic field distributing of the damper4 MR 阻尼器的性能测试采用济南试金集团有限公司生产的微机控制万能实验机对磁流变阻尼器进行阻尼力的测试实验，检验阻尼器在不同电流、速度下，磁流变阻尼器的阻尼特性，为MR 阻尼器气动控制系统控制策略的选择提供依据.实验的电流控制在0 ～1.5 A，采用电流递增和递减的方式每隔0.1 A 测量一次，速度分别选用10、20、50、100、200、400 mm/s. 通过实验数据分析，选择低、中、高3 类数据分别进行2次拟合，获得运行速度分别为20、100、400 mm/s时的电流与阻尼力的关系曲线.图5 不同速度下电流与阻尼力的关系曲线Fig.5 Curves of currents to damper forces at different velocity如图5 所示，MR 阻尼器阻尼力随电流强度、活塞速度幅值增加而增加. 开始时，随着电流增大阻尼力增大的幅值较大，当电流增加到1. 0 A左右的时候，磁场随电流增大而逐渐达到饱和，此时阻尼力增加的幅值变小; 无输入电流时，磁流变阻尼器产生的最大阻尼力随速度增加而增加，低速时仅为70 N. 电流I =1 A、速度为20 mm/s时，磁流变阻尼器产生的最大阻尼力为700 N; 速度为400 mm/s 时，磁流变阻尼器产生的最大阻尼力为900 N，基本满足系统需要.5 结论根据理论推导和计算得到各项参数，设计出MR 阻尼器，并进行了有限元磁路仿真和实验检测，从仿真结果和实验数据可知： MR 阻尼器结构紧凑、工作性能良好. 阻尼力的调节范围大，在气动伺服系统中实现了高精度的位置控制.【相关文献】［1］Mark R J. Pneumatic motion control using magnetorheological fluid technology ［C］//27th International Symposium on Smart Actuates and Transducers ( ICAT) ，1999.［2］关新春，李金海，欧进萍. 剪切阀式磁流变液减振器磁路的设计方法［J］. 机械设计与制造，2003(3) ：97－99.［3］ Magnetic Circuit Design. Designing with MR Fluids ［Z］.California： LORD corp，1999.［4］邓长华，任建亭. 磁流变阻尼器优化设计与性能分析［J］. 机械科学与技术，2002，21 (2) ：9－13.［5］Ahmadian M，Pare C A. Quarter car experimental analysis of alternative semiactive control methods ［J］. Journal of Intelligent Material System and Structure，2000 (11) ：267－612.［6］Li W H，Du H，Guo N Q. Finite element analysis and simulation evaluation of a magnetorheological valve ［J］. Advance Manufacturing Technology，2003，21 (3) ：438－445.。
磁流变MR阻尼器的磁路设计优化及仿真
磁流变MR阻尼器的磁路设计优化及仿真摘要：磁流变现象应用广泛，其中利用其原理制作而成的磁流变MR阻尼器是一种性能优良的半主动控制装置，其结构简单、响应快、动态范围大、耐久性好，具有很强的可靠性。
要使磁流变MR阻尼器的性能最佳，需要考虑诸多方面的因素，这其中阻尼器的磁路设计尤为关键。
1.MR阻尼器的磁路设计磁流变（MR）阻尼器种类多样，根据MRF在MR阻尼器内受力方式的不同，通常将MR阻尼器按结构型式划分为剪切式MR阻尼器、阀式MR阻尼器、剪切阀式MR阻尼器和挤压式MR阻尼器，剪切阀式综合了阀式和剪切式的双重特点，其综合性能好，易加工制造，且其磁路设计也比较简单。
鉴于此，在本次研究中，我们选用剪切阀式作为本文研究的微型MR阻尼器的结构型式，受力形式和活塞运动方式上，选择双出杆直动型。
当MR阻尼器的励磁线圈有电流通过时，产生的磁场会使缸筒内部的磁流变液状态瞬间发生改变，从而在活塞运动过程中产生阻尼力。
考虑到本次所设计的MR阻尼器尺寸很小，线圈内绕极其困难，不便操作。
因此本文研究的MR阻尼器采用线圈外绕的方法，现详细说明其磁路的设计。
首先绘出磁路计算简图如图1-1所示：图1-1线圈外绕磁路计算简图根据磁路欧姆定律可得：（1-1）式中，N是缠绕在缸筒表面的铜线匝数；I是通过前面铜线的电流；为整个回路的磁通；和h分别为MR阻尼器磁路的平均长度和阻尼间隙；和分别为磁芯和空气的磁导率。
MR阻尼器中心轴段部分的磁阻为：（1-2）侧翼磁阻为：（1-3）MR阻尼器间隙内的磁阻为：（1-4）MR阻尼器缸筒内的磁阻为：（1-5）在式（2-8）到（2-9）中，为磁流变液的相对磁导率，为缸筒材料（即铝合金）的相对磁导率，为活塞杆材料（即硅钢）的相对磁导率。
该阻尼器磁路的总磁阻可表示为：（1-6）根据磁路欧姆定律[3]，该MR阻尼器所需要的磁动势为：（1-7）上式中，为MR阻尼器的活塞与缸筒内部的磁感应强度，为该处磁通面积。
磁流变材料阻尼器的结构设计与性能研究
磁流变材料阻尼器的结构设计与性能研究磁流变材料阻尼器是一种先进的阻尼器，在波浪荡漾、地震或机械振动等方面有广泛的应用。
它能够通过施加磁场来改变其内部阻尼阻力，以达到减振和减震的效果。
在本文中，我们将探讨磁流变材料阻尼器的设计和性能研究。
一、磁流变材料阻尼器的工作原理磁流变材料阻尼器的工作原理基于其材料本身的特性。
其外观类似于一个圆柱形的管子，内部则填充有磁流变材料。
当施加磁场时，磁流变材料会发生磁致变形，从而改变管子内部的液体位置和流动。
在运动过程中，液体会产生阻力，从而达到减震和减振的作用。
二、磁流变材料阻尼器的性能研究磁流变材料阻尼器的性能研究涉及到其结构设计和使用效果。
以下是该阻尼器的性能分析：1、阻尼器的结构设计阻尼器的结构设计对其性能具有重要影响。
通常，设计者会考虑以下主要因素：外部形状、内部填充材料和磁场生成器。
以外部形状为例，可以设计成不同形状，如梯形、V形或菱形。
这些形状对于磁流变材料的分布和内部阻尼效果具有明显的影响。
此外，内部填充材料的选择也至关重要，不同的材料具有不同的粘度和导电性能，因此对阻尼器的实际性能会产生重要的影响。
2、使用效果的测试除了设计结构以外，测试阻尼器的使用效果同样至关重要。
例如，可以通过实验来测量阻尼器在减震和减振方面的效果以及其对于振动频率和波形的响应。
此外，还可以对阻尼器的耐久性进行测试，以确保其能够在长时间内稳定工作。
三、磁流变材料阻尼器的应用磁流变材料阻尼器广泛应用于工业和车辆领域，如摩托车减震器、建筑物和桥梁结构减震器、汽车悬挂器等等。
在汽车领域，磁流变材料阻尼器已经被广泛应用于各大汽车制造商的高端品牌车型。
例如，美国福特公司的F-150皮卡车已经采用了该技术。
磁流变材料阻尼器可以大幅度提高车辆的行驶舒适性和安全性，从而更好地吸引消费者。
四、结论磁流变材料阻尼器是一项重要的技术，其在各大领域的应用也正在不断增加。
设计良好的阻尼器不仅可以提高机器和设备的性能，还可以减少因振动产生的损坏和磨损。
圆盘式磁流变液阻尼器的设计及磁路研究
圆盘式磁流变液阻尼器的设计及磁路研究1崔治1,2，郑堤2，王龙山1，詹建明2，胡利永1,21)吉林大学机械科学与工程学院，长春（130025）2)宁波大学工学院，浙江宁波（315211）E-mail：cuizhi@摘要：磁流变液阻尼器是新型的智能化吸能装置，本文采用宾汉模型研究了盘式磁流变液阻尼器的力矩计算模型，并引入磁致力矩与粘性力矩比例。
对此类阻尼器的关键技术－－磁路设计进行分析，用ANSYS软件分析工作面的复合式磁场分布情况。
实验结果表明，复合式磁路设计工作稳定，阻尼力矩可调范围宽，可进一步推广到类似磁流变液器件的设计。
关键词：磁流变液，阻尼器，力矩，复合式磁路1．引言磁流变液（Magnetorheological Fluids）是近十年来迅速发展的一种智能材料，通常是一种将微米尺寸的可磁化颗粒分散于母液中构成的悬浮液。
无磁场时为牛顿流体，而在强磁场作用下悬浮颗粒因磁感应由磁中性变为强磁性,因此彼此之间相互作用,而在磁极之间形成“链”状的桥,进而转化成宏观的柱状结构,使其在瞬间由液体变为粘塑体,其流变性质发生急剧变化，表现出类似固体的力学性质。
磁流变液会发生剪切流动，主要工作在后屈服阶段,其关键参数为动态屈服应力，是外部磁场强度的函数。
其固—液转换在毫秒量级内完成，而且去除磁场后这种材料又迅速恢复其流动性[1]，与电流变液相比，磁流变液由于具有较高的屈服应力（～100kPa，美国Lord公司已生产出了屈服应力可达80kPa的磁流变液），而且所用的驱动电源为低压电流源，其温度稳定性和抗杂质污染能力均较强，因而其应用前景极为广泛。
2．磁流变液数学模型2.1 微观模型对于磁流变液的微观结构已经有学者进行了较深入分析[2]，同时可借鉴电流变液研究模型[3]，在这里我们假设在上下滑板间充满磁流变液，在外加磁场的作用下，磁流变液中的磁性微粒形成链状结构，链的末端吸附于上下滑板上，如图１。
2.2 本构方程由于磁流变效应的复杂性，目前还没有一致公认的磁流变液阻尼器力学计算模型。
磁流变液阻尼器综述
半主动控制—磁流变液阻尼控制系统摘要：结构振动控制是一种新型的抗震技术,其中半主动控制是介于被动控制与主动控制之间的一种控制技术,其仅需少量外加能源,便可产生接近主动控制的效果。
由智能材料磁流变体制成的磁流变阻尼器不仅具有结构简单,体积小,反应快,能耗小和阻尼力连续顺逆可调等优点外,而且还易于和计算机相结合。
在半主动控制下,磁流变阻尼器可以有效地减小建筑结构的风振和地震反应。
因此,国内外己经有越来越多的学者投入到此方面的研究中来,并已取得了一定的成果。
本文根据国内外研究成果，介绍了磁流变阻尼器构造特点，力学模型及其控制算法。
关键词：磁流变液阻尼器；力学模型；半主动控制1 磁流变液磁流变液（Magnetorheological Fluid，简称MRF）最早是美国国家标准局Rabinow （1948）发明和研制，它主要由非导磁性液体和均匀分散于其中的高磁导率，低磁滞性的微小软磁性颗粒组成。
在零磁场情况下，流变液的颗粒杂乱无章地分布在液体中，无规则的自由流动。
其力学性能与普通流体一样，是具有线性粘滞力的牛顿流体（如图1所示）。
在磁场作用下，MRF可在毫秒级的时间内快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高黏度、低流动性的Bingham塑性固体。
磁流变液内的颗粒在两个磁极之间形成颗粒链，沿磁场方向呈“一”字状有规律的排列，这限制了流体的自由流动，使流体转变成一种具有一定抗压强度(剪切屈服强度和粘滞力的半固体)并且此过程可逆（如图2所示）。
当磁场撤离后，MRF又恢复成初始牛顿流体。
性能最大场强最大剪切屈服应力/KPa表观黏度/(Pa·s)适用温度/℃杂质敏感性密度/(g/cm3)输入电压/VMRF250A/mm5～100 0.2～1.0-5～150 不敏感3～4 2～25 优点：（1）所需输入电压小。
（2）剪切屈服强度高，可达到50～100KPa。
（3）对体内杂质影响不敏感，而且温度适应范围宽。
磁流变阻尼器的多目标优化设计与分析
(4)
60000
50000
剪切屈服强度/Pa 剪切屈服强度 (Pa)
40000 30000 20000
实测数据 拟合曲线
10000
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
磁磁密密/T(T)
图 4 磁流变液剪切屈服应力与其磁密的关系
Fig.4 The relation between shear yield stress and magnetic flux density of magnetorheological fluids
工程力学
31
阻尼力和粘滞阻尼力的大小，又从磁学的角度影响 着间隙内磁场强度的大小，而后者将进一步影响库 仑阻尼力的大小。目前，关于磁流变阻尼器的优化 研究主要集中在对阻尼力的单目标优化上，且设计 变量较少；在计算过程中一般仅从磁学方面考虑结 构参数对阻尼力的影响[4―9]。
本文将以阻尼力和可调倍数为优化目标，以磁 流变阻尼器关键结构参数为变量，利用多目标遗传 算法(Multiple Objective Genetic Algorithm) MOGA， 在优化软件 modeFRONTIER 中对磁流变阻尼器进 行优化设计和分析。在计算过程中，将同时从流体 力学和磁学两方面考虑结构参数对阻尼力的影响。
磁流变液剪切屈服强度 τ0 取决于间隙磁流变液 的磁密 B，本文选用本课题组制备的磁流变液进行 计算。通过拟合图 4 所示的实测数据可得剪切屈服 强度的计算公式如下：
τ0 (B)=− 3632× B+ 206593.4× B2 −178444.2× B3 +
5023.3× B4 + 23023.4 × B5
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Ｒ ｈ
Ｒ ｅ
图 １轴向绕组磁路结构磁流变液阻尼器结构简图
由活塞 １隔片 ２ 工作缸 ３ 内灌注磁流变液 ）励磁线 圈 ４ 、 、 （ 、
（Ｊ ａ （） ｂ
组成 ， 活塞和工作缸形成阻尼问隙通道（ 磁流变液流通通道 ） 。磁
图２单个线圈边的闭合磁 回路
路结构具体特点如下 ： （） １在阻尼器的工作缸壁上沿轴 向开设若 干个线圈槽 ， 电磁 线按链式绕制成分组的励磁线圈 ，线圈首尾或尾首正串连接 ， 按 节距 １ 个槽嵌放在缸壁上 的线圈槽 内， 构成轴向庶极式 线圈绕 组。绕组与活塞轴 、 工作缸以及阻尼间隙通道组成阻尼器的轴 向 绕组磁路结构 ，根据磁极对数又可称作 ２ 极轴向庶极式线圈绕 ｐ
如图 １ 所示 ， 阻尼器结构参数有 ： 活塞杆直径 ｄ 活塞轴直径 ， ，、 Ｊ半径 ｒ阻尼间隙通道长度 ， 阻尼 间隙高度 ｅ磁极高度 ｈ 工 ， Ｊ ， ， ，
作缸壁厚 。 ，磁极沿工作缸圆柱壁面弧长极距 ｕ ，磁极弧长宽度
２３结构设计判定条件 ．
磁流变液的饱和磁致屈服强度是用来表征液体的极限状态 ，
（） ５
（） ２ 因为磁 线 邻两槽槽壁相互平行来设计 ， 这样既可尽量增大磁轭铁芯磁通面
积， 又有利于约束电磁线。
面 ｈ
工作缸壁部分Ⅳ的磁阻为 ：
Ｒ－Ｉ ｒｅｈ ａ ） ｅ ｒ ＋ ＋ ＋／ ／ （ ２ｐ
，
ｎ￡ Ｇ
（） ３在每个线圈槽 口正对 的阻尼间隙通道处 ， 按槽 口宽度 和 式 中： 一空气磁导率 ； 一活塞轴材料磁导率 ；。 一工作缸材料 间隙高度以及间隙通道长度设置一块隔片 ， 防止磁流变液从这些 磁导率 ； 一磁流变液磁导率 ；一磁极对数； ＝ （ Ｄ２ ｐ Ｅ Ｃ＂ ／ ｏ ｒ ｐ ｒ
路在阻尼间隙通道 中产生磁场 ，忽略阻尼间隙通道两端的磁漏， 磁 路磁通处处相同， 由磁路欧姆定律和磁路第二定律有 故 场沿整个阻尼间隙通道轴 向也即磁流变液流动方向均匀分布。 Ｎ ＝ （ ＋ Ｒ ＾ ＩＢ ２２ ２ ＋ ） Ｒ
（） ６
２阻尼器设计
２１ ． 活塞结构设计
尼器阻尼力计算公式目假设活塞速度为零 ， ， 阻尼器的最大阻尼力
导 出阻尼器结构设计公式
Ｆｖ ： Ｓ ３ ， Ｄ － ｓ￣ Ｔ ｍ Ｌｒ ２ｄ） ｎ ｎ ｒ （
一
完全 由库仑阻尼力 提供以满足工作需求 ，而此时磁流变 液体达到了其饱和磁致屈服强度 ＂ ，也即库仑阻尼力达到最大 ／ ＇ ｓ ｏ
铁芯部分 Ⅲ， 穿过弧形工作缸壁Ⅳ ， 到达缸体另一磁极铁芯Ⅲ， 而
１ 磁路结构特点
轴向绕组磁路结构磁流变液阻尼器ｐ 结构 ， 如图 １ 所示 。
后再次穿过 阻尼间隙通道 Ⅱ， 最后 回到活塞轴径 向区域 Ｉ， 形成 闭合磁回路。忽略磁路漏磁 ， 其等效磁路 图， 如图 ２ ｂ所示 。 （）
由设计公式 （ ） １按最大阻尼力进行阻尼器结构设计时， 需选取磁 流变液有效的磁致屈服强度 区间， 设其 区间极大值为 ， ｒ 对应 的励磁磁感强度为 Ｂ ， 励磁 电流为 Ｌ， 结合磁路设计公式 （ ）推 ６，
Ｅ 弧长 Ｅ与 ／的比值 Ｃ 线圈匝数 Ⅳ， ， ／ ， ， 线圈槽横截面积 。 根据阻
组磁路结构 （ ｐ为磁极对数 ） 。
根据磁 阻计算公式 ＝
一， 磁路各部分磁阻
ｒ ，－ ｑｕ ｐｏ ｚ
磁路活塞轴部分 Ｉ 的磁阻为 ：
Ｒ＝ ７
ｒ ＃ｚ ｔ ￣
～
（） ２
磁 路 中阻 尼 间隙 通道 Ⅱ的磁 阻为 ：
面
磁极铁芯部分 Ⅲ的磁阻为：
（） ３ （） ４
位置流过，也将圆柱环形阻尼间隙通道分隔成 ２ ｐ个尺寸相同的
磁场区域 。
由于磁流变液阻尼间隙通道高度很小 ， 相比磁路总长度几乎
可以忽略， 以当导磁体磁通密度未达到饱和时 ， 所 忽略阻尼间隙 （） ４如图 １ 所示 ， 当线圈绕组通以直流励磁电流时， 每个线圈绕 通道的磁漏 ， 而认为整个磁路的磁通处处相同。如果阻尼间隙通 组产生两个磁极 ， 并通过活塞轴 、 工作缸和间隙形成闭合磁回路， 磁 道 Ⅱ中的磁感应 强度为 日 间隙通道 的磁通面积为 肛 ／， ， ２ 因为磁
设计出有效合理的结构参数 。因 庶极式线 圈绕组在工作缸磁极铁芯上产生成对磁极 ， 根据庶 过程要不断协调这些结构参数 ，
所以在 极式线圈绕组磁路结构 的对称性和磁极的对称性 ， 每个闭合磁 回 为电磁线规格决定了线圈绕组所能加载的最大励磁电流 ，
按电流设计要求选择电磁线 ， Ａ 为所选规格 设 路可看作单个载流线圈边产生， 其磁力线闭合 回路 ， 图 ２ ａ所 结构设计过程 中， 如 （）
…
一
～７ 一
ＤＣＬＢ
｜ Ｊ
那么 Ｆｖ ‰ ， ｓ ￣＝ 由此可 以推导得 出阻尼器最大阻尼力与活
其中， ｍ Ｒ＝
＋
＋
２ ｅ
２ ｈ
塞结构参数的关系 ， 即活塞结构设计公式
一
＝
ｗ ｒｅｈ ａ２／ （＋＋ ＋／） ￣
Ｇ 如
２２磁 路设计 ＿
式 （） ７ 中各项结构参数之间相互联系 ， 因此阻尼器结构设计
３ ０
杨超君等 ： 向绕组磁路结 构磁 流 变液 阻尼 器设 计 轴
第３ 期
运动敏捷性 ， 并且能在阻尼间隙通道形成有利于磁流变效应 的平 示 （ 结构两边对称 ）磁力线经活塞轴径 向区域 Ｉ， ： 穿过工作缸体
行平板均匀磁场。
与活塞轴之间的圆柱环形阻尼问隙通道 Ⅱ， 然后经工作缸体磁极