多阶段活塞式磁流变阻尼器的电磁线圈研究

　　磁流变阻尼器是利用磁流变液的可控特性制成的一种智能器件,不但阻尼可控,而且响应速度快,此外它还具有体积小、结构简单、阻尼力大、动态范围广、功耗少等优点,在航空航天、机电工程、车辆工程、土木工程、医疗等领域有着广泛的应用前景。目前常用的磁流变阻尼器多采用剪切阀式结构,其工作原理是以磁流变液作为阻尼器的工作液,并在阻尼器的活塞轴上缠绕电磁线圈,线圈产生的磁场作用于磁流变液,通过控制电磁线圈电流的大小来改变磁流变体的粘度,实现阻尼可调的目的。在这种结构下,活塞的有效长度即为有效磁场的长度,可控力与该长度成正比。所以为了获得较大的阻尼力,应当在空间允许的范围内适当增大有效长度。但是,随着距离电磁线圈距离的增大,活塞有效长度与活塞缸的间隙内部的磁感应强度变得非常不均匀,而且会很快地衰减。

　　为了解决这个问题,目前磁流变阻尼器采用多阶段活塞缠绕的形式。因此,非常有必要研究电磁线圈的特性,多个线圈的连接方式问题,线圈之间的电流的取向等Shawn P Kelso[1]和G.Yang[2]从如何降低线圈响应时间的方面研究了缠绕线圈之间的连接问题。关新春等[3]测量了不同电流方向下三阶段活塞的磁流变阻尼器的磁场强度。本文首先分析磁流变阻尼器采用多阶段活塞式结构的优缺点,系统地研究了磁流变阻尼器的电磁线圈特性。应用有限元软件Maxwel,l构建了一个三阶段活塞式磁流变阻尼器的模型。分析得出,该模型在相邻线圈中通入方向相反的电流时,可以提高磁路的利用率,但是整个阻尼通道内部的磁感应强度分布是不均匀的。通过适当调节有效长度的分布,可以实现整个阻尼通道内部的磁感应强度基本一致性。

　　1　采用多阶段活塞的优点

　　对于两阶段的活塞式磁流变阻尼器,为了获得较大的阻尼力,就要尽可能在允许的范围内,加大活塞的有效长度。但是在磁流变体的工作区域,磁场沿着有效长度是非线性分布,且距离线圈越远,磁场强度越小。而且随着阻尼力的增加,活塞的变长,在磁场力的作用下,活塞会发生径向晃动,甚至与缸壁接触摩擦。

　　当采用多阶段的活塞时,活塞上缠绕两个或者多个线圈,活塞的有效长度被分散开,磁场在各阶段的不均匀性得到一定的控制,相应地提高磁路的效率。

　　在选择磁路材料时,为了避免材料的磁饱和效应,所选用的材料的截面面积一般要选择的大一些。当采用多阶段活塞结构时,在达到同样的磁感应强度的情况下,由于流过每一级的磁通量成比例的减小了,由公式=BS可知,活塞中磁芯和磁轭区域的面积也可以成比例地减小。这样可以节省材料,提高材料的利用率。