基于性能最优的磁流变阻尼器励磁线圈缠绕方法研究

现代科学仪器Modern Scientific Instruments第6期2011年12月N o.6 D e c. 201147收稿日期：2011-08-19基金资助：中国国家自然科学基金（61071198）；浙江省自然科学基金项目(Y1101283)作者简介：伍广彬（1985-），男，山东菏泽人，硕士，研究方向：机械设计与机电控制；冯志敏（1960-），男，浙江宁波人，教授，研究方向：船舶自动化与机电控制；张刚（1976-），男，四川遂宁人，高级工程师，研究方向：故障诊断与机电控制基于性能最优的磁流变阻尼器励磁线圈缠绕方法研究伍广彬　冯志敏　张 刚（宁波大学海运学院 浙江宁波 315211）摘　要　双线圈活塞式磁流变阻尼器是一种通过励磁线圈产生磁场，以控制输出阻尼力的器件，其励磁线圈的缠绕方法直接影响磁流变阻尼器磁场分布和动态响应时间。

在磁流变阻尼器性能模型的研究基础上，以阻尼动力和动态性能为最优目标，分析了两励磁线圈多种缠绕方法对阻尼间隙的磁场分布和控制电路的响应时间的影响，综合考虑了外界控制电路的电流负担和电能损耗，获得了励磁线圈采用反向串联的最优缠绕方法。

研究结果为磁流变阻尼器的结构设计和参数优化提供了参考依据。

关键词　磁流变阻尼器；励磁线圈；缠绕方法；响应时间；阻尼力中图分类号　TH122 文献标识码：AWinded Method Study of Excitation Coils of Magnetorheological Damper Based onOptimal PerformanceWu Guangbin, Feng Zhimin, Zhang Gang(The Faculty of Maritime, Ningbo University, Ningbo, 315211, China)Abstract Dual-coil piston Magnetorheological(MR) damper is a device which controls the output damping t hrough magnetic field produced by excitatio n coils. But winding method of excitation coils directly influences magnetic field distribution and response time of MR damper. Based on the study of performance models, this paper, aiming at optimizing the damping and dynamic performance, analyzes the magnetic fi eld distribution of damping clearances and response time of control circuit affected by multiple winded methods of dual excitation coils. And taking the electrical load and power loss of external control circuit, we can learn that the subtractive series of dual excitation coils is the best method. This study provides a reference for structural design and parametric optimization of MR damper.Key words Magnetorheological damper; Excitation coils; Winded method; Response time; Damping磁流变阻尼器是一种性能优良的半主动控制装置，在结构振动控制和冲击隔离领域具有很大的应用价值。

可调范围、可控阻尼力和响应时间是磁流变阻尼器的三个重要的性能参数[1]。

为提高磁流变阻尼器的性能，各国学者从不同角度进行了研究。

曹磊等[2]运用试验的方法研究了磁流变阻尼器的力学性能；冯志敏等[3]研究了磁流变液中磁性颗粒的沉淀现象对阻尼器动力性能的影响；兰文奎等[4]运用有限元法对磁流变阻尼器不同结构模型的磁场分布进行了分析；王宇飞[5]从磁路利用率和磁场分布方面对多阶段活塞式磁流变阻尼器电磁线圈进行了研究；Koo.等[6]对磁流变阻尼器的响应时间及其影响因素进行了研究分析，这些研究都取得了相应的理论与试验成果。

对于双线圈活塞式磁流变阻尼器，励磁线圈的不同缠绕方法将直接影响磁流变阻尼器的性能。

为增大磁流变阻尼器的可调系数和可控阻尼力，减小响应时间，提高控制器件的灵敏性，本文从阻尼间隙的磁场分布和控制电路的响应时间两个方面，对磁流变阻尼器励磁线圈的缠绕方法进行综合研究，获得了基于性能最优的线圈缠绕方法。

1　磁流变阻尼器性能模型可调系数、阻尼力和响应时间是影响磁流变阻尼器特性的重要参数，其相应的动力学模型如下。

1.1　动力学模型Modern Scientific Instruments48N o.6 D e c. 2011其工作时磁流变液在左右两腔产生压力差，然后在压力差的作用下经过阻尼间隙由一腔流向另一腔。

根据磁流变液流动形式和受力方式的不同，磁流变阻尼器可分为剪切模式、挤压模式、流动模式以及它们相互间的混合模式。

双线圈活塞式磁流变阻尼器为剪切和流动的混合模式，根据平行板力学模型，阻尼器的输出阻尼力可以表示为[7]：2003123()()[()]p y pL A L A F t x t sgn x t h Dh ητ=+π&&（1）式中：22()4p A D d π=−活塞的有效面积；L 0为活塞有效长度；D 为活塞直径；d 为活塞杆直径；h 为阻尼间隙宽度；x 4(t )为活塞运行速度；η为磁流变液的表观粘度；τy 为磁流变液屈服强度，它是磁感应强度B 的函数。

上式中的输出阻尼力有两项组成，前一项是粘滞阻尼力，主要由磁流变液表观粘度和活塞运行速度决定；后一项是库伦阻尼力，受磁感应强度的控制，随磁感应强度的增大而增大。

而库伦阻尼力与粘滞阻尼力的比为磁流变阻尼器的可调系数，即：22003312/()4()y p p yp L A L A Dh k x t h A x t Dh τηπτ==ηπ&&（2）则可调系数也是磁感应强度的函数，随磁感应强度的增大而增大。

因此提高阻尼间隙的磁感应强度可增大阻尼器的可控阻尼力和可调系数。

1.2　电路响应时间模型磁流变阻尼器内部的控制电路是由两个励磁线圈缠绕在铁芯上组成的，若忽略涡流的影响，其内部的控制电路可以等效为一个电阻和一个电感串联的形式[8]。

但由于电感具有储能作用，对磁流变阻尼器进行控制过程中，控制电流不能发生阶跃性变化，需要有一个瞬态变化过程，所以影响着阻尼力的响应时间，甚至占有相当大的比例。

磁流变阻尼器内部等效控制电路图如图2所示。

()()()i dL i t R t V t dt+= （3）若输出电压为定值，则磁流变阻尼器的电流随时间的变化关系为：()(1)R t L V i t e R−=−（4）其中V 0是初始电压。

由上可知，控制电路的响应时间L t R ∝，控制电流达到稳态值的95%所消耗的时间约为3LRs，到达稳态值的98%大约需要4LRs。

因此可以通过减小电感与电阻比值的方法来减小磁流变阻尼器的响应时间。

2　线圈缠绕方法对磁场的影响两励磁线圈的连接方法有串联和并联两种，又根据两励磁线圈产生的同向和异向两种电流，将两励磁线圈的缠绕方法分为顺向串联、反向串联、同侧并联和异侧并联四种情况。

其中反向串联和异侧并联产生的电流为异向，其他两种缠绕方法产生的电流为同向。

磁流变阻尼器工作时，异向电流和同向电流在阻尼间隙处产生的磁场叠加会出现增强和减弱两种情况，进而影响磁流变阻尼器的可控阻尼力和可调系数。

2.1　单个线圈的磁场分布由于两励磁线圈关于活塞径向中心线对称，因此可取其中一个励磁线圈产生的磁场进行分析。

在分析过程中，假设每个活塞体上磁感应强度是均匀分布的，磁场的分布简图如图3所示。

10110ln(/)=2D D R L u u π液（5）49第6期2011年12月10210ln(/)=4D D R L u u π液（6）1101ln(/)=2D d R L u u π（7）2101ln(/)=4D d R L u u π（8）1232022(32)=L L R d u u +π（9）1242221032(32)=()L L R D D u u +π−（10）其中u 液、u 1、u 2、u 3分别为磁流变液、活塞、活塞杆和缸体的相对磁导率。

则整个回路中的总磁阻为：0113402201134(+)()//()m R R R R R R R R R R R =+++++++（11）由安培环路定律[9]：B m R NI ∅= （12）可得阻尼间隙1、2、3处的磁通量分别为：1B mNI R ∅= （13）01134201021234B m R R R R NIR R R R R R R +++∅=⋅+++++ （14）022*********B m R R NIR R R R R R R +∅=⋅+++++ （15）由于阻尼间隙远远小于活塞直径，因此间隙处的磁通面积可以视为定值。

所以阻尼间隙1、2、3处的磁感应强度分别为：011m NI B R S = （16）0113402201021234m R R R R NI B R S R R R R R R +++=⋅+++++ （17）02203101021234m R R NIB R S R R R R R R +=⋅+++++ （18）式中S 1和S 2分别为阻尼间隙1和2的磁通面积。

可得阻尼间隙2和3的磁感应强度的比值为：2221112213202222032321118(32)[()]=1+()[ln(/)ln /)]u u L L L D D u d u B B u u d D D u D D u D d +−+−+液液（（19）所以010203B B B >>,即距离励磁线圈最远的活塞体，磁感应强度最小。

2.2　两励磁线圈的磁场分布两励磁线圈的同向电流和异向电流在磁流变阻尼器的阻尼间隙处产生的磁场分布是不同的，下面对同向电流和异向电流在阻尼间隙处产生的磁场分布进行分析。