多极圆盘式磁流变制动器的设计与优化

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.039

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (3): 297-305 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.039

机械设计理论与方法

多极圆盘式磁流变制动器的设计与优化

黄浩(

),吴杰(

),邓兵兵,谢红阳

西华大学机械工程学院，四川成都 610000

Design and optimization of multipole disc-type magnetorheological brake

Hao HUANG(

),Jie WU(

),Bingbing DENG,Hongyang XIE

School of Mechanical Engineering, Xihua University, Chengdu 610000, China

全文: PDF(3573 KB) HTML

摘要：

针对传统圆盘式磁流变制动器中工作间隙磁场强度沿制动盘径向分布不均匀、远离线圈区域的工作间隙磁场强度较小的问题，提出并设计了一种多极圆盘式磁流变制动器。首先，阐述了多极圆盘式磁流变制动器的基本结构及工作原理，完成了磁流变制动器的磁路建模，并建立了其制动转矩的数学模型。然后，基于有限元仿真软件，开展了多极圆盘式磁流变制动器的磁场仿真分析。最后，以转矩密度为优化目标，采用梯度自由优化算法中的BOBYQA（bound optimization by quadratic approximation，二次逼近边界优化）算法，完成了多极圆盘式磁流变制动器的结构优化设计。结果表明，所设计的磁流变制动器的外间隙磁感应强度为0.681~0.760 T；内间隙0~<5 mm处的磁感应强度为0.114~0.349 T，5~65 mm处的磁感应强度为0.362~0.498 T；内、外线圈产生的2种磁场可以在磁流变液间隙中实现叠加，从而提高制动转矩。相较于优化前，当所有内、外线圈的电流为1 A时，优化后磁流变制动器的制动转矩增大了15.2%，转矩密度增大了14.3%。多极圆盘式磁流变制动器可为高转矩密度磁流变传动技术的发展提供参考。

关键词： 磁流变制动器; 多极; 圆盘式; 制动转矩; 转矩密度

Abstract:

Aiming at the problem that the working gap magnetic field intensity distributes unevenly along the radial direction of the brake disc and the working gap magnetic field intensity far from the coil area is small, a multipole disc-type magnetorheological (MR) brake is proposed and designed. Firstly, the basic structure and working principle of the multipole disc-type MR brake were elaborated and the magnetic circuit modeling of the MR brake was completed, and then a mathematical model of its braking torque was established. Then, based on finite element simulation software, the magnetic field simulation analysis for the multipole disc-type MR brake was carried out. Finally, taking the torque density as an optimization objective, the structural optimization design of the multipole disc-type MR brake was completed by BOBYQA (bound optimization by quadratic approximation) algorithm within the gradient free optimization algorithm. The results showed that the external gap magnetic induction intensity of the designed MR brake was 0.681?0.760 T; the magnetic induction intensity at the internal gap of 0?<5 mm was 0.114?0.349 T, and the magnetic induction intensity at the internal gap of 5?65 mm was 0.362?0.498 T; the two magnetic fields generated by the inner and outer coils could be superimposed in the MR fluid gap, which improved the braking torque. Compared to before optimization, when the current of all inner and outer coils was 1 A, the braking torque increased by 15.2% and the torque density increased by 14.3% of the optimized MR brake. The multipole disc-type MR brake can provide a reference for the development of high torque density MR transmission technology.

Key words: magnetorheological (MR) brake multipole disc-type braking torque torque density

收稿日期: 2022-10-24 出版日期: 2023-07-06

CLC:

TH 132

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51805444);西华大学青年学者后备人才支持计划资助项目(DC1900007176);西华大学人才引进项目(Z201017)

通讯作者: 吴杰 E-mail: hh18990363654@163.com;jiewu323@163.com

作者简介: 黄浩（1998—），男，四川眉山人，硕士生，从事磁流变制动器设计研究，E-mail: hh18990363654@163.com， https://orcid.org/0000-0001-8788-3982

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黄浩,吴杰,邓兵兵,谢红阳. 多极圆盘式磁流变制动器的设计与优化[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 297-305.

Hao HUANG,Jie WU,Bingbing DENG,Hongyang XIE. Design and optimization of multipole disc-type magnetorheological brake[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(3): 297-305.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.039 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I3/297

图1 多极圆盘式磁流变制动器的线圈布置简图

图2 多极圆盘式磁流变制动器结构示意1—传动轴； 2—平键； 3—上端盖； 4—深沟球轴承； 5—上壳体； 6—上制动盘； 7—上导磁盘； 8—上线圈盘； 9—外线圈架； 10—中间壳体； 11—外线圈； 12—内线圈； 13—内线圈架； 14—下线圈盘； 15—下制动盘； 16—磁极； 17—下导磁盘； 18—下壳体； 19—下端盖。

图3 多极圆盘式磁流变制动器磁路简图

图4 多极圆盘式磁流变制动器等效磁路

图5 制动盘轴向示意图

图6 多极圆盘式磁流变制动器的主要结构参数

表1 多极圆盘式磁流变制动器主要结构参数的优化范围 (mm)

图7 多极圆盘式磁流变制动器主要结构参数的优化迭代过程

图8 多极圆盘式磁流变制动器转矩密度的优化迭代过程

表2 多极圆盘式磁流变制动器主要结构参数的优化结果 (mm)

表3 优化前后多极圆盘式磁流变制动器的制动性能对比

图9 多极圆盘式磁流变制动器仿真模型

图10 MRF-305型磁流变液的B—H曲线

图11 多极圆盘式磁流变制动器各间隙处的磁场分布

图12 多极圆盘式磁流变制动器各间隙处的磁感应强度变化曲线

表4 不同通电方式下多极圆盘式磁流变制动器的制动性能对比

表5 不同磁极数量下多极圆盘式磁流变制动器的制动性能对比

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