微小型磁流变执行器热环境下的转矩计算模型研究

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基于磁流变液响应迅速、变化可逆、易于控制等优点设计的微小型磁流变执行器,尺寸小、结构简单、易于加工,可以实现对微小型旋转机械的无极调速,在航空航天、汽车制动、医疗器械等领域具有广阔发展前景。但是它在工作时会有热量的产生影响磁流变液流变学性能,致使转速不能被精确控制。为了解决这个问题需要建立热环境下更精确的转矩计算模型,本研究基于微小型涡轮发动机上使用的磁流变执行器展开转矩计算模型探索,具体研究内容概况如下:(1)探究了磁流变液在温度场、磁场、流场复合作用下的流变学性能。通过流变仪测试结果表明,磁流变液粘度η和屈服应力τy都随着温度升高呈明显的下降趋势。建立了多场耦合作用下新的粘度和屈服应力模型。与实验数据拟合,新的粘度和屈服应力模型符合度判定系数分别为0.993、0.982,表明模型准确。(2)对微小型磁流变执行器工作时的传热机制进行分析,建立了磁-流-温多物理耦合模型,通过COMSOL Multiphysics软件进行仿真分析,得到执行器在工作时磁场、温度场的分布。仿真结果表明,执行器在工作时磁流变液温度分布均匀,表明温度对执行器中各区域磁流变液流变学性能影响相同。(3)通过搭建的减速-测温实验系统在初始转速18200 r/min工况下,施加不同电流进行减速性能和实时测温实验。实验表明,施加电流由0.3 A增加到1.5A时,稳定后转速由15855 r/min下降到4122 r/min,磁流变液的温度由41℃升高到123℃。此外,微小型磁流变执行器在工作时柱面和底面测得温度基本相同。将温度场仿真和测温实验结果对比,符合度判定系数0.972,验证仿真的准确性。(4)分析了微小型磁流变执行器工作模型,将温度场、磁场、流场的影响引入到转矩计算中,建立了热环境下新的转矩计算模型。并与实验测得数据进行对比,符合度判定系数为0.993,验证转矩计算模型的准确性。与不考虑温度影响模型的判定系数0.864相比,新的转矩计算模型计算精度提高了12.9%。本研究深入探究了温度场、磁场、流场对磁流变液流变学性能的影响,通过磁-流-温多物理耦合仿真和实际测温相结合的方法得到了微小型磁流变执行器工作时温度场分布,在此基础上建立了热环境下的转矩计算模型,这对精确控制微小型旋转机械的转速具有重要意义。
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