CN113253768A - 一种基于磁流变体的流量控制装置及其控制方法 - Google Patents

一种基于磁流变体的流量控制装置及其控制方法 Download PDF

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CN113253768A CN202110723710.7A CN202110723710A CN113253768A CN 113253768 A CN113253768 A CN 113253768A CN 202110723710 A CN202110723710 A CN 202110723710A CN 113253768 A CN113253768 A CN 113253768A
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shaped connecting
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杨飞
李刚炎
黄大勇
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Wuhan University of Technology WUT
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Abstract

本发明涉及一种基于磁流变体的流量控制装置及控制方法，控制装置包括：控制模块、驱动模块、流体通道；驱动模块包括储液腔、驱动电机、旋转圆盘、两个励磁线圈、Y型连杆；储液腔内填充有磁流变液，旋转圆盘设置在所述储液腔内并与所述驱动电机的输出转轴固定连接，Y型连杆包括两个第一自由端和一个第二自由端，两个第一自由端位于所述储液腔内且位于所述驱动电机的输出转轴的两侧，第二自由端位于所述流体通道内，两个所述励磁线圈分别固定安装在两个所述第一自由端上并与所述控制模块电连接，控制模块用于控制所述驱动电机旋转并通过在励磁线圈两端加载电压改变磁流变液的屈服应力，使得旋转圆盘带动Y型连杆运动，从而实现流体通道的开合。

Description

一种基于磁流变体的流量控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电磁控制技术领域，具体涉及一种基于磁流变体的流量控制装置及其控制方法。
背景技术
现有的流体流量控制装置通常采用阀门开合大小对流体流量大小进行调节，常见的自动阀门结构有电磁阀或比例继动阀等等。然而现有的流体流量控制装置存在响应时间滞后、可控范围小、响应精度低、对温度等外部环境条件抗干扰能力低、寿命短、响应精度低等问题，对于某些控制精度要求较高、使用环境条件复杂且寿命要求较高使用场景，现有的流体流量控制装置往往不能满足需求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于磁流变体的流量控制装置及其控制方法，该装置采用磁流变液进行控制，具有磁流变液的传动装置各项优势：瞬时(毫秒之内)并可逆的流变响应；大范围可控的流变应力；磁化能耗较低；对温度等外部环境条件具有很强的抗干扰能力；无磨损性避免了机械传动件的冲击和振动，能有效减少常见开关阀在高频地工作时产生的磨损与疲劳失效；且达到快速的控制耦合响应的效果，保证了更好的环境适应性。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种基于磁流变体的流量控制装置，包括：控制模块、驱动模块、流体通道；
所述驱动模块包括储液腔、驱动电机、旋转圆盘、两个励磁线圈、Y型连杆；所述储液腔内填充有磁流变液，所述驱动电机的控制端与所述控制模块电连接，驱动电机的输出转轴贯穿所述储液腔，所述旋转圆盘设置在所述储液腔内并与所述驱动电机的输出转轴固定连接，所述Y型连杆包括两个第一自由端和一个第二自由端，两个第一自由端位于所述储液腔内且位于所述驱动电机的输出转轴的两侧，第二自由端位于所述流体通道内，两个所述励磁线圈分别固定安装在两个所述第一自由端上并与所述控制模块电连接。
所述控制模块用于控制所述驱动电机旋转并通过在励磁线圈两端加载电压改变磁流变液的屈服应力，使得旋转圆盘带动Y型连杆运动，从而实现流体通道的开合。
进一步的，在所述储液腔上、围绕所述连杆的第二自由端，设置有磁流变液密封圈和隔板，用于将储液腔与流体通道分离。
进一步的，所述Y型连杆的运动模型如下式所示：
Figure 307457DEST_PATH_IMAGE001
式中，m为Y型连杆质量，x表示Y型连杆位移，F actuation 表示驱动电机驱动旋转圆盘 在磁流变液中旋转的稳态驱动力，F flow 表示通过流体力学雷诺方程计算的流体通道内流体 对Y型连杆的流动阻力，F oring 表示Y型连杆运动过程中所受的摩擦力，
Figure 455540DEST_PATH_IMAGE002
，F C 表示磁流变液密封圈对Y型连杆的摩擦力，F H 表示流体通道中流体对Y型连杆的摩擦力。
进一步的，在励磁线圈形成的交变磁场中，驱动电机驱动旋转圆盘在磁流变液中旋转的稳态驱动力F actuation 的计算方法如下：
Figure 667953DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 827451DEST_PATH_IMAGE004
表示在励磁线圈的二维平均通量密度为B ave_2D 时磁流变体流变 屈服应力，r core 表示励磁线圈半径。
进一步的，所述旋转圆盘包括两个，对称设置在所述激励线圈的上下两侧。
另一方面，本发明提供一种基于磁流变体的流量控制方法，该方法基于上述的基于磁流变体的流量控制装置实现，包括：
获取流体通道内流体的当前流量Q并与目标流量Q’，通过对比当前流量Q与目标流量Q’的大小，向在指定励磁线圈的两端加载电压；
根据磁流变液的材质特性得到磁流变液的磁性和流变特性曲线，并对所述特性曲 线进行多项式插值，计算磁流变液的流变屈服应力
Figure 81715DEST_PATH_IMAGE004
；B ave_2D 表示励磁线圈的 二维平均通量密度；
分别计算在励磁线圈形成的交变磁场中，驱动电机驱动旋转圆盘在磁流变液中旋 转的稳态驱动力F actuation ，流体通道内流体对Y型连杆的流动阻力F flow ，以及Y型连杆运动过 程中所受的摩擦力
Figure 473251DEST_PATH_IMAGE005
，F C 表示磁流变液密封圈对Y型连杆的摩擦力，F H 表示 流体通道中流体对Y型连杆的摩擦力；
利用下式计算Y型连杆的当前运动速度v及其位移量x：
Figure 240919DEST_PATH_IMAGE006
Figure 570269DEST_PATH_IMAGE007
Figure 51060DEST_PATH_IMAGE008
控制模块通过Y型连杆的当前运动速度v及其位移量x，获取Y型连杆的当前位置并结合流体通道内流体的当前流量Q对励磁线圈的两端加载电压进行调整。
进一步的，所述对所述特性曲线进行多项式插值，计算磁流变液的流变屈服应力
Figure 47835DEST_PATH_IMAGE004
，如下式所示：
Figure 699921DEST_PATH_IMAGE009
式中，a0~a4为多项式插值拟合系数。
进一步的，在励磁线圈形成的交变磁场中，驱动电机驱动旋转圆盘在磁流变液中旋转的稳态驱动力F actuation 的计算法方法如下式所示：
Figure 532879DEST_PATH_IMAGE010
式中，
Figure 145257DEST_PATH_IMAGE004
表示在励磁线圈的二维平均通量密度为B ave_2D 时磁流变体流 变屈服应力，r core 表示励磁线圈半径。
进一步的，流体通道内流体对Y型连杆的流动阻力F flow 通过流体力学雷诺方程计算得到。
进一步的，励磁线圈的二维平均通量密度B ave_2D 通过下式计算得到：
Figure 278429DEST_PATH_IMAGE011
式中，r core 表示励磁线圈半径，B表示激励线圈内三维某一点的磁感应强度。
本发明的有益效果是：在磁流变液不被磁化时，旋转圆盘可以自由旋转；其中一组激励线圈被通电后，围绕在它周围的磁流变液将被磁化并变厚固化，旋转圆盘和激励线圈之间会产生剪切力，从而带动Y型连杆，流体通道的开合；通过改变两侧激励线圈通电切换频率，可实现实时调控Y型连杆运动方向切换，实现调节流体通道开合速度。与传统流体流量控制装置相比较，基于磁流变液的控制装置继承磁流变液响应快速、连续可调等特点，实现调控实时化、自动化、智能化和增大压力调节范围的目的，同时具有响应动作迅速的特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于磁流变体的流量控制装置驱动模块结构示意图；
图2为本发明实施例提供的A-A剖视图；
图3为本发明实施例提供的基于磁流变体的流量控制方法流程图；
图4为本发明实施例提供的控制方法原理图；
图5为磁流变体励磁线圈的电路等效原理图；
图6为MRF-132磁流变液对应的磁性和流变特性曲线示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、储液腔，2、磁流变液，3、转轴，4、励磁线圈，5、Y型连杆，6、磁流变液密封圈和隔板，7、阀体，8、阀芯，9、驱动电机，10、旋转圆盘。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
过去二十多年中，磁流变液的研究主要集中于磁流变液阻尼器及其在半主动控制系统中的应用。随着磁流变阻尼器的商用化，关于磁流变液应用的研究逐渐往混合电气执行器和自容式感流变液系统等方向发展。而作为气压系统中重要的元件，气压控制阀的研究具有十分重要的意义。
目前传统电磁阀结构比较复杂，制造相对较难，成本较高，同时存在维护难、控制电路复杂，响应速度低等缺点。电流变阀存在剪切屈服应为小，频宽小，工作电压高等缺点。
磁流变液是一种智能流体，通过施加或消除磁场，其剪切应力可以在毫秒内而发生可逆的变化。磁流变控制阀是一种应用于磁流变液系统中的阻尼压力或流体流量控制阀。与传统电磁阀相比较，磁流变液控制高速开关阀继承磁流变液响应快速、连续可调等特点，实现调控实时化、自动化、智能化和增大压力调节范围的目的，同时具有响应动作迅速的特点。
实施例1
本发明实施例提供一种基于磁流变体的流量控制装置，控制模块、驱动模块、流体通道，其控制原理如4所示。其中驱动模块结构如图1图2所示，主要由储液腔1、磁流变液2、转轴3、励磁线圈4、Y型连杆5、磁流变液密封圈和隔板6、阀体7、阀芯8、驱动电机9、旋转圆盘10组成。阀体7、阀芯8设置在流体通道内部。
所述储液腔1内填充有磁流变液10，所述驱动电机9的控制端与所述控制模块电连接，驱动电机9的输出转轴贯穿所述储液腔1，所述旋转圆盘10设置在所述储液腔内并与所述驱动电机的输出转轴固定连接。
所述Y型连杆5包括两个第一自由端和一个第二自由端，两个第一自由端位于所述储液腔1内且位于所述驱动电机的输出转轴3的两侧，第二自由端穿过所述储液腔1的一侧腔壁并与阀芯8固定连接。
两个所述励磁线圈4分别固定安装在两个所述第一自由端上并与所述控制模块电连接。
优选的，所述旋转圆盘包括两个，对称设置在所述激励线圈的上下两侧。
阀芯8以及第二自由端位于所述两个励磁线圈的中心连线的中垂线上。为了方便连接固定，两个励磁线圈4可以分别安装在一个基板上，在通过基板与Y型连杆5连接固定。基板和Y型连杆5还可以做一体式设计。
在所述储液腔1上、围绕所述Y型连杆5的第二自由端，设置有磁流变液密封圈和隔板6，用于将储液腔1与流体通道分离。
所述控制模块用于控制所述驱动电机9旋转并通过在励磁线圈4两端加载电压改变磁流变液2的屈服应力，使得旋转圆盘10带动Y型连杆5运动，从而实现流体通道的开合。
本实施例提供的在磁流变液不被磁化时，旋转圆盘可以自由旋转；其中一组激励线圈被通电后，围绕在它周围的磁流变液将被磁化并变厚固化，旋转圆盘和激励线圈之间会产生剪切力，从而带动Y型连杆，流体通道的开合；通过改变两侧激励线圈通电切换频率，可实现实时调控Y型连杆运动方向切换，实现调节流体通道开合速度。与传统流体流量控制装置相比较，基于磁流变液的控制装置继承磁流变液响应快速、连续可调等特点，实现调控实时化、自动化、智能化和增大压力调节范围的目的，同时具有响应动作迅速的特点。
进一步的，所述Y型连杆的运动模型如下式所示：
Figure 190497DEST_PATH_IMAGE012
式中，m为Y型连杆质量，x表示Y型连杆位移，F actuation 表示驱动电机驱动旋转圆盘 在磁流变液中旋转的稳态驱动力，F flow 表示通过流体力学雷诺方程计算的流体通道内流体 对Y型连杆的流动阻力，F oring 表示Y型连杆运动过程中所受的摩擦力，
Figure 776330DEST_PATH_IMAGE013
，F C 表示磁流变液密封圈对Y型连杆的摩擦力，F H 表示流体通道中流体对Y型连杆的摩擦力。
进一步的，在励磁线圈形成的交变磁场中，驱动电机驱动旋转圆盘在磁流变液中旋转的稳态驱动力F actuation 的计算方法如下：
Figure 379350DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure 570291DEST_PATH_IMAGE015
表示在励磁线圈的二维平均通量密度为B ave_2D 时磁流变体流 变屈服应力，r core 表示励磁线圈半径。
实施例2
本发明实施例提供一种基于磁流变体的流量控制方法，该方法基于本发明实施例1所述的基于磁流变体的流量控制装置实现，如图2所示，包括：
获取流体通道内流体的当前流量Q并与目标流量Q’，通过对比当前流量Q与目标流量Q’的大小，向在指定励磁线圈的两端加载电压；
根据磁流变液的材质特性得到磁流变液的磁性和流变特性曲线，并对所述特性曲 线进行多项式插值，计算磁流变液的流变屈服应力
Figure 61051DEST_PATH_IMAGE015
；B ave_2D 表示励磁线圈的二 维平均通量密度；
分别计算在励磁线圈形成的交变磁场中，驱动电机驱动旋转圆盘在磁流变液中旋 转的稳态驱动力F actuation ，流体通道内流体对Y型连杆的流动阻力F flow ，以及Y型连杆运动过 程中所受的摩擦力
Figure 383448DEST_PATH_IMAGE016
，F C 表示磁流变液密封圈对Y型连杆的摩擦力，F H 表示流 体通道中流体对Y型连杆的摩擦力；
利用下式计算Y型连杆的当前运动速度v及其位移量x：
Figure 806470DEST_PATH_IMAGE017
Figure 117497DEST_PATH_IMAGE018
Figure 685881DEST_PATH_IMAGE019
；
控制模块通过Y型连杆的当前运动速度v及其位移量x，获取Y型连杆的当前位置并结合流体通道内流体的当前流量Q对励磁线圈的两端加载电压进行调整。
关于稳态驱动力F actuation 的计算
励磁线圈的电路模型如图5所示，该电路包括电源电压Vs（受峰值和保持电压曲线影响）、电源上的电容（用于平滑电压的突然变化）、内阻R in 和线电阻R line 。线圈电流i coil 遵循如下公式：
Figure 246307DEST_PATH_IMAGE020
（1）
式中E ind 为磁场动态变化引起的感应电势。
利用式2可以计算出核心区域内间隙磁流变液的磁通量Φ。
Figure 735670DEST_PATH_IMAGE021
(2)
式中V为线圈上的电压，N为绕组线圈匝数。该边界的平均磁通密度B ave 可用式（3）计算：
Figure 150470DEST_PATH_IMAGE022
(3)
式中，B是励磁线圈内三维某一点的磁感应强度，Bave_2D是励磁线圈内二维截面内的某一点的平均磁感应强度。r core 表示励磁线圈半径。
本实施例选用MRF-132磁流变液，该磁流变流体一般应用于阻尼器和制动器，其磁性和流变特性曲线如图6所示。
利用方程（4）对图6的图进行多项式插值，计算出磁流变液流变屈服应力
Figure 374910DEST_PATH_IMAGE023
。
Figure 953790DEST_PATH_IMAGE024
(4)
其中，a0~a4为多项式插值拟合系数，a0=0.0983kPa，a1=12.249kPa/T，a2=146.66kPa/T2，a3=-155.87kPa/T3，a4=44.989kPa/T4。
对于驱动力，本实施例采用二维轴对称模型，并定义了一个基于二维平均通量密度B ave_2D 的驱动力：
Figure 190386DEST_PATH_IMAGE025
(5)
关于流体通道内流体对Y型连杆的流动阻力F flow 的计算
这里需要建立流体模型，流体模型主要考虑描述阀门上的压降、阀芯内部泄漏、流动力和粘性摩擦等关键参数。
阀门的压降采用紊流和层流模型根据雷诺方程进行模拟。
Figure 289054DEST_PATH_IMAGE026
（6）
Figure 9361DEST_PATH_IMAGE027
（7）
Figure 747641DEST_PATH_IMAGE028
（8）
Figure 299845DEST_PATH_IMAGE029
（9）
其中Re为雷诺系数，D H 为当量直径，Q 0 为阀门处流量，A 0 为阀门截面面积，v为流体的流速，C d 为阻力系数，C d，lam 为层流阻力系数，Re cr 为雷诺数，ρ为流体密度，Δp为阀门两端压力差。
流动阻力是流体模型的全部影响的关键部分。流动阻力是流体进入和离开阀门的动量的结果。
Figure 439970DEST_PATH_IMAGE030
（10）
其中x poppet 为阀芯位置。
层流间隙流引起的粘性摩擦产生的阻尼力见式（11）
Figure 786638DEST_PATH_IMAGE031
（11）
其中r为阀芯半径，h为厚度。
式（12）计算了普通流体锥阀的流通面积：
Figure 481056DEST_PATH_IMAGE032
（12）
其中d valve 为阀锥直径，s为阀行程长度。
关于Y型连杆运动过程中所受的摩擦力F oring 的计算
磁流变液密封圈用于密封内部的泄漏通道，但引入了不必要的摩擦。同时，Y型连杆运动过程中除了产生与磁流变液密封圈的摩擦力还有阀门中流体对阀芯的摩擦力。F oring 的计算公式如下：
Figure 571371DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 549692DEST_PATH_IMAGE034
；
f c 为磁流变液密封圈压缩摩擦系数，根据经验数据设定为3.6，L p 是磁流变液密封圈的长度。
A p 是接触面积，f h 为流体压力摩擦系数，其为压力的函数
Figure 74783DEST_PATH_IMAGE035
，p psi 流体的压强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁流变体的流量控制装置，其特征在于，包括：控制模块、驱动模块、流体通道；
所述驱动模块包括储液腔（1）、驱动电机（9）、旋转圆盘（10）、两个励磁线圈（4）、Y型连杆（5）；所述储液腔（1）内填充有磁流变液（2），所述驱动电机（9）的控制端与所述控制模块电连接，驱动电机（9）的输出转轴贯穿所述储液腔（1），所述旋转圆盘（10）设置在所述储液腔内并与所述驱动电机的输出转轴固定连接，所述Y型连杆包括两个第一自由端和一个第二自由端，两个第一自由端位于所述储液腔内且位于所述驱动电机的输出转轴的两侧，第二自由端位于所述流体通道内，两个所述励磁线圈分别固定安装在两个所述第一自由端上并与所述控制模块电连接；
所述控制模块用于控制所述驱动电机（9）旋转并通过在励磁线圈（4）两端加载电压改变磁流变液（2）的屈服应力，使得旋转圆盘（10）带动Y型连杆（5）运动，从而实现流体通道的开合。
2.根据权利要求1所述的基于磁流变体的流量控制装置，其特征在于，在所述储液腔（1）上、围绕所述Y型连杆（5）的第二自由端，设置有磁流变液密封圈和隔板（6），用于将储液腔（1）与流体通道分离。
3.根据权利要求2所述的基于磁流变体的流量控制装置，其特征在于，所述Y型连杆（5）的运动模型如下式所示：
Figure 152477DEST_PATH_IMAGE001
式中，m为Y型连杆（5）质量，x表示Y型连杆（5）位移，F actuation 表示驱动电机驱动旋转圆 盘在磁流变液中旋转的稳态驱动力，F flow 表示通过流体力学雷诺方程计算的流体通道内流 体对Y型连杆的流动阻力，F oring 表示Y型连杆运动过程中所受的摩擦力，
Figure 69618DEST_PATH_IMAGE002
，F C 表示磁流变液密封圈对Y型连杆的摩擦力，F H 表示流体通道中流体对Y型连杆的摩擦力。
4.根据权利要求3所述的基于磁流变体的流量控制装置，其特征在于，
在励磁线圈形成的交变磁场中，驱动电机驱动旋转圆盘在磁流变液中旋转的稳态驱动力F actuation 的计算方法如下：
Figure 849355DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 431515DEST_PATH_IMAGE004
表示在励磁线圈的二维平均通量密度为B ave_2D 时磁流变体流变屈服 应力，r core 表示励磁线圈半径。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于磁流变体的流量控制装置，其特征在于，所述旋转圆盘（10）包括两个，对称设置在所述激励线圈（4）的上下两侧。
6.一种基于磁流变体的流量控制方法，该方法基于权利要求1-5任一项所述的基于磁流变体的流量控制装置实现，其特征在于，包括：
获取流体通道内流体的当前流量Q并与目标流量Q’，通过对比当前流量Q与目标流量Q’的大小，向在指定励磁线圈的两端加载电压；
根据磁流变液的材质特性得到磁流变液的磁性和流变特性曲线，并对所述特性曲线进 行多项式插值，计算磁流变液的流变屈服应力
Figure 245887DEST_PATH_IMAGE004
；B ave_2D 表示励磁线圈的二维平均 通量密度；
分别计算在励磁线圈形成的交变磁场中，驱动电机驱动旋转圆盘在磁流变液中旋转的 稳态驱动力F actuation ，流体通道内流体对Y型连杆的流动阻力F flow ，以及Y型连杆运动过程中 所受的摩擦力
Figure 6033DEST_PATH_IMAGE005
，F C 表示磁流变液密封圈对Y型连杆的摩擦力，F H 表示流体 通道中流体对Y型连杆的摩擦力；
利用下式计算Y型连杆的当前运动速度v及其位移量x：
Figure 273066DEST_PATH_IMAGE006
Figure 471966DEST_PATH_IMAGE007
Figure 140845DEST_PATH_IMAGE008
；
控制模块通过Y型连杆的当前运动速度v及其位移量x，获取Y型连杆的当前位置并结合流体通道内流体的当前流量Q对励磁线圈的两端加载电压进行调整。
7.根据权利要求6所述的基于磁流变体的流量控制方法，其特征在于，所述对所述特性 曲线进行多项式插值，计算磁流变液的流变屈服应力
Figure 324089DEST_PATH_IMAGE004
，如下式所示：
Figure 78419DEST_PATH_IMAGE009
式中，a0~a4为多项式插值拟合系数。
8.根据权利要求7所述的基于磁流变体的流量控制方法，其特征在于，在励磁线圈形成的交变磁场中，驱动电机驱动旋转圆盘在磁流变液中旋转的稳态驱动力F actuation 的计算法方法如下式所示：
Figure 815430DEST_PATH_IMAGE010
式中，
Figure 276499DEST_PATH_IMAGE004
表示在励磁线圈的二维平均通量密度为B ave_2D 时磁流变体流变屈服 应力，r core 表示励磁线圈半径。
9.根据权利要求6所述的基于磁流变体的流量控制方法，其特征在于，流体通道内流体对Y型连杆的流动阻力F flow 通过流体力学雷诺方程计算得到。
10.根据权利要求6所述的基于磁流变体的流量控制方法，其特征在于，励磁线圈的二维平均通量密度B ave_2D 通过下式计算得到：
Figure 706343DEST_PATH_IMAGE011
式中，r core 表示励磁线圈半径，B表示激励线圈内3维某一点的磁感应强度。
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