唐紹禹，吳 杰，張 輝，鄧兵兵，黃禹銘，黃 浩

（西華大學機械工程學院，四川 成都 610000）

磁流變液是一種新型智能材料，主要由直徑為1～100 μm的磁性顆粒、可使磁性顆粒懸浮的載液和防止磁性顆粒沉淀的添加劑組成［1］。在外加磁場的作用下，磁流變液的黏度會發(fā)生巨大變化，導致其屈服應力顯著增大，從而由液態(tài)轉變?yōu)轭惞虘B(tài)。但在去掉磁場之后，類固態(tài)磁流變液會立馬恢復為液態(tài)，響應時間僅為幾毫秒。正是因為磁流變液具有響應時間短、穩(wěn)定性好、可逆性強和易控制等特點，其被廣泛應用于汽車減振控制、機械傳動、建筑物抗震控制以及機器人關節(jié)控制等領域［2］。

按磁流變液流動性能的差異，其工作模式主要分為流動模式和剪切模式。其中，基于剪切模式的磁流變離合器通過調整電流大小來改變磁場強度，從而控制其力矩大小。與傳統(tǒng)的機械式離合器相比，磁流變離合器具有質量較小、體積小和控制方便等特點，被廣泛應用于航空航天、重型工業(yè)等領域［3-4］。

由于磁流變離合器在工作過程中存在滑差，使得其長時間工作后會產生大量熱量，從而導致其傳動性能減弱甚至失效。因此，溫升現(xiàn)象對磁流變技術工程應用的影響受到了學者的廣泛關注。Mckee等［5］通過實驗研究了溫度對可壓縮磁流變懸浮系統(tǒng)性能和磁流變液的影響，結果表明：隨著溫度的升高，磁流變液的塑性黏度和體積模量均降低。Wang等［6］通過實驗研究了溫度對磁流變離合器熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)溫度升高會導致其總輸出轉矩及黏性轉矩減小。Gordaninejad等［7］建立了磁流變阻尼器溫升的數(shù)學模型，并對3種不同尺寸的磁流變阻尼器在不同工況下進行多次加熱實驗，探究了其受熱情況。Patil等［8］利用數(shù)值計算方式探究了溫升對磁流變制動器在汽車上應用時所產生的影響，并利用典型實驗工況來檢驗其材料是否滿足使用要求。陳松等［9］探究了溫度對磁流變液及其剪切應力的影響，并通過有限元模擬方式對磁流變傳動裝置工作時的溫度場進行了分析；田祖織［10］采用數(shù)值計算方式探究了磁流變傳動裝置的溫度分布規(guī)律及其對制動力矩的影響，并通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，溫度過高會使磁流變液的剪切屈服應力降低，從而導致該裝置的傳動性能減弱?，F(xiàn)有研究表明，溫度過高會使磁流變液的黏度減小，從而導致其傳遞的力矩減小。因此，有必要對磁流變裝置的溫度場進行研究，并采取有效的散熱技術。

基于此，筆者以一種永磁體和勵磁線圈相疊加的多極式磁流變離合器為研究對象，采取仿真與實驗相結合的方式對其溫度分布特性展開研究。

1 多極式磁流變離合器結構設計

多極式磁流變離合器的結構如圖1所示，其主要由動力輸入盤、動力輸出盤、圓柱殼、磁流變液、外殼體、內定子、外定子、勵磁線圈組和永磁體等組成。其中：動力輸入盤和動力輸出盤沿各自旋轉軸線相互轉動連接；圓柱殼a、b固定在動力輸入盤上，圓柱殼c固定在動力輸出盤上，圓柱殼沿徑向相互交錯嵌套排列；外定子和側圍板與圓柱殼a之間、3個圓柱殼之間以及圓柱殼b與永磁體和下端擋油殼之間形成的4個密封間隙用于儲存磁流變液；勵磁線圈組與永磁體均有多個，沿周向間隔設置在動力輸出盤上，且沿動力輸出盤徑向一一對應地設置在密封間隙兩側，其在密封間隙處產生的磁場可使磁流變液在液態(tài)和類固態(tài)之間轉換，從而使動力輸入盤和動力輸出盤在分離狀態(tài)和結合狀態(tài)之間相互轉換。

多極式磁流變離合器的尺寸參數(shù)如圖2所示。其中：r1為動力輸入盤的內徑，r2為側圍板的外徑，r3為外定子的外徑，D1為內定子的寬度，D2為外定子的寬度，C1為內定子的厚度，C2為外定子的厚度，d為圓柱殼的厚度，d1為隔環(huán)（圖1未標）的厚度，θ1為永磁體的角度，θ2為外定子的角度，h為磁流變液工作間隙的寬度。各尺寸參數(shù)的取值如表1所示。

表1 多極式磁流變離合器尺寸參數(shù)取值Table 1 Dimensional parameter values of multipole magnetorheological clutch

圖1 多極式磁流變離合器結構示意Fig.1 Structure diagram of multipole magnetorheological clutch

圖2 多極式磁流變離合器尺寸參數(shù)Fig.2 Dimensional parameters of multipole magnetorheological clutch

多極式磁流變離合器在工作過程中會產生大量熱量，包括勵磁線圈組工作時所產生的制動熱量以及磁流變液工作時與相鄰接觸面摩擦所產生的制動功率損耗［11-12］。若溫度不斷地升高，則會影響多極式磁流變離合器的持續(xù)工作。因此，除了選擇熱導率較高的材料外，還應進行一定的散熱處理。故本文在多極式磁流變離合器的動力輸入盤處安裝了強力的風冷設備，以保證其處于良好的工作狀態(tài)。

2 多極式磁流變離合器溫度場仿真分析

為研究多極式磁流變離合器的溫度分布特性，基于其尺寸參數(shù)，利用SolidWorks軟件構建其簡化的三維模型，然后導入COMSOL軟件進行溫度場仿真分析。

2.1 仿真模型邊界條件設置

1）環(huán)境溫度。設置t=0 s時多極式磁流變離合器各點的溫度T0=15℃。

2）離合器主要熱源。多極式磁流變離合器的熱源主要來自勵磁線圈和磁流變液。假設該磁流變離合器所用材料的物理屬性不隨著溫度的變化而變化，且邊界條件保持恒定不變，計算多個勵磁線圈組和磁流變液摩擦時的發(fā)熱功率。

勵磁線圈的發(fā)熱功率Pc為：

式中：I為勵磁線圈的電流，A；U為加載電壓，V。

則勵磁線圈的生熱率?c為：

式中：Vc為勵磁線圈的體積，m3；L1、L2分別為勵磁線圈的外、內圈長度，m；W1、W2分別為勵磁線圈的外、內圈寬度，m；H為勵磁線圈的高度，m。

磁流變液的生熱率?b為［10］：

式中：Pb為磁流變液的滑差功率，kW；Vb為磁流變液的體積，m3；ns為動力輸入盤的轉速，r/min；Tb為磁流變液所產生的力矩，N·m。

3）離合器的熱傳遞。在多極式磁流變離合器制動過程中，勵磁線圈所產生的熱量直接傳遞給外殼體，磁流變液所產生的熱量直接傳遞給圓柱殼，而磁流變液與圓柱殼之間的熱量通過側圍板、外定子、動力輸入盤和動力輸出盤散發(fā)到空氣中。其熱量傳遞公式為：

式中：Q1為部件的熱量變化量，J；c為部件的比熱容，J/（kg·℃）；m為部件的質量，kg；ΔT為部件的始末溫度差，℃；Q2為部件表面的熱量變化量，J；k為部件的熱導率，W/（m2·℃）；a為部件傳熱面積，m2。

多極式磁流變離合器各部件所用材料的物理屬性如表2所示。

表2 多極式磁流變離合器所用材料的物理屬性Table 2 Physical properties of materials used in multipole magnetorheological clutch

外殼體表面與空氣之間的熱傳遞方式主要為輻射換熱和自然對流換熱，其復合換熱系數(shù)?s=?c+?r，其中?c為自然對流換熱系數(shù)，?r為輻射換熱系數(shù)。根據(jù)文獻［13］，取?s=9.7 W/(m2·℃)。

由于動力輸入盤表面與空氣之間的對流換熱受到動力輸入盤轉速的影響，轉速越快，其表面與空氣之間的對流換熱越劇烈。動力輸入盤的對流換熱系數(shù)?k為：

式中：ds為動力輸入盤的直徑，mm。

一般情況下，由于多極式磁流變離合器內部零件之間的熱輻射很小，基本可以忽略。

2.2 自然散熱條件下的溫度場分析

2.2.1 自然散熱條件下的穩(wěn)態(tài)溫度分布

通過有限元仿真得到滑差功率為150 W時多極式磁流變離合器在自然散熱條件下的穩(wěn)態(tài)溫度場，其軸向二維溫度分布云圖如圖3（a）所示，三維溫度分布云圖如圖3（b）所示。由圖3（a）可以看出，在穩(wěn)態(tài)階段，多極式磁流變離合器的軸向溫度分布相差較大，最高溫度出現(xiàn)在磁流變液工作間隙處［14］，為122℃；最低溫度出現(xiàn)在遠離外殼體的動力輸入盤軸端處，為40.5℃，二者的溫差為81.5℃。最高溫度出現(xiàn)在磁流變液工作間隙處的原因是：多極式磁流變離合器的2個熱源為磁流變液和勵磁線圈，其中磁流變液摩擦生熱是主要熱源；此外，勵磁線圈位于主要通風孔處，散熱較快，其溫度低于磁流變液；而磁流變液位于結構內部，無法與空氣或冷卻風直接接觸，只能通過與其他零部件之間的熱傳遞進行散熱，故散熱較慢，導致其所在的工作間隙處溫度較高。

圖3 自然散熱條件下多極式磁流變離合器的穩(wěn)態(tài)溫度場Fig.3 Steady state temperature field of multipole magnetorheological clutch under natural heat dissipation

為了探究多極式磁流變離合器中磁流變液的溫度變化情況，選擇4個磁流變液工作間隙的中心線（標記為1，2，3和4）為溫度提取位置，如圖4所示。其中，以各工作間隙的右側端點為原點，沿軸向對磁流變液的溫度變化進行分析。當滑差功率為150 W時，各工作間隙處磁流變液的穩(wěn)態(tài)溫度分布情況如圖5所示。由圖5可知，工作間隙2處磁流變液的最高溫度高于其他3個工作間隙處的，為121.79℃，故選擇工作間隙2作為研究磁流變液溫度的主要對象。當滑差功率分別為150，160，170和180 W時磁流變液的溫度分布情況如圖6所示。由圖6可知，不同滑差功率下磁流變液的最高溫度分別為121.79，128.69，135.59和142.48℃，而磁流變液的最高許用溫度為130℃，則滑差功率為170 W和180 W時磁流變液的穩(wěn)態(tài)溫度已經(jīng)超過其最高許用溫度。由此可知，多極式磁流變離合器穩(wěn)態(tài)運行時最大滑差功率的允許范圍為160～170 W。

圖4 磁流變液工作間隙二維平面示意Fig.4 Two-dimensional plane diagram of magnetorheological fluid working gap

圖5 不同工作間隙處磁流變液的穩(wěn)態(tài)溫度分布情況Fig.5 Steady state temperature distribution of magnetorheological fluid at different working gaps

圖6 不同滑差功率下磁流變液的穩(wěn)態(tài)溫度分布情況Fig.6 Steady state temperature distribution of magnetorheological fluid under different slip powers

2.2.2 自然散熱條件下的瞬態(tài)溫度分布

當多極式磁流變離合器處于短時工作模式時，其可傳遞更高的功率，因此須對其瞬態(tài)溫度場進行分析。選擇工作間隙2為磁流變液溫度的提取位置，運行時間取300 s，則可以得到不同滑差功率（300，1 500和3 000 W）下磁流變液的瞬態(tài)溫度分布情況，如圖7所示。在室溫為15℃、工作時間為300 s的條件下，3種滑差功率下磁流變液的最高溫度分別是32.90，100.17和185.06℃。由于磁流變液的最高許用溫度是130℃，則可知多極式磁流變離合器在滑差功率為3 000 W下可工作128 s。

圖7 不同滑差功率下磁流變液瞬態(tài)溫度分布情況Fig.7 Transient temperature distribution of magnetorheological fluid under different slip powers

綜上可知，若多極式磁流變離合器在無強制散熱條件下工作時，其穩(wěn)態(tài)滑差功率較低，且在較大瞬態(tài)滑差功率下的運行時間較短，這大大限制了其應用范圍。因此，有必要對多極式磁流變離合器的散熱方式進行研究。

2.3 強制風冷散熱條件下的溫度場分析

2.3.1 強制風冷散熱條件下穩(wěn)態(tài)溫度分布

由于溫升對磁流變離合器力矩的影響較為明顯，當溫度較高時，磁流變液的性能會變差甚至失效。因此，須深究磁流變離合器的散熱能力，尤其是對于功率大的磁流變離合器，其散熱技術極為重要。根據(jù)多極式磁流變離合器的實際情況，在其左側設置進風口，設定風速為3.5 m/s，通過有限元仿真得到其冷卻風的速度分布云圖，如圖8所示（圖中箭頭表示冷卻風流向）。

圖8 多極式磁流變離合器冷卻風速度分布云圖Fig.8 Cloud diagram of cooling air velocity distribution of multipole magnetorheological clutch

在強制風冷散熱條件下，取滑差功率分別為230，530，730和830 W，通過有限元仿真得到多極式磁流變離合器持續(xù)制動時的穩(wěn)態(tài)溫度場，結果如圖9所示。從圖中可以看出，不同滑差功率下多極式磁流變離合器的最高溫度分別為56.7，91.6，120.0和134.0℃，最高溫度出現(xiàn)在磁流變液工作間隙處，最低溫度出現(xiàn)在與空氣接觸的外殼體表面處；滑差功率為830 W時磁流變液的穩(wěn)態(tài)溫度已超過其許用溫度。因此，在強制風冷散熱條件下，多極式磁流變離合器穩(wěn)態(tài)運行時允許的最大滑差功率為730～830W。

圖9 強制風冷散熱條件下多極式磁流變離合器的穩(wěn)態(tài)溫度場Fig.9 Steady state temperature field of multipole magnetorheological clutch under forced air-cooling heat dissipation

2.3.2 強制風冷散熱條件下瞬態(tài)溫度分布

在強制風冷散熱條件下，設風速為3.5 m/s，滑差功率為3 000 W，通過有限元仿真分析多極式磁流變離合器在短時工作模式下（工作140 s），其勵磁線圈和磁流變液（工作間隙2處）的溫度變化情況，并與自然散熱條件下的溫度進行對比，結果分別如圖10和圖11所示。由圖10可知，在自然散熱條件下，勵磁線圈的最高溫度為38.57℃；在強制風冷散熱條件下，勵磁線圈的最高溫度為36.98℃，降低了1.59℃。由圖11可知，在自然散熱條件下，磁流變液的最高溫度為133.98℃；在強制風冷散熱條件下，磁流變液的最高溫度為129.93℃，降低了4.05℃。由此說明，風冷散熱可延長多極式磁流變離合器的滑差運行時間。

圖10 不同散熱方式下勵磁線圈最高瞬態(tài)溫度對比Fig.10 Comparison of maximum transient temperature of excitation coil under different heat dissipation modes

圖11 不同散熱方式下磁流變液最高瞬態(tài)溫度對比Fig.11 Comparison of maximum transient temperature of magnetorheological fluid under different heat dissipation modes

3 實驗驗證

3.1 實驗平臺搭建

為驗證上述溫度場仿真結果的準確性，搭建了一個多極式磁流變離合器溫度測試實驗平臺，其主要設備如圖12所示，包括動態(tài)扭矩傳感器、多極式磁流變離合器、紅外熱成像儀、電機、磁粉制動器、三顯表、直流穩(wěn)壓電源和減速器。其中：動態(tài)扭矩傳感器的型號為JN-DN，其精度為0.5%，可測的最大傳動力矩為200 N·m，由蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司制造；直流穩(wěn)壓電源的型號為PS-3005D-Ⅱ，由深圳市兆信電子儀器設備有限公司制造；紅外熱成像儀的型號為UTi260B，其測量精度為±2%，測溫響應時間不大于500 ms，由優(yōu)利德科技（中國）股份有限公司制造。

圖12 多極式磁流變離合器溫度測試實驗平臺主要設備Fig.12 Main equipment of multipole magnetorheological clutch temperature test experimental platform

多極式磁流變離合器溫度測試實驗平臺實物如圖13所示，通過設置不同的電流、轉速，可實現(xiàn)不同工作條件下磁流變離合器的溫升特性測試。

圖13 多極式磁流變離合器溫度測試實驗平臺實物Fig.13 Physical object of multipole magnetorheological clutch temperature test experimental platform

3.2 持續(xù)制動工況下的溫升特性測試

3.2.1 自然散熱條件下的溫度變化

在室溫為15℃的自然散熱條件下，多極式磁流變離合器在滑差功率為230W、動力輸入盤轉速為100r/min的條件下持續(xù)制動，利用紅外熱成像儀采集其瞬態(tài)溫度（間隔1 min采集一次，共采集10 min，下文同），結果如圖14所示。由圖可知，多極式磁流變離合器的最高瞬態(tài)溫度一直出現(xiàn)在散熱孔附近的勵磁線圈處（由于實驗平臺的設施問題，僅可獲取磁流變離合器最外側的最高溫度），不同時刻的最高溫度分別為19.3，22.2，23.9，25.9，27.6，29.4，30.2，31.5，32.7 和33.7℃，溫度最高的原因是此處為主要散熱通道；最低溫度出現(xiàn)在遠離外殼體的動力輸入盤軸端處，此處遠離熱源且換熱系數(shù)高，故溫度最低。

圖14 自然散熱條件下多極式磁流變離合器的瞬態(tài)溫度Fig.14 Transient temperature of multipole magnetorheological clutch under natural heat dissipation

對自然散熱條件下勵磁線圈最高瞬態(tài)溫度的仿真值與實驗值進行對比，結果如圖15所示。從圖15中可以看出，當t=0—4 min時，勵磁線圈的溫升速率較快，其最高瞬態(tài)溫度的仿真值和實驗值分別為25.54℃和25.90℃，相比于初始溫度分別升高了10.54℃和10.90℃；當t=4—10 min時，勵磁線圈的溫升速率較慢，其最高瞬態(tài)溫度的仿真值和實驗值分別為34.28℃和33.70℃，相比于上一階段的溫度分別升高了8.74℃和7.80℃。通過對比可知，當t=2 min時，勵磁線圈最高瞬態(tài)溫度的仿真值與實驗值的相對誤差最大，此時仿真溫度和實驗溫度分別為20.85℃和22.20℃，相差1.35℃；當t=5 min時，二者的相對誤差最小，僅相差0.07℃。

圖15 自然散熱條件下勵磁線圈最高瞬態(tài)溫度對比Fig.15 Comparison of maximum transient temperature of excitation coil under natural heat dissipation

由圖15可知，當t=1—6 min時，勵磁線圈的實驗溫度高于仿真溫度；而當t=7—10 min時，仿真溫度高于實驗溫度。造成該結果的主要原因如下：

1）由于仿真分析時對多極式磁流變離合器的有限元模型作了簡化處理，忽略了軸承與動力輸入盤之間的摩擦生熱，故前期實驗溫度高于仿真溫度。

2）通過觀察三顯表的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在多極式磁流變離合器運行7 min后，其力矩發(fā)生了變化，與初始力矩相比下降了1 N·m［9］，使得其滑差功率降低，從而導致實驗溫升有所下降，而仿真分析時忽略了力矩變化，故后期仿真溫度高于實驗溫度。

3）仿真分析時勵磁線圈的最高瞬態(tài)溫度是直接獲取的，而實驗研究中是由紅外熱成像儀拍攝勵磁線圈所在散熱孔處獲得的，此外紅外熱成像儀存在測量誤差，故仿真溫度和實驗溫度存在一定誤差。

3.2.2 強制風冷散熱條件下的溫度變化

在室溫為15℃的強制風冷散熱（功率為1 600 W的吹風機在距離動力輸入盤約10 cm處進行散熱）條件下，多極式磁流變離合器在滑差功率為230 W、動力輸入盤轉速為100 r/min的條件下連續(xù)制動，利用紅外熱成像儀獲取其瞬態(tài)溫度，結果如圖16所示。由圖可知，多極式磁流變離合器的最高瞬態(tài)溫度同樣出現(xiàn)在散熱孔附近的勵磁線圈處，不同時刻下其最高溫度分別為 19.1，20.9，22.3，24.4，25.8，27.8，28.9，30.5，30.9和31.5；最低溫度同樣出現(xiàn)在遠離外殼體的動力輸入盤軸端處。通過對比不同散熱方式下多極式磁流變離合器的最高瞬態(tài)溫度（滑差運行工作10 min時溫度相差2.2℃）可知，強制風冷散熱方式可有效降低其溫升速度。

圖16 強制風冷散熱條件下多極式磁流變離合器的瞬態(tài)溫度Fig.16 Transient temperature of multipole magnetorheological clutch under forced air-cooling heat dissipation

對強制風冷散熱條件下勵磁線圈最高瞬態(tài)溫度的仿真值與實驗值進行對比，結果如圖17所示。從圖中可以看出，當t=0—5 min時，勵磁線圈的溫升速率較快，其最高瞬態(tài)溫度的仿真值和實驗值分別為24.37℃和25.80℃，相比于初始溫度分別升高了9.37℃和10.80℃；當t=6—10 min時，勵磁線圈的溫升速率較慢，其最高瞬態(tài)溫度的仿真值和實驗值分別升至28.85℃和31.50℃，相比上一階段分別升高了4.48℃和5.70℃。當t=3 min時，勵磁線圈最高瞬態(tài)溫度的仿真值與實驗值的相對誤差最小，其分別為21.61℃和22.3℃，差值為0.69℃；當t=8 min時，二者的相對誤差最大，其分別為27.37℃和30.50℃，此時差值為3.13℃。

由圖17可知，勵磁線圈的仿真溫度一直低于實驗溫度，造成該結果的主要原因如下：

圖17 強制風冷散熱條件下勵磁線圈最高瞬態(tài)溫度對比Fig.17 Comparison of maximum transient temperature of excitation coil under forced air-cooling heat dissiportion

1）實驗中無法準確獲取風冷設備的具體風速，其與仿真風速存在差值。

2）在利用風冷設備對多極式磁流變離合器進行散熱時，實驗和仿真時的散熱區(qū)域存在差異。

3）仿真分析時對多極式磁流變離合器的有限元模型作了簡化，忽略了軸承與動力輸入盤之間的摩擦生熱。

4）通過觀察三顯表數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在多極式磁流變離合器運行一段時間后，其力矩發(fā)生了變化，與初始力矩相比減小了0.8 N·m［9］，使得其滑差功率降低，從而導致實驗中溫升有所下降，而仿真分析時忽略了力矩的變化。

5）仿真分析時勵磁線圈的最高溫度是直接獲取的，而實驗研究中是由紅外熱成像儀拍攝勵磁線圈所在散熱孔處獲得的，此外紅外熱成像儀存在測量誤差，故仿真溫度和實驗溫度存在一定誤差。

4 結 論

針對所設計的多極式磁流變離合器，采用有限元仿真分析了其在自然散熱與強制風冷散熱條件下的溫度分布特性。

1）多極式磁流變離合器的軸向溫度存在差異，隨著滑差運行時間的增加，其軸向溫度差越來越大。

2）多極式磁流變離合器的最低溫度出現(xiàn)在遠離外殼體的動力輸入盤軸端處，最高溫度出現(xiàn)在第2個磁流變液工作間隙處。

3）仿真結果顯示，多極式磁流變離合器在自然散熱和強制風冷散熱條件下連續(xù)制動時，可分別在最大滑差功率為160 W和730 W下運行；當滑差功率為3 000 W時，其可運行280 s；在強制風冷散熱條件下適當提高風速，可延長其滑差運行時間。

4）由仿真結果與實驗結果的對比可知，在自然散熱條件下，多極式磁流變離合器勵磁線圈最高瞬態(tài)溫度的最大差值為1.35℃，最小差值為0.07℃；在強制風冷散熱條件下，其最大差值為3.13℃，最小差值為0.69℃。