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：

式中，

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

式中，

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

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

利用下式计算Y型连杆的当前运动速度

控制模块通过Y型连杆的当前运动速度

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

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

式中，

进一步的，流体通道内流体对Y型连杆的流动阻力

进一步的，励磁线圈的二维平均通量密度

式中，

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：

式中，

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

式中，

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

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

利用下式计算Y型连杆的当前运动速度

控制模块通过Y型连杆的当前运动速度

关于稳态驱动力

励磁线圈的电路模型如图5所示，该电路包括电源电压

式中

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。

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

式中，B是励磁线圈内三维某一点的磁感应强度，B

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

其中，a

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

关于流体通道内流体对Y型连杆的流动阻力

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。

其中Re为雷诺系数，

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。

其中

层流间隙流引起的粘性摩擦产生的阻尼力见式（11）

其中

式（12）计算了普通流体锥阀的流通面积：

其中

关于Y型连杆运动过程中所受的摩擦力

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。

其中，

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。