大功率磁流变传动技术及温度效应研究

发布时间：2018-01-02 21:18

  本文关键词：大功率磁流变传动技术及温度效应研究　出处：《中国矿业大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：磁流变传动以磁流变液为工作介质，依靠传动界面间磁流变液的剪切应力来传递动力，通过控制外加磁场强度实现传递扭矩的无级调定。作为一种新型动力传递形式，它具有反应迅速可逆、控制简单且能耗低、抗外界干扰能力强等特点，在机电设备软启动、软制动、无级调速和过载保护等方面具有广泛的应用前景。针对当前磁流变传动技术研究中存在的问题，本文将就以下几个方面开展深入研究。 分别从宏观和微观两方面阐述了磁流变效应的形成机理和磁流变液的本构模型，详细介绍了磁流变液的基本组成和主要性能指标；结合理论分析和实验测试研究了磁流变液各组分材料性能的温度特性，包括软磁性颗粒的磁化性能、基载液的动力粘度和热膨胀特性；采用基液置换法制备出多种磁流变液样品，并分别测试了磁流变液样品的磁温特性、剪切应力—温度特性以及温度稳定性，得到了温度对磁流变液材料性能的影响机理和影响规律。 介绍了磁流变调速控制系统的基本组成及控制原理和特点，建立系统输出转速控制数学模型，并对调速起动的时间响应进行数值计算，分析了励磁电流、输入转速和负载扭矩对响应时间的影响；计算了调速过程中磁流变液的温度变化以及由此引发的传递扭矩下降值，，并建立考虑温度效应的速度控制模型以分析温度变化对磁流变调速控制的影响，进而提出一种微调电流补偿方式来弥补温升引起的扭矩下降，并对采用温度补偿前后的调速控制性能进行对比研究。 针对大功率动力传递应用场合的要求，设计了一种新型大功率磁流变传动装置；利用ANSYS软件对所设计磁路进行有限元仿真，得到了磁场总体分布规律以及工作间隙中磁感应强度的分布特点和影响因素，并通过电磁场实验予以验证；从理论研究方面分析了工作磁感应强度和主、从动盘角速度差等因素对所设计的磁流变传动装置动力传递和调速控制性能的影响规律。 基于流体计算控制方程和温度场计算方程，建立磁流变传动装置热流耦合数学模型，并利用计算流体动力学软件CFX进行数值模拟，得到了不同工况下传动装置内部冷却液的速度场、压力场以及传动装置的稳态和瞬态温度场，并分析滑差功率、旋转速度、进水速度和温度以及冷却液特性等因素对磁流变传动装置热流耦合场的影响。 设计并研制了大功率磁流变传动实验系统，对大滑差功率下磁流变传动装置的动力传递和响应性能以及磁流变液的温升特性开展大量实验研究，并分别测试了该传动装置的最大许用稳态和瞬态滑差功率，结果验证了所设计的大功率磁流变传动装置的可靠性和水冷散热方式的有效性。 本文所取得的研究成果对于磁流变传动技术的深入研究具有重要的指导意义，能够为大功率磁流变传动装置的设计和磁流变传动技术的推广应用提供技术支持。
[Abstract]:The magneto - rheological fluid is used as the working medium , and the power is transmitted by the shear stress of the magnetorheological fluid between the transmission interfaces . As a new form of power transmission , it has the characteristics of rapid and reversible reaction , simple control , low energy consumption , strong anti - interference ability and the like , and has wide application prospect in the aspects of soft start , soft braking , stepless speed regulation and overload protection of the electromechanical equipment . The formation mechanism of magneto - rheological fluid and the constitutive model of magneto - rheological fluid are expounded from both macroscopic and microscopic aspects . The basic composition and main performance indexes of magnetorheological fluids are described in detail . The properties of the materials of the magnetorheological fluids are studied by combining theory analysis and experimental tests . The magnetic temperature characteristics , shear stress , temperature characteristics and temperature stability of the magnetorheological fluid samples are respectively tested , and the influence mechanism and the influence law of the temperature on the properties of the magnetorheological fluid material are obtained . This paper introduces the basic composition and control principle and characteristics of the magneto - rheological control system , establishes the mathematical model of the output speed of the system , calculates the response time of the excitation current , the input speed and the load torque , and establishes a speed control model considering the temperature effect to analyze the influence of the temperature change on the magneto - rheological speed regulation control , and then proposes a fine - tuning current compensation mode to compensate the torque drop caused by temperature rise , and compares the control performance before and after the temperature compensation . In this paper , a novel high - power magneto - rheological transmission device is designed aiming at the requirement of high - power power transmission application . The magnetic field distribution rule and the distribution characteristics and influencing factors of magnetic induction intensity in the working gap are obtained by using ANSYS software . Based on the fluid computing control equation and the temperature field calculation equation , the mathematical model of the thermal flow coupling of the magneto - rheological transmission device is established , and the numerical simulation is carried out by using the CFD software CFX , so that the speed field , the pressure field and the transient temperature field of the cooling liquid in the transmission device under different conditions are obtained , and the influence of the slip power , the rotating speed , the water inlet speed and the temperature and the characteristics of the cooling liquid and the like on the heat flow coupling field of the magneto - rheological transmission device are analyzed . This paper designs and develops a high - power magneto - rheological transmission experimental system , carries out a lot of experimental research on the power transmission and response performance of the magneto - rheological transmission device under large slip power and the temperature rise characteristic of the magnetorheological fluid , and respectively tests the maximum allowable steady state and transient slip power of the transmission device , and verifies the reliability of the designed high - power magneto - rheological transmission device and the effectiveness of the water cooling heat dissipation method . The research results obtained in this paper have important guiding significance for further research on magneto - rheological transmission technology , which can provide technical support for the design of high - power magneto - rheological transmission device and the application and application of magneto - rheological transmission technology .

【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH139

【参考文献】

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本文编号：1370949