一种磁流变液负载模拟器及其结构参数设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及负载模拟器，具体涉及一种磁流变液负载模拟器及其结构参数设计方 法。
【背景技术】
[0002] 负载模拟器是在实验室条件下，模拟飞行器在飞行过程中所受空气阻尼力矩的半 实物仿真装置。它主要是给新型导弹、运载火箭等飞行器的舵机系统实施阻尼加载，是一个 典型的力矩伺服控制系统，在仿真实验过程中模拟空气阻尼力矩，并对舵机系统进行实时 加载。舵机系统在进行角位移伺服控制时承受负载模拟器系统对其施加的阻尼力矩。根据 两者在模拟仿真试验中承担的不同角色，将负载模拟器系统称为加载系统，将舵机系统称 为承载系统。负载模拟器主要是接收控制计算机发出的控制信号，输出飞行器在飞行过程 中舵机受到的空气阻尼力矩，实时对飞行器舵机施加阻尼载荷，并且通过扭矩传感器测量、 反馈实际的加载力矩，实现闭环控制，其获取实验仿真数据的过程简单、速度快、可靠性高， 并且可以重复试验，而且不需要像实弹打靶实验那样破坏很多实验设备，可谓大大节省时 间、精力和财力，并且安全系数高，其优越性远远超过早期的全实物试验，已经成为各种航 天、航空飞行器以及新型武器研发过程中所必备的实验设备，使其受到越来越多的重视。
[0003] 目前社会上较多的是采用半主动控制的电液负载模拟器和采用主动控制的电动 负载模拟器。由于电液负载模拟器的使用要求较高（合适温度、高电压、低污染等），以致电 流变液负载模拟器受到了限制，而基于电动负载模拟器的主动控制系统需要提供给控制系 统巨大的能量。
[0004] 随着智能材料研制的不断进步，新型智能材料一磁流变液，在克服沉降等问题后， 迅速发展成为当今智能材料研究的热门。利用磁流变液研制的负载模拟器性能优良，其屈 服强度大、对温度和杂质不敏感、结构简单等优点得到了广泛认可。磁流变液负载模拟器不 仅拥有被动控制装置的稳定性与简单性，而且可以接近甚至基本达到了主动控制系统的控 制效果，具有远优于被动控制系统的广泛的适应性和有效性。同时，磁流变液负载模拟器本 质上依然是阻尼设备，其工作过程完全不会向受控对象输入能量，不存在导致结构失衡的 风险，且在特殊情况下，即便失去能源供应，依然能够进行有效的被动控制，具有优良的故 障安全性能，因而在稳定性及可靠性方面远远优于主动控制装置。
【发明内容】
[0005] 本申请通过提供一种磁流变液负载模拟器及其结构参数设计方法，模拟三种基本 的负载：恒功率、恒转矩和通风机负载，利用导磁环和隔磁环的组合形成曲线形磁通路径， 在不增大负载模拟器体积的情况下增大了阻尼力矩；同时采用磁流变液的自密封技术，解 决现有技术中采用0型密封圈密封磁流变液引起的负载模拟器零磁场阻尼力矩增加，以及 长时间运行导致密封圈过度磨损而造成的密封性降低的技术问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：
[0007] 本发明设计的负载模拟器需要模拟出三种基本负载：恒转矩、恒功率、通风机负 载，因此本发明选用旋转式负载模拟器结构。旋转式负载模拟器可分为圆盘式和圆筒式两 种，由于圆盘式负载模拟器的励磁线圈设置筒缸的缸体上，以致增加了其径向尺寸，而圆筒 式负载模拟器将励磁线圈设置在了负载模拟器内部，使其结构更加紧凑，在相同阻尼转矩 输出的情况下，圆筒型旋转负载模拟器更加小巧，因此本发明将采用旋转圆筒式磁流变液 负载模拟器，是一种基于剪切式工作模式的负载模拟器。
[0008] -种磁流变液负载模拟器，包括缸筒、设置在所述缸筒内部的阻尼圆筒、与所述阻 尼圆筒连接的传动轴以及绕制在所述阻尼圆筒上的励磁线圈，所述传动轴分别从所述缸筒 的两端向外伸出，在所述缸筒与阻尼圆筒的工作间隙内填充有磁流变液，在缸筒的两端还 设置有用于密封所述磁流变液的密封机构，其关键在于：所述阻尼圆筒与所述缸筒的侧壁 均由导磁材料制成，所述缸筒的两个端壁由隔磁材料制成，在所述缸筒的侧壁上设置有N 个外隔磁环，N为大于或等于1的整数，在所述阻尼圆筒上设置有N+1个内隔磁环，且所述 N+1个内隔磁环紧贴所述励磁线圈的外侧并与所述N个外隔磁环错落分布，使得所述励磁 线圈形成曲线形磁通路径。
[0009] 在现有技术中，在缸筒与阻尼圆筒之间的工作间隙中磁流变液只有一个有限的区 域可以保持所要求的磁场强度来激活磁流变液。由于磁场强度与磁通路径的截面面积成反 t匕，而最大磁流变液间隙是有限的，因此，只能通过增加的制动半径、线圈绕组和电流来获 得更高的扭矩。一方面磁流变液所产生的剪切应力与通过流体的磁通成正比，如果增加线 圈的匝数和电流，磁通量将增加，这需要较粗的导线，导致负载模拟器尺寸增大；如果使用 更多更薄导线来增加匝数，将会导致导线过热。另一方面制动转矩也是流体间隙、转子半径 和宽度的函数，磁流变液相对磁导率是远小于低碳钢，则工作间隙越小通过工作间隙中的 磁通量越大；增加转子半径提供更大的转矩臂，剪切力被流体施加在转子的表面上；此外， 如果增加转子的宽度，施加剪切应力的总表面面积将增加。因此，要增加的制动转矩，磁流 变液工作间隙必须被最小化，而线圈的匝数、电流、转子半径和宽度的数目必须最大化，然 而这些因素都将会导致笨重的设计。
[0010] 针对上述技术问题，本发明引入曲线形磁通路径，不但充分利用了励磁线圈外的 区域，还让磁通穿过更多的磁流变液，来改善负载模拟器的阻尼/体积比，在不增大负载模 拟器体积的情况下增大了阻尼力矩，使得负载模拟器结构更加紧凑有效。
[0011] 在现有技术中，磁流变液负载模拟器转子与定子之间的密封常用〇型密封圈来密 封磁流变液。虽然这是一个很有效的防止液体泄漏的密封方法，但是0型密封圈为橡胶材 质，无形中增加了零外加磁场状态下的磁流变液负载模拟器的阻尼力矩，即增加了负载模 拟器的零磁场阻尼力矩。而且磁流变液还有铁磁粒子，这对于0型密封圈来说是比较粗糙 的，长时间运行时就会导致0型密封圈的过度磨损，以致负载模拟器漏液，使其不能正常运 行，使用寿命大幅降低。
[0012] 因此，本发明引入了一种磁流变液自密封法，该磁流变液负载模拟器的密封机构 为密封套，该密封套的内壁开设有环形的凹槽，在所述凹槽中套有环形磁铁，在所述密封套 与传动轴之间的工作间隙中填充磁流变液。环形磁铁产生的磁通将从外缸体穿过磁流变液 再穿过轴，形成环形磁通，磁流变液在受到磁感应强度作用时，会产生剪切应力，在此处构 建了一个压力差，防止磁流变液泄漏出去。这种设计没有了固体之间的接触摩擦，极大的减 小了零磁场作用时的摩擦阻尼力矩。
[0013] 进一步地，所述密封机构的外侧还设置有用于安装所述传动轴的轴承机构。
[0014] 进一步地，为了在所述阻尼圆筒上设置内隔磁环，本发明在所述励磁线圈的外侧 设置有导磁型的保护套，该保护套的外径与所述阻尼圆筒的外径相同，所述N+1个内隔磁 环分段嵌设在所述保护套中。
[0015] 作为一种优选的技术方案，便于磁流变液负载模拟器的加工制作，所述