多極式磁流變離合器溫度場(chǎng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究

唐紹禹，吳 杰，張 輝，鄧兵兵，黃禹銘，黃 浩

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(chǎng)的作用下，磁流變液的黏度會(huì)發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致其屈服應(yīng)力顯著增大，從而由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài)。但在去掉磁場(chǎng)之后，類固態(tài)磁流變液會(huì)立馬恢復(fù)為液態(tài)，響應(yīng)時(shí)間僅為幾毫秒。正是因?yàn)榇帕髯円壕哂许憫?yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好、可逆性強(qiáng)和易控制等特點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于汽車減振控制、機(jī)械傳動(dòng)、建筑物抗震控制以及機(jī)器人關(guān)節(jié)控制等領(lǐng)域［2］。

按磁流變液流動(dòng)性能的差異，其工作模式主要分為流動(dòng)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(diào)整電流大小來改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而控制其力矩大小。與傳統(tǒng)的機(jī)械式離合器相比，磁流變離合器具有質(zhì)量較小、體積小和控制方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、重型工業(yè)等領(lǐng)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(zhǎng)時(shí)間工作后會(huì)產(chǎn)生大量熱量，從而導(dǎo)致其傳動(dòng)性能減弱甚至失效。因此，溫升現(xiàn)象對(duì)磁流變技術(shù)工程應(yīng)用的影響受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。Mckee等［5］通過實(shí)驗(yàn)研究了溫度對(duì)可壓縮磁流變懸浮系統(tǒng)性能和磁流變液的影響，結(jié)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(shí)驗(yàn)研究了溫度對(duì)磁流變離合器熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)溫度升高會(huì)導(dǎo)致其總輸出轉(zhuǎn)矩及黏性轉(zhuǎn)矩減小。Gordaninejad等［7］建立了磁流變阻尼器溫升的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)3種不同尺寸的磁流變阻尼器在不同工況下進(jìn)行多次加熱實(shí)驗(yàn)，探究了其受熱情況。Patil等［8］利用數(shù)值計(jì)算方式探究了溫升對(duì)磁流變制動(dòng)器在汽車上應(yīng)用時(shí)所產(chǎn)生的影響，并利用典型實(shí)驗(yàn)工況來檢驗(yàn)其材料是否滿足使用要求。陳松等［9］探究了溫度對(duì)磁流變液及其剪切應(yīng)力的影響，并通過有限元模擬方式對(duì)磁流變傳動(dòng)裝置工作時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析；田祖織［10］采用數(shù)值計(jì)算方式探究了磁流變傳動(dòng)裝置的溫度分布規(guī)律及其對(duì)制動(dòng)力矩的影響，并通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，溫度過高會(huì)使磁流變液的剪切屈服應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致該裝置的傳動(dòng)性能減弱?，F(xiàn)有研究表明，溫度過高會(huì)使磁流變液的黏度減小，從而導(dǎo)致其傳遞的力矩減小。因此，有必要對(duì)磁流變裝置的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，并采取有效的散熱技術(shù)。

基于此，筆者以一種永磁體和勵(lì)磁線圈相疊加的多極式磁流變離合器為研究對(duì)象，采取仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)其溫度分布特性展開研究。

1 多極式磁流變離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多極式磁流變離合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由動(dòng)力輸入盤、動(dòng)力輸出盤、圓柱殼、磁流變液、外殼體、內(nèi)定子、外定子、勵(lì)磁線圈組和永磁體等組成。其中：動(dòng)力輸入盤和動(dòng)力輸出盤沿各自旋轉(zhuǎn)軸線相互轉(zhuǎn)動(dòng)連接；圓柱殼a、b固定在動(dòng)力輸入盤上，圓柱殼c固定在動(dòng)力輸出盤上，圓柱殼沿徑向相互交錯(cuò)嵌套排列；外定子和側(cè)圍板與圓柱殼a之間、3個(gè)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(gè)密封間隙用于儲(chǔ)存磁流變液；勵(lì)磁線圈組與永磁體均有多個(gè)，沿周向間隔設(shè)置在動(dòng)力輸出盤上，且沿動(dòng)力輸出盤徑向一一對(duì)應(yīng)地設(shè)置在密封間隙兩側(cè)，其在密封間隙處產(chǎn)生的磁場(chǎng)可使磁流變液在液態(tài)和類固態(tài)之間轉(zhuǎn)換，從而使動(dòng)力輸入盤和動(dòng)力輸出盤在分離狀態(tài)和結(jié)合狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)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(dòng)力輸入盤的內(nèi)徑，r2為側(cè)圍板的外徑，r3為外定子的外徑，D1為內(nèi)定子的寬度，D2為外定子的寬度，C1為內(nèi)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(biāo)）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(jié)構(gòu)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(huì)產(chǎn)生大量熱量，包括勵(lì)磁線圈組工作時(shí)所產(chǎn)生的制動(dòng)熱量以及磁流變液工作時(shí)與相鄰接觸面摩擦所產(chǎn)生的制動(dòng)功率損耗［11-12］。若溫度不斷地升高，則會(huì)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(dǎo)率較高的材料外，還應(yīng)進(jìn)行一定的散熱處理。故本文在多極式磁流變離合器的動(dòng)力輸入盤處安裝了強(qiáng)力的風(fēng)冷設(shè)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(chǎng)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(gòu)建其簡(jiǎn)化的三維模型，然后導(dǎo)入COMSOL軟件進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真分析。

2.1 仿真模型邊界條件設(shè)置

1）環(huán)境溫度。設(shè)置t=0 s時(shí)多極式磁流變離合器各點(diǎn)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(lì)磁線圈和磁流變液。假設(shè)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(jì)算多個(gè)勵(lì)磁線圈組和磁流變液摩擦?xí)r的發(fā)熱功率。

勵(lì)磁線圈的發(fā)熱功率Pc為：

式中：I為勵(lì)磁線圈的電流，A；U為加載電壓，V。

則勵(lì)磁線圈的生熱率?c為：

式中：Vc為勵(lì)磁線圈的體積，m3；L1、L2分別為勵(lì)磁線圈的外、內(nèi)圈長(zhǎng)度，m；W1、W2分別為勵(lì)磁線圈的外、內(nèi)圈寬度，m；H為勵(lì)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(dòng)力輸入盤的轉(zhuǎn)速，r/min；Tb為磁流變液所產(chǎn)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(dòng)過程中，勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的熱量直接傳遞給外殼體，磁流變液所產(chǎn)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(cè)圍板、外定子、動(dòng)力輸入盤和動(dòng)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(zhì)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(dǎo)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(duì)流換熱，其復(fù)合換熱系數(shù)?s=?c+?r，其中?c為自然對(duì)流換熱系數(shù)，?r為輻射換熱系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)［13］，取?s=9.7 W/(m2·℃)。

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

式中：ds為動(dòng)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(nèi)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(chǎng)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(shí)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(chǎng)，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(yuǎn)離外殼體的動(dòng)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(gè)熱源為磁流變液和勵(lì)磁線圈，其中磁流變液摩擦生熱是主要熱源；此外，勵(lì)磁線圈位于主要通風(fēng)孔處，散熱較快，其溫度低于磁流變液；而磁流變液位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，無法與空氣或冷卻風(fēng)直接接觸，只能通過與其他零部件之間的熱傳遞進(jìn)行散熱，故散熱較慢，導(dǎo)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(chǎng)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(gè)磁流變液工作間隙的中心線（標(biāo)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(cè)端點(diǎn)為原點(diǎn)，沿軸向?qū)Υ帕髯円旱臏囟茸兓M(jìn)行分析。當(dāng)滑差功率為150 W時(shí)，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(gè)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(duì)象。當(dāng)滑差功率分別為150，160，170和180 W時(shí)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(shí)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(yùn)行時(shí)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(dāng)多極式磁流變離合器處于短時(shí)工作模式時(shí)，其可傳遞更高的功率，因此須對(duì)其瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。選擇工作間隙2為磁流變液溫度的提取位置，運(yùn)行時(shí)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(shí)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(qiáng)制散熱條件下工作時(shí)，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(yùn)行時(shí)間較短，這大大限制了其應(yīng)用范圍。因此，有必要對(duì)多極式磁流變離合器的散熱方式進(jìn)行研究。

2.3 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下的溫度場(chǎng)分析

2.3.1 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下穩(wěn)態(tài)溫度分布

由于溫升對(duì)磁流變離合器力矩的影響較為明顯，當(dāng)溫度較高時(shí)，磁流變液的性能會(huì)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(duì)于功率大的磁流變離合器，其散熱技術(shù)極為重要。根據(jù)多極式磁流變離合器的實(shí)際情況，在其左側(cè)設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，設(shè)定風(fēng)速為3.5 m/s，通過有限元仿真得到其冷卻風(fēng)的速度分布云圖，如圖8所示（圖中箭頭表示冷卻風(fēng)流向）。

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

在強(qiáng)制風(fēng)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(dòng)時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，結(jié)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(shí)磁流變液的穩(wěn)態(tài)溫度已超過其許用溫度。因此，在強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下，多極式磁流變離合器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許的最大滑差功率為730～830W。

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

2.3.2 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下瞬態(tài)溫度分布

在強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下，設(shè)風(fēng)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(shí)工作模式下（工作140 s），其勵(lì)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(jìn)行對(duì)比，結(jié)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(lì)磁線圈的最高溫度為38.57℃；在強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下，勵(lì)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(qiáng)制風(fēng)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(fēng)冷散熱可延長(zhǎng)多極式磁流變離合器的滑差運(yùn)行時(shí)間。

圖10 不同散熱方式下勵(lì)磁線圈最高瞬態(tài)溫度對(duì)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(duì)比Fig.11 Comparison of maximum transient temperature of magnetorheological fluid under different heat dissipation modes

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為驗(yàn)證上述溫度場(chǎng)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建了一個(gè)多極式磁流變離合器溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其主要設(shè)備如圖12所示，包括動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、多極式磁流變離合器、紅外熱成像儀、電機(jī)、磁粉制動(dòng)器、三顯表、直流穩(wěn)壓電源和減速器。其中：動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的型號(hào)為JN-DN，其精度為0.5%，可測(cè)的最大傳動(dòng)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(hào)為PS-3005D-Ⅱ，由深圳市兆信電子儀器設(shè)備有限公司制造；紅外熱成像儀的型號(hào)為UTi260B，其測(cè)量精度為±2%，測(cè)溫響應(yīng)時(shí)間不大于500 ms，由優(yōu)利德科技（中國(guó)）股份有限公司制造。

圖12 多極式磁流變離合器溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要設(shè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖13所示，通過設(shè)置不同的電流、轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)不同工作條件下磁流變離合器的溫升特性測(cè)試。

圖13 多極式磁流變離合器溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物Fig.13 Physical object of multipole magnetorheological clutch temperature test experimental platform

3.2 持續(xù)制動(dòng)工況下的溫升特性測(cè)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(dòng)力輸入盤轉(zhuǎn)速為100r/min的條件下持續(xù)制動(dòng)，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(jié)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(lì)磁線圈處（由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)施問題，僅可獲取磁流變離合器最外側(cè)的最高溫度），不同時(shí)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(yuǎn)離外殼體的動(dòng)力輸入盤軸端處，此處遠(yuǎn)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(duì)自然散熱條件下勵(lì)磁線圈最高瞬態(tài)溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖15所示。從圖15中可以看出，當(dāng)t=0—4 min時(shí)，勵(lì)磁線圈的溫升速率較快，其最高瞬態(tài)溫度的仿真值和實(shí)驗(yàn)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(dāng)t=4—10 min時(shí)，勵(lì)磁線圈的溫升速率較慢，其最高瞬態(tài)溫度的仿真值和實(shí)驗(yàn)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(duì)比可知，當(dāng)t=2 min時(shí)，勵(lì)磁線圈最高瞬態(tài)溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差最大，此時(shí)仿真溫度和實(shí)驗(yàn)溫度分別為20.85℃和22.20℃，相差1.35℃；當(dāng)t=5 min時(shí)，二者的相對(duì)誤差最小，僅相差0.07℃。

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

由圖15可知，當(dāng)t=1—6 min時(shí)，勵(lì)磁線圈的實(shí)驗(yàn)溫度高于仿真溫度；而當(dāng)t=7—10 min時(shí)，仿真溫度高于實(shí)驗(yàn)溫度。造成該結(jié)果的主要原因如下：

1）由于仿真分析時(shí)對(duì)多極式磁流變離合器的有限元模型作了簡(jiǎn)化處理，忽略了軸承與動(dòng)力輸入盤之間的摩擦生熱，故前期實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)溫升有所下降，而仿真分析時(shí)忽略了力矩變化，故后期仿真溫度高于實(shí)驗(yàn)溫度。

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

3.2.2 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下的溫度變化

在室溫為15℃的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱（功率為1 600 W的吹風(fēng)機(jī)在距離動(dòng)力輸入盤約10 cm處進(jìn)行散熱）條件下，多極式磁流變離合器在滑差功率為230 W、動(dòng)力輸入盤轉(zhuǎn)速為100 r/min的條件下連續(xù)制動(dòng)，利用紅外熱成像儀獲取其瞬態(tài)溫度，結(jié)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(lì)磁線圈處，不同時(shí)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(yuǎn)離外殼體的動(dòng)力輸入盤軸端處。通過對(duì)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(yùn)行工作10 min時(shí)溫度相差2.2℃）可知，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式可有效降低其溫升速度。

圖16 強(qiáng)制風(fēng)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(duì)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下勵(lì)磁線圈最高瞬態(tài)溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖17所示。從圖中可以看出，當(dāng)t=0—5 min時(shí)，勵(lì)磁線圈的溫升速率較快，其最高瞬態(tài)溫度的仿真值和實(shí)驗(yàn)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(dāng)t=6—10 min時(shí)，勵(lì)磁線圈的溫升速率較慢，其最高瞬態(tài)溫度的仿真值和實(shí)驗(yàn)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(dāng)t=3 min時(shí)，勵(lì)磁線圈最高瞬態(tài)溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差最小，其分別為21.61℃和22.3℃，差值為0.69℃；當(dāng)t=8 min時(shí)，二者的相對(duì)誤差最大，其分別為27.37℃和30.50℃，此時(shí)差值為3.13℃。

由圖17可知，勵(lì)磁線圈的仿真溫度一直低于實(shí)驗(yàn)溫度，造成該結(jié)果的主要原因如下：

圖17 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下勵(lì)磁線圈最高瞬態(tài)溫度對(duì)比Fig.17 Comparison of maximum transient temperature of excitation coil under forced air-cooling heat dissiportion

1）實(shí)驗(yàn)中無法準(zhǔn)確獲取風(fēng)冷設(shè)備的具體風(fēng)速，其與仿真風(fēng)速存在差值。

2）在利用風(fēng)冷設(shè)備對(duì)多極式磁流變離合器進(jìn)行散熱時(shí)，實(shí)驗(yàn)和仿真時(shí)的散熱區(qū)域存在差異。

3）仿真分析時(shí)對(duì)多極式磁流變離合器的有限元模型作了簡(jiǎn)化，忽略了軸承與動(dòng)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(yùn)行一段時(shí)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中溫升有所下降，而仿真分析時(shí)忽略了力矩的變化。

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

4 結(jié) 論

針對(duì)所設(shè)計(jì)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(qiáng)制風(fēng)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(yùn)行時(shí)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(yuǎn)離外殼體的動(dòng)力輸入盤軸端處，最高溫度出現(xiàn)在第2個(gè)磁流變液工作間隙處。

3）仿真結(jié)果顯示，多極式磁流變離合器在自然散熱和強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下連續(xù)制動(dòng)時(shí)，可分別在最大滑差功率為160 W和730 W下運(yùn)行；當(dāng)滑差功率為3 000 W時(shí)，其可運(yùn)行280 s；在強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下適當(dāng)提高風(fēng)速，可延長(zhǎng)其滑差運(yùn)行時(shí)間。

4）由仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知，在自然散熱條件下，多極式磁流變離合器勵(lì)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(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下，其最大差值為3.13℃，最小差值為0.69℃。