内部磁场的分析与研究

根据图6.3 中设计的测试机械结构，对剪切间隙内部的磁感应强度进行了计算和有限元仿真，并采用特斯拉计对其进行了测试，与计算和仿真的结果进行了对比研究，其中用于计算的模型如图6.7 所示。

图6.7　内部磁感应强度的计算模型

在起始阶段，为了计算方便，假设所用的20#钢的磁感应强度与磁场强度之间为线性关系，相对磁导率为常数800，空气隙长度为5.0 mm，设计中的上下两剪切盘的直径为60 mm，计算得到空气隙横截面积为

总磁阻为

根据磁感应强度的计算公式并代入数据得

得磁感应强度与线圈中所加电流的关系为

内部的磁场仿真主要利用ANSYS Workbench 中的磁场仿真模块，首先利用ANSYS 中的Design 模块，按照给定的尺寸进行结构设计，得到的示例如图6.8（a）所示，然后将该三维设计图导入磁场仿真模块中，并对材料的磁导率参数进行设置，其他参数与计算部分相同。(www.xing528.com)

为了与计算值进行对比，仿真模型没有考虑中间放置多孔泡沫金属及磁流变液的情况，线圈中电流为0.1 A 时得到的内部磁力线分布如图6.8（b）所示，通过更换不同的电流值，得到了剪切间隙内磁感应强度与外加电流之间的关系，如图6.9 所示。

实验测试中，将图6.3 中的凸台垫片换成铝片，并通过在剪切间隙内部放置不同厚度的20#钢片，保证磁路的磁阻与此前计算和仿真时相同，根据特斯拉计探针的尺寸，在铝片上开一个适当大小的孔，得到的实验测试结果如图6.9 所示。

图6.9 表明，在外加电流为0.1 A 时，对剪切间隙内部的磁感应强度计算、仿真和实验测试的结果，三者较为接近；随着电流的增加，在电流为0.5 A 时，三者的误差达到了14%，这主要是由于计算和仿真时，将20#钢的相对磁导率设置为常数800，而实际情况下，随着外界磁场强度的增加，20#钢的相对磁导率会发生变化，这就导致偏差变大。

图6.8　内部的磁场仿真

（a）设计图；（b）I=0.1 A 的磁场仿真结果

图6.9　剪切间隙内部的磁场与外加电流的关系

当间隙内填充不同的多孔泡沫金属或磁流变液时，根据第2 章的分析，多孔泡沫金属和磁流变液的磁性也会对剪切间隙内部的磁感应强度产生影响。根据上述的测试方法，将凸台垫片换成带有小孔的铝片，在间隙内填充多孔泡沫金属铜、镍和铁以及磁流变液时，用特斯拉计测试了间隙内部的磁感应强度，结果如图6.10 所示。填充不同的多孔泡沫金属和磁流变液时，剪切间隙内部的磁感应强度和线圈中电流之间的关系是：当剪切间隙内填充磁流变液时，磁感应强度最大；填充多孔泡沫金属铜时，磁感应强度最小。根据第3 章的分析，这主要与材料的相对磁导率有关，同时说明了间隙内填充的4 种材料，磁流变液的相对磁导率最大，多孔泡沫金属铁的相对磁导率其次，而多孔泡沫金属铜的相对磁导率最小。

图6.10　剪切间隙内部磁感应强度与电流的关系

（内部填充不同的多孔泡沫金属及磁流变液的测试）