磁性液体静音水泵的实验研究

朱鹏轩，徐超熙，李玉彬，李学慧

（大连大学物理科学与技术学院纳米磁性液体研发工作室，辽宁大连116622）

1 引 言

由于水泵在日常生产生活中有着广泛的应用，从20世纪80年代开始，我国一些科研单位相继开始了对高性能、高质量水泵的设计和研究[1－2].这些水泵工作时因压力的波动与脉动、流体的不稳定流动与阀半开引起的涡流影响、气蚀、水锤、转动部件不平衡、安装缺陷引起的偏心转动、油膜的影响等因素会引起负面作用：影响水泵的使用寿命；容易产生振动与噪声，造成噪声污染[3－5].

磁性液体既具有液体的流动性，在磁场下又具有固体磁性材料的磁性.为了解决上述常规水泵引起的负面影响，利用磁性液体的场致软磁特性[6]，研制了可以避免由于机械碰撞、摩擦产生噪声的磁性液体静音水泵，搭建了磁性液体静音水泵研究装置平台，并设计加工了1台样机，对此样机进行了相关的实验研究，实验结果表明其产生的噪声级数远小于常规水泵.

近几十年来微机电系统技术（MEMS）发展迅猛[7]，磁性液体静音水泵研究装置平台，提供了一种由变化磁场控制膜片腔往复运动的磁性液体微致动泵设计构造思路的可行依据，并且不同于文献[8－9]中的设计.

2 装置的设计

2.1 装置总体设计与工作机制

如图1所示，装置主要由控制磁场模块、磁性液体振子腔模块与单向阀模块组成.控制磁场模块由2个控制电磁铁对称分布，该模块还装有显示屏，可以实现对电磁铁通电时间、通电电压的控制.磁性液体振子腔由2片1mm厚，半径为100mm的橡胶膜压制而成，橡胶模中间形成的空腔内充入磁性液体，磁性液体振子腔固定在流体腔壁上，流体腔被磁性液体腔分成2个部分.装置开始工作时，2个电磁铁交替通电产生交变的磁场，磁性液体振子腔随着磁场的变化做往复运动，使磁性液体振子腔两侧的流体腔体积发生改变，在单向阀对水流动方向的制约作用下，水流从下方流入流体腔，从上方流出流体腔.图2为装置实物图.

图1 磁性液体静音水泵装置示意图

图2 磁性液体静音水泵装置实物图

2.2 控制磁场模块的设计

控制磁场模块使用变压器等元件将220V 50Hz的交变电流转换为24V的直流电流，使用DH48S系列数显时间继电器控制电磁铁的通电时间，并设有RESET键和PAUSE键.

电磁铁的主要参量如表1所示.如图3所示，利用有限元分析ANASY得出单个电磁铁通电时的流体腔所在空间的磁场分布不均匀，通电电磁铁附近的磁场强度总是比距离通电电磁铁远处的磁场强度大，磁性液体在磁场中总是向磁场更强的地方运动，在此设计中磁性液体振子腔向通电电磁铁一侧加速运动.

表1 电磁铁的主要参量

图3 流体腔所在空间的磁场分布

2.3 磁性液体振子腔的设计

磁性液体振子离2个控制电磁铁的距离均为16mm，其中橡胶模所用的材料为硅橡胶或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），其中充入的磁性液体的体积为60mL，并测量了在控制磁场中的往复运动的周期T，所用磁性液体参量和相关数据如表2所示.

表2 磁性液体参量

3 实验结果与分析

3.1 磁性液体静音水泵的机械效率与磁性液体磁饱和强度的关系

实验中将不同的磁性液体样品充入振子腔，测量振子腔往复运动周期T，发现磁性液体的磁饱和强度与磁性液体振子腔的往复运动周期成反比，如图4所示.

图4 磁饱和强度Ms与往复运动周期T的关系

从动力学角度分析，由于不均匀的磁场分布，磁性液体振子腔在磁场中受到磁场力f作用运动，f正比于磁性液体的磁饱和强度Ms，得出振子腔的运动速度正比于Ms，振子腔的运动路程是定值，振子腔的往复运动周期与振子腔的运动速度成反比，故有磁性液体的磁饱和强度与磁性液体振子腔的往复运动周期成反比的关系，

设磁性液体静音水泵的电功率为P输入，往复运动周期内对水所做的功为W，则P输入与W为定值，与式（1）得出磁性液体静音水泵的机械效率

即磁性液体静音水泵的机械效率与磁性液体的磁饱和强度成正比，磁性液体振子腔中使用的磁性液体的磁饱和强度越高，其往复运动周期越短，磁性液体静音水泵的机械效率越高.

3.2 磁性液体静音水泵的机械噪声辐射检测

磁性液体静音水泵的机械噪声辐射检测所用的仪器为福州欣锐仪器仪表有限公司专业生产HS5618声级计，采用GBT 13802－1992工程机械辐射噪声测量的通用方法，测得出磁性液体静音水泵在工作时的噪声声级为25.0dB；使用相同的测量标准测量体积、功率相近的台州市利达机电电机厂生产的15WG12－15型铜质热水型增压泵（常规离心水泵）在工作时的噪声声级为69.8dB.检测结果表明磁性液体静音水泵工作时的噪声比常规水泵低了44.8dB.

4 结 论

对磁性液体静音水泵样机的实验研究结果表明，该静音水泵中振子腔部件往复运动的周期与使用的磁性液体的磁饱和强度成反比的关系，磁性液体静音水泵产生的噪声小于常规水泵.此装置的机械效率不超过0.15，若将振子腔中充入的磁性液体换成磁饱和强度更高的磁流变液可以提高静音水泵的机械效率.

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