Simulation of Braking and Heat Dissipation Performance for a Novel Comb-type Magnetorheological Brake

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.05.015

Abstract

Abstract:

In order to solve the problems of existing magnetorheological brakes with large size， small braking torque and poor heat dissipation performance，based on the contradiction analysis method and conflict matrix of TRIZ， a novel comb-type magnetorheological brake applied to electric vehicles was designed， and the braking torque and temperature field simulation mathematical model were established. The various performance indicators of the brake were verified through simulation and experimental study. The results show that the magnetic field of comb-type magnetorheological brake is concentrated in the comb-type brake disk part， and the maximum braking torque increases gradually with the increasing of input current， the saturation current is as 3.6 A， the braking torque is as 334 N·m， and the torque/volume ratio is as 65.215 kN/m². The heat of the brake is mainly generated in the comb-type brake disk part， which gradually spreads from the brake disk to the casing and the shaft body with the passage of time. The paper verifies that the novel comb-type magnetorheological brake has better heat dissipation performance when achieving continuous braking.

Key words: theory of inventive problem solving（TRIZ）, contradiction matrix, simulation and experiment, magnetorheological brake

摘要：

为解决现有磁流变制动器体积大、制动力矩小、散热性能差的问题，利用TRIZ工具中的矛盾分析法及冲突矩阵设计一种应用于电动汽车的新型梳式磁流变制动器，并建立了其制动力矩及温度场仿真数学模型。通过数值仿真与实验研究，验证了制动器的各项性能指标。研究结果表明，梳式磁流变制动器磁场主要集中在梳式制动盘部分，其最大制动力矩随着输入电流的增大而逐渐增大，得到的饱和电流为3.6 A、制动力矩为334 N·m、力矩/体积比为65.215 kN/m²。制动器热量主要产生于梳式制动盘区域，随着时间的推移，热量从制动盘开始逐渐向壳体及轴体扩散。研究验证了新型结构的梳式磁流变制动器在实现连续制动时具有较好的散热性能。

关键词: 发明问题解决理论（TRIZ）, 冲突矩阵, 仿真与实验, 磁流变制动器

CLC Number:

TG156

CAO Zhiqiang, LIU Xiaomin, CHEN Liang, ZENG Shunyan, ZHOU Shaoting. Simulation of Braking and Heat Dissipation Performance for a Novel Comb-type Magnetorheological Brake[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(5): 1150-1159.

曹治强, 刘晓敏, 陈亮, 曾顺燕, 周少婷. 新型梳式磁流变制动器制动及散热性能仿真[J]. 中国机械工程, 2026, 37(5): 1150-1159.

Figures/Tables 22

Fig.1 Innovation design framework model for magnetorheological brake based on TRIZ

Fig.2 Multi-disk magnetorheological brake prototype

Tab.1 Invention principles corresponding to MRB

改善的参数	恶化的参数	发明原理解
10-力	7-运动物体的体积	15-动态化 9-预加反作用 32-改变颜色 37-热膨胀
10-力	30-可操作性	22-变害为利 27-低成本不耐用产品替代昂贵耐用产品 21-紧急行为 35-物理和化学参数的变化
10-力	33-装置的复杂性	1-分割 28-机械系统替代 3-局部重量 25-自服务
10-力	36-物体对外部有害因素作用的敏感性	26-复制 35-物理和化学参数的变化 10-预先作用 18-机械振动
17-温度	7-运动物体的体积	34-抛弃与再生 39-惰性环境 40-复合材料 18-机械振动
17-温度	30-可操作性	22-变害为利 33-同质性 35-物理和化学参数的变化 2-抽取
17-温度	33-装置的复杂性	27-低成本不耐用产品替代昂贵耐用产品
17-温度	36-物体对外部有害因素作用的敏感性	2-抽取 17-维数变化 16-不足或过度的作用

Fig.3 Planar structure and three-dimensional structure diagram of comb-type magnetorheological brake

Tab.2 MRF-J25T type MRF related characteristic parameters

技术指标	参数
密度ρ_m/（g·cm $- 3$ ）	2.65
零场黏度η/（Pa·s）	$≤$ 1.0
剪应力τ/kPa	$≥$ 45
使用温度θ/℃	$-$ 40~130

Tab.2 MRF-J25T type MRF related characteristic parameters

技术指标	参数
密度ρ_m/（g·cm $- 3$ ）	2.65
零场黏度η/（Pa·s）	$≤$ 1.0
剪应力τ/kPa	$≥$ 45
使用温度θ/℃	$-$ 40~130

Fig.4 τ -B Curve of MRF-J25T type magnetorheological fluid

Fig.5 Schematic diagram of radial differential of magnetorheological brake disk

Fig.6 Simplified model and dimensional diagram of comb-type magnetorheological brake

Tab.3 Comb-type magnetorheological brake structural dimensions and parameters

序号	名称	数值	序号	名称	数值
1	R₁	105	11	L₅	10
2	R₂	92	12	H₁	8
3	R₃	87	13	H₂	15
4	R₄	77	14	H₃	4
5	R₅	28	15	H₄	10
6	L₁	9	16	H₅	40
7	L₂	25	17	H₆	20
8	L₃	10	18	H₇	5
9	L₄	15	19	H₈	5
10	D	1

Fig.7 Simulation results of magnetic field strength distribution of comb-type magnetorheological brake

Tab.4 Thermal performance parameters of various materials used in magnetorheological brake

材料	热导率/ （W·m $- 1$ ·K $- 1$ ）	质量热容/ （kJ·kg $- 1$ ·K $- 1$ ）	密度/ （kg·dm $- 3$ ）
45号钢	45.00	0.46	7.85
20号低碳钢	48.00	0.46	7.85
304不锈钢	16.30	0.50	7.90
0.8 mm的漆包铜线	401.00	0.39	8.90
磁流变液	0.05	1.00	3.09
空气	0.03	1.00	1.29×10 $- 3$

Tab.4 Thermal performance parameters of various materials used in magnetorheological brake

材料	热导率/ （W·m $- 1$ ·K $- 1$ ）	质量热容/ （kJ·kg $- 1$ ·K $- 1$ ）	密度/ （kg·dm $- 3$ ）
45号钢	45.00	0.46	7.85
20号低碳钢	48.00	0.46	7.85
304不锈钢	16.30	0.50	7.90
0.8 mm的漆包铜线	401.00	0.39	8.90
磁流变液	0.05	1.00	3.09
空气	0.03	1.00	1.29×10 $- 3$

Fig.8 Schematic diagram of comb-type magnetorheological brake grid division

Tab.5 Boundary condition parameters and values

区域	仿真实验参数	数值
励磁线圈	线圈损失功率P_c/kW	0.167
励磁线圈	线圈生热率Φ_c/（W·m $- 3$ ）	46 048
磁流变液	动能损失功率P_m/kW	16.59
磁流变液	磁流变液生热率Φ_m/（W·m $- 3$ ）	244 900
制动器外壳	环境温度θ_e/℃	26
制动器外壳	对流换热系数δ_s/（W·m $- 2$ ·K $- 1$ ）	9.7

Tab.5 Boundary condition parameters and values

区域	仿真实验参数	数值
励磁线圈	线圈损失功率P_c/kW	0.167
励磁线圈	线圈生热率Φ_c/（W·m $- 3$ ）	46 048
磁流变液	动能损失功率P_m/kW	16.59
磁流变液	磁流变液生热率Φ_m/（W·m $- 3$ ）	244 900
制动器外壳	环境温度θ_e/℃	26
制动器外壳	对流换热系数δ_s/（W·m $- 2$ ·K $- 1$ ）	9.7

Fig.9 Temperature distribution cloud map of comb-type MRB

Fig.10 Temperature change trend after braking and cooling

Fig.11 Performance testing experimental system

Tab.6 Main component specifications of the system

设备名称	型号	主要参数
三相交流电动机	YE2-132S-6	额定功率为7.5 kW，最高转速为980 r/min
变频器	8000B-4T7R5GB	额定功率为7.5 kW，输出频率为0~50 Hz
惯性飞轮组	圆盘型	单个飞轮半径为0.3 m，质量约为66.7 kg，提供约3 kg·m²的转动惯量。根据测试情景的不同，改变飞轮个数
转速转矩传感器	CYJN-DN	精度小于±0.5%FS（最大量程），转矩0~1000 N·m，转速0~6000 r/min
数字电源	DC-6006L	输出电压0~60 V，输出电流0~6 A
联轴器	梅花联轴器	外径65 mm，长度90 mm，孔直径14~38 mm
多通道测温仪	CENTER-301 多通道	测量范围 $-$ 20~600 ℃
温度测试仪探头	金属探头	长度3 m，测量范围0~600 ℃

Tab.6 Main component specifications of the system

设备名称	型号	主要参数
三相交流电动机	YE2-132S-6	额定功率为7.5 kW，最高转速为980 r/min
变频器	8000B-4T7R5GB	额定功率为7.5 kW，输出频率为0~50 Hz
惯性飞轮组	圆盘型	单个飞轮半径为0.3 m，质量约为66.7 kg，提供约3 kg·m²的转动惯量。根据测试情景的不同，改变飞轮个数
转速转矩传感器	CYJN-DN	精度小于±0.5%FS（最大量程），转矩0~1000 N·m，转速0~6000 r/min
数字电源	DC-6006L	输出电压0~60 V，输出电流0~6 A
联轴器	梅花联轴器	外径65 mm，长度90 mm，孔直径14~38 mm
多通道测温仪	CENTER-301 多通道	测量范围 $-$ 20~600 ℃
温度测试仪探头	金属探头	长度3 m，测量范围0~600 ℃

Fig.12 Effect of different initial braking velocities and different currents on the braking torque of the MRB

Tab.7 Comparison of torque performance between different types of MRB

制动器类型	半径/ mm	厚度/ mm	体积/ 10 $- 6$ mm³	力矩/（N·m）	力矩/ 体积比/（kN·m $- 2$ ）
梳式磁流变制动器	141	82	5.12	334	65.215
多盘式磁流变制动器^［11］	114	103.5	4.23	96.24	22.775
电热形状记忆合金式磁流变传动装置^［12］	63	67	0.835	19.2	22.982
混合液流式磁流变制动器^［13］	19.75	27	0.0323	0.386	11.968
薄壁侧置式磁流变制动器^［14］	52.8	20	0.175	9.95	56.804
小型磁流变制动器^［15］	19	14.5	0.0164	0.462	28.094

Tab.7 Comparison of torque performance between different types of MRB

制动器类型	半径/ mm	厚度/ mm	体积/ 10 $- 6$ mm³	力矩/（N·m）	力矩/ 体积比/（kN·m $- 2$ ）
梳式磁流变制动器	141	82	5.12	334	65.215
多盘式磁流变制动器^［11］	114	103.5	4.23	96.24	22.775
电热形状记忆合金式磁流变传动装置^［12］	63	67	0.835	19.2	22.982
混合液流式磁流变制动器^［13］	19.75	27	0.0323	0.386	11.968
薄壁侧置式磁流变制动器^［14］	52.8	20	0.175	9.95	56.804
小型磁流变制动器^［15］	19	14.5	0.0164	0.462	28.094

Fig.13 Illustration of the temperature test points for temperature sensors

Fig.14 Temperature changes during continuous braking with a saturated input current of 3.6 A under different speeds

Fig.15 Infrared image of the brake housing

References 15

[1]	NGUYEN N D， LE-DUC T， HIEP L D， et al. Development of a New Magnetorheological Fluid-based Brake with Multiple Coils Placed on the Side Housings［J］. Journal of Intelligent Material Systems and Structures， 2019， 30（5）： 734-748.
[2]	HASANNASAB V， BAZARGAN-LARI Y. Design and Manufacture of a Magnetorheological Brake System Applicable for Wheelchair Manipulations［J］. Journal of Testing and Evaluation， 2021， 49（3）： 1586-1598.
[3]	WANG S， SONG W， LI H， et al. Modeling and Multi-field Simulation Analysis of a Multi-cylindrical Magneto- rheological Brake［J］. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics， 2018， 57（4）： 399-414.
[4]	BAI Xianxu， JIANG Peng， QIAN Lijun. Integrated Semi-active Seat Suspension for Both Longitudinal and Vertical Vibration Isolation［J］. Journal of Intelligent Material Systems and Structures， 2017， 28（8）： 1036-1049.
[5]	WANG N， LIU X， KRÓLCZYK G， et al. Effect of Temperature on the Transmission Characteristics of High-torque Magnetorheological Brakes［J］. Smart Materials and Structures， 2019， 28（5）： 057002.
[6]	SONG W， WANG S， CHOI S B， et al. Thermal and Tribological Characteristics of a Disc-type Magnetorheological Brake Operated by the Shear Mode［J］. Journal of Intelligent Material Systems and Structures， 2019， 30（5）： 722-733.
[7]	王道明，姚兰，等.汽车磁流变液制动器温度特性仿真与试验研究［J］.机械工程学报， 2019， 55（6）： 100-107.
	WANG Daoming， YAO Lan， et al. Simulation and Experimental Study on Temperature Characteristics of Magnetorheological Fluid Brake for Vehicles［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2019， 55（6）： 100-107.
[8]	PATIL S R， POWAR K P， SAWANT S M. Thermal Analysis of Magnetorheological Brake for Automotive Application［J］. Applied Thermal Engineering， 2016， 98： 238-245.
[9]	郑祥盘，陈凯峰，陈淑梅.曳引电梯磁流变制动装置的温度特性研究［J］.中国机械工程，2016，27（16）：2141-2147.
	ZHENG Xiangpan， CHEN Kaifeng， CHEN Shumei. Investigation on Temperature Properties of Elevator Magne- torheological Brake［J］. China Mechanical Engineering， 2016，27（16）：2141-2147.
[10]	CAO Z， YANG X， ZHU X， et al. Optimal Design and Experimental Study of Comb-type Disc Magne- torheological Brake［J］. Measurement， 2024， 229： 114458.
[11]	ZHANG J， HU G， CHENG Q， et al. Analysis of Braking Performance and Heat Dissipation Characteristics of Multi-disc Magnetorheological Brake with an Inner Water-cooling Mechanism［J］. Journal of Magnetism and Magnetic Materials， 2024， 604： 172313.
[12]	ZHANG W， CHEN S， HUANG J. Analysis of Electrothermal Shape Memory Alloy and Disc-type Magnetorheological Fluid Combined Transmission［J］. Structures， 2024， 69： 107345.
[13]	李畅，胡国良，喻理梵，等.混合液流式磁流变制动器制动及响应性能分析［J/OL］.噪声与振动控制.［2026-01-30］. .
	LI Chang， HU Guoliang， YU Lifan， et al. Braking Performance and Response Time Analysis of Hybrid Fluid Flow Magnetorheological Brakes［J/OL］. Noise and Vibration Control. ［2026-01-30］. .
[14]	NGUYEN V B， LE H D， NGUYEN Q H， et al. Design and Experimental Evaluation a Novel Magneto-rheological Brake with Tooth Shaped Rotor［J］. Smart Materials and Structures， 2022， 31（1）： 015015.
[15]	WELLBORN P S， MITCHELL J E， PIEPER N J， et al. Design and Analysis of a Small-scale Magnetorheological Brake［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2022， 27（5）： 3099-3109.