CN100356082C - 逆变型磁流变阻尼器 - Google Patents
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Abstract
一种逆变型磁流变阻尼器，可应用于建筑结构减振控制及机车减振，它包括有缸体、活塞，与其连接的活塞杆，缸体两端的密封导向装置及缸盖，缸体内腔充有磁流变液并设置有可产生磁场的导磁体和励磁线圈及工作气隙组成的电磁磁路部件，其中缸体由主缸，或主缸和副缸，或主缸和旁通缸组成，特征在于：在磁路部分同时设置励磁线圈和永磁体，由励磁磁场与永磁磁场组成复合磁路，并且电磁磁路中还设置有辅助气隙，以保证在电源切断时，永磁体产生的永磁磁场大部分由工作气隙通过，而使得阻尼器能够工作在大阻尼状态。电磁磁路部件可根据不同的缸体设置在相应的位置。此类阻尼器可与受控结构连接，实现半主动减振控制。本发明具有节省能源、提高控制效率、能够改善磁流变液稳定性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型磁流变阻尼器，所提出的逆变型磁流变阻尼器可应用于建筑结构减振控制及机车减振。亦可用于制作用于航天、电子、化工、能源、仪表、医疗、卫生等领域的阻尼器、制动器、离合器、液压阀等。
背景技术
磁流变阻尼器是一类利用磁流变液作为工作介质的半主动控制装置。磁流变液是由细小的软磁性颗粒分散于载液中形成的随外加磁场变化而具有可控流变特性的悬浮液体；当磁流变液受到磁场作用时，其粘度系数将会随之增加，当其受到强磁场作用时就会变成类似“固体”的状态，流动性消失，一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。磁流变阻尼器利用磁流变液的流变特性，在阻尼器上设置存在磁场的阻尼通道，当阻尼器活塞与缸体发生相对运动时，则会挤压缸中的磁流变液，使其从阻尼通道流过，当阻尼通道没有磁场作用时磁流变液表现为粘性流体，若对阻尼通道内施加磁场时，阻尼通道内的磁流变液发生硬化而成为粘塑性体，导致活塞运动的阻尼力增大。调节磁场强度可以改变磁流变液的屈服强度，从而可以调节阻尼器的阻尼力的大小。
对于现有技术的磁流变阻尼器，无论电磁磁路部件形式上如何复杂，其结构示意图都可如图1表示，励磁线圈1绕制于导磁材料3上，具有一定强度的导磁材料3在阻尼器中构成气隙形式的阻尼通道。当励磁线圈1通电时，在气隙4将建立磁场，处于气隙中的磁流变液将发生“固化”而发生类似相态改变而引起磁流变阻尼器阻尼的改变。
现有技术磁流变阻尼器的一种典型结构如图14所示，阻尼器缸体9内充有磁流变液13，中部挖槽的活塞8上绕制有励磁线圈1，励磁线圈1外部设置有保护线圈不受磨损的隔磁护套17，励磁线圈1的引线由中空的活塞杆7引出。当励磁线圈1有电流通过时，在具有一定导磁能力的活塞8和缸体9之间的间隙中将产生磁场，从而引起处于间隙4中的磁流变液的相态改变以改变阻尼器的阻尼。其不足之处是：阻尼器通电流时阻尼增大，导致阻尼器工作在大阻尼状态时对能源依赖性增加。对于大多数的工程应用情况，较大阻尼状态对减振控制是比较有利的，维持一定的阻尼力是磁流变阻尼器发挥其控制能力的重要前提。磁流变阻尼器在大阻尼状态需要10～100W左右的电能供应，虽然这种能源需求在大多数情况下是可以满足的，但是如果磁流变阻尼器在日常应用中作为类似被动摩擦阻尼器为受控对象提供一定的刚度和阻尼时，其能源消耗和维护则成为一个推广应用的限制性因素。另外磁流变阻尼器长期处于零磁场状态时磁流变液也易引起凝聚和沉降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有磁流变阻尼器在日常应用中需要持续的电流供应，在控制律失效时控制效果恶化等缺点，通过在磁流变阻尼器中设置永磁体以建立永磁磁场来保证阻尼器在电源切断时能够工作在大阻尼状态，并且通过励磁线圈调节磁路气隙中磁场的大小，保证阻尼的可调节性。通过合理的设置线圈和永磁体，可以提高磁流变阻尼器的工程实用性和工作可靠性。
为解决上述技术问题，本发明对磁流变阻尼器磁路部分进行了改造，基本构思是：在磁路部分同时设置励磁线圈和永磁体，由励磁磁场与永磁磁场组成复合磁路，在线圈不通过电流时，阻尼间隙处的磁场由永磁体产生，当线圈通电时，线圈用以产生与永磁场反向磁场，磁力线由线圈和永磁体形成闭合，从而导致阻尼间隙处磁通减小。永磁体和励磁线圈的布置遵循图2的原则，由工作气隙4构成阻尼通道，永磁体2通过导磁材料3与工作气隙4形成磁回路。励磁线圈1与永磁体2平行并联布置并设置辅助气隙5。当线圈通电时，永磁体2与励磁线圈1通过辅助气隙5形成磁回路。磁流变阻尼器的磁路部分与阻尼器的活塞杆、缸盖等部件用隔磁材料予以磁绝缘连接。
本发明的技术方案如图3～图13所示，所述的逆变型磁流变阻尼器，包括有缸体、缸体内设置的活塞，与其连接的活塞杆，缸体两端依次设置的密封导向装置及缸盖，缸体内腔充有作为阻尼介质的磁流变液，缸体内设置有可产生磁场的导磁体和励磁线圈及工作气隙组成的电磁磁路部件；其中缸体由主缸，或主缸和副缸，或主缸和旁通缸组成，其特征在于：在电磁磁路部件的磁路部分同时设置励磁线圈和永磁体，由励磁磁场与永磁磁场组成复合磁路，并且电磁磁路中还设置有辅助气隙5，以保证在电源切断时，永磁体2产生的永磁磁场由工作气隙4通过，而使得阻尼器能够工作在大阻尼状态。由于励磁线圈1与永磁体2平行并联布置，当线圈不通电流时永磁体2产生的磁通由气隙4形成回路，当线圈通电流时励磁线圈1产生的励磁磁场与永磁磁场通过辅助气隙5形成回路，辅助气隙5为隔磁材料制成的隔磁环。导磁体3的受力部分设有保护作用的耐磨金属护套14。
所述的逆变型磁流变阻尼器，其特征在于：当选用的逆变型磁流变阻尼器的活塞8为中部挖槽的活塞时，所述的电磁磁路部件可设置在活塞8的挖槽内，活塞与缸体之间的间隙为形成阻尼通道的工作气隙4，活塞8由不导磁的中心连杆15连接为整体，励磁线圈1绕制在筒状的导磁体铁芯3a上，导磁体铁芯3a中段断开设置有隔磁材料制成的隔磁环以形成辅助气隙5，导磁体铁芯3a套在中心连杆15上并与励磁线圈1端部的导磁体3紧贴，在励磁线圈1的外圈与励磁线圈1端部的导磁体3之间设置有筒状的隔磁护套17，永磁体2均匀嵌装于隔磁护套17的内部。
所述的逆变型磁流变阻尼器中的电磁磁路部件可设置在缸体内一端密封装置内侧，当选用的阻尼器上设有内缸20和外缸间通过通液孔21与内缸内部连通时，电磁磁路部件的外侧为圆盘状的导磁体3，中心部分为导磁体铁芯3a，励磁线圈1绕制于导磁体铁芯3a上，导磁体铁芯3a伸出部分与励磁线圈1外的导磁体3伸出部分围成工作气隙4，处于励磁线圈1内部的导磁体铁芯3a靠近密封装置的一端设置有辅助气隙5，另一端在导磁体3和导磁体铁芯3a之间设置有保护线圈不受磨损的盘形隔磁护套17，永磁体2嵌于隔磁护套17内，永磁体2的一个磁极与线圈内部的导磁体铁芯3a紧密连接，另一磁极与线圈外部的导磁体3紧密连接。
所述的逆变型磁流变阻尼器，其特征在于：当选用的阻尼器上设有通过通液孔21与其内部相连的旁通缸22时，所述的电磁磁路部件可位于旁通缸22内，旁通缸22的中心为导磁材料构成的导磁芯轴3b，导磁芯轴3b与包裹励磁线圈1的L型的柱状导磁体之间的间隙为磁场作用的工作气隙4，工作气隙4与励磁线圈1之间设有隔磁护套17，永磁体2均匀嵌装于筒形隔磁护套17内，励磁线圈1外的中部为隔磁体构成的环形辅助气隙5。
所述的逆变型磁流变阻尼器中的电磁磁路部件可位于缸体内两侧密封装置之间，缸体内壁设置有隔磁护套17，永磁体2均匀嵌装于筒形隔磁护套17内，励磁线圈1绕制于隔磁护套17的外部，励磁线圈1的外部及端部为高磁导率的导磁体3，导磁体3与活塞8之间形成的间隙为工作气隙4，在励磁线圈1外侧的中部位置设置为环形隔磁材料构成的辅助气隙5。
本发明提出的逆变型磁流变阻尼器由于采取了包含线圈和永磁体的复合磁路，使得磁流变阻尼器具有了大电流小阻尼，小电流大阻尼的独特逆变性能，在能源不足、控制***瘫痪时仍能有效地工作，因而比常规磁流变阻尼器更具工作可靠性和实用价值。
附图说明：
图1现有技术磁流变阻尼器的等效磁路原理图；
图2是本发明提出的逆变型磁流变阻尼器磁路原理图；
图3是本发明一种形式的逆变型磁流变阻尼器剖视图；
图4是图3中磁路部分的局部放大图；
图5是图4的A-A截面剖视图；
图6本发明提出的另一种形式的逆变型磁流变阻尼器剖视图；
图7是图6中磁路部分的局部放大图；
图8是图7的A-A截面剖视图；
图9本发明提出的另一种形式的逆变型磁流变阻尼器剖视图；
图10是图9中磁路部分的局部放大图；
图11是图10的A-A截面剖视图；
图12本发明提出的另一种形式的逆变型磁流变阻尼器剖视图；
图13是图12的A-A截面剖视图；
图14现有技术磁流变阻尼器的结构剖视图。
图中：
1-励磁线圈 11-密封导向装置
2-永磁体 12-连接耳环
3-导磁体 13-磁流变液
3a-导磁铁芯 14-耐磨活塞套
3b-导磁芯轴 15-中心连杆
4-工作气隙 16-副缸
5-辅助气隙 17-隔磁护套
6-磁力线 18-旁通管
7-活塞杆 19-体积补偿腔
8-活塞 20-内缸
9-缸体 21-通液孔
10-缸盖 22-旁通缸
23-端盖与密封
具体实施方式
本发明提出的逆变型磁流变阻尼器除电磁磁路部分外其它结构与现有技术设计的磁流变阻尼器相同。所述的电磁磁路部分如图2所示，电磁磁路中设置有辅助气隙5及永磁体2，合理设置辅助气隙5的大小，可以保证当励磁线圈1没有电流通过时，由永磁体2产生的磁通基本不通过辅助气隙5，而主要由构成阻尼通道的工作气隙4形成回路；当励磁线圈1通过一定方向的电流时，励磁线圈1产生的励磁磁场与永磁磁场通过辅助气隙5形成回路，从而导致永磁体产生的磁场基本不通过构成阻尼通道的工作气隙4，或者在理论上也可以认为励磁磁场在工作气隙4产生了与永磁磁通大小相等，方向相反的磁通，从而使得工作气隙4等效合成磁场为零。这种磁路设计，避免了励磁磁场对永磁体的消磁效应，并且可以有效的实现工作气隙4的磁场逆变。所述的永磁体可采用具有高剩磁和高磁能积的烧结钕铁硼(Nd2Fe14B1)、硬磁铁氧体或钻稀土永磁体等；导磁材料可采用电工软铁、硅钢、铁镍合金或磁性能良好的低碳钢；隔磁材料可采用青铜合金或无磁高强铝合金。
现有技术的磁流变阻尼器按工作模式不同可分为磁流变阻尼器可以分为流动型(两极板固定，流体流动；阀式)、剪切型(极板有切向相对运动；离合器式)、挤压型(极板有相向相对运动；压缩式)。针对不同的工作模式，本发明所提出的四种具体实施方案如图3～图13所示。
如图3所示为本发明提出的一种剪切式逆变型磁流变阻尼器的结构图。阻尼器除电磁磁路部件外与现有技术的磁流变阻尼器无异。在缸体9一端的缸盖10与密封导向装置11之间设置有副缸16，活塞8两端的活塞杆7的一端通过密封导向装置11伸入副缸16内，另一端通过密封装置穿出缸盖。电磁磁路部件位于中部挖槽的活塞8内，如图4、图5所示，磁流变阻尼器的阻尼通道为活塞与缸体之间的间隙，也就是基本磁路中的工作间隙4。当活塞与缸体发生相对运动时，处于活塞和缸体间的磁流变液会产生剪切性流动。活塞中部为联系活塞各部件以及活塞杆的中心连杆15，中心连杆15采用具有足够强度的隔磁材料加工而成；中间挖空的高导磁铁芯3a套于中心连杆15外部，并于活塞中部设有辅助气隙5，辅助气隙为隔磁材料制成的隔磁环；在导磁铁芯3a中部的环形槽内绕制有励磁线圈1，线圈1外圈为嵌装有棒状永磁体2的隔磁材料加工的筒形护套17，棒形的永磁体2均匀嵌装于隔磁护套17中部。在活塞8的两端为具有一定强度的耐磨活塞套筒14，用于保护强度较低的导磁材料不受磁流变液的磨蚀。励磁线圈引线的引出方式与现有技术的磁流变阻尼器相同。
如图6所示为本发明提出的逆变型磁流变阻尼器的另一种流动式实现方式。阻尼器除电磁磁路部件外与现有技术的磁流变阻尼器无异。阻尼器缸体由内缸20和外缸9两部分组成，外缸9上设置有体积补偿腔19，阻尼器一端通过设置于内缸上的通液孔21使得内缸20和外缸9之间的间隙与内缸内部导通。另一端经由工作气隙4使内缸20和外缸9之间的间隙与内缸内部导通。电磁磁路部件位于缸体内一端密封装置内侧，如图7、图8所示，其外侧为圆盘状的导磁体3，中心部分为导磁体铁芯3a，励磁线圈1绕制于导磁体铁芯3a上，导磁体铁芯3a伸出部分与励磁线圈1外的导磁体3伸出部分围成工作气隙4，当活塞与缸体发生相对运动时，会压迫磁流变液使之经由内缸20和外缸9之间的间隙而流过设置于阻尼器一端的工作气隙4产生阻尼力。处于线圈内部的导磁铁芯的一端设有隔磁材料构成的辅助气隙5，一端设置有放射状的永磁体2，永磁体2嵌于隔磁护套17内以避免受力磨损。永磁体2的一个磁极与线圈内部的导磁体铁芯3a紧密连接，另一磁极与线圈外部的导磁体3紧密连接。导磁体3与内缸和外缸连接部位为工作气隙4和通液孔21，合理设置工作气隙4的间隙大小和辅助气隙5的大小，可以保证线圈不通电流时永磁体2激发的磁场大部分由工作气隙4通过。
如图9所示为本发明提出的另一种流动式逆变型阻尼器的实现方式。阻尼器除电磁磁路部件外与现有技术的磁流变阻尼器无异。在缸体9一端的缸盖10与密封导向装置11之间设置有副缸16，活塞8两端的活塞杆7的一端通过密封导向装置11伸入副缸16内，另一端通过密封装置穿出缸盖。阻尼器缸体9内部通过通液孔21与旁通缸22相连，阻尼器中的电磁磁路部件设置于旁通缸22内，如图10、图11所示。旁通缸22的中部为导磁材料构成的导磁芯轴3b，芯轴与包裹励磁线圈1的L型的柱状导磁体3之间的间隙为磁场作用的工作气隙4。当阻尼器的活塞8在缸体内运动时，会挤压缸中的磁流变液，使其从通液孔21流经工作气隙4。工作气隙4内磁场发生变化时将引起位于其内的磁流变液发生相态改变而改变阻尼器的阻尼。工作气隙4与励磁线圈1之间设有隔磁护套17，棒形的永磁体2均匀嵌装于筒形隔磁护套17内，励磁线圈1外的中部为隔磁体构成的环形辅助气隙5。
如图12所示为本发明提出的一种挤压式逆变型阻尼器的实现方式。阻尼器除电磁磁路部件外与现有技术的磁流变阻尼器无异。缸体两端为端盖与密封装置23，具有一定强度的导磁材料制作的活塞8位于缸体中部，两端连接穿过缸盖伸出缸体的活塞杆7，电磁磁路部件位于密封装置之间的缸体内腔内，如图13所示，工作气隙4为导磁材料3与活塞8之间形成的间隙，当阻尼器活塞8发生小幅度运动时会挤压处于工作气隙4中的磁流变液，使之发生扩散性挤压流动而引起阻尼出力。缸体的内壁为均匀嵌有棒形永磁体2的隔磁护套17，励磁线圈1绕制于隔磁护套17外部，励磁线圈的外部及端部为高磁导率的导磁材料3，并且在线圈的中部位置设置环形隔磁材料构成的辅助气隙5。
前述的各逆变型磁流变阻尼器的其它通用配件采用公知技术确定，阻尼器的缸体内径、活塞杆直径、导磁区长度、导磁间隙大小、阻尼器行程、线圈匝数、永磁体用量、磁流变液的粘度、磁流变液饱和强度、缸体壁厚等按照公知的液压***设计方法和磁路设计方法计算确定。
这种逆变型磁流变阻尼器可以与普通磁流变阻尼器一样通过连接装置安装在建筑结构产生相对位移的位置或作为汽车减振器、离合器用于悬架减振和速度控制。例如将其安装于框剪结构的层间或建筑结构梁柱节点处时，其工作机理为：当未发生地震时，阻尼器类似于摩擦耗能器协同建筑结构受力，当地震发生时，有传感器采集结构的振动信息和地面的运动信息，并由控制器依据一定的半主动控制算法计算得到磁流变阻尼器所需施加的电流值，并由功率放大装置对阻尼器施加控制指令。当阻尼器的活塞与缸体间有相对位移趋势时，阻尼器即可产生反力以作用于结构，由于阻尼器对运动的阻滞作用减小建筑物的振动，从而实现建筑结构减振控制的目的。
本发明提出的磁流变阻尼器磁路设计亦可有许多变型，都属于本发明所提出的技术方案。
Claims (5)
1、一种逆变型磁流变阻尼器，包括有缸体、缸体内设置的活塞，与其连接的活塞杆，缸体两端依次设置的密封导向装置及缸盖，缸体内腔充有作为阻尼介质的磁流变液，用于形成磁路的导磁体和可产生磁场的励磁线圈及工作气隙组成的电磁磁路部件；其中缸体由主缸，或主缸和副缸，或主缸和旁通缸组成，其特征在于：在电磁磁路部件的磁路部分同时设置励磁线圈(1)和永磁体(2)，由励磁磁场与永磁磁场组成复合磁路，并且电磁磁路中还设置有辅助气隙(5)，而使得阻尼器能够工作在大阻尼状态。当线圈不通电时永磁体(2)产生的磁通由工作气隙(4)形成回路，当线圈通电时励磁线圈(1)产生的励磁磁场与永磁磁场通过辅助气隙(5)形成回路；工作气隙(4)为磁流变液流经的阻尼通道。
2、根据权利要求1所述的逆变型磁流变阻尼器，其特征在于：当选用的逆变型磁流变阻尼器的活塞(8)为中部挖槽的活塞时，所述的电磁磁路部件可设置在活塞(8)的挖槽内，活塞与缸体之间的间隙为形成阻尼通道的工作气隙(4)，活塞(8)由不导磁的中心连杆(15)连接为整体，励磁线圈(1)绕制在筒状的导磁体铁芯(3a)上，导磁体铁芯(3a)中段设置辅助气隙(5)，导磁体铁芯(3a)套在中心连杆(15)上并与励磁线圈(1)端部的导磁体(3)紧贴，在励磁线圈(1)的外圈与励磁线圈(1)端部的导磁体(3)之间设置有筒状的隔磁护套(17)，永磁体(2)均匀嵌装于隔磁护套(17)的内部。
3、根据权利要求1所述的逆变型磁流变阻尼器，其特征在于：当选用的阻尼器上设有内缸(20)和外缸，所述的外缸通过通液孔(21)与内缸内部连通时，电磁磁路部件可设置在缸体内腔端部的密封装置内侧，其外侧为圆盘状的导磁体(3)，中心部分为导磁体铁芯(3a)，励磁线圈(1)绕制于导磁体铁芯(3a)上，导磁体铁芯(3a)伸出部分与励磁线圈(1)外的导磁体(3)伸出部分围成工作气隙(4)，处于励磁线圈(1)内部的导磁体铁芯(3a)靠近密封装置的一端设置有辅助气隙(5)，另一端在导磁体(3)和导磁体铁芯(3a)之间设置有保护线圈不受磨损的盘形隔磁护套(17)，永磁体(2)嵌于隔磁护套(17)内，永磁体(2)的一个磁极与线圈内部的导磁体铁芯(3a)紧密连接，另一磁极与线圈外部的导磁体(3)紧密连接。
4、根据权利要求1所述的逆变型磁流变阻尼器，其特征在于：当选用的阻尼器上设有通过通液孔(21)与其内部相连的旁通缸(22)时，所述的电磁磁路部件可位于旁通缸(22)内，旁通缸(22)的中心为导磁材料构成的导磁芯轴(3b)，导磁芯轴(3b)与包裹励磁线圈(1)的L型的柱状导磁体之间的间隙为磁场作用的工作气隙(4)，工作气隙(4)与励磁线圈(1)之间设有隔磁护套(17)，永磁体(2)均匀嵌装于筒形隔磁护套(17)内，励磁线圈(1)外的中部设置有环形辅助气隙(5)。
5、根据权利要求1所述的逆变型磁流变阻尼器，其特征在于：所述的电磁磁路部件可位于缸体内部两侧密封装置之间，缸体内壁设置有隔磁护套(17)，永磁体(2)均匀嵌装于筒形隔磁护套(17)内，励磁线圈(1)绕制于隔磁护套(17)的外部，励磁线圈(1)的外部及端部为高磁导率的导磁体(3)，导磁体(3)与活塞(8)之间形成的间隙为工作气隙(4)，在励磁线圈(1)外侧的中部位置设置有辅助气隙(5)。
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