CN102287474A - 自供电自感应磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种自供能自感应磁流变阻尼器，包括连接杆、上端盖、定子、第一导向套、磁极、永磁体、电磁线圈、活塞杆、连接端盖、第二导向套、密封件、缸体、绕有线圈的活塞、底端盖、电荷信号线、底端耳环、压电电极、压电片、橡胶片、气囊、导线和电能信号控制模块。本发明可以根据外界振动力的大小实时地调整输出阻尼力的大小，从而实现对外界振动的智能闭环控制。基于该自供能自感应磁流变阻尼器构建的结构振动控制***，由于不需要额外的电源输入设备和外部振动力测试设备，将变得非常简洁，也大大地降低了应用成本，特别适用于空间有限和供电不便的应用场所，如：大型建筑和桥梁等。

Description

自供电自感应磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及一种半主动磁流变振动控制技术，具体说就是一种自供电自感应磁流变阻尼器。

背景技术

磁流变阻尼器是一种以智能材料磁流变液为工作介质的半主动控制阻尼器，通过对输入电流的控制，使其加载在磁流变液上的电磁场强度发生改变，进而可以在几十毫秒时间范围内是磁流变液的流变性能发生变化，实现流体和半固体之间的转变，从而能够提供可控阻尼力。相比于常规的液压阻尼器，磁流变阻尼器具有体积小、结构简单、阻尼力大、动态范围广、功耗低等优点，既具有被动控制的可靠性，又具有主动控制的传输可调性，正逐渐应用于汽车工程、建筑工程、航空航天等领域的振动控制，并取得了良好的控制效果。目前关于磁流变阻尼器的理论研究已经发展的比较成熟，针对不同的应用领域，其理论模型、结构设计已经控制技术等都已经有了非常丰富的设计经验。然而与其理论技术的蓬勃发展相比，磁流变减振技术离大规模的工程应用还有很大的距离，常规液压减振器仍然是目前抗振防震的主要选择。这是由很多原因造成的，其中磁流变阻尼器的应用成本和可靠性是制约其广泛应用的两个主要原因。利用磁流变阻尼器构建智能振动控制***的时候，需要配备电源设备给磁流变阻尼器供电以产生控制磁流变液的电磁场，同时还需要另外配备力传感器设备来测量外界振动力，以便根据外界振动力的变化来调整输入到活塞线圈上的电流大小，实现对外界振动的智能控制。而在实际工程应用过程中，外部电源设备和力传感器设备不但使整个振动控制***变的复杂化，降低磁流变智能振动***的可靠性，而且会大大地增加应用成本，这些都将阻碍磁流变振动能技术的大规模工程应用。

发明内容

本发明的目的针对普通磁流变振动控制***需要外部电源设备以及阻尼力检测设备的不足，提出一种不需要外部电源输入，同时可以自感知外界振动力的自供电自感应磁流变阻尼器，其包括磁流变部分、永磁直线发电部分、压电阻尼力感应部分和电能信号控制模块。在外界振动作用下，自供能自感应磁流变阻尼器能够利用永磁直线发电部分收集电能，同时压电阻尼力感应部分在外界振动力作用下将产生电荷，并且产生的电荷量与外界振动力的大小成正比；通过电能信号控制模块对永磁直线发电部分收集的电能进行存储控制，并对压电阻尼力感应部分产生的电荷进行分析处理，预测外界振动力的大小，然后根据外界振动力的大小来调整输入到磁流变阻尼器活塞线圈上的电流大小，从而实现对外界振动的闭环智能控制，实现磁流变阻尼器的自供能自感应功能。

一种自供电自感应磁流变阻尼器，包括连接杆、上端盖、定子、第一导向套、磁极、永磁体、电磁线圈、活塞杆、连接端盖、第二导向套、密封件、缸体、绕有线圈的活塞、底端盖、电荷信号线、底端耳环、压电电极、压电片、橡胶片、气囊、导线和电能信号控制模块。缸体与连接端盖以及气囊之间充满磁流变液，气囊用以补偿活塞杆进出缸体所造成的缸体内空间体积的变化；活塞安装在缸体内，活塞杆一端与活塞固定，活塞杆的另一端通过连接端盖伸出缸体外；永磁体和磁极套装在活塞杆伸出缸体的一端，并通过外连接杆固定起来，可以随着外连接杆和活塞杆一起运动；定子通过连接端盖固定在缸体上，电磁线圈绕制在定子内部凹槽内；两块压电电极分别覆盖在压电片的上下两个表面，橡胶片覆盖在上下两块压电电极上，底端耳环将压电片、压电电极和橡胶片固定连接在底部端盖上；电荷信号线将压电电极和电能信号控制模块的第一输入端连接，导线将绕制在定子内的电磁线圈和电能信号控制模块的第二输入端连接，同时电能信号控制模块的输出端通过导线和磁流变阻尼器的活塞上的线圈连接。

本发明自供能自感应磁流变阻尼器工作时，外部连接杆推动活塞杆上下往复运动，也就带动永磁体在定子内部做上下往复运动。永磁体在定子内部的运动会引起绕制在定子凹槽内的电磁线圈内的磁通量发生变化，从而产生感应电动势。同时，在活塞杆在缸体内运动时，作用在活塞杆上的力将通过缸体施加到压电片上，压电片受力产生电荷。由压电材料的正压电效应可知，压电材料在压力作用下产生的电荷量与压力大小成正比。将压电片产生的电荷和电磁线圈切割磁感应线产生的感应电动势输入到电能信号控制模块上，电能信号控制模块将对电磁线圈产生的感应电动势进行存储控制处理，然后施加到磁流变阻尼器的活塞线圈上面，并且施加到活塞线圈里面的电流大小受压电片产生的电荷值控制。所以，当外界振动力大的时候，压电片产生的电荷量就大，因此施加到磁流变阻尼器上的电流就大，阻尼器提供的阻尼力就大，从而实现对外界振动的智能控制，同时无需外接电能输入。

本发明技术方案实现的有益效果：

本发明自供能自感应磁流变阻尼器不需要外部电能输入，同时可以根据外界振动力的大小实时地调整输出阻尼力的大小，从而实现对外界振动的智能闭环控制。基于该自供能自感应磁流变阻尼器构建的结构振动控制***，由于不需要额外的电源输入设备和外部振动力测试设备，将变得非常简洁，也大大地降低了应用成本，特别适用于空间有限和供电不便的应用场所，如：大型建筑和桥梁等。

附图说明

图1为本发明自供能自感应磁流变阻尼器的结构示意图；

图2为本发明自供能自感应磁流变阻尼器发电部分的结构原理图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明自供能自感应磁流变阻尼器，包括外部连接杆1、上端盖2、定子3、第一导向套4、磁极5、永磁体6、电磁线圈7、活塞杆8、连接端盖9、第二导向套10、密封件11、缸体12、绕有线圈的活塞13、底端盖14、电荷信号线15、底端耳环16、压电电极17、压电片18、橡胶片19、气囊20、导线21和电能信号控制模块22。其中，定子3和磁极5由高磁导率的电磁纯铁DT4E制成。活塞杆8和外部连接杆1由不导磁材料制成。上端盖2和连接端盖9由不导磁材料制成。绕有线圈的活塞13和缸体14由20号低碳钢制成。第一导向套4和第二导向套10由耐磨且不导磁材料锡青铜ZQSn6-6-3制成。压电片18的电极化方向沿着其轴向方向，并且受到轴向方向的压力作用。

在缸体12与连接端盖9以及气囊20之间充满磁流变液，密封件11将磁流变液密封在缸体内，气囊20用以补偿活塞杆8进出缸体12所造成的缸体12内空间体积的变化；活塞13安装在缸体12内，活塞杆8一端与活塞13固定，活塞杆8的另一端通过连接端盖9伸出缸体12外；导向套10用来把持活塞杆8，从而保证活塞13和缸体12之间有一个固定的流体间隙；永磁体6和磁极5套装在活塞杆8伸出缸体12的一端，并通过外连接杆1固定起来，可以随着外连接杆1和活塞杆8一起运动；定子3通过连接端盖9固定在缸体12上，电磁线圈7绕制在定子3内部凹槽内，并保证绕线完成之后定子3内表面和永磁体6的外表面有一个固定的环形气隙；两片压电电极17分别覆盖在压电片18的上下两个表面，橡胶片19覆盖在上下两块压电电极17上，底端耳环16将压电片18、压电电极17和橡胶片19一起固定连接在磁流变阻尼器的底部端盖14上；电荷信号线15将压电电极17和电能信号控制模块22的第一输入端(in1)连接起来，导线21将绕制在定子3内的电磁线圈7和电能信号控制模块22的第二输入端(in2)连接，电能信号控制模块22的输出端通过导线21和磁流变阻尼器的活塞线圈连接在一起。该自供能自感应磁流变阻尼器工作时，外部连接杆1推动活塞杆8上下往复运动，由于永磁体6固定在活塞杆8和外部连接杆1之间，所以也就带动永磁体6在定子3内部做上下往复运动。由电磁感应定律可知，永磁体6在定子3内部的运动会引起绕制在定子3凹槽内的电磁线圈7内的磁通量发生变化，从而产生感应电动势。同时，活塞杆8推动活塞13在缸体12内运动时，作用在活塞杆8上的力将通过缸体12施加到压电片18上，压电片18受力产生电荷。由压电材料的正压电效应可知，压电材料在压力作用下产生的电荷量与压力大小成正比，因此当外部振动力大的时候压电片18产生的电荷量就大。将压电片18产生的电荷和电磁线圈7切割磁感应线产生的感应电动势输入到电能信号控制模块22上，电能信号控制模块22将对电磁线圈7产生的感应电动势进行存储控制处理，然后施加到磁流变阻尼器的活塞线圈上面，并且施加到活塞线圈里面的电流大小受压电片18产生的电荷值控制。所以，当外界振动力大的时候，压电片产生的电荷量就大，因此施加到磁流变阻尼器上的电流就大，阻尼器提供的阻尼力就大，从而实现对外界振动的智能控制，同时无需外接电能输入。

同时本发明采取了一系列措施来提高永磁发电部分的发电率，保证电磁线圈7收集的电能足够驱动磁流变阻尼器的活塞线圈产生电磁场，参见图2所示。图2为本发明自供能自感应磁流变阻尼器发电部分的结构示意图，永磁体6产生的磁力线穿过空气气隙进入定子3内部的T形齿23，并且经由定子3的外截面、T形齿23和空气气隙回到永磁体6的另一极，形成永磁体磁力线回路24。当永磁体6随着活塞杆8在定子内腔上下往复运动时，磁力线回路24也将上下运动，从而导致电磁线圈7切割磁感应线产生感应电动势。为了增大发电效率，使得产生的感应电动势足够驱动活塞线圈产生控制磁场，该发电部分的定子3内部表面采用T形齿23结构，可以有效地增大磁力线与定子3的接触面积，从而可以使更多的磁力线穿过空气气隙形成闭环回路，提高永磁体6的磁场利用率，增大感应电动势的值；其次相邻两个永磁体6的磁极化方向25相反，同时相邻永磁体6之间有一个高磁导率的磁极5，因此在永磁体6同极结合部，两组磁力线因同极相斥而被密集压缩并且正交垂直地穿过空气气隙，这样就减小了磁力线实际穿过的空气隙厚度，从而可以增强发电磁场强度，提高感应电动势的值；同时连接永磁体6和磁极5的活塞杆8和外部连接杆1都由不导磁材料制成，这样就可以杜绝磁力线通过活塞杆8形成闭合回路，减小了磁力线的泄漏，从而也可以增加感应电动势的值，使得永磁直线发电部分产生的电能足够驱动磁流变阻尼器的线圈活塞产生电磁场。

Claims (7)

1.一种自供电自感应磁流变阻尼器，其特征是包括连接杆、上端盖、定子、第一导向套、磁极、永磁体、电磁线圈、活塞杆、连接端盖、第二导向套、密封件、缸体、绕有线圈的活塞、底端盖、电荷信号线、底端耳环、压电电极、压电片、橡胶片、气囊、导线和电能信号控制模块；其中，

与所述的连接端盖以及所述的气囊之间的所述的缸体内腔充满磁流变液，所述的气囊用以补偿与所述的活塞杆进出与所述的缸体所造成的所述的缸体内空间体积的变化；

所述的活塞安装在所述的缸体内，所述的活塞杆一端与所述的活塞固定，另一端通过所述的连接端盖伸出所述的缸体外；

所述的永磁体和所述的磁极套装在所述的活塞杆伸出缸体的一端，并通过所述的外连接杆固定起来；

所述的定子通过连接端盖固定在所述的缸体上，所述的电磁线圈绕制在定子内部凹槽内；

两块压电电极分别覆盖在压电片的上下两个表面，橡胶片覆盖在上下两块压电电极上；所述的底端耳环将所述的压电片、所述的压电电极和所述的橡胶片固定连接在底部端盖上；

所述的电荷信号线将压电电极和电能信号控制模块的第一输入端连接，导线将绕制在定子内的电磁线圈和电能信号控制模块的第二输入端连接，同时电能信号控制模块的输出端通过导线和磁流变阻尼器的活塞上的线圈连接。

2.根据权利要求1所述的自供电自感应磁流变阻尼器，其特征是在所述的定子和所述的磁极由高磁导率的电磁纯铁DT4E制成。

3.根据权利要求1所述的自供电自感应磁流变阻尼器，其特征是所述的活塞杆和所述的外部连接杆由不导磁材料制成。

4.根据权利要求1所述的自供电自感应磁流变阻尼器，其特征是所述的上端盖和所述的连接端盖由不导磁材料制成。

5.根据权利要求1所述的自供电自感应磁流变阻尼器，其特征是所述的绕有线圈的活塞和缸体由20号低碳钢制成。

6.根据权利要求1所述的自供电自感应磁流变阻尼器，其特征是所述的第一导向套和所述的第二导向套由锡青铜ZQSn6-6-3制成。

7.根据权利要求1所述的自供电自感应磁流变阻尼器，其特征是所述的压电片的电极化方向沿着其轴向方向，并且受到轴向方向的压力作用。

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