CN102032312B - 基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置，包括阻尼系统和能量转换储存系统，阻尼系统包括磁流变脂工作缸和用于调节磁流变脂工作缸两工作腔的压力差形成阻尼力的磁流变脂阻尼调节器；磁流变脂阻尼调节器由能量转换储存系统的电能储存电路提供电源；本发明采用磁流变脂为阻尼介质，在较长时间内具有很高的稳定性，能量转换储存系统将结构振动对磁流变脂工作缸两腔中所产生的交变脉冲压力波动转化为电能，实现新型高效振动能量收集与存储，为磁流变脂阻尼调节器提供所需电能，在不需外界能量输入的条件下，保证整个磁流变可控阻尼系统供能。

Description

基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置

技术领域

本发明涉及一种用于结构振动控制装置，特别涉及一种半主动控制系统中不需借助外供能源即能达到控制效果的阻尼调节装置。

背景技术

结构振动控制是通过在结构中安装各种控制装置，从而达到减小结构地震反应、保障结构安全的目的。主要包括被动控制、主动控制和半主动控制三类。

被动控制是在结构上安装被动阻尼器用于限制或者阻尼结构的振动，其特点是不需要输入外界能量，阻尼器的特性是不可控的，只能对设计条件下的振动激励起到良好的振动抑制。主动控制需要实时测量结构振动特征，采用主动控制算法运算和决策最优控制力，作动器在很大的外部能量输入下实现最优控制力，振动抑制效果良好，但易于出现控制发散；且由于需要很大的能量和多个作动器，导致主动控制在实际振动控制中难以实现。半主动控制的原理与结构主动控制的基本相同，其作动器需要少量的能源调节以便改变结构的力学参数，使结构振动能量得到抑制。因此，半主动控制比主动控制容易实施而且更经济，控制效果与主动控制相近，且不会出现控制发散问题，振动抑制效果良好，具有较大的研究和开发价值。

随着社会发展和建筑技术的进步，建造大跨度桥梁等超大型结构已经成为可能，被动控制方法不能有效解决其结构振动问题，主动控制方法的能耗大与发散问题使其在大型结构振动控制中的应用受到限制。基于磁流变可控阻尼器的半主动控制方法应用于大型结构振动控制具有明显的优势，该装置主要包括磁流变液工作缸和磁流变液阻尼调节器，磁流变液工作缸以活塞为界形成两个工作腔，两个工作腔分别与磁流变液阻尼调节器相连，磁流变液阻尼调节器通过少量电能控制实现阻尼效果。实践证明，大桥的拉索采用磁流变可控阻尼技术进行半主动振动控制后，在风致振动条件下其振动加速度仅为相邻拉索的1/20～1/30，充分证明了磁流变可控阻尼技术对抑制结构振动的有效性。但是，磁流变液在使用过程中，可磁化微粒会在液体内发生沉降或板结，导致磁流变液阻尼器控制特性劣化甚至不可控。现有技术的磁流变可控阻尼技术中，由于需要少量的电能，且均采用外供电源的供电方式。较多地震、台风和海啸等自然灾害或者其它不可抗力常常导致供电故障，致使整个磁流变可控阻尼供能失效，从而起不到应有的控制振动的作用。

因此，需要一种用于控制结构振动的磁流变的阻尼调节装置，能够避免可磁化微粒沉降或者板结导致磁流变液阻尼器控制特性劣化问题，同时所用电能不需外供，因此不会因为地震、台风和海啸等自然灾害或者其它不可抗力导致供电故障，保证整个磁流变可控阻尼所需能量，从而起到应有的控制振动的作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的提供一种基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置，能够避免可磁化微粒沉降或者板结导致磁流变液阻尼器控制特性劣化问题，同时所用电能不需外供，因此不会因为地震、台风和海啸等自然灾害或者其它不可抗力导致供电故障，保证整个磁流变可控阻尼所需能量，从而起到应有的控制振动的作用。

本发明的基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置，包括阻尼系统和能量转换储存系统；所述阻尼系统包括磁流变脂工作缸和用于调节磁流变脂工作缸两工作腔的压力差形成阻尼力的磁流变脂阻尼调节器； 

所述能量转换储存系统包括：

脉冲液流马达，串接于磁流变脂工作液压缸和磁流变脂阻尼调节器之间的磁流变脂管路并通过管路中磁流变脂驱动；

永磁发电机，由脉冲液流马达驱动并产生电能；

电能储存电路，用于储存永磁发电机输出的电能；

所述磁流变脂阻尼调节器由电能储存电路提供电源。

所述磁流变脂阻尼调节器为多级径向流动模式阻尼调节器，包括沿径向由内到外依次套接的内芯、低导磁率内筒、励磁线圈和高导磁率外筒，所述高导磁率外筒两端分别设置带有过流孔的高导磁率端盖，两个高导磁率端盖的过流孔一一对应连通于磁流变脂工作缸的两工作腔；所述内芯包括沿轴向并列且相互交错设置的环形内芯和圆形内芯，所述环形内芯内圆、环形内芯与圆形内芯之间的轴向间隙和圆形内芯外圆与低导磁率内筒内圆之间的间隙形成折流结构的磁流变脂过流通道；

进一步，所述脉冲液流马达通过增速器驱动永磁发电机；

进一步，所述电能储存电路包括依次电连接的三相整流桥、滤波电路、稳压电路和蓄电装置，所述蓄电装置设置有电连接于励磁线圈输入端的输出端；

进一步，所述蓄电装置为蓄电池或超级电容器；

进一步，所述低导磁率内筒为低导磁率不锈钢，高导磁率外筒和高导磁率端盖由低碳钢制成。

本发明的有益效果：本发明的基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置，采用磁流变脂代替现有的磁流变液作为阻尼介质，由于磁流变脂特殊的骨架结构，在较长时间内具有很高的稳定性，不会发生悬浮相的沉降、板结而影响器件性能，有效地解决了磁流变液沉降或板结导致阻尼器可控特性劣化甚至失效这一问题。

同时，设有能量转换储存系统，将结构振动对磁流变脂工作缸两腔中所产生的交变脉冲压力波动转化为脉冲液流压力能，脉冲液流马达将脉动冲液流的压力能转换为机械能，再将机械能转换为电能，实现新型高效振动能量收集与存储，为磁流变脂阻尼调节器提供所需电能，通过振动能量对阻尼调节器的控制，实现整个装置的自供电甚至不需外界能量输入，保证整个磁流变可控阻尼供能，起到应有的控制振动的作用，并节约了能源。

本发明所应用的脉冲液流马达具有优化的结构参数，能够实现磁流变脂交变脉冲液流压力能到机械能的高能效转化；永磁发电机具有优化的磁学参数，能够实现机械能到电能的高转换效率，更能适用于利用结构振动的机械能转换。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为多级径向流动模式阻尼调节器结构示意图；

图3为电能储存电路电路图（蓄电池）；

图4为电能储存电路电路图（超级电容）。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为多级径向流动模式阻尼调节器结构示意图，图3为电能储存电路电路图（蓄电池），如图所示：本实施例的基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置，包括阻尼系统和能量转换储存系统；所述阻尼系统包括磁流变脂工作缸1和用于调节磁流变脂工作缸1两工作腔的压力差形成阻尼力的磁流变脂阻尼调节器2； 

所述能量转换储存系统7包括：

脉冲液流马达5，串接于磁流变脂工作液压缸1和磁流变脂阻尼调节器2之间的磁流变脂管路并通过管路中磁流变脂驱动；

永磁发电机3，由脉冲液流马达5驱动并产生电能；

电能储存电路6，用于储存永磁发电机3输出的电能；

所述磁流变脂阻尼调节器2由电能储存电路6提供电源。

使用时，磁流变脂工作缸1直接作用于需控制振动的结构，磁流变脂阻尼调节器2通过电能储存电路6提供电源完成对磁流变脂工作缸1的控制，实现阻尼效果。

当磁流变脂驱动磁流变脂工作缸1工作时，磁流变脂工作缸1的两工作腔之间产生数值达几十甚至上百个大气压的压力波动，压力波动驱使磁流变脂流向脉冲液流马达5，或经过磁流变脂阻尼调节器2流向脉动冲液流马达5，驱动脉动冲液流马达5转动。在脉动冲液流马达5的带动下，永磁发电机3开始发电，电能存储电路6将永磁发电机发出的电能进行储存；当磁流变脂阻尼调节器2需要产生磁场时，由电能储存电路6将电能提供给磁流变脂阻尼调节器。

本实施例中，所述磁流变脂阻尼调节器2为多级径向流动模式阻尼调节器，包括沿径向由内到外依次套接的内芯10、低导磁率内筒13、励磁线圈12和高导磁率外筒11，所述高导磁率外筒11两端分别设置带有过流孔的高导磁率端盖8，两个高导磁率端盖8的过流孔一一对应连通于磁流变脂工作缸1的两工作腔；所述内芯10包括沿轴向并列且相互交错设置的环形内芯和圆形内芯，所述环形内芯内圆、环形内芯与圆形内芯之间的轴向间隙和圆形内芯外圆与低导磁率内筒内圆之间的间隙形成折流结构的磁流变脂过流通道；采用本结构的多级径向流动模式阻尼调节器，通过内芯10的磁路14沿轴向分布，而磁流变脂基本上沿径向流动，磁路14与磁流变脂流动方向垂直，通过改变激励电流的大小可以改变磁场大小，从而改变磁流变脂所产生的阻尼力，实现阻尼力的调节；多级径向流动模式阻尼调节器经过理论分析和设计，具有优化的磁路结构以及优化的阻尼调节器结构，控制能效大，响应时间短；尤其是多级径向通道增加了磁流变脂工作间隙的有效长度，使多级径向流动模式阻尼调节器的磁场利用率得到有效提高，阻尼力调节范围得以提高，实现高控制能效比。

本实施中，所述脉冲液流马达5通过增速器4驱动永磁发电机3；采用增速器4结构，能够较好的满足永磁发电机发电对动力的需要，利于实现本发明。

本实施中，所述电能储存电路6包括依次电连接的三相整流桥15、滤波电路16、稳压电路17和蓄电装置，所述蓄电装置设置有电连接于励磁线圈12输入端的输出端；如图所示，三相整流桥15由六个二极管组成对永磁发电机3所产生的交流电进行整流，与之相连接的滤波电路16由一个电感和一个电容组成，对整流后的直流电进行滤波，稳压电路17中稳压芯片LM2576及其引脚2上所接的二极管，电感、电容组成Buck变换器，起到功率调节和稳压的作用，LM2576的引脚4与输出电压相接，将输出电压反馈到芯片内部，帮助芯片实现稳压功能。经过稳压后，电能存储于蓄电装置中；当多级径向流动模式阻尼调节器2需要磁场时，蓄电装置供给电能，使多级径向流动模式阻尼调节器2产生可控磁场，实现阻尼力调节，实现利用振动能量转换为电能并为阻尼调节器供电这一功能。

本实施中，所述蓄电装置为蓄电池18。

本实施中，所述低导磁率内筒13为低导磁率不锈钢，高导磁率外筒11和高导磁率端盖8由低碳钢制成，利于使磁力线全部从内芯通过而不经过低导磁率内筒，提高磁场利用率。

图4为电能储存电路电路图（超级电容）；如图所示，蓄电装置也可以采用超级电容器19；也能实现本发明的目的。

 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置，其特征在于：包括阻尼系统和能量转换储存系统；所述阻尼系统包括磁流变脂工作缸和用于调节磁流变脂工作缸两工作腔的压力差形成阻尼力的磁流变脂阻尼调节器；

所述能量转换储存系统包括：

脉冲液流马达，串接于磁流变脂工作缸和磁流变脂阻尼调节器之间的磁流变脂管路并通过管路中磁流变脂驱动；

永磁发电机，由脉冲液流马达驱动并产生电能；

电能储存电路，用于储存永磁发电机输出的电能；

所述磁流变脂阻尼调节器由电能储存电路提供电源；

所述磁流变脂阻尼调节器为多级径向流动模式阻尼调节器，包括沿径向由内到外依次套接的内芯、低导磁率内筒、励磁线圈和高导磁率外筒，所述高导磁率外筒两端分别设置带有过流孔的高导磁率端盖，两个高导磁率端盖的过流孔一一对应连通于磁流变脂工作缸的两工作腔；所述内芯包括沿轴向并列且相互交错设置的环形内芯和圆形内芯，所述环形内芯内圆、环形内芯与圆形内芯之间的轴向间隙和圆形内芯外圆与低导磁率内筒内圆之间的间隙形成折流结构的磁流变脂过流通道。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置，其特征在于：所述脉冲液流马达通过增速器驱动永磁发电机。

3.根据权利要求2所述的基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置，其特征在于：所述电能储存电路包括依次电连接的三相整流桥、滤波电路、稳压电路和蓄电装置，所述蓄电装置设置有电连接于励磁线圈输入端的输出端。

4.根据权利要求3所述的基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置，其特征在于：所述蓄电装置为蓄电池或超级电容器。

5.根据权利要求4所述的基于磁流变脂的自供电阻尼调节装置，其特征在于：所述低导磁率内筒为低导磁率不锈钢，高导磁率外筒和高导磁率端盖由低碳钢制成。

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