CN103148159B - 复合式作动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式作动器及其控制方法。复合式作动器包括磁流变阻尼器、电磁作动器，磁流变阻尼器包括非导磁外筒、导磁内筒，导磁内筒外壁上设有气囊，导磁内筒内设有包括活塞连杆、阻尼活塞、导向活塞的活塞组件，阻尼活塞上缠绕有电磁线圈，阻尼活塞和电磁线圈与导磁内筒内壁间形成环形阻尼缝隙，导磁内筒的内下端盖上安装有导流阀，导流阀一端口与下腔相通，另一端口与蓄能腔相通；电磁作动器包括初、次级组件，次级组件包括交替套设在非导磁外筒外壁上的永磁体、磁极，初级组件包括初级轭部，初级铁芯、初级绕组交替固设在初级轭部内壁上。本发明可输出与结构运动方向相同或相反的主动控制力，控制力输出范围大，能耗低。

Description

复合式作动器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于结构振动主动控制的复合式作动器及其控制方法，属于结构主动控制作动器领域。

背景技术

目前，结构振动控制技术已被广泛应用于桥梁、建筑、海洋平台、航天航空及机械等很多领域。根据控制原理的不同，结构振动控制技术可分为主动控制和半主动控制两个分支，其中的半主动控制能耗低，但其控制效果较差，而主动控制的效果好，但其能耗却大，是其实际应用的瓶颈。

已有的电磁作动器由于其具有安装空间小、重量轻、可控性好等优点，常被用于结构振动主动控制。在一定的控制策略下，电磁作动器输出控制力来抑制结构振动，其控制力的方向不受结构的相对位移或相对速度的限制，控制效果好，但是，无论预期的控制力方向与结构相对速度的方向相同还是相反，电磁作动器都需要提供与控制力大小相应的电流，因此，其能耗非常大。

已有的磁流变阻尼器是一种以智能材料——磁流变液作为工作介质，通过加载磁场改变磁流变液的粘度而实现阻尼力可调的减振器件，其突出的特点是响应快、阻尼力可控范围宽且大小连续可调，尤其是能耗低的优点使其倍受青睐，被广泛应用于各种结构振动控制场合，但是，磁流变阻尼器是一种半主动控制减振器件，只能实现对阻碍相对运动的阻尼力的调节，即只能提供与相对速度方向相反的控制力，因而，控制效果较用于主动控制的电磁作动器逊色许多。

由此可见，设计出一种控制效果好、能耗低的结构振动控制器是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于结构振动主动控制的复合式作动器及其控制方法，该复合式作动器结构紧凑，运行安全可靠，可输出与结构相对运动方向相同或相反的主动控制力，与已有的电磁作动器和磁流变阻尼器相比，其增大了主动控制力输出范围，降低了对结构振动主动控制的能耗，控制效果非常好。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于结构振动主动控制的复合式作动器，其特征在于：它包括磁流变阻尼器、电磁作动器，其中：

该磁流变阻尼器包括非导磁外筒、固设在该非导磁外筒内的导磁内筒，该非导磁外筒的上、下端口分别由外上端盖、外下端盖密封，该导磁内筒的上、下端口分别由内上端盖、内下端盖密封，该导磁内筒的外壁上黏贴有气囊，该气囊位于该导磁内筒的外壁与该非导磁外筒的内壁之间形成的环形空腔内，该气囊与该非导磁外筒的内壁之间形成有蓄能腔，该导磁内筒内设有活塞组件，该活塞组件包括活塞连杆，该活塞连杆的一端与阻尼活塞的一端连接，该活塞连杆的另一端从该内上端盖、该外上端盖上分别开设的通孔中穿出而露于该非导磁外筒外部，该阻尼活塞的另一端固定连接有导向活塞，该阻尼活塞上缠绕有电磁线圈，该阻尼活塞和该电磁线圈与该导磁内筒的内壁之间形成有环形阻尼缝隙，该电磁线圈与供电设备连接，该导向活塞与该导磁内筒的内壁滑动接触，该阻尼活塞和该导向活塞将该导磁内筒分为上腔、下腔两个腔室，该导向活塞上开设有通孔，该上腔与该下腔之间经由该环形阻尼缝隙、该导向活塞上开设的该通孔而连通，该内下端盖上开设的通孔中安装有导流阀，该导流阀的一端口与该下腔相通，该导流阀的另一端口位于该内下端盖与该外下端盖间的空隙内，该内下端盖与该外下端盖间的空隙与该蓄能腔之间设有相贯通的流动通道；

该电磁作动器包括初级组件、次级组件，该次级组件包括环状的永磁体、环状的磁极，从该非导磁外筒的一端至另一端，该永磁体、该磁极交替套设在该非导磁外筒的外壁上，该初级组件包括环状的初级铁芯、环状的初级绕组、呈筒状的初级轭部，该初级绕组与该供电设备连接，该初级铁芯、该初级绕组交替固设在该初级轭部的内壁上且与该次级组件之间形成有空隙，该初级轭部的下部安装有滑动导向轴承，该滑动导向轴承与该次级组件的表面滑动接触，该初级轭部的上部安装有外盖，露于该非导磁外筒外部的该活塞连杆的一端与该外盖固定连接。

一种所述复合式作动器的控制方法，其特征在于，它包括步骤：

当预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相同时，只由所述电磁作动器输出主动控制力；

当预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相反时，则：如果预期输出的主动控制力小于所述磁流变阻尼器的最大阻尼力，则仅由所述磁流变阻尼器输出主动控制力；如果预期输出的主动控制力大于所述磁流变阻尼器的最大阻尼力，则使所述磁流变阻尼器输出最大阻尼力，由所述电磁作动器输出差额力值。

本发明的优点是：

本发明复合式作动器将已有的电磁作动器与已有的磁流变阻尼器的特点相结合，当本发明复合式作动器预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相同时，由本发明复合式作动器中的电磁作动器输出主动控制力，当本发明复合式作动器预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相反时，由本发明复合式作动器中能耗较低的磁流变阻尼器输出主动控制力，若磁流变阻尼器无法输出全部的主动控制力时，再由电磁作动器补充，如此，与已有的电磁作动器和磁流变阻尼器相比，本发明复合式作动器实现了大幅降低能耗且可双向输出控制力的目的，控制效果好。

附图说明

图1是本发明复合式作动器进行压缩运动的示意图；

图2是本发明复合式作动器进行拉伸运动的示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明用于结构振动主动控制的复合式作动器包括磁流变阻尼器、电磁作动器，其中：

该磁流变阻尼器包括由非导磁材料（如不锈钢、铝合金）制成的非导磁外筒31、固设在该非导磁外筒31内的由高导磁材料（如碳钢）制成的导磁内筒35，该非导磁外筒31的上、下端口分别由外上端盖32、外下端盖13密封，该导磁内筒35的上、下端口分别由内上端盖、内下端盖33密封，在实际中，导磁内筒35的内上端盖可与非导磁外筒31共用一个端盖，如图1所示，导磁内筒35与非导磁外筒31共用了外上端盖32，该导磁内筒35经由外上端盖32、外下端盖13而固设在该非导磁外筒31内，该导磁内筒35的外壁上黏贴有气囊36（非导磁材料制成），该气囊36位于该导磁内筒35的外壁与该非导磁外筒31的内壁之间形成的环形空腔内，该气囊36与该非导磁外筒31的内壁之间形成有蓄能腔37，该导磁内筒35内设有活塞组件，该活塞组件包括活塞连杆41，该活塞连杆41的一端与阻尼活塞43的一端连接，该活塞连杆41的另一端从该内上端盖、该外上端盖32上分别开设的通孔中穿出（即从图1中的外上端盖32开设的通孔中穿出）而露于该非导磁外筒31外部，该阻尼活塞43的另一端固定连接有导向活塞45，该阻尼活塞43由高导磁材料（如碳钢）制成，该导向活塞45由非导磁材料制成，该阻尼活塞43上缠绕有电磁线圈44，该阻尼活塞43和该电磁线圈44与该导磁内筒35的内壁之间形成有环形阻尼缝隙，该电磁线圈44与供电设备（图中未示出）连接，该导向活塞45与该导磁内筒35的内壁滑动接触，阻尼活塞43在活塞连杆41的带动以及导向活塞45沿导磁内筒35的内壁滑动移动的引导作用下而在导磁内筒35内作轴向运动，该阻尼活塞43和该导向活塞45将该导磁内筒35分为上腔51、下腔52两个腔室，该导向活塞45上开设有通孔46，该上腔51与该下腔52之间经由该环形阻尼缝隙、该导向活塞45上开设的该通孔46而连通，该内下端盖33上开设的通孔中安装有导流阀34，该导流阀34的一端口与该下腔52相通，该导流阀34的另一端口位于该内下端盖33与该外下端盖13间的空隙内，该内下端盖33与该外下端盖13间的空隙与该蓄能腔37之间设有相贯通的流动通道；

该电磁作动器包括初级组件、次级组件，该次级组件包括环状的永磁体25、环状的磁极24，该永磁体25采用轴向充磁，该磁极24采用高导磁材料制成，如电工纯铁，从该非导磁外筒31的一端至另一端，该永磁体25、该磁极24交替套设在该非导磁外筒31的外壁上，相邻的两个永磁体25相对的端部的磁极相反，该初级组件包括环状的初级铁芯22、环状的初级绕组21、上下开口且呈筒状的初级轭部11，该初级轭部11采用高导磁材料（如碳钢）制成，该初级绕组21与该供电设备连接，该初级铁芯22、该初级绕组21交替固设在该初级轭部11的内壁上且与该次级组件之间形成有空隙，该初级轭部11的下部安装有滑动导向轴承23，该滑动导向轴承23与该次级组件的表面滑动接触，该滑动导向轴承23用于使磁流变阻尼器以及其上固定的次级组件在其引导作用下作轴向运动，该初级轭部11的上部安装有外盖12，露于该非导磁外筒31外部的该活塞连杆41的一端与该外盖12固定连接。

在实际设计中，活塞连杆41上开设有常通孔42，阻尼活塞43上开设有导线通孔（图中未示出），该导线通孔与该常通孔42相通，电磁线圈44通过铺设在该导线通孔、该常通孔42中的导线47而与外部的供电设备连接。需要提及的是，导线通孔在布线后要封装。

对于初级组件，初级绕组21通过支撑环27固定在初级轭部11的内壁上，该支撑环27为非导磁绝缘材料制成，如聚四氟乙烯，该支撑环27用于初级绕组21的缠绕，且使得各个初级铁芯22间的间隔相等。初级铁芯22为涂抹绝缘漆的硅钢片叠压而成。初级铁芯22与初级轭部11之间可为过盈配合连接，过盈量为0.03mm-0.05mm。

对于次级组件，该次级组件通过固定环26固定在非导磁外筒31的外壁上。该固定环26为非导磁绝缘材料制成，该固定环26与非导磁外筒31之间可采用螺纹连接或过盈配合，该固定环26用于压紧磁极24和永磁体25。

在实际设计中，该初级轭部11的底部与外下端盖13之间可设有可伸缩防尘罩14，用于防止灰尘污染初级组件、次级组件而影响性能。

如图，另外，外盖12、外下端盖13上可分别设有拉环15、16。

在本发明中，蓄能腔37用于补偿活塞连杆41进出导磁内筒35而造成的上、下腔51、52体积变化以及本发明中填充的磁流变液热胀冷缩引起的体积变化，并且，蓄能腔37可以隔离电磁线圈44与导磁内筒35产生的磁场与初、次级组件产生的磁场之间的相互干扰，另外，传统的双筒式磁流变阻尼器由于气体与液体没有完全隔离，气体容易混入液体中，从而降低了响应速度，而本发明中的蓄能腔37的引入则可避免这个问题，可有效缩短磁流变阻尼器的响应时间。

本发明还提出了一种上述复合式作动器的控制方法，包括步骤：

当预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相同时，只由本发明复合式作动器中的电磁作动器输出主动控制力；

当预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相反时，则：如果预期输出的主动控制力小于本发明复合式作动器中的磁流变阻尼器的最大阻尼力，则仅由本发明复合式作动器中的磁流变阻尼器输出主动控制力；如果预期输出的主动控制力大于本发明复合式作动器中的磁流变阻尼器的最大阻尼力，则使本发明复合式作动器中的磁流变阻尼器输出最大阻尼力，由本发明复合式作动器中的电磁作动器输出差额力值（即预期输出的主动控制力减去最大阻尼力所得力值），也就是说由磁流变阻尼器和电磁作动器共同输出主动控制力。

下面具体说明本发明复合式作动器的工作过程和原理：

使用时，令磁流变液充满上腔51和下腔52，将拉环15、16分别连接在相应结构上。

情况一：当预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相同时，只由本发明中的电磁作动器输出主动控制力，即向初级绕组21通三相电流，使初级组件与次级组件之间产生感应磁场，产生的感应磁场使得初级组件与固定有次级组件的磁流变阻尼器之间产生相对运动，达到输出主动控制力的目的。例如，预期输出的主动控制力和结构相对运动方向均为图1中所示的F方向时，则初级组件与次级组件之间应产生相应感应磁场，使初级组件与固定有次级组件的磁流变阻尼器之间作与F方向相同的压缩运动（活塞连杆41向导磁内筒35内推进，上腔51变大，下腔52变小）。又例如，预期输出的主动控制力和结构相对运动方向均为图2中所示的F方向时，则初级组件与次级组件之间应产生相应感应磁场，使初级组件与固定有次级组件的磁流变阻尼器之间作与F方向相同的拉伸运动（活塞连杆41向导磁内筒35外抽出，上腔51变小，下腔52变大）。而此时不向电磁线圈44通电（即磁流变阻尼器的电流设置为零），电磁线圈44与导磁内筒35之间不产生感应磁场，虽然初级组件与固定有次级组件的磁流变阻尼器之间在作压缩或拉伸运动过程中，磁流变液会在上、下腔51、52、蓄能腔37之间流动（流动方向如图中所示），但由于电磁线圈44与导磁内筒35之间不产生感应磁场，所以，磁流变阻尼器不会对流经环形阻尼缝隙时的磁流变液产生任何作用，这里需要提及的是，此时磁流变阻尼器会产生与电磁作动器输出的主动控制力相反的零场阻尼力，但是由于零场阻尼力的力值很小，因此可以忽略，总之，磁流变阻尼器对外表现为不输出主动控制力。

情况二：当预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相反时，如果预期输出的主动控制力小于磁流变阻尼器的最大阻尼力（输入最大电流时），则只需向磁流变阻尼器的电磁线圈44通入适当大小的电流，从而仅由磁流变阻尼器输出主动控制力，而此时不向初级绕组21通电，电磁作动器不输出主动控制力。具体为：

若预期输出的主动控制力为图1中所示的F方向（结构相对运动方向与F方向相反），则令电磁线圈44通入适当的电流，电磁线圈44与导磁内筒35之间产生相应感应磁场，环形阻尼缝隙中的磁流变液受磁场感应改变自身粘度（产生阻尼力），导致下腔52中的磁流变液（大量）经由通孔46、环形阻尼缝隙流入上腔51（如图中箭头所示），上腔51变大，下腔52变小，活塞连杆41向导磁内筒35内推进，初级组件与固定有次级组件的磁流变阻尼器之间作与F方向相同的压缩运动，磁流变阻尼器产生图1中所示F方向的主动控制力，而此时下腔52中的磁流变液（少量）经由导流阀34、流动通道向蓄能腔37流入（如图中箭头所示）。

若预期输出的主动控制力为图2中所示的F方向（结构相对运动方向与F方向相反），则令电磁线圈44通入适当的电流，电磁线圈44与导磁内筒35之间产生相应感应磁场，环形阻尼缝隙中的磁流变液受磁场感应改变自身粘度（产生阻尼力），导致上腔51中的磁流变液（大量）经由环形阻尼缝隙、通孔46流入下腔52（如图中箭头所示），下腔52变大，上腔51变小，活塞连杆41向导磁内筒35外抽出，初级组件与固定有次级组件的磁流变阻尼器之间作与F方向相同的拉伸运动，磁流变阻尼器产生图2中所示F方向的主动控制力，而此时蓄能腔37中的磁流变液（少量）经由流动通道、导流阀34向下腔52流入（如图中箭头所示）。

情况三：当预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相反时，如果预期输出的主动控制力大于磁流变阻尼器的最大阻尼力（输入最大电流时），则向磁流变阻尼器的电磁线圈44通入最大的电流，在磁流变阻尼器所能提供的最大阻尼力的基础上，再由电磁作动器产生差额力值，由磁流变阻尼器和电磁作动器共同输出主动控制力，这样既增大了主动控制力的输出范围，又大幅降低了能耗，与已有的磁流变阻尼器、电磁作动器相比，振动控制效果和节能效果均十分显著。具体来说，电磁线圈44通入最大电流，次级绕组21通入适当三相电流，电磁线圈44与导磁内筒35之间产生的相应感应磁场以及初级组件与次级组件之间产生的相应感应磁场共同使初级组件与固定有次级组件的磁流变阻尼器之间作与结构相对运动方向相反的压缩或拉伸运动，其具体原理和过程见上述情况一、二中的描述，不再在这里赘述。

本发明的优点是：

本发明复合式作动器将已有的电磁作动器与已有的磁流变阻尼器的特点相结合，当本发明复合式作动器预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相同时，由本发明复合式作动器中的电磁作动器输出主动控制力，当本发明复合式作动器预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相反时，由本发明复合式作动器中能耗较低的磁流变阻尼器输出主动控制力，若磁流变阻尼器无法输出全部的主动控制力时，再由电磁作动器补充，如此，与已有的电磁作动器和磁流变阻尼器相比，本发明复合式作动器实现了大幅降低能耗且可双向输出控制力的目的，控制效果好。

总之，本发明复合式作动器结构紧凑，运行安全可靠，可输出与结构相对运动方向相同或相反的主动控制力，与已有的电磁作动器和磁流变阻尼器相比，其增大了主动控制力输出范围，降低了对结构振动主动控制的能耗，控制效果非常好。

上述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合式作动器，其特征在于：它包括磁流变阻尼器、电磁作动器，其中：

该磁流变阻尼器包括非导磁外筒、固设在该非导磁外筒内的导磁内筒，该非导磁外筒的上、下端口分别由外上端盖、外下端盖密封，该导磁内筒的上、下端口分别由内上端盖、内下端盖密封，该导磁内筒的外壁上黏贴有气囊，该气囊位于该导磁内筒的外壁与该非导磁外筒的内壁之间形成的环形空腔内，该气囊与该非导磁外筒的内壁之间形成有蓄能腔，该导磁内筒内设有活塞组件，该活塞组件包括活塞连杆，该活塞连杆的一端与阻尼活塞的一端连接，该活塞连杆的另一端从该内上端盖、该外上端盖上分别开设的通孔中穿出而露于该非导磁外筒外部，该阻尼活塞的另一端固定连接有导向活塞，该阻尼活塞上缠绕有电磁线圈，该阻尼活塞和该电磁线圈与该导磁内筒的内壁之间形成有环形阻尼缝隙，该电磁线圈与供电设备连接，该导向活塞与该导磁内筒的内壁滑动接触，该阻尼活塞和该导向活塞将该导磁内筒分为上腔、下腔两个腔室，该导向活塞上开设有通孔，该上腔与该下腔之间经由该环形阻尼缝隙、该导向活塞上开设的该通孔而连通，该内下端盖上开设的通孔中安装有导流阀，该导流阀的一端口与该下腔相通，该导流阀的另一端口位于该内下端盖与该外下端盖间的空隙内，该内下端盖与该外下端盖间的空隙与该蓄能腔之间设有相贯通的流动通道；

该电磁作动器包括初级组件、次级组件，该次级组件包括环状的永磁体、环状的磁极，从该非导磁外筒的一端至另一端，该永磁体、该磁极交替套设在该非导磁外筒的外壁上，该初级组件包括环状的初级铁芯、环状的初级绕组、呈筒状的初级轭部，该初级绕组与该供电设备连接，该初级铁芯、该初级绕组交替固设在该初级轭部的内壁上且与该次级组件之间形成有空隙，该初级轭部的下部安装有滑动导向轴承，该滑动导向轴承与该次级组件的表面滑动接触，该初级轭部的上部安装有外盖，露于该非导磁外筒外部的该活塞连杆的一端与该外盖固定连接。

2.如权利要求1所述的复合式作动器，其特征在于：

所述活塞连杆上开设有常通孔，所述阻尼活塞上开设有导线通孔，该导线通孔与该常通孔相通，所述电磁线圈通过铺设在该导线通孔、该常通孔中的导线而与外部的所述供电设备连接。

3.如权利要求1所述的复合式作动器，其特征在于：

所述初级绕组通过支撑环固定在所述初级轭部的内壁上，该支撑环为非导磁绝缘材料制成。

4.如权利要求1所述的复合式作动器，其特征在于：

所述初级铁芯为涂抹绝缘漆的硅钢片叠压而成。

5.如权利要求1或3或4所述的复合式作动器，其特征在于：

所述初级铁芯与所述初级轭部之间为过盈配合连接，过盈量为0.03mm-0.05mm。

6.如权利要求1所述的复合式作动器，其特征在于：

所述次级组件通过固定环固定在所述非导磁外筒的外壁上。

7.如权利要求1所述的复合式作动器，其特征在于：

所述初级轭部的底部与所述外下端盖之间设有可伸缩防尘罩。

8.如权利要求1所述的复合式作动器，其特征在于：

所述外盖、所述外下端盖上分别设有拉环。

9.如权利要求1所述的复合式作动器，其特征在于：

所述阻尼活塞由高导磁材料制成，所述导向活塞由非导磁材料制成。

10.一种权利要求1至9中任一项所述的复合式作动器的控制方法，其特征在于，它包括步骤：

当预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相同时，只由所述电磁作动器输出主动控制力；

当预期输出的主动控制力的方向与结构相对运动方向相反时，则：如果预期输出的主动控制力小于所述磁流变阻尼器的最大阻尼力，则仅由所述磁流变阻尼器输出主动控制力；如果预期输出的主动控制力大于所述磁流变阻尼器的最大阻尼力，则使所述磁流变阻尼器输出最大阻尼力，由所述电磁作动器输出差额力值。