CN103557264A - 基于状态监测的无源磁流变减振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于状态监测的无源磁流变减振器，其包括磁流变减振器、振动能量采集器、能量回收控制模块和状态监测系统，所述振动能量采集器主要由基于Halbach阵列永磁体动子和线圈绕组定子组成永磁直线发电机，用于将振源激励产生的动能转化为电能；所述能量回收控制模块用于存储振动能量采集器转化的电能；所述状态监测系统用于实时调节能量回收控制模块输入到励磁线圈的电流，进而改变输出阻尼力的大小，实现对外界振动的无源控制。本发明基于状态监测的无源磁流变减振器具有体积小、效率高、节约能源、安装维修方便、系统可靠等优点。

Description

基于状态监测的无源磁流变减振器

技术领域

本发明涉及磁流变减振装置，特别涉及一种可进行状态监测的无源磁流变减振器。

背景技术

磁流变液在磁场作用下能在毫秒级时间范围内从自由流动的线性粘弹性液体转变为剪切屈服应力较高的粘塑性体。利用这一特性制作出的磁流变减振器具有结构简单、动态范围广、响应速度快、低耗能和承载能力强的特点，是一种非常理想的振动控制装置。

传统磁流变半主动悬架系统由磁流变减振器、传感器、控制器以及相关电路组成，一方面它需要外部电源为磁流变减振器供电，以驱动减振器内的电磁线圈产生实现磁流变效应的磁场，另一方面，它需要外部传感器测量磁流变减振器的相对位移或速度，将其作为半主动控制的输入信号以充分发挥磁流变减振器阻尼可调特性。外部供电需求和外部传感器引入不仅增加了磁流变半主动悬架系统的电能消耗和产品成本，而且“分离”模式还加大了安装和维修的难度，降低了系统的可靠性，在一定程度上限制了磁流变半主动悬架系统的工程应用。

因此，需探索一种磁流变减振器，使其能将能量回馈装置和状态信息监测技术集成在磁流变减振器中，一方面使磁流变半主动悬架系统摆脱外界供电的束缚成为自供电系统，另一方面使磁流变半主动悬架系统不再依赖外部传感器，成为具有状态信息自感知的系统。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种基于状态监测的无源磁流变减振器，该磁流变减振器能回收振动能量实现自供电，同时通过集成在磁流变减振器内部的传感技术来实时测量减振器的运动状态信息，解决了传统磁流变半主动悬架系统需要外部电源以及使用外部传感器等不足。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：

本发明的基于状态监测的无源磁流变减振器，包括磁流变减振器、振动能量采集器、能量回收控制模块和状态监测系统，所述磁流变减振器包括励磁线圈、缸筒、设置于缸筒内部的活塞、分别固定设置于缸筒两端的底座和导向座以及一端伸入到缸筒内部与所述活塞固定连接的活塞杆；所述振动能量采集器包括永磁体动子、线圈绕组定子、同轴设置于缸筒外部的外筒以及同轴设置于缸筒与外筒之间的导磁筒，所述外筒固定在底座上，所述导磁筒与活塞杆直接或间接固定连接，所述永磁体动子固定在外筒上，与缸筒同步运动，线圈绕组定子固定在导磁筒上，与活塞杆同步运动；所述振动能量采集器的线圈输出线连接到能量回收控制模块，能量回收控制模块用于存储由振动能量采集器产生的电能并控制电能输出至励磁线圈来改变磁流变减振器的输出阻尼力；所述状态监测系统，包括信号处理模块和阵列分布在导磁筒轴向方向上的磁阻传感器，所述状态监测系统，用于间接测量活塞杆与缸筒的相对位移。

进一步，所述磁流变减振器还包括浮动活塞和导向环，所述导向环和活塞同轴套设在活塞杆上并伸入缸筒，所述励磁线圈绕制在活塞内部，所述活塞与缸筒之间的间隙形成阻尼通道，导向环与缸筒沿轴向滑动配合，导向座同轴套设在活塞杆上并固定安装在缸筒一端，所述底座与浮动活塞之间形成补偿气室，底座上设置有与补偿气室连通的充放气阀。

进一步，所述永磁体动子为采用轴向充磁永磁体和径向充磁永磁体基于Halbach阵列交替安装在底座上构成，所述永磁体动子具有至少一组Halbach阵列的永磁体。

进一步，所述能量回收控制模块包括能量收集电路、能量储存电路、启动电路、控制电路与驱动电路，其中，所述能量收集电路，与所述振动能量采集器的线圈输出线连接，并采用交直流能量转换电路将交流电压信号转换为直流电压；所述能量储存电路，用于将电能储存在储能电容中；所述启动电路，为控制电路提供工作电压；所述控制电路，产生控制信号控制驱动电路的导通和截止中断时间，调节输出电压。

进一步，所述磁阻传感器为由坡莫合金薄膜组成的惠斯通桥电阻电路。

进一步，所述信号处理模块由放大器电路、A/D转换器、数字信号处理器和无线信号发射电路构成。

进一步，所述线圈绕组定子由带槽的线圈座和四相线圈绕组构成，线圈座的材料为聚四氟乙烯。

进一步，所述磁流变减振器和所述振动能量采集器之间设置有隔磁筒，所述隔磁筒紧密套设在缸筒外侧。

进一步，所述导磁筒与活塞杆之间设置有连接盘，所述导磁筒通过连接盘与活塞杆固定连接，所述能量回收控制模块和信号处理模块封装后安装在连接盘上。

进一步，所述导向座与活塞杆之间设置有密封组件；所述缸筒与底座配合部分设置有密封件；所述连接盘外侧由防尘罩进行封闭处理。

本发明的基于状态监测的无源磁流变减振器具有以下有益效果：

1.本发明的基于状态监测的无源磁流变减振器能够通过振动能量采集器回收振动能量实现自供电，同时通过状态监测系统可以自感知减振器的振动状态信息作为反馈信号，通过实时调节能量回收控制模块输入到励磁线圈的电流，改变输出阻尼力的大小，实现对外界振动的智能闭环控制。

2.本发明的基于状态监测的无源磁流变减振器还包括浮动活塞和导向环，通过独立设置导向环进行与缸筒的滑动配合，一是使得缸筒内壁与导向环外圆周面之间全面接触，增强了活塞的工作稳定性；二是能够在整个活塞的外圆周表面与缸筒内壁之间形成阻尼通道，进而拓宽了隔振频率的调节范围。另外，在所述底座与浮动活塞之间形成补偿气室，并在底座上设置有与补偿气室连通的充放气阀，通过充放气阀对补偿气室内充入一定量的惰性气体，可以使气体推动浮动活塞进行体积补偿，进一步提高了减振器工作的稳定性。

3.本发明中的永磁体动子为采用轴向充磁永磁体和径向充磁永磁体基于Halbach阵列交替安装在底座上构成，所述永磁体动子具有至少一组Halbach阵列的永磁体。采用Halbach阵列永磁体而不是传统的轴向充磁或径向充磁永磁体，是因为Halbach阵列永磁体具有单边磁场效应，它将不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，使得阵列靠近线圈绕组定子一侧的磁场显著增强，从而增大感应电动势的值，提高了馈能效率。另外，所述Halbach阵列永磁体既作为发电机的励磁源，也作为磁阻传感器的信号源，磁阻传感器与发电机线圈绕组并列安装在导磁筒上，状态监测系统与振动能量采集器实现了结构集成与功能复用，有效降低了成本，节省了安装空间。

4.本发明中的线圈绕组定子由带槽的线圈座和四相线圈绕组构成，线圈座的材料为聚四氟乙烯。所述线圈槽采用绝缘性好且不导磁的聚四氟乙烯制成，目的是为了消除涡流损耗以及轴向斥力。

5.所述由隔磁筒与导磁筒组合形成的隔磁机构能够使磁流变减振器励磁磁场和永磁体磁场形成各自独立的磁回路，有效消除磁场间的相互干扰。

6.所述能量回收控制模块和信号处理模块封装后安装在连接盘上，外侧由防尘罩进行封闭处理，使得基于该状态监测无源磁流变减振器构建的半主动悬架系统不需要额外电源输入设备和外部传感系统，具有结构简单、体积小、节约能源、安装维修方便、系统可靠的特点。

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为本发明中振动能量采集器结构示意图；

图3为本发明中能量回收控制模块框图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本实施例的基于状态监测的无源磁流变减振器由磁流变减振器、振动能量采集器、能量回收控制模块和状态监测系统构成；所述磁流变减振器包括缸筒1、活塞杆2、底座3、浮动活塞4、导向环5、电磁活塞6和导向座7。所述缸筒1由高导磁材料做成，例如低碳钢，缸筒1安装在底座3上，浮动活塞4与底座3之间形成补偿气室8，浮动活塞4与导向座7之间形成容纳磁流变液的空腔9。活塞杆2由不导磁材料做成，例如不锈钢，活塞杆2左端的前段直径小于后段直径，前后段之间形成一个台阶且前段上设置有螺纹，活塞杆的左端穿过电磁活塞6后其上的台阶顶住电磁活塞6，再继续穿过导向环5，导向环5右端顶住电磁活塞6，旋入螺母10压紧实现三者固定连接，并将三者滑动地装配入缸筒1中。导向座7穿入活塞杆2右端，并固定在缸筒1上端的台阶上，装配入导向座的铜套11为活塞杆2提供导向和支撑，导向座7与活塞杆2之间设置有密封组件，密封件7a为动密封件，可以是斯特封密封圈或Yx型密封圈，密封件7b是防尘圈，密封件7c是O型圈，起静密封作用。活塞杆2的外端设置有用于减振器安装的吊环12，通过吊环12和底座3将减振器安装在被控对象上，当减振器受到振动时，活塞杆2推动电磁活塞6下行或上行，通过外加电流改变电磁活塞6的所产生的磁场强度，可改变流过阻尼通道6b流磁变液的粘度，产生可调阻尼力，使振动衰减。底座3上设置有与补偿气室8连通的充放气阀13，通过充放气阀13对补偿气室8内充入一定量的惰性气体，可以使气体推动浮动活塞4进行体积补偿，提高减振器工作的稳定性。本发明的基于状态监测的无源磁流变减振器能够通过振动能量采集器回收振动能量实现自供电，同时通过状态监测系统可以自感知减振器的振动状态信息作为反馈信号，通过实时调节能量回收控制模块输入到励磁线圈的电流，改变输出阻尼力的大小，实现对外界振动的智能闭环控制。

作为上述技术方案的进一步改进，如图1和2所示，所述振动能量采集器是一永磁直线发电机，同轴安装在所述磁流变减振器径向外部，它主要由线圈绕组定子15、基于Halbach阵列永磁体动子14、同轴设置于缸筒外部的外筒以及同轴设置于缸筒与外筒之间的导磁筒组成，所述永磁体动子14固定在外筒16上，与减振器缸筒1同步运动，线圈绕组定子15固定在导磁筒17上，通过连接盘18与活塞杆2通过螺纹固定连接，与活塞杆2同步运动。当减振器受到振动时，活塞杆与缸筒产生相对运动，与此同时发电机线圈切割永磁体产生的磁力线，将机械能转化为电能，线圈绕组的输出线经过出线槽19连接到能量回收控制模块20，电能由能量回收控制模块20储存起来，能量回收控制模块20的输出连接到磁流变减振器的励磁线圈6b，为磁流变减振器供电，防尘罩21套在能量回收控制模块的外侧，进行防尘封闭处理。如图2所示，基于Halbach阵列永磁体动子14是采用轴向充磁永磁体26和径向充磁永磁体27按图示顺序排列安装在底座上的，磁力线方向如图所示，这样可使得永磁体靠近线圈绕组定子15一侧的磁场显著增强，从而增大感应电动势的值，提高馈能效率。优选的，所述直线发电机线圈绕组定子由带槽的线圈座和四相线圈绕组构成，线圈座的材料为聚四氟乙烯。所述线圈槽采用绝缘性好且不导磁的聚四氟乙烯制成，目的是为了消除涡流损耗以及轴向斥力。另外，上述Halbach阵列永磁体既作为发电机的励磁源，也作为磁阻传感器的信号源，磁阻传感器与线圈绕组定子并列安装在导磁筒上，状态监测系统与振动能量采集器实现了结构集成与功能复用，有效降低了成本，节省了安装空间。

作为上述技术方案的进一步改进，所述磁流变减振器和所述振动能量采集器之间设置有组合隔磁机构，所述组合隔磁机构由磁导率较低的隔磁筒22和磁导率较高的导磁筒17构成，所述隔磁筒22紧密安装在磁流变减振器缸筒1径向外侧，该隔磁筒22可以是铝合金材料制成，导磁筒17可以是电工纯铁DT4材料制成，导磁筒17与连接盘18通过螺栓23连接。组合隔磁机构能够使磁流变减振器励磁磁场和发电机永磁体磁场形成各自独立的磁回路，有效消除磁场间的相互干扰。

作为上述技术方案的进一步改进，继续参见图1，所述状态监测系统由阵列分布在导磁筒轴向方向上的磁阻传感器24和信号处理模块25构成，信号处理模块25通过测量磁阻传感器24的输出电压就能够准确获知直线发电机永磁体14的当前位置，从而间接测量减振器活塞杆2与缸筒1的相对位移。

作为上述技术方案的进一步改进，参见图3，能量回收控制模块根据永磁直线发电机输入的交流电压，输出可用于减振器励磁线圈的驱动电流，用以产生磁流变效应的磁场。能量回收控制模块包括能量收集电路、能量储存电路、启动电路、控制电路与驱动电路。能量收集电路采用直接交直流能量转换电路将直线电机产生的低频、低交流电压信号转换为稳定的直流电压；能量储存电路则将能量储存在超级储能电容或充电电池中；启动电路为控制电路和状态监测系统的信号处理模块提供工作电压；控制电路接受来自状态监测系统的传感信号，根据特性的控制算法生成控制信号，调节输出电压，该电压可令磁流变减振器产生期望的输出阻尼力。

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

Claims (10)

1.一种基于状态监测的无源磁流变减振器，包括磁流变减振器、振动能量采集器、能量回收控制模块和状态监测系统，其特征在于：

所述磁流变减振器包括励磁线圈、缸筒、设置于缸筒内部的活塞、分别固定设置于缸筒两端的底座和导向座以及一端伸入到缸筒内部与所述活塞固定连接的活塞杆；

所述振动能量采集器包括永磁体动子、线圈绕组定子、同轴设置于缸筒外部的外筒以及同轴设置于缸筒与外筒之间的导磁筒，所述外筒固定在底座上，所述导磁筒与活塞杆直接或间接固定连接，所述永磁体动子固定在外筒上，与缸筒同步运动，线圈绕组定子固定在导磁筒上，与活塞杆同步运动；

所述振动能量采集器的线圈输出线连接到能量回收控制模块，所述能量回收控制模块用于存储由振动能量采集器产生的电能并控制电能输出至励磁线圈来改变磁流变减振器的输出阻尼力；

所述状态监测系统，包括信号处理模块和阵列分布在导磁筒轴向方向上的磁阻传感器，所述状态监测系统，用于间接测量活塞杆与缸筒的相对位移。

2.根据权利要求1所述的基于状态监测的无源磁流变减振器，其特征在于：所述磁流变减振器还包括浮动活塞和导向环，所述导向环和活塞同轴套设在活塞杆上并伸入缸筒，所述励磁线圈绕制在活塞内部，所述活塞与缸筒之间的间隙形成阻尼通道，导向环与缸筒沿轴向滑动配合，导向座同轴套设在活塞杆上并固定安装在缸筒一端，所述底座与浮动活塞之间形成补偿气室，底座上设置有与补偿气室连通的充放气阀。

3.根据权利要求2所述的基于状态监测的无源磁流变减振器，其特征在于：所述永磁体动子为采用轴向充磁永磁体和径向充磁永磁体基于Halbach阵列交替安装在底座上构成，所述永磁体动子具有至少一组Halbach阵列的永磁体。

4.根据权利要求3所述的基于状态监测的无源磁流变减振器，其特征在于：所述能量回收控制模块包括能量收集电路、能量储存电路、启动电路、控制电路与驱动电路，其中，

所述能量收集电路，与所述振动能量采集器的线圈输出线连接，并采用交直流能量转换电路将交流电压信号转换为直流电压；

所述能量储存电路，用于将电能储存在储能电容中；

所述启动电路，为控制电路提供工作电压；

所述控制电路，产生控制信号控制驱动电路的导通和截止中断时间，调节输出电压。

5.根据权利要求4所述的基于状态监测的无源磁流变减振器，其特征在于：所述磁阻传感器为由坡莫合金薄膜组成的惠斯通桥电阻电路。

6.根据权利要求5所述的基于状态监测的无源磁流变减振器，其特征在于：所述信号处理模块由放大器电路、A/D转换器、数字信号处理器和无线信号发射电路构成。

7.根据权利要求6所述的基于状态监测的无源磁流变减振器，其特征在于：所述线圈绕组定子由带槽的线圈座和四相线圈绕组构成，线圈座的材料为聚四氟乙烯。

8.根据权利要求7所述的基于状态监测的无源磁流变减振器，其特征在于：所述磁流变减振器和所述振动能量采集器之间设置有隔磁筒，所述隔磁筒紧密套设在缸筒外侧。

9.根据权利要求8所述的基于状态监测的无源磁流变减振器，其特征在于：所述导磁筒与活塞杆之间设置有连接盘，所述导磁筒通过连接盘与活塞杆固定连接，所述能量回收控制模块和信号处理模块封装后安装在连接盘上。

10.根据权利要求9所述的基于状态监测的无源磁流变减振器，其特征在于：所述导向座与活塞杆之间设置有密封组件；所述缸筒与底座配合部分设置有密封件；所述连接盘外侧由防尘罩进行封闭处理。

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