CN104747648A - 线圈外置式磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线圈外置式磁流变阻尼器，包括工作缸、活塞头、活塞杆及电磁铁线圈组件，工作缸内填充有磁流变液，电磁铁线圈组件安装于工作缸的外侧，活塞头套设于工作缸内，活塞头的一端连接于活塞杆上，活塞头的另一端上开设有运动补偿腔，运动补偿腔内滑设有补偿杆；活塞头于工作缸内的运动过程中，补偿杆进出运动补偿腔进行容积补偿。本发明结构简单紧凑，密封性强、阻尼效果好，结构设计不受工作缸内部空间的限制，使用寿命长。

Description

线圈外置式磁流变阻尼器

技术领域

本发明主要涉及磁流变阻尼器领域，具体涉及一种线圈外置式磁流变阻尼器。

背景技术

随着磁流变液材料性能研究的深入，磁流变阻尼器已经成为主动阻尼控制领域的一种主要方式。1995年美国Load公司在第五届电磁流变会议上发布了一种高性能磁流变液，并推出了几款磁流变阻尼器产品，引起了很大的轰动，也掀起了磁流变阻尼器的研究高潮。韩国、日本等工业发达国家紧随其后，也成功的开发了类似的磁流变阻尼器产品。这些阻尼器在土木建筑、汽车等领域得到了广泛的应用。从活塞杆设置方式来看，磁流变阻尼器可以分为双出杆磁流变阻尼器和单出杆磁流变阻尼器，从线圈绕制方式来看，磁流变阻尼器可以分为线圈内置式和外置式。

现有磁流变阻尼器主要存在以下问题：

(1)双出杆磁流变阻尼器采取在活塞两头分别设有活塞杆的方式，当活塞运动时，一根活塞杆进入工作缸，对立的另一根活塞杆退出工作缸，这种方式虽解决了活塞工作时工作缸内容积变化的问题，但是双出杆进入的方式无疑加大了对工作缸密封性的要求，且双出杆磁流变阻尼器安装时需在两头都预设好空间以便于活塞杆进出运动，即加大了对使用空间的要求。

(2)单出杆磁流变阻尼器只设有一根活塞杆，部分单出杆磁流变阻尼器采取在工作缸内安装补偿气囊以补偿活塞运动时工作缸内容积的变化，但设置补偿气囊一是占用了工作缸内的容积，活塞运动的有效行程变短，进而影响单出杆磁流变阻尼器的实际工作效率；二是补偿气囊体积的反复变化容易造成气囊的疲软损坏，最终也影响单出杆磁流变阻尼器的使用寿命。

(3)线圈外置式磁流变阻尼器的阻尼力小，线圈内置式磁流变阻尼器的阻尼力虽大，但因内置式磁流变阻尼器是将线圈绕在活塞上，结构设计往往受到工作缸内部空间的限制而难以有较大突破，并且存在散热、走线、密封等工程问题。

部分实验研究表明，在所用的阻尼器几何尺寸和线圈匝数完全相同，诸如相同体积同类型号的磁流变液，在相同电流作用下，线圈内绕式磁流变阻尼器要比线圈外绕式磁流变阻尼器的阻尼力大，而且线圈内绕式磁流变阻尼器所产生的最大阻尼力也要比线圈外绕式的大。这种阻尼力差异主要是由于两种阻尼器线圈的缠绕方式不同所引起的。经分析可知，线圈外绕式磁流变阻尼器中平行于磁流变液流动方向的磁力线对磁流变液效应贡献小，而线圈内绕式磁流变阻尼器中的垂直于磁流变流动方向的磁力线对磁流变效应贡献较大。因此当前大多数磁流变阻尼器的研究集中于线圈内置，但是内置式磁流变阻尼器是将线圈绕在活塞上，结构设计往往受到工作缸内部空间的限制而难以有较大突破，并且存在散热、走线、密封等工程问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的问题，提供一种结构简单紧凑、密封性强、阻尼效果好的线圈外置式磁流变阻尼器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种线圈外置式磁流变阻尼器，包括工作缸、活塞头、活塞杆及电磁铁线圈组件，所述工作缸内填充有磁流变液，所述电磁铁线圈组件安装于工作缸的外侧，所述活塞头套设于工作缸内，所述活塞头的一端连接于活塞杆上，所述活塞头的另一端上开设有运动补偿腔，所述运动补偿腔内滑设有补偿杆；所述活塞头于工作缸内的运动过程中，所述补偿杆进出运动补偿腔进行容积补偿。

作为本发明的进一步改进，所述运动补偿腔内设有套筒，所述套筒套设于补偿杆外以使补偿杆与运动补偿腔密封配合。

作为本发明的进一步改进，所述工作缸的外侧设置有外壳，所述电磁铁线圈组件安装于工作缸与外壳之间。

作为本发明的进一步改进，所述外壳内于电磁铁线圈组件的安装位置处设有中间壳体，所述电磁铁线圈组件包裹于中间壳体内。

作为本发明的进一步改进，沿着活塞杆的轴向方向，所述中间壳体的两端设有挡板。

作为本发明的进一步改进，沿着活塞杆的轴向方向，所述外壳的两端设有端盖。

作为本发明的进一步改进，所述电磁铁线圈组件包括设置于工作缸外表面的磁圈和绕组。

作为本发明的进一步改进，所述活塞头和中间壳体均由导磁材料制成。

作为本发明的进一步改进，所述电磁铁线圈组件为两组且沿着活塞杆的轴向方向并列设置。

作为本发明的进一步改进，所述补偿杆内设有导气通道，所述导气通道一端与运动补偿腔连通、且另一端与线圈外置式磁流变阻尼器的外界连通。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的线圈外置式磁流变阻尼器，通过在活塞头上开设运动补偿腔、在工作缸内设置补偿杆，不但解决了活塞运动时容积补偿的问题，而且不影响活塞运动的有效行程，有效提高了阻尼器的密封性，使得磁流变阻尼器的阻尼效果更好、工作效率提高、使用寿命更长。

(2)本发明的线圈外置式磁流变阻尼器，将电磁铁线圈组设置在工作缸外，结构设计不受工作缸内部空间的限制，散热性好、走线方便、密封强，并且通过设置形成磁路闭环，将电磁铁线圈组的磁力线垂直于工作缸内磁流变流动方向，磁力线对磁流变效应贡献较大，使得磁流变阻尼器的阻尼力大。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明线圈外置式磁流变阻尼器在具体实施例中的结构原理示意图。

图3是本发明线圈外置式磁流变阻尼器的磁路布局原理示意图。

图4是本发明线圈外置式磁流变阻尼器的磁路设计原理示意图。

图例说明：

1、工作缸；2、活塞头；21、运动补偿腔；22、套筒；3、活塞杆；4、电磁铁线圈组件；41、磁圈；42、绕组；5、补偿杆；51、导气通道；6、外壳；61、端盖；7、中间壳体；71、挡板。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供一种线圈外置式磁流变阻尼器，包括工作缸1、活塞头2、活塞杆3及电磁铁线圈组件4，工作缸1内填充有磁流变液，电磁铁线圈组件4安装于工作缸1的外侧，活塞头2套设于工作缸1内，活塞头2的一端连接于活塞杆3上，活塞头2的另一端上开设有运动补偿腔21，运动补偿腔21内滑设有补偿杆5；活塞头2于工作缸1内的运动过程中，补偿杆5进出运动补偿腔21进行容积补偿。

活塞杆3在进出工作缸1体中，会造成工作缸1内磁流变液容积的变化。在本实施例中，当右端的活塞杆3进入工作缸1时，减小了磁流变液体容积，但此时补偿杆5同步进入活塞头2的运动补偿腔21内，增加了液体容积，使得减小的容积等于增加的容积。活塞杆3离开工作缸1时正好相反。这样有效解决了活塞工作时工作缸1内容积变化的问题，而且不影响活塞运动的有效行程，有效提高了阻尼器的密封性，使得磁流变阻尼器的阻尼效果更好、工作效率提高、使用寿命更长。

在本实施例中，运动补偿腔21内设有套筒22，套筒22套设于补偿杆5外以使补偿杆5与运动补偿腔21密封配合，强化了补偿杆5与运动补偿腔21之间的密封性。在其他实施例中，在套筒22上还可以增设密封圈，进一步加强密封效果。

在本实施例中，工作缸1的外侧设置有外壳6，电磁铁线圈组件4安装于工作缸1与外壳6之间，并且外壳6的两端设有端盖61。通过设置外壳6，使得电磁铁线圈组件4和工作缸1都被包覆在外壳6内并得到保护，有效延长了线圈外置式磁流变阻尼器的使用寿命，且有效的将外壳6内形成的磁场与壳外相隔离，线圈外置式磁流变阻尼器的使用效果更佳。

在本实施例中，外壳6内于电磁铁线圈组件4的安装位置处设有中间壳体7，电磁铁线圈组件4包裹于中间壳体7内，且沿着活塞杆3的轴向方向，中间壳体7的两端设有挡板71。

在本实施例中，电磁铁线圈组件4包括设置于工作缸1外表面的磁圈41和绕组42，且活塞头2和中间壳体7均由导磁材料制成。

为了提高线圈外置式磁流变阻尼器的磁场应用效率，磁路设计时应该尽量让磁力线垂直于磁流变液流动方向。同时要考虑流过磁流变液中磁场的均匀性。本实施例以经典圆柱形阻尼器为设计基础，磁路设计结果如图2和图3所示，图中活塞头2与工作缸1相对运动时，挤压工作缸1内的磁流变液流过两者之间的间隙，此时电磁铁线圈组件4上的绕组42通电后，其磁力线沿着由导磁材料制成的中间壳体7、磁圈41和活塞头2构建的磁路闭环，该环路中磁力线垂直穿过间隙。

在本实施例中，为达到最佳设计效果，所有中间壳体7、磁圈41和活塞头2需要采用高磁导率的材料制成，工作缸1壳体的厚度以及壳体与活塞头2之间的间隙要尽可能的小，以减小磁阻、提高效率。

为使磁流变液达到较为理想的流变剪切效应，磁场的磁感应强度一般要达到0.5T。这里对所设计的磁路进行理论计算，并设计相关参数，确保最大的磁感应强度达到设计目标。

根据磁路欧姆定律，忽略漏磁的前提下有：

其中I为线圈电流，N为线圈匝数，R_m表示回路磁阻，表示磁通量。

考虑到：

R_m＝l/μS  (2)

其中l为磁路长度，μ为磁导率，S表示磁通面积。

这里磁路计算模型如图4所示，图中L₁＝L₂＝L₃＝10mm，h₁＝4mm，h₂＝4mm，h₃＝3mm，δ₁＝δ₂＝1mm，r＝13mm。考虑要获取较好的流变剪切效应，气隙中的工作磁场磁通密度要达到0.5T。忽略漏磁，则磁路各处磁通量保持不变，可以计算得到：

那公式(1)可改写为

假设导磁材料的相对磁导率为μ_rs。这里中间壳体7、磁圈41和活塞头2采用高磁导率的材料为铁镍软铁合金1J85,相对磁导率可达100000；工作气隙中充满磁流变液，其相对磁导率为μ_ro根据文献一般其磁导率可以设置为2。下面分别计算各部分的磁阻。

$R_1=\frac{L_2+\frac{(L_1+L_3)}{2}}{{\mathrm{\π\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{rs}}[r^2-{(r-h_1)}^2]}=734.19$

$R_2=R_6=\frac{{\mathrm{\δ}}_2}{2{\mathrm{\π\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r0}(r+\frac{{\mathrm{\δ}}_2}{2})L1}+\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{2{\mathrm{\π\μ}}_0(r+{\mathrm{\δ}}_2+\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{2})L_1}=1342538.07$

$R_3=R_5=\frac{h_2}{2{\mathrm{\π\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{rs}}(r+\mathrm{\δ}+\frac{h_2}{2})L1}=29.8$

$R_4=\frac{L_2+\frac{(L_1+L_3)}{2}}{{\mathrm{\π\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{rs}}[{(r+\mathrm{\δ}+h_2+h_3)}^2-{(r+\mathrm{\δ}+h_2)}^2]}=411.87$

则：

根据初步估算，N可达600匝，则电流需要约1.97A。

通过设置形成磁路闭环，将电磁铁线圈组件4的磁力线垂直于工作缸1内磁流变液流动方向，磁力线对磁流变效应贡献较大，使得磁流变阻尼器的阻尼力大；且将电磁铁线圈组件4设置在工作缸1外，结构设计不受工作缸1内部空间的限制，散热性好、走线方便、密封强。

在本实施例中，为在活塞头2的有效工作行程中获得更为均匀的磁场，并列设计两组电磁铁线圈组件4，且沿着活塞杆3的轴向方向并列设置，即在工作缸1的外圆周上并列设置有两组电磁铁线圈组件4，并使两组电磁铁线圈组件4的电流互为反向，以避免中间区域的磁场相互抵消。

在本实施例中，补偿杆5内设有导气通道51，导气通道51一端与运动补偿腔21连通、且另一端与线圈外置式磁流变阻尼器的外界连通，避免活塞头2运动时运动补偿腔21内形成真空效应。在本实施例中，导气通道51通过在端盖61上开设导气孔与外界连通。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种线圈外置式磁流变阻尼器，包括工作缸(1)、活塞头(2)、活塞杆(3)及电磁铁线圈组件(4)，所述工作缸(1)内填充有磁流变液，所述电磁铁线圈组件(4)安装于工作缸(1)的外侧，所述活塞头(2)套设于工作缸(1)内，所述活塞头(2)的一端连接于活塞杆(3)上，其特征在于，所述活塞头(2)的另一端上开设有运动补偿腔(21)，所述运动补偿腔(21)内滑设有补偿杆(5)；所述活塞头(2)于工作缸(1)内的运动过程中，所述补偿杆(5)进出运动补偿腔(21)进行容积补偿。

2.根据权利要求1所述的线圈外置式磁流变阻尼器，其特征在于，所述运动补偿腔(21)内设有套筒(22)，所述套筒(22)套设于补偿杆(5)外以使补偿杆(5)与运动补偿腔(21)密封配合。

3.根据权利要求2所述的线圈外置式磁流变阻尼器，其特征在于，所述工作缸(1)的外侧设置有外壳(6)，所述电磁铁线圈组件(4)安装于工作缸(1)与外壳(6)之间。

4.根据权利要求3所述的线圈外置式磁流变阻尼器，其特征在于，所述外壳(6)内于电磁铁线圈组件(4)的安装位置处设有中间壳体(7)，所述电磁铁线圈组件(4)包裹于中间壳体(7)内。

5.根据权利要求4所述的线圈外置式磁流变阻尼器，其特征在于，沿着活塞杆(3)的轴向方向，所述中间壳体(7)的两端设有挡板(71)。

6.根据权利要求5所述的线圈外置式磁流变阻尼器，其特征在于，沿着活塞杆(3)的轴向方向，所述外壳(6)的两端设有端盖(61)。

7.根据权利要求6所述的线圈外置式磁流变阻尼器，其特征在于，所述电磁铁线圈组件(4)包括设置于工作缸(1)外表面的磁圈(41)和绕组(42)。

8.根据权利要求4～7任意一项所述的线圈外置式磁流变阻尼器，其特征在于，所述活塞头(2)和中间壳体(7)均由导磁材料制成。

9.根据权利要求8所述的线圈外置式磁流变阻尼器，其特征在于，所述电磁铁线圈组件(4)为两组且沿着活塞杆(3)的轴向方向并列设置。

10.根据权利要求1～7任意一项所述的线圈外置式磁流变阻尼器，其特征在于，所述补偿杆(5)内设有导气通道(51)，所述导气通道(51)一端与运动补偿腔(21)连通、且另一端与线圈外置式磁流变阻尼器的外界连通。