CN104776152A - 高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，包括外缸筒、活塞杆、中部端盖、内缸筒，所述活塞杆与内缸筒连接，所述中部端盖将外缸筒的腔体分为上腔室和下腔室，所述上腔室为直线电机部分，所述下腔室为磁流变减振部分，所述内缸筒将下腔室分为压缩腔和复原腔，所述活塞杆上端穿过所述上腔室、复原腔和外缸筒的上端盖并伸出所述外缸筒，所述内缸筒的轴线方向设有通孔式流动通道，所述内缸筒设有铁芯和励磁线圈，所述活塞杆上设有永磁体，所述上腔室内部圆周设有磁场线圈，当活塞杆往复运动时带动所述永磁体切割磁场线圈产生的磁感线并产生电能；本发明提供的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置处于半主动控制状态时，由活塞杆带动永磁体在磁场线圈的内腔内往复运动，将机械能转化为电能并存储于内部储能模块，控制器控制内部储能模块对励磁线圈供电，改变阻尼力大小；当半主动减振状态不能满足阻尼要求时，控制开启外部供电模块对磁场线圈供电，进行主动控制，使磁流变减振系统具有相当好的自适应性。

Description

高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置

技术领域

本发明涉及磁流变阻尼减振领域，尤其涉及一种高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置。

背景技术

磁流变液半主动减振器由于具有阻尼力大小调节范围宽，响应速度快以及工作温度范围大、耗能少等特点而得到广泛的关注和研究，现有的磁流变半主动减振器通过控制励磁线圈的电流或电压强度可以改变施加在磁流变液上的磁场强度以改变磁流变液的粘度从而控制磁流变器件产生的阻尼力大小，进行减振，但是减振效果没有主动控制好，但是主动控制的耗能太大，不利于广泛普及。

因此，需要对现有的半主动控制磁流变减振器进行改进，在半主动减振不能满足减振适应能力时，通过较短时间内供给较少能量的主动控制提高减振系统的适应能力，以达到满足减振的标准与要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，以解决上述问题。

本发明提供的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，包括外缸筒、活塞杆、中部端盖、内缸筒，所述活塞杆与内缸筒连接，所述中部端盖将外缸筒的腔体分为上腔室和下腔室，，所述内缸筒将下腔室分为压缩腔和复原腔，所述活塞杆上端穿过所述上腔室、复原腔和外缸筒的上端盖并伸出所述外缸筒，所述内缸筒的轴线方向设有通孔式流动通道，所述内缸筒设有铁芯和励磁线圈，所述铁芯为多个，并绕内缸筒的内圆周均匀排列围绕形成所述通孔式流动通道，所述外缸筒内填充有磁流变液；

所述活塞杆上设有永磁体，所述上腔室内部圆周设有磁场线圈，用于当活塞杆往复运动时带动所述永磁体于内缸筒的磁场线圈相对运动并产生电能。

进一步，还包括供电模块和控制器，所述控制器与供电模块连接，所述供电模块包括外部供电模块和用于将永磁体与磁场线圈相对运动产生的电能进行存储的内部储能模块，所述外部供电模块的电力输出端与磁场线圈连接，所述内部储能模块的电力输出端与励磁线圈连接。

进一步，所述系统的工作模式分为主动减振模式和半主动减振模式，

所述半主动减振模式为内部储能模块对励磁线圈进行供电，所述控制器根据活塞杆的运动状态控制系统产生相应的阻尼力；

所述主动减振模式为当启动外部供电模块对磁场线圈进行供电，所述控制器进行主动控制。

进一步，还包括用于采集活塞杆运动状态的信号采集模块，所述信号采集模块与控制器连接，当所述控制器根据信号采集模块采集的信号判断减振系统在半主动状态不能满足减振要求时，控制器对系统的工作状态进行切换。

进一步，所述铁芯成对设置并绕内缸筒的内圆周均匀排列，沿内缸筒轴向排列设有两对铁芯，铁芯的外端面为内锥面。

进一步，所述控制器将系统的工作模式由半主动减振模式切换至主动减振模式时，控制器控制内部储能模块停止对励磁线圈进行供电。

进一步，所述活塞杆位于上腔室内的杆段两侧设置有向中心凹陷的凹槽，所述永磁体设置在所述凹槽内。

进一步，所述活塞杆包括上半部和下半部，所述永磁体设置于所述活塞杆上下两半部之间且分别与上下两半部固定连接，所述永磁体的外径与所述活塞杆上下两半部的外径相同。

进一步，所述下腔室内设有补偿单元，所述补偿单元为浮动活塞，所述浮动活塞上设置有减重凹槽。

本发明的有益效果：本发明提供的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置处于半主动控制状态时，活塞做往复运动，由活塞杆带动永磁体在磁场线圈的内腔内往复运动，从而将机械能转化为电能，电能存储于内部储能模块，控制器控制内部储能模块对励磁线圈供电，改变阻尼力大小；当系统在半主动减振状态下产生的阻尼力不能满足阻尼要求时，通过停止对励磁线圈的供电，并控制开启外部供电模块对磁场线圈供电，以使活塞产生相应方向的运动，达到主动控制的目的，使磁流变减振装置具有相当好的自适应性。由于直线电机部分可以感知活塞杆与缸筒相对运动状态，可以降低传感器的成本。减振装置处于主动减振模式时，由于内缸筒内的流动通道直径较大，可以产生比传统基于流动模式和剪切模式的磁流变装置较小的零场阻尼力，有利于降低主动模式时对减振装置输入的能量；由于内缸筒内的通孔式流动通道直径较大，可以避免传统基于流动模式和剪切模式的磁流变装置在高速冲击时的通道堵塞现象，具有更好的减振特性；流通通道尺寸较大从而在对磁流变液的颗粒尺寸选择上要求较低，可以降低在制作磁流变液的成本，降低减振装置的总成本。

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是本发明的原理示意图。

图2是本发明的内缸筒左视图。

图3为本发明的永磁体与活塞杆另一种相互配合方式的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图；图2是本发明的内缸筒左视图；图3为永磁体与活塞杆另一种相互配合方式的结构示意图。

如图1、2所示，本实施例中的系统包括外缸筒3、活塞杆1、中部端盖17、内缸筒7，所述活塞杆1与内缸筒7连接，所述中部端盖17将外缸筒3的腔体分为上腔室和下腔室，所述上腔室为直线电机部分，所述下腔室为磁流变减振部分，所述内缸筒7将下腔室分为压缩腔和复原腔，所述活塞杆1上端穿过所述上腔室和外缸筒3的上端盖2并伸出所述外缸筒3，所述内缸筒7的轴线方向设有通孔式流动通道，所述内缸筒7设有铁芯和励磁线圈6，所述铁芯为多个，并绕内缸筒7的内圆周均匀排列围绕形成所述通孔式流动通道，所述外缸筒3内填充有磁流变液；所述活塞杆1上设有永磁体16，所述上腔室内部圆周设有磁场线圈15，当活塞杆1往复运动时带动所述永磁体16于内缸筒7的磁场线圈15相对运动并产生电能。磁流变液主要在内缸筒7中心的通孔式流动通道内流动，因通孔式流动通道的直径可以达到2mm以上，故在零场阻尼力方面，比传统工作间隙0.5-1mm的磁流变减振器要小很多，可以忽略不计，从而近似实现完全可控；同时因通孔式流动通道的尺寸大，不易堵塞，故比传统直线型磁流变减振器在高速高冲击下具有更好的特性；同时因通孔式流动通道尺寸相对较大，在对磁流变液的颗粒尺寸选择上要求较低，可以降低在制作磁流变液的成本，从而降低系统总成的成本。因零场阻尼力较小，故在此减振器的基础上集成主动控制系统后，可以较容易实现由半主动控制模式切换到主动控制模式，有利于降低主动模式时对减振装置输入的能量。

本实施例中的减振装置的阻尼力主要包括两部分：直线电机部分的力值与磁流变减振器部分的力值；力值的分配需要在结构设计时对电机和活塞结构进行优化。

在本实施例中，磁流变系统还包括供电模块和控制器，所述控制器与供电模块连接，所述供电模块包括外部供电模块和用于将永磁体16与磁场线圈15相对运动产生的电能进行存储的内部储能模块，所述外部供电模块的电力输出端与磁场线圈15连接，所述内部储能模块的电力输出端与励磁线圈6连接。内缸筒7内的铁芯成对设置并绕内缸筒的内圆周均匀排列，沿内缸筒轴向排列设有两对铁芯，铁芯的外端面为内锥面，在本实施例中，铁芯的数量为4个，铁芯Ⅰ5与铁芯Ⅲ12为一对，铁芯Ⅱ11与铁芯Ⅳ13为一对，4个铁芯的结构相同，其中铁芯Ⅰ5与铁芯Ⅱ11的外端面相背设置，铁芯Ⅲ12与铁芯Ⅳ13的外端面相背设置，铁芯Ⅰ5与铁芯Ⅲ12同各自上的励磁线圈组成内有通孔式流动通道的环状筒，铁芯Ⅱ11与铁芯Ⅳ13同各自上的励磁线圈组成内有通孔的环状筒。

在本实施例中，磁流变系统的下腔室中还设置有补偿单元，所述补偿单元为浮动活塞8，所述浮动活塞8上设置有减重凹槽。

活塞杆1位于上腔室内的杆段两侧设置有向中心凹陷的凹槽，永磁体16设置在所述凹槽内。

本实施例中，活塞杆1与永磁体的连接结构有两种：一种为活塞杆1位于上腔室内的杆段两侧设置有向中心凹陷的凹槽，所述永磁体16和固定挡板18设置在所述凹槽内；另一种为活塞杆1a包括上杆段和下杆段，所述永磁体16a两端分别与所述上杆段和所述下杆段固定连接，所述永磁体16a与所述活塞杆1a圆周外径相同；两种永磁体与活塞杆1a连接结构中的永磁体包括至少4块永磁子体，并且两永磁子体间分别通过固定挡板18、18a隔开设置。

本实施例中的磁流变减振系统，具有两种工作状态，即半主动工作状态和主动工作状态，其目的是为了在保证减振效果的同时，最大限度的降低能耗，当半主动调节时，此时装置为耗能状态，阻尼力方向与活塞相对缸筒的相对速度方向相反，阻尼力力值主要由励磁电流决定，当半主动工作状态下产生阻尼力不能满足要求时，需要将半主动控制切换为主动控制，此时外界会向减振装置注入能量，阻尼力方向可以与活塞相对缸筒的相对速度方向相同也可以相反，阻尼力力值主要为直线电机部分的力值，由外界输入的电流决定，半主动减振状态和主动减振状态具体如下：

一、半主动减振状态，通过对励磁线圈施加相应大小的电流，从而改变内缸筒7工作区域的磁场大小，进而改变阻尼力的大小，以满足及时耗能的需求；即在半主动减振状态下，活塞杆1与外缸筒3之间只要存在相对运动，位于活塞杆1上的永磁体16就会运动，此时磁场线圈15就会切割磁感线产生电动势，并将电能存储于内部储能模块；内部储能模块会给减振器供电；信号采集模块会将电动势信号进行处理并传送给控制器得出活塞杆1与外缸筒3之间的速度信号，并通过控制算法来实现对减振器的控制，此时可分为两种情况：若外缸筒3静止，则无需添加其他传感器就可以实现半主动自适应控制的作用；若外缸筒3会同时运动，则需要添加相应的传感器，如增加加速度传感器，可以实现天棚控制等。

二、主动减振状态：在半主动减振不能满足控制要求时，就需要进行主动控制，需要额外的电源进行供电，并经过控制系统对磁场线圈15进行通电，以使内缸筒7产生相应方向的运动；此时永磁体16与磁场线圈15产生磁场力需要比内缸筒7处产生的阻尼力要大，因此，此时不能对励磁线圈进行供电，且在结构设计时需要对减振器进行阻尼力匹配，以满足一定条件下磁场力大于内缸筒7处阻尼力的基本要求。在该状态下，可以避免主动减振需要长时间进行供电的弊端，也可以提高半主动减振的适应能力；虽然需要额外的电源供电，但是为保证控制目标的要求，短时间的供电耗能是可以接受的；外加的电源并不需要实时供电，仅在需要时施加合适的电流；上述外加电源是以直流电源为例，也可直接采用交流电源，交流电源与磁场线圈之间需连接内部储能模块和信号处理及分析模块，以保证减振器实现自我状态监测的功能；

在本实施例中，因为是永磁体16与磁场线圈15采用的是无接触模式，因此比现有的滚珠丝杠加电机的主动控制方法具有摩擦小的优点；且系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等)，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷；精度高；由于“直接驱动”，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度；速度快、加减速过程短；运动安静、噪音低。

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 (9)

1.一种高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，其特征在于：包括外缸筒、活塞杆、中部端盖、内缸筒，所述活塞杆与内缸筒连接，所述中部端盖将外缸筒的腔体分为上腔室和下腔室，所述内缸筒将下腔室分为压缩腔和复原腔，所述活塞杆上端穿过所述上腔室、复原腔和外缸筒的上端盖并伸出所述外缸筒，所述内缸筒的轴线方向设有通孔式流动通道，所述内缸筒设有铁芯和励磁线圈，所述铁芯为多个，并绕内缸筒的内圆周均匀排列围绕形成所述通孔式流动通道，所述外缸筒内填充有磁流变液；

所述活塞杆上设有永磁体，所述上腔室内部圆周设有磁场线圈，用于当活塞杆往复运动时带动所述永磁体于内缸筒的磁场线圈相对运动并产生电能。

2.根据权利要求1所述的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，其特征在于：还包括供电模块和控制器，所述控制器与供电模块连接，所述供电模块包括外部供电模块和用于将永磁体与磁场线圈相对运动产生的电能进行存储的内部储能模块，所述外部供电模块的电力输出端与磁场线圈连接，所述内部储能模块的电力输出端与励磁线圈连接。

3.根据权利要求2所述的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，其特征在于：所述系统的工作模式分为主动减振模式和半主动减振模式，

所述半主动减振模式为内部储能模块对励磁线圈进行供电，所述控制器根据活塞杆的运动状态控制系统产生相应的阻尼力；

所述主动减振模式为当启动外部供电模块对磁场线圈进行供电，所述控制器进行主动控制。

4.根据权利要求3所述的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，其特征在于：还包括用于采集活塞杆运动状态的信号采集模块，所述信号采集模块与控制器连接，当所述控制器根据信号采集模块采集的信号判断减振系统在半主动状态不能满足减振要求时，控制器对系统的工作状态进行切换。

5.根据权利要求4所述的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，其特征在于：所述铁芯成对设置并绕内缸筒的内圆周均匀排列，沿内缸筒轴向排列设有两对铁芯，铁芯的外端面为内锥面。

6.根据权利要求5所述的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化自适应系统，其特征在于：所述控制器将系统的工作模式由半主动减振模式切换至主动减振模式时，控制器控制内部储能模块停止对励磁线圈进行供电。

7.根据权利要求6所述的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，其特征在于：所述活塞杆位于上腔室内的杆段两侧设置有向中心凹陷的凹槽，所述永磁体设置在所述凹槽内。

8.根据权利要求6所述的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，其特征在于：所述活塞杆包括上半部和下半部，所述永磁体设置于所述活塞杆上下两半部之间且分别与上下两半部固定连接，所述永磁体的外径与所述活塞杆上下两半部的外径相同。

9.根据权利要求1所述的高效能低功耗磁流变半主动与主动一体化减振装置，其特征在于：所述下腔室内设有补偿单元，所述补偿单元为浮动活塞，所述浮动活塞上设置有减重凹槽。