CN104963985A - 一种集成能量回收装置的磁流变阻尼器 - Google Patents

一种集成能量回收装置的磁流变阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成能量回收装置的磁流变阻尼器，主要由能量回收装置、上端盖、下端盖、外套筒及活塞等组成。能量回收装置内置于活塞杆空腔内，通过紧固销和紧固片将8个永磁铁和8个隔片固定安装在支撑杆上。活塞杆的上下运动带动感应线圈绕线架往复运动；在永磁铁作用下，缠绕在感应线圈绕线架上的感应线圈将产生交流电，通过整流电路转换成直流电后，可直接用于活塞绕线槽内的激励线圈的直流供电，产生可供阻尼力；另外，转换后的直流电也可储存在储能电路中，实现振动机械能的能量采集。本发明集能量采集及阻尼力可控于一体，空间利用合理，阻尼器整体结构紧凑，特别适合应用于断电等特殊情况下的半主动减振系统。

Description

一种集成能量回收装置的磁流变阻尼器
技术领域
本发明涉及一种磁流变阻尼器，尤其涉及一种集成能量回收装置的磁流变阻尼器。
背景技术
磁流变阻尼器是一种广泛应用于半主动控制系统中的新型智能阻尼器件。它主要是通过给阻尼器活塞绕线槽内的激励线圈施加一定大小的电流，产生磁场使得流经液流通道内的磁流变液的屈服强度发生变化，从而动态改变输出阻尼力。
磁流变阻尼器所具有的毫秒级响应速度、大控制范围和大阻尼力输出的特点，使得它成为工业应用领域优秀的半主动执行器件。目前，磁流变阻尼器已在建筑物及桥梁的减振抗震系统、铁路机车车辆及汽车悬架系统的减振等方面取得广泛应用。但是，现有的磁流变阻尼器需要可调的磁场激励，这需要外部电源输入。而在一些特殊场合，比如偏远地区，电力很难送达；或由于自然灾害等原因导致供电难以持续保证，这些因素将限制磁流变阻尼器的应用领域。
公开号为CN200710034309.2的中国发明专利“一种自供电磁流变智能减振系统”将结构振动的传感器与磁流变阻尼器的供电电源集成到小型永磁式直流电机上，通过布置在减振器外侧的齿条齿轮传动的方式来驱动直流发电机发电，从而给磁流变阻尼器供电。但其局限性比较明显，由于发电装置布置在阻尼器外侧，导致整个减振系统体积庞大，并且对工作环境要求较高。公开号为CN101550982 A的中国发明专利“一种自供电磁流变阻尼器”提出一种一多叶片蝶形电磁式机械能量采集器，能量采集器安装在磁流变阻尼器的活塞底部。但该结构也有一定的局限性，由于磁流变液较稠，导致叶片转速比较慢，产生的电能不足以实现对阻尼器中的励磁线圈供电。
基于此，有必要提出一种新型集成能量回收装置的磁流变阻尼器，实现阻尼器振动机械能的高效采集，并有效缩小阻尼器的外形尺寸。
发明内容
为了克服背景技术所述磁流变阻尼器存在的问题及满足磁流变阻尼器的实际使用要求，本发明提供一种集成能量回收装置的磁流变阻尼器。该能量回收装置通过紧固销和紧固片将顺序安装的8个永磁铁和8个隔片固定安装在支撑杆上；缠绕在感应线圈绕线架上的感应线圈由两组独立线圈组成，活塞杆的上下运动将带动感应线圈绕线架往复运动；在永磁铁作用下，感应线圈在往复运动中将产生交流电，通过整流电路将产生的交流电转换成直流电，从而可直接用于活塞绕线槽内的激励线圈的直流供电，产生可供阻尼力；另外，转换后的直流电也可储存在储能电路中，真正实现振动机械能的能量采集及回收利用。本发明集能量采集及阻尼力可控于一体，通过将能量回收装置内置于活塞杆空腔内，结构简单，空间利用合理，有效减少了阻尼器的整体结构尺寸。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：支撑杆(1)、下端盖(2)、浮动活塞(3)、螺钉Ⅰ(4)、密封圈Ⅰ(5)、挡板(6)、螺钉Ⅱ(7)、激励线圈(8)、活塞(9)、外套筒(10)、活塞杆(11)、感应线圈(12)、感应线圈绕线架(13)、永磁铁(14)、隔片(15)、上端盖(16)、螺钉Ⅲ(17)、紧固片(18)、密封圈Ⅱ(19)、紧固销(20)、密封圈Ⅲ(21)、密封圈Ⅳ(22)、密封圈Ⅴ(23)、密封圈Ⅵ(24)、密封圈Ⅶ(25)以及锁紧螺母(26)；下端盖(2)与外套筒(10)通过螺钉Ⅰ(4)刚性连接；下端盖(2)中间加工有圆形通孔，支撑杆(1)与下端盖(2)圆形通孔间隙配合，支撑杆(1)与下端盖(2)圆形通孔之间通过密封圈Ⅶ(25)进行密封；支撑杆(1)下端头部加工有外螺纹，并通过锁紧螺母(26)进行紧固连接；浮动活塞(3)中间加工有圆形通孔，浮动活塞(3)圆形通孔内表面与支撑杆(1)外表面间隙配合，并通过密封圈Ⅵ(24)进行密封；浮动活塞(3)外圆端面与外套筒(10)内表面间隙配合，并通过密封圈Ⅰ(5)进行密封；紧固销(20)上端部和下端部分别加工有外螺纹；紧固销(20)下端部与支撑杆(1)上端部螺纹连接；永磁铁(14)中间加工有圆形通孔，永磁铁(14)圆形通孔内表面与紧固销(20)外表面过渡配合；隔片(15)中间加工有圆形通孔，隔片(15)圆形通孔内表面与紧固销(20)外表面过渡配合；隔片(15)安装在紧固销(20)上，隔片(15)下端面和支撑杆(1)上端面紧密结合；永磁铁(14)安装在紧固销(20)上，永磁铁(14)下端面和隔片(15)上端面紧密结合；永磁铁(14)以N极-N极相向，S极-S极相向的结构放置，两个永磁铁(14)之间通过一个隔片(15)隔开，8个隔片(15)和8个永磁铁(14)按照顺序依次安装在紧固销(20)上，并通过紧固片(18)压紧；紧固片(18)中间加工有螺纹通孔，紧固片(18)与紧固销(20)通过螺纹刚性连接；感应线圈绕线架(13)上加工有14个绕线槽，感应线圈(12)缠绕在感应线圈绕线架(13)绕线槽内；活塞杆(11)中间加工有圆形通孔，感应线圈绕线架(13)外表面与活塞杆(11)圆形通孔内表面间隙配合，感应线圈绕线架(13)上端面与上端盖(16)端面接触，感应线圈绕线架(13)下端面与挡板(6)端面接触；活塞(9)内表面与活塞杆(11)下端外表面过渡配合，活塞(9)通过活塞杆(11)下端的台肩进行轴向定位；活塞(9)外侧面加工有绕线槽，激励线圈(8)缠绕在活塞(9)绕线槽内；挡板(6)中间加工有圆形通孔，挡板(6)与支撑杆(1)过渡配合；挡板(6)与支撑杆(1)通过密封圈Ⅴ(23)进行密封；挡板(6)与活塞(9)通过密封圈Ⅳ(22)进行密封；活塞(9)与活塞杆(11)通过密封圈Ⅲ(21)进行密封；活塞杆(11)与外套筒(10)通过密封圈Ⅱ(19)进行密封；螺钉Ⅱ(7)用来固定挡板(6)和活塞杆(11)，同时对感应线圈绕线架(13)和活塞(9)进行轴向固定；上端盖(16)和活塞杆(11)通过螺钉Ⅲ(17)固定连接。
能量回收装置由支撑杆(1)、活塞杆(11)、感应线圈(12)、感应线圈绕线架(13)、永磁铁(14)、隔片(15)、紧固片(18)及紧固销(20)组成。支撑杆(1)及紧固销(20)由不导磁材料制成；活塞杆(11)、感应线圈绕线架(13)、隔片(15)及紧固片(18)由导磁材料制成。能量回收装置产生的磁力线通过永磁铁(14)的N极进入隔片(15)及感应线圈绕线架(13)，到达活塞杆(11)内壁，再通过感应线圈绕线架(13)返回永磁铁(14)的S极，形成闭合磁路。感应线圈(12)由两组独立线圈组成，分别缠绕于感应线圈绕线架(13)绕线槽内；在电磁铁(14)的作用下，感应线圈(12)在往复运动中产生交流电，可通过整流电路将交流电转换为直流电，直接用于活塞(9)绕线槽内的激励线圈(8)的直流供电，产生可供阻尼力；也可储存在储能电路中。
感应线圈(12)的两组独立线圈的引线A1、A2和B1、B2分别由感应线圈绕线架(13)的引线槽(103)进入感应线圈绕线架(13)上端部的引线槽(102)，然后从上端盖(16)的引线孔(101)引出。激励线圈(8)的引线C1、C2通过活塞(9)的引线槽(201)进入活塞杆(11)的引线孔(202)，然后通过感应线圈绕线架(13)的引线槽(103)进入感应线圈绕线架(13)上端部的引线槽(102)，最后从上端盖(16)的引线孔(101)引出。
浮动活塞(3)、外套筒(10)及活塞(9)之间围成的封闭容腔Ⅰ和Ⅱ内填充磁流变液。浮动活塞(3)、外套筒(10)及下端盖(2)之间围成的封闭容腔Ⅲ填充压缩气体。当活塞杆(11)上下运动时，填充磁流变液的封闭容腔Ⅰ和Ⅱ的体积会发生相应变化，此时浮动活塞(3)会通过上下浮动来实现封闭容腔Ⅰ和Ⅱ的体积补偿。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
（1）本发明能量回收装置通过紧固销和紧固片将顺序安装的8个永磁铁和8个隔片固定安装在支撑杆上；缠绕在感应线圈绕线架上的感应线圈由两组独立线圈组成，活塞杆的上下运动将带动感应线圈绕线架往复运动；在永磁铁作用下，感应线圈在往复运动中将产生交流电，通过整流电路将产生的交流电转换成直流电，从而可直接用于活塞绕线槽内的激励线圈的直流供电，产生可控阻尼力。本发明可使磁流变阻尼器不依靠外部能源就能正常工作，从而进一步提高了磁流变阻尼器的应用范围。
（2）本发明能量回收装置中转换的直流电也可储存在储能电路中，从而真正实现振动机械能的能量采集及回收利用。
（3）本发明集能量采集及阻尼力可控于一体，通过将能量回收装置内置于活塞杆空腔内，结构简单，空间利用合理，有效减少了磁流变阻尼器的整体结构尺寸。
（4）本发明可在较低的工作电流下提供较高的阻尼力，使得磁流变阻尼器的整体功耗较小，能量利用效率较高。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明永磁铁及隔片结构布置示意图。
图3是本发明感应线圈中两组独立线圈的引线示意图。
图4是本发明激励线圈引线示意图。
图5是本发明感应线圈及激励线圈中磁力线分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明包括支撑杆1、下端盖2、浮动活塞3、螺钉Ⅰ4、密封圈Ⅰ5、挡板6、螺钉Ⅱ7、激励线圈8、活塞9、外套筒10、活塞杆11、感应线圈12、感应线圈绕线架13、永磁铁14、隔片15、上端盖16、螺钉Ⅲ17、紧固片18、密封圈Ⅱ19、紧固销20、密封圈Ⅲ21、密封圈Ⅳ22、密封圈Ⅴ23、密封圈Ⅵ24、密封圈Ⅶ25以及锁紧螺母26。
图2所示是本发明永磁铁14及隔片15结构布置示意图。永磁铁14以N极-N极相向，S极-S极相向的结构布置，两个永磁铁14之间通过一个隔片15隔开，8个隔片15和8个永磁铁14按照顺序依次安装在紧固销20上，并通过紧固片18压紧；紧固片18与紧固销20通过螺纹刚性连接。
图3所示是本发明感应线圈12中两组独立线圈的引线示意图。感应线圈12由两组独立线圈组成，分别缠绕于感应线圈绕线架13绕线槽内。感应线圈绕线架13设有14个绕线槽，其中一组独立线圈分别从绕线槽②、④、⑥、⑧、⑩、?及?中按串联的方式缠绕，两根引线A1和A2由感应线圈绕线架13的引线槽103进入感应线圈绕线架13上端部的引线槽102，然后从上端盖16的引线孔101引出阻尼器；另外一组独立线圈分别从绕线槽①、③、⑤、⑦、⑨、?及?中按串联的方式缠绕，两根引线B1和B2由感应线圈绕线架13的引线槽103进入感应线圈绕线架13上端部的引线槽102，然后从上端盖16的引线孔101引出阻尼器。
图4所示是本发明激励线圈8的引线示意图。激励线圈8的两根引线C1和C2通过活塞9的引线槽201进入活塞杆11的引线孔202，然后通过感应线圈绕线架13的引线槽103进入感应线圈绕线架13上端部的引线槽102，最后从上端盖16的引线孔101引出阻尼器。
图5所示是本发明感应线圈12及激励线圈8中磁力线分布示意图。感应线圈12中产生的磁力线通过永磁铁14的N极进入隔片15及感应线圈绕线架13，到达活塞杆11内壁，再通过感应线圈绕线架13返回永磁铁14的S极，形成闭合磁路。
感应线圈12由两组独立线圈组成，分别缠绕于感应线圈绕线架13绕线槽内；两组独立线圈产生的感应电压可表示为：
                                (1)
                              (2)
公式(1)和(2)中E m为最大感应电动势，ω为激振频率。
由于感应线圈12在往复运动中产生交流电，可通过整流电路将交流电转换为直流电。
激励线圈8中产生的磁力线通过活塞9，经过液流通道中的磁流变液，到达外套筒10，再经过液流通道返回活塞9，形成闭合磁路。
本发明工作原理如下：
当存在外部激励时，活塞杆11沿轴向方向作相对运动，带动感应线圈绕线架13作往复运动，在永磁铁14作用下，缠绕在感应线圈绕线架13中的感应线圈12在往复运动中将产生交流电，通过整流电路将产生的交流电转换成直流电，从而可直接用于活塞绕线槽内的激励线圈的直流供电。通过给激励线圈8供电，产生磁场，改变活塞9与外套筒10之间形成的阻尼间隙内的磁流变液屈服强度，产生可控阻尼力，从而完成振动机械能量回收。
如果激励线圈8由外部电源供电时，能量回收装置中采集转换过来的直流电也可储存在储能电路中。

Claims (4)

1.一种集成能量回收装置的磁流变阻尼器，其特征在于包括：支撑杆(1)、下端盖(2)、浮动活塞(3)、螺钉Ⅰ(4)、密封圈Ⅰ(5)、挡板(6)、螺钉Ⅱ(7)、激励线圈(8)、活塞(9)、外套筒(10)、活塞杆(11)、感应线圈(12)、感应线圈绕线架(13)、永磁铁(14)、隔片(15)、上端盖(16)、螺钉Ⅲ(17)、紧固片(18)、密封圈Ⅱ(19)、紧固销(20)、密封圈Ⅲ(21)、密封圈Ⅳ(22)、密封圈Ⅴ(23)、密封圈Ⅵ(24)、密封圈Ⅶ(25)以及锁紧螺母(26)；下端盖(2)与外套筒(10)通过螺钉Ⅰ(4)刚性连接；下端盖(2)中间加工有圆形通孔，支撑杆(1)与下端盖(2)圆形通孔间隙配合，支撑杆(1)与下端盖(2)圆形通孔之间通过密封圈Ⅶ(25)进行密封；支撑杆(1)下端头部加工有外螺纹，并通过锁紧螺母(26)进行紧固连接；浮动活塞(3)中间加工有圆形通孔，浮动活塞(3)圆形通孔内表面与支撑杆(1)外表面间隙配合，并通过密封圈Ⅵ(24)进行密封；浮动活塞(3)外圆端面与外套筒(10)内表面间隙配合，并通过密封圈Ⅰ(5)进行密封；紧固销(20)上端部和下端部分别加工有外螺纹；紧固销(20)下端部与支撑杆(1)上端部螺纹连接；永磁铁(14)中间加工有圆形通孔，永磁铁(14)圆形通孔内表面与紧固销(20)外表面过渡配合；隔片(15)中间加工有圆形通孔，隔片(15)圆形通孔内表面与紧固销(20)外表面过渡配合；隔片(15)安装在紧固销(20)上，隔片(15)下端面和支撑杆(1)上端面紧密结合；永磁铁(14)安装在紧固销(20)上，永磁铁(14)下端面和隔片(15)上端面紧密结合；永磁铁(14)以N极-N极相向，S极-S极相向的结构放置，两个永磁铁(14)之间通过一个隔片(15)隔开，8个隔片(15)和8个永磁铁(14)按照顺序依次安装在紧固销(20)上，并通过紧固片(18)压紧；紧固片(18)中间加工有螺纹通孔，紧固片(18)与紧固销(20)通过螺纹刚性连接；感应线圈绕线架(13)上加工有14个绕线槽，感应线圈(12)缠绕在感应线圈绕线架(13)绕线槽内；活塞杆(11)中间加工有圆形通孔，感应线圈绕线架(13)外表面与活塞杆(11)圆形通孔内表面间隙配合，感应线圈绕线架(13)上端面与上端盖(16)端面接触，感应线圈绕线架(13)下端面与挡板(6)端面接触；活塞(9)内表面与活塞杆(11)下端外表面过渡配合，活塞(9)通过活塞杆(11)下端的台肩进行轴向定位；活塞(9)外侧面加工有绕线槽，激励线圈(8)缠绕在活塞(9)绕线槽内；挡板(6)中间加工有圆形通孔，挡板(6)与支撑杆(1)过渡配合；挡板(6)与支撑杆(1)通过密封圈Ⅴ(23)进行密封；挡板(6)与活塞(9)通过密封圈Ⅳ(22)进行密封；活塞(9)与活塞杆(11)通过密封圈Ⅲ(21)进行密封；活塞杆(11)与外套筒(10)通过密封圈Ⅱ(19)进行密封；螺钉Ⅱ(7)用来固定挡板(6)和活塞杆(11)，同时对感应线圈绕线架(13)和活塞(9)进行轴向固定；上端盖(16)和活塞杆(11)通过螺钉Ⅲ(17)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种集成能量回收装置的磁流变阻尼器，其特征在于：能量回收装置由支撑杆(1)、活塞杆(11)、感应线圈(12)、感应线圈绕线架(13)、永磁铁(14)、隔片(15)、紧固片(18)及紧固销(20)组成；支撑杆(1)及紧固销(20)由不导磁材料制成；活塞杆(11)、感应线圈绕线架(13)、隔片(15)及紧固片(18)由导磁材料制成；能量回收装置产生的磁力线通过永磁铁(14)的N极进入隔片(15)及感应线圈绕线架(13)，到达活塞杆(11)内壁，再通过感应线圈绕线架(13)返回永磁铁(14)的S极，形成闭合磁路；感应线圈(12)由两组独立线圈组成，分别缠绕于感应线圈绕线架(13)绕线槽内；在电磁铁(14)的作用下，感应线圈(12)在往复运动中产生交流电，可通过整流电路将交流电转换为直流电，直接用于活塞(9)绕线槽内的激励线圈(8)的直流供电，产生可供阻尼力；也可储存在储能电路中。
3.根据权利要求1所述的一种集成能量回收装置的磁流变阻尼器，其特征在于：感应线圈(12)的两组独立线圈的引线A1、A2和B1、B2分别由感应线圈绕线架(13)的引线槽(103)进入感应线圈绕线架(13)上端部的引线槽(102)，然后从上端盖(16)的引线孔(101)引出；激励线圈(8)的引线C1、C2通过活塞(9)的引线槽(201)进入活塞杆(11)的引线孔(202)，然后通过感应线圈绕线架(13)的引线槽(103)进入感应线圈绕线架(13)上端部的引线槽(102)，最后从上端盖(16)的引线孔(101)引出。
4.根据权利要求1所述的一种集成能量回收装置的磁流变阻尼器，其特征在于：浮动活塞(3)、外套筒(10)及活塞(9)之间围成的封闭容腔Ⅰ和Ⅱ内填充磁流变液；浮动活塞(3)、外套筒(10)及下端盖(2)之间围成的封闭容腔Ⅲ填充压缩气体；当活塞杆(11)上下运动时，填充磁流变液的封闭容腔Ⅰ和Ⅱ的体积会发生相应变化，此时浮动活塞(3)会通过上下浮动来实现体积补偿。
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