CN105605146A - 一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备，属于机械力的控制领域。本发明包括旋转电机、惯性力产生单元、阻尼力产生单元和直线电机；其中惯性力产生单元包括滚动轴承、旋转叶轮轴和质量式叶轮，阻尼力产生单元包括惯性质量液压缸筒、阻尼细管、气室、自由活塞、主阻尼器液压缸筒、液室和主阻尼器活塞，直线电机包括动子轴式活塞杆、动子磁极、电机绕组、动子磁轭。质量式叶轮固定于旋转叶轮轴上，可以随着油液的流动而绕旋转叶轮轴进行旋转，将液体的部分动能转化为质量式叶轮的动能。本发明将动力吸振设备与阻尼设备一体化布置，通过改变电学参数，改变惯性特性和阻尼特性，实现设备的阻尼与惯性特性可控。

Description

一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备

技术领域

本发明属于机械力的控制领域，尤其是应用动力吸振的力控制设备领域。本发明涉及一种叶轮式结构惯性阻抗与电机产生的电学阻抗耦合而成的可控惯性和可控阻尼的设备，尤其涉及一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备。

背景技术

目前，力控制设备的应用十分广泛，例如被用于车辆减振领域、桥梁、建筑物隔振领域等。但基于传统隔振理论的隔振系统在解决减振效果的最佳化与设备工作空间的矛盾方面，不能提出有效的解决方案，阻碍了隔振技术的进一步发展。根据机电相似性原理，将机械系统之中的力流与电学系统中的电流、机械系统中的速度与电学系统中的电压分别对应起来，在原有“弹簧-阻尼”两元件结构的基础上增加惯性设备，实现了既能够缓冲并衰减高频振动和冲击，也能缓冲并衰减低频振动和冲击的动力吸振式隔振结构。

国内外诸多学者对动力吸振设备结构的设计优化问题开展研究，对机械网络结构运用鲁棒控制等算法，按照隔振性能指标得出目标传递函数，再通过网络综合得到的拓扑结构比较复杂，并且会得到包含杠杆元件的结构，实际布置起来相当困难。如果要实现元件参数可控，就更极大的增加了设备的复杂性，所以性能优良的复杂阻抗形式在机械式隔振设备的实际运用中很难实现。

中国专利CN201180015595.2公开了一种阻尼和惯性液压设备用于控制机械力，对于其参数的控制，主要是通过改变周围磁场，改变设备内磁流变液的粘度，以此来实现设备参数的可控；但是磁流变液价格昂贵，并且对于工作环境要求也较高，难以普及。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备，将惯性设备一体化布置，同时，在原有的液压机械一体结构上又耦合了电机元件，通过直线电机调节阻尼特性、旋转电机调节惯性特性，可有效解决现有含惯性质量元件的隔振系统优良的性能与复杂阻抗形式之间的矛盾问题，并且具有布置灵活简便，加工与安装方便，设备参数可控的优点。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备，包括旋转电机、惯性力产生单元、阻尼力产生单元和直线电机；

所述惯性力产生单元包括滚动轴承、旋转叶轮轴和质量式叶轮；

所述阻尼力产生单元包括惯性质量液压缸筒、阻尼细管A、阻尼细管B、气室、自由活塞、主阻尼器液压缸筒、液室和主阻尼器活塞；

所述旋转电机固定于惯性质量液压缸筒上，并与设置在所述惯性质量液压缸筒中的旋转叶轮轴相连；所述旋转叶轮轴上固定有质量式叶轮，所述质量式叶轮与旋转叶轮轴一起可绕着滚动轴承旋转；

所述惯性质量液压缸筒通过阻尼细管A及阻尼细管B与主阻尼器液压缸筒相连，主阻尼器液压缸筒顶部设有自由活塞，自由活塞将主阻尼器液压缸筒分为气室和液室，液室中设有主阻尼器活塞，所述主阻尼器活塞与直线电机相连。

进一步，所述直线电机，包括：动子轴式活塞杆、动子磁极、电机绕组和动子磁轭，所述动子轴式活塞杆从直线电机工作腔经由支撑端面伸入主阻尼器液压缸筒中，并与所述主阻尼器活塞相固结；所述动子轴式活塞杆上从内至外依次固定有动子磁轭和动子磁极；所述动子磁极上绕有电机绕组。

进一步，所述气室里充有氮气或空气。

进一步，所述惯性质量液压缸筒与主阻尼器液压缸筒内均布满不可压缩油液，且严格密封。

进一步，所述阻尼设备通过直线电机来调节阻尼特性，实现对阻尼力的可控操作。

本发明可以达到的技术效果是：本发明所实现的阻尼与惯性特性可控操作即改变电学参数：直线电机改变阻尼特性、旋转电机改变惯性特性，通过机电液共同作用实现设备的阻尼与惯性特性可控，实现隔振设备随着实际工况动态调整其元件参数，达到最佳隔振效果，使机械设备始终处于最佳工作状态。

附图说明

图1为本发明机电液耦合式可控惯性和阻尼设备示意图；

图2为本发明直线电动机示意图；

图3为本发明旋转电机的剖视图。

图中：1-旋转电机；2-惯性力产生单元；3-阻尼力产生单元；4-直线电机；5-滚动轴承；6-旋转叶轮轴；7-质量式叶轮；8-惯性质量液压缸筒；9A-阻尼细管；9B-阻尼细管；10-气室；11-自由活塞；12-主阻尼器液压缸筒；13-液室；14-主阻尼器活塞；15-动子轴式活塞杆；16-动子磁极；17-电机绕组；18-动子磁轭；19-旋转电机定子；20-旋转电机转子；21-旋转电机壳体。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1为机电液耦合式可控惯性和阻尼设备示意图，包括旋转电机1、惯性力产生单元2、阻尼力产生单元3和直线电机4。

所述惯性力产生单元2包括滚动轴承5、旋转叶轮轴6和质量式叶轮7；质量式叶轮7为一种质量不可忽略的叶轮，起到质量元件的动力吸振作用；质量式叶轮7可带动旋转叶轮轴6及旋转电机1的转子一起旋转，从而产生惯性力，并能够通过旋转电机1的控制来实现惯质系数的可调，很好的代替了传统的飞轮，形成了质量叶轮式的力控制设备；质量式叶轮7可采用了多叶轮方式(图1所示)，根据不同的车型可增加、减少叶轮数量，或改变叶轮的几何参数，以使得设备获得最佳的惯质系数，使隔振系统能够发挥最大的减振效果。

所述阻尼力产生单元3包括惯性质量液压缸筒8、阻尼细管9A、阻尼细管9B、气室10、自由活塞11、主阻尼器液压缸筒12、液室13、主阻尼器活塞14；所述惯性质量液压缸筒8与主阻尼器液压缸筒12内均布满不可压缩油液，且严格密封；

所述旋转电机1固定于惯性质量液压缸筒8上，并与设置在所述惯性质量液压缸筒8中的旋转叶轮轴6相连；所述旋转叶轮轴6上固定有质量式叶轮7，所述质量式叶轮7与旋转叶轮轴6一起可绕着滚动轴承5旋转；

所述惯性质量液压缸筒8分别通过阻尼细管9A与液室13相连、阻尼细管9B与主阻尼器活塞14下部腔室相连，形成连通回路，油液可以在两液压缸筒内流动；主阻尼器液压缸筒12顶部设有自由活塞11，所述自由活塞11是有一定厚度的橡胶制成的圆柱体；自由活塞11将主阻尼器液压缸筒12分为气室10和液室13，所述气室10里充有氮气或空气，起到充气式减振器的作用，有效改善隔振系统的减振效果；

液室13中设有主阻尼器活塞14，所述主阻尼器活塞14与直线电机4相连；

所述直线电机4，包括：动子轴式活塞杆15、动子磁极16、电机绕组17和动子磁轭18，如图2所示；所述动子轴式活塞杆15从直线电机4工作腔经由支撑端面伸入主阻尼器液压缸筒12中，并与所述主阻尼器活塞14相固结；所述动子轴式活塞杆15上从内至外依次固定有动子磁轭18和动子磁极16；所述动子磁极16上绕有电机绕组17。

所述旋转电机1包括：旋转电机定子19、旋转电机转子20、旋转电机壳体21，如图3所示；旋转电机转子20在磁轭上沿圆周方向配置有多个铁氧体磁铁制的永久磁铁，并固定于旋转叶轮轴6顶部。旋转电机定子19沿圆周方向配置有多个包含铁芯的定子齿，并固定于惯性质量液压缸筒8顶部。定子齿通过其外周卷绕的电线通电而进行励磁，在永久磁铁与定子齿之间产生引力，使不同的定子齿连续地励磁，从而在转子与定子之间产生作用力矩，调节惯质系数参数，实现其可控。

本发明所述的阻尼设备是通过直线电机4来调节阻尼特性，实现对阻尼力的可控操作。

整个设备的阻抗是由机械阻抗与电学阻抗共同耦合而成的复合阻抗，因为机械元件参数已经固定，在实际应用过程中难以通过改变机械阻抗实现复合阻抗的可变；所以利用机械结构提供基础阻尼力与惯性力，通过改变电学参数的方案实现对复合阻抗的控制，即可以通过改变电学阻抗形式实现复合阻抗的改变。

电机阻抗的表达式为：

$\frac{{\hat{I}}_a\left(s\right)}{{\hat{V}}_g\left(s\right)}=\frac{1}{R_a+{\mathrm{sL}}_a+Z_e\left(s\right)}---\left(1\right)$

式中：为感应电动势V_g的拉式变换，为感应电流I_a的拉式变换，R_a为电机等效电阻，L_a为电机等效电感，Z_e为外接电路阻抗。

电机感应电动势V_g的表达式为：

V_g＝k_ev_a(2)

其中，k_e为电机电动势常数，v_a是动子轴式活塞杆15的速度。

电磁力T_e的表达式为：

T_e＝k_qI_a(3)

其中，k_q为电机力矩常数。

旋转电机1与惯性力产生单元2的复合动力学方程为：

$J_m\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=T-T_e-B_m\mathrm{\ω}---\left(4\right)$

其中，T为外部机械力力矩，B_m为惯性力产生单元2固有的惯质系数，J_m为质量式叶轮7的转动惯量,ω为旋转电机的角速度。

将公式(4)进行拉普拉斯变换，得

$J_{m}s\widehat{\mathrm{\ω}}\left(s\right)=\hat{T}\left(s\right)-{\hat{T}}_e\left(s\right)-B_m\widehat{\mathrm{\ω}}\left(s\right)---\left(5\right)$

此外，还有

$\widehat{\mathrm{\ω}}\left(s\right)=\frac{1}{R}\hat{v}\left(s\right)---\left(6\right)$

$\hat{F}\left(s\right)=\frac{1}{R}\hat{T}\left(s\right)---\left(7\right)$

其中为外部力F(s)的拉式变换，R为旋转电机转子半径，为电机转速v(s)的拉式变换。

由公式(5)、(6)、(7)得

$J_{m}s\frac{1}{R}\hat{v}\left(s\right)=\hat{F}\left(s\right)R-k_q{I}_a-B_m\frac{1}{R}\hat{v}\left(s\right)---\left(8\right)$

由公式(8)得到旋转电机1与惯性力产生单元2的复合阻抗的表达式为：

$\frac{\hat{F}\left(s\right)}{\hat{v}\left(s\right)}=J_{m}s\frac{1}{R^2}+\frac{1}{R}\frac{k_e{k}_q}{R_a+{\mathrm{sL}}_a+Z_e\left(s\right)}+B_m\frac{1}{R^2}---\left(9\right)$

同理，可得直线电机4与阻尼力产生单元3的复合阻抗的表达式为：

$\frac{\hat{F}{\left(s\right)}^{\′}}{\hat{v}{\left(s\right)}^{\′}}=m^{\′}s+\frac{{k_e}^{\′}{k_q}^{\′}}{{R_a}^{\′}+{{\mathrm{sL}}_a}^{\′}+Z_e{\left(s\right)}^{\′}}---\left(10\right)$

其中，m′为直线电机动子轴式活塞杆15的质量。

由此可以看出，通过对电流I_a的控制，电磁力T_e随之改变，进而控制的大小，由此可通过改变电学阻抗实现装置复合阻抗的可控。

本发明所述的用于控制机械力的一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备，可用于车辆、工程机械、桥梁、建筑物、直升机螺旋桨等诸多领域的减振。在实际布置时，本发明所述的一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备需要与弹簧元件(≥1根)并联使用，形成一个隔振系统，防止隔振设备被需隔振设备的重力压坏导致击穿，丧失隔振功能。

下面结合该装置的工作过程来进一步说明。

动子轴式活塞杆15与振动产生源相连，主阻尼器液压缸筒12与需隔振设备相连，机电液耦合式可控惯性和阻尼设备并联一根弹簧元件。当产生振动时，振动力作用于动子轴式活塞杆15上，带动主阻尼器活塞14推动油液在主阻尼器液压缸筒12及惯性质量液压缸筒8之间运动，油液流过质量式叶轮7时推动质量式叶轮7及旋转叶轮轴6一同旋转，产生惯性蓄能效应，即将振动的能量转化为质量式叶轮7旋转的动能存储起来。由于动子轴式活塞杆15进入主阻尼器液压缸筒12内部使缸内面积减小，所以要设置一个气室做补偿，缸内油液通过对自由活塞11施加压力，进而压缩气室10内气体，使其体积减小以补偿动子轴式活塞杆15进入液压缸筒12的体积。当需要对隔振设备参数进行控制时，可以控制旋转电机与直线电机的电压来分别调节惯质系数以及阻尼系数，使其始终工作在最佳隔振状态。

相对于主动、半主动悬架的参数调控机理，本发明将动力吸振设备与阻尼设备一体化布置，实现了设备轻量化，装置响应速度也更快，并具有更优越的动态性能，且原理简单，可以实现更为复杂的悬架复合阻抗形式，具有更广阔的应用前景。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备，其特征在于，包括旋转电机(1)、惯性力产生单元(2)、阻尼力产生单元(3)和直线电机(4)；

所述惯性力产生单元(2)包括滚动轴承(5)、旋转叶轮轴(6)和质量式叶轮(7)；

所述阻尼力产生单元(3)包括惯性质量液压缸筒(8)、阻尼细管(9A)、阻尼细管(9B)、气室(10)、自由活塞(11)、主阻尼器液压缸筒(12)、液室(13)和主阻尼器活塞(14)；

所述旋转电机(1)固定于惯性质量液压缸筒(8)上，并与设置在所述惯性质量液压缸筒(8)中的旋转叶轮轴(6)相连；所述旋转叶轮轴(6)上固定有质量式叶轮(7)，所述质量式叶轮(7)与旋转叶轮轴(6)一起可绕着滚动轴承(5)旋转；

所述惯性质量液压缸筒(8)通过阻尼细管(9A)及阻尼细管(9B)与主阻尼器液压缸筒(12)相连，主阻尼器液压缸筒(12)顶部设有自由活塞(11)，自由活塞(11)将主阻尼器液压缸筒(12)分为气室(10)和液室(13)，液室(13)中设有主阻尼器活塞(14)，所述主阻尼器活塞(14)与直线电机(4)相连。

2.根据权利要求1所述的一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备，其特征在于，所述直线电机(4)，包括：动子轴式活塞杆(15)、动子磁极(16)、电机绕组(17)和动子磁轭(18)，所述动子轴式活塞杆(15)从直线电机(4)工作腔经由支撑端面伸入主阻尼器液压缸筒(12)中，并与所述主阻尼器活塞(14)相固结；所述动子轴式活塞杆(15)上从内至外依次固定有动子磁轭(18)和动子磁极(16)；所述动子磁极(16)上绕有电机绕组(17)。

3.根据权利要求1所述的一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备，其特征在于，所述气室(10)里充有氮气或空气。

4.根据权利要求1所述的一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备，其特征在于，所述惯性质量液压缸筒(8)与主阻尼器液压缸筒(12)内均布满不可压缩油液，且严格密封。

5.根据权利要求1所述的一种机电液耦合式可控惯性和阻尼设备，其特征在于，所述阻尼设备通过直线电机(4)来调节阻尼特性，实现对阻尼力的可控操作。