CN106269450A - 一种采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构。包括复合在弹性基底上的磁致伸缩材料层和黏弹性材料层，电磁感应线圈以及匹配控制电路；弹性基底可以是受控对象，也可以是另外添置的、用来与受控对象连接的结构件；所述磁致伸缩材料层用于耦合弹性基底的机械变形，并基于其逆磁致伸缩效应将弹性基底的机械变形产生的机械能转化为磁能，从而产生动态磁化；所述黏弹性材料层为复合阻尼结构提供初始阻尼；所述电磁感应线圈将磁致伸缩材料层产生的磁能转化为电能后输出给匹配控制电路；所述匹配控制电路用于调控所述复合阻尼结构的阻尼大小。本发明的阻尼参数可以进行调控，且调控范围较大，对阻尼进行调控的控制电路体积小。

Description

一种采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构

技术领域

本发明涉及一种阻尼可调的减振结构，尤其涉及一种采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构。

背景技术

传统的复合阻尼结构是在受控对象上复合橡胶等黏弹性高分子材料和约束层，这种复合阻尼结构的刚度、阻尼等性能参数在使用过程中不可调节。传统的复合阻尼结构属于被动阻尼结构，一般不能调整阻尼，难以适应复杂多变的动力学环境。

随着压电材料的发展，使阻尼减振结构的性能变得可调控。将压电材料用于阻尼结构减振时，采用作为控制系统的外接分支电路与压电材料元件并联，通过匹配电感元件、电容元件以及电阻元件的不同组合和参数，可以对阻尼减振结构的刚度、阻尼、惯性等特性进行改变，从而实现对振动的主动/半主动控制。但是，压电材料用于阻尼减振结构时，仍然存在一些缺点：压电材料呈电容特性，其机械能转换为电能的输出具有高阻抗、高电压和低电流的特性，外接的控制电路电路需要大体积的匹配电感器，从而导致阻尼减振结构的控制电路体积很大；压电材料用于阻尼减振结构时，通常采用d31工作模式，即极化方向与外力方向垂直，其机电耦合系数只有0.3左右，能量转换特性较差，从而导致阻尼可调控的范围较小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构，基于磁致伸缩材料的磁致伸缩特性，该复合阻尼结构的阻尼参数可以进行调控，且调控范围较大，对阻尼进行调控的控制电路体积小。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构，包括复合在弹性基底上的磁致伸缩材料层和黏弹性材料层，电磁感应线圈以及匹配控制电路；弹性基底可以是受控对象，也可以是另外添置的、用来与受控对象连接的结构件；所述磁致伸缩材料层用于耦合弹性基底的机械变形，并基于其逆磁致伸缩效应将弹性基底的机械变形产生的机械能转化为磁能，从而产生动态磁化；所述黏弹性材料层为复合阻尼结构提供初始阻尼；所述电磁感应线圈将磁致伸缩材料层产生的磁能转化为电能后输出给匹配控制电路；所述匹配控制电路用于调控所述复合阻尼结构的阻尼大小。

进一步，所述电磁感应线圈缠绕在由黏弹性材料层、磁致伸缩材料层和弹性基组成的复合体的外部。

进一步，还包括为磁致伸缩材料层施加偏置磁场的永磁体。

进一步，所述永磁体设置在磁致伸缩材料层的一端。

进一步，所述永磁体复合在黏弹性材料层上。

进一步，还包括与磁致伸缩材料层组成闭合磁路的导磁体，所述电磁感应线圈缠绕在导磁体上。

进一步，还包括为磁致伸缩材料层施加偏置磁场的永磁体，所述永磁体位于所述导磁体的内部。

进一步，所述匹配控制电路包括并联在电磁感应线圈输出端的可调电容和可调电阻。可变电容和可变电阻与电磁感应线圈的电感构成RLC谐振回路。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明使用磁致伸缩材料进行机磁能量转换，由于磁致伸缩材料的磁机耦合系数较大，为阻尼参数的调控提供了较大的调控范围；本发明中由于实现信号转换输出的感应线圈呈电感特性的，输出电信号具有低阻抗、大电流特性，电磁感应线圈匹配所需的匹配电容体积小，从而使得整个匹配控制电路体积变小；同时，匹配控制电路能够将由械能转换为的电能量高效耦合和提取出来，存储到电容、电池等电能存储器中，为其他电子器件供电。

附图说明

图1是本发明所述采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构的一种实施例结构示意图。

图2是本发明所述采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构中匹配控制电路的一种组成示意图。

图3是本发明所述采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构的另一种实施例结构示意图。

图4是本发明所述采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构的第三种实施例结构示意图。

具体实施方式

磁致伸缩材料具有大磁弹性内耗和高磁机耦合系数，例如稀土超磁致伸缩材料TbDyFe合金的磁机耦合系数高达0.7，非晶态合金FeSiB、FeCuNbSiB等磁致伸缩材料的磁机耦合系数高达0.95，它们均可以将机械能高效地转换为磁能。本发明的基本原理是，磁致伸缩材料在振动作用下，经历动态机械变形，由于逆磁致伸缩效应发生机械能到磁能的转换，从而产生动态磁化，通过电磁感应线圈在动态磁化作用下产生电能并输出，进而在匹配控制电路的作用下实现阻尼控制，且因磁致伸缩材料的磁机耦合系数高，可以将机械能高效转换为磁能，从而能够在更大范围内调控阻尼。

本发明将磁致伸缩材料和黏弹性材料复合到弹性基底上，构成复合阻尼结构，其中弹性基底可以是受控对象，也可以是另外添置的、用来与受控对象连接的结构件。

本发明所述黏弹性材料为橡胶等具有阻尼特性的高分子材料。当复合阻尼结构处于振动作用环境并经历振动时，黏弹性材料将机械振动的能量转换为热能耗散，从而为本发明所述复合阻尼结构提供初始阻尼，该部分的阻尼具有不可调控性。

本发明所述磁致伸缩材料可将机械能高效地转换为磁能。磁致伸缩材料具有逆磁致伸缩效应，在振动的作用下发生磁能到机械能的转换，从而为所述复合阻尼结构提供另一部分阻尼，即可调控的阻尼。

本发明所述匹配控制电路采用可变电阻、可变电容等元器件与电感线圈的电感形成RLC振荡回路，从而实现匹配和高效能量耦合，使得复合阻尼结构的机电转换能量可以高效提取出来。提取的该部分电能被消耗或存储到电容、电池等电能存储器中，电能被消耗或存储在复合阻尼结构中就形成了阻尼。通过调整负载、匹配控制电路中的电容、电阻的具体参数来控制电能的消耗量或提取量，从而实现阻尼调控。

结合本发明的使用环境，在磁致伸缩材料自身不能形成闭合磁路或者电磁感应线圈的电磁感应效率较低的情况下，可以增加导磁体，与磁致伸缩材料构成闭合磁路，在导磁体上绕缠绕线圈就可以进行电磁感应。所述导磁体由导磁材料加工而成。

因为磁致伸缩材料的磁机耦合系数是随偏置磁场变化而变化，本发明可以进一步使用永磁体为磁致伸缩材料提供偏置磁场，使磁致伸缩材料工作在磁机耦合系数最大的位置，可以进一步扩大阻尼可调控的范围。

实施例1：

结合图1，本实施例包括：黏弹性材料层1、磁致伸缩材料层2、弹性基底3、电磁感应线圈4、导磁体5、永磁体6以及匹配控制电路7；所述黏弹性材料层1复合在磁致伸缩材料层2上，为复合阻尼结构提供初始阻尼；所述磁致伸缩材料层2复合在弹性基底3上，用于耦合弹性基底3的机械变形，并基于其逆磁致伸缩效应将弹性基底层3机械变形产生的机械能转化为磁能，从而产生动态磁化；所述电磁感应线圈4用于将动态磁化转换为电能以电信号输出，进而在匹配控制电路7作用下实现阻尼控制。所述导磁体5与磁致伸缩材料层2组成闭合磁路，从而使磁致伸缩材料层2产生的动态磁化可以高效耦合到导磁体5内部，使绕制在导磁体5上的电磁感应线圈4获得更大的电能输出。所述永磁体6通过导磁体5为磁致伸缩材料层2施加偏置磁场，使磁致伸缩材料2工作在磁机耦合系数最大的位置。

所述匹配控制电路7包含用于匹配的可变电容、可变电阻等元件以及电能提取和存储元件等。匹配控制的原理与现有的压电阻尼减振结构中采用的匹配控制原理基本相同，都是通过匹配电路电能的消耗或提取来对机械振动系统(受控对象)提供抑制振动的阻尼作用。关于压电阻尼减振结构的匹配控制电路可参看文献(王建军,李其汉,具有分支电路的可控压电阻尼减振技术,力学进展,2003,33卷，3期，p389-403)。压电阻尼减振结构中由于压电材料呈电容性，采用的是电阻和电感进行匹配，形成RC或RLC分流电路。本发明不同之处在于，本发明中电磁感应线圈4呈电感性，需采用电阻和电容进行匹配，以形成RL或RLC分流电路，实现最佳匹配。匹配后的电输出经过二极管整流后，采用充电电路就可为电容或电池充电，通过提取或消耗电磁感应线圈输出的电能，为受控对象以及机械振动系统提供抑制振动的阻尼。

图2给出了一种实现本发明所述匹配控制电路的原理示意图，在电磁感应线圈4的感性输出端8并联有可调电容9和可调电阻10，可调电容9和可调电阻10与电磁感应线圈4共同构成RLC振荡电路，通过调整可调电容9的电容值和可调电阻10的电阻值，使其与电磁感应线圈4的电感达到最佳匹配，获得高的输出功率，这样既可以调整阻尼大小，又可以形成较大阻尼。匹配后的输出信号为动态信号，接入到二极管整流电路11后获得直流输出信号，直流信号通过充电电路12为电能存储器13充电，电能存储器13中存储的电能可以用于为其它电子系统供电。

实施例2：

结合图3，本实施例,所示复合阻尼结构与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例没有采用导磁体，而是将电磁感应线圈4直接绕制在由黏弹性材料层1、磁致伸缩材料层2和弹性基底3形成的复合体上以实现电磁感应并将磁能转换为电能。同时，通过将永磁体6布置在磁致伸缩材料的一端，无需设置导磁体，即可实现偏置磁场的施加。

实际上，在本发明中，永磁体6可以根据使用环境灵活布置在不同的位置，只要能够为磁致伸缩材料层2施加偏置磁场，使磁致伸缩材料2工作在磁机耦合系数最大的位置即可。结合图4，在本发明中还可以将永磁体6以叠层复合的方式，布置在粘弹性材料层1的上。此时，永磁体6不但施加了偏置磁场，还约束了黏弹性材料的运动，从而提高了初始阻尼。

上述实施例都是利用磁致伸缩材料的磁机转换特性，利用复合阻尼结构感受到的机械振动产生动态磁化，再利用电磁感应线圈实现磁-电能转换，通过构建匹配控制电路实现阻尼调控；通过将感应线圈转换获得的电能量经提取和存储后，可用于为其它电子系统供电；能量耗散形式包含黏弹性高分子材料的热耗散、磁致伸缩材料的热耗散以及磁致伸缩材料的机磁(电)转换耗散，其中黏弹性高分子材料的热耗散提供初始阻尼，磁致伸缩材料机磁(电)转换耗散带来的阻尼是可控部分。

Claims (8)

1.一种采用磁致伸缩材料的可调控复合阻尼结构，其特征在于，包括复合在弹性基底上的磁致伸缩材料层和黏弹性材料层，电磁感应线圈以及匹配控制电路；

所述电磁感应线圈将磁致伸缩材料层产生的磁能转化为电能后输出给匹配控制电路；

所述匹配控制电路用于调控所述复合阻尼结构的阻尼大小。

2.如权利要求1所述可调控复合阻尼结构，其特征在于，所述电磁感应线圈缠绕在由黏弹性材料层、磁致伸缩材料层和弹性基组成的复合体的外部。

3.如权利要求2所述所述可调控复合阻尼结构，其特征在于，还包括为磁致伸缩材料层施加偏置磁场的永磁体。

4.如权利要求3所述所述可调控复合阻尼结构，其特征在于，所述永磁体设置在磁致伸缩材料层的一端。

5.如权利要求3所述所述可调控复合阻尼结构，其特征在于，所述永磁体复合在黏弹性材料层上。

6.如权利要求1所述所述可调控复合阻尼结构，其特征在于，还包括与磁致伸缩材料层组成闭合磁路的导磁体，所述电磁感应线圈缠绕在导磁体上。

7.如权利要求6所述所述可调控复合阻尼结构，其特征在于，还包括为磁致伸缩材料层施加偏置磁场的永磁体，所述永磁体位于所述导磁体的边缘或内部。

8.如权利要求1、2、3、4、5、6或者7所述可调控复合阻尼结构，其特征在于，所述匹配控制电路包括并联在电磁感应线圈输出端的可调电容和可调电阻。