CN107701644A - 一种自供能磁流变阻尼器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自供能磁流变阻尼器及其工作方法，阻尼器包括中空的活塞杆、磁流变阻尼器系统和能量回收系统，所述能量回收系统包括固设在活塞杆内部的感应线圈套，感应线圈套内设置有磁环轴，活塞杆遭受的外部冲击使得磁环轴与感应线圈套相对运动产生磁感线切割进而产生感应电流为磁流变阻尼器系统提供工作电源。本发明不仅不需要外部电源输入，可以应用在无外接电源的场所，而且结构简单、适应性强。

Description

一种自供能磁流变阻尼器及其工作方法

技术领域

本发明属于磁流变阻尼器领域，具体涉及一种自供能形式的磁流变阻尼器及其工作方法。

背景技术

阻尼器为提供运动的阻力、耗减运动能量的装置。阻尼器的工作原理是会产生一种使外力衰减的反力,称为阻尼力(或减震力)，延缓运动状态的衰减。磁流变阻尼器是近年来发展的新型阻尼器，磁流变阻尼器因具有能耗低、出力大、回应快等优点,已成为结构振动控制新一代的高性能减振装置。目前，磁流变液阻尼器在国内外已经进入工程应用阶段，主要是用于建筑、机械和汽车结构等领域。美、德、日等国家在磁流变阻尼器的研制和应用上处于领先地位。高层建筑和大型桥梁受自然界因素影响易产生振动，利用磁流变液可以制造阻尼力可调的阻尼器，以实现振动的半主动控制，通过改变自身特性来适应不断变化的振动情况，其通过传感器检测被测物的动力反应及载荷信息，反馈给控制单元，通过控制单元来控制减振机构的刚度及阻尼的改变，从而很好的适应不断变化的振动情况。国内虽然对于磁流变技术的研究晚于国外，但是近年来取得了明显的进步，国产的磁流变液及阻尼器已经进入了工程试验与试用阶段。哈尔滨工业大学的欧进萍等研制的磁流变阻尼器成功安装于山东滨州黄河公路大桥上的部分斜拉索，还成功地应用于渤海某平台。香港理工大学的倪一清等将磁流变阻尼器应用于洞庭湖大桥上，以控制斜拉索的风雨振现象，取得了良好的效果。重庆大学的廖昌荣等研制了汽车用磁流变阻尼器并进行了试验测试，取得了不错的成果。

目前,磁流变阻尼器在理论与试验研究方面都取得了很大的进展，但磁流变控制系统需要配置供电电源、传感器及控制器等设备方可工作，这导致整个系统可靠性降低，在一定程度上限制了磁流变减振技术的工程应用，在一些没办法配置外接电源的场合磁流变阻尼器无法使用，在存在电源但是突然发生断电的情况时，磁流变阻尼器会失效。所以需要可以对结构运动能量进行回收的磁流变阻尼器，在断电的情况下保证阻尼器的可靠性。现有磁流变阻尼器的结构较大，在对安装空间有限制的场所，不能很好的适应，所以需要一个既可靠，又可以有很强适应性的阻尼器。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种自供能磁流变阻尼器及其工作方法，不仅不需要外部电源输入，可以应用在无外接电源的场所，而且结构简单、适应性强。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种自供能磁流变阻尼器，包括中空的活塞杆、磁流变阻尼器系统和能量回收系统，所述能量回收系统包括固设在活塞杆内部的感应线圈套，感应线圈套内设置有磁环轴，活塞杆遭受的外部冲击使得磁环轴与感应线圈套相对运动产生磁感线切割进而产生感应电流为磁流变阻尼器系统提供工作电源。

进一步地，磁环轴在感应线圈套中的一端，磁环轴上套设有多个永磁体，磁环轴的另一端连接有端盖；所述的磁环轴上的各个永磁体通过磁体隔环隔开，并且相邻的两个永磁体的N-S极布置方向相反；感应线圈套相邻的两个线圈槽中的感应线圈绕向相反。

进一步地，磁环轴所述另一端通过螺纹连接固定在端盖上，磁环轴所述一端的永磁体和磁体隔环与磁环轴均采用过渡配合，所述另一端采用轴肩定位，所述一端通过螺栓锁紧固定。

进一步地，所述磁流变阻尼器系统包括左活塞、线圈活塞、右活塞、缸筒，左活塞、线圈活塞、右活塞依次安装在活塞杆上，左活塞、右活塞上安装有密封圈，线圈活塞上套有励磁线圈，左活塞、线圈活塞、右活塞、活塞杆外壁、缸筒内壁形成的空间内填充磁流变液，励磁线圈与感应线圈套上面缠绕的导线相连接。

进一步地，左活塞、线圈活塞、右活塞与活塞杆均为过盈配合,左活塞、右活塞和线圈活塞在活塞杆上设置为移动式。

进一步地，端盖、缸筒、活塞杆、左活塞、右活塞及磁环轴选用DT4纯铁；感应线圈套选用非磁性材料。

进一步地，自供能磁流变阻尼器的工作方法，（1）没有冲击时，活塞杆的位置不会发生移动，能量回收系统就不会发生切割磁感线运动，也就不会产生感应电流，整个磁流变阻尼器处在静止状态；（2）活塞杆遭受外部冲击时，活塞杆产生位移，与活塞杆连接的感应线圈套和磁环轴上的永磁体发生相对运动，发生切割磁感线运动，产生感应电流，感应电流经过整流电路，接入到磁流变阻尼器系统中，作为磁流变阻尼器系统的电源部分，电流输入到磁流变阻尼器系统的励磁线圈中，产生磁场，磁流变液在磁场作用下发生固化，固化后的磁流变液与缸筒之间存在剪切应力，由左活塞、右活塞的截面积与线圈活塞的截面积差在左活塞和右活塞上形成的液体压力，剪切应力和液体压力之和为该磁流变阻尼器的输出力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提出一种不需要外部电源输入的自供能磁流变阻尼器，实现对机械能的高效采集，可以应用在无外接电源的场所；该自供能磁流变阻尼器对结构进行了优化，相对于传统的磁流变阻尼器缩，体积更加小巧，适用于对安装空间有限制，输出力小的场所，并且通过对结构的设计，免去了蓄能器结构，使得结构更加简单，适应性强；同时，通过合理安排感应线圈和永磁体的布置规律，保证感应电流的最大化。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的感应线圈套线圈绕向以及磁环轴上的永磁体和磁体隔环布置图。

图1中：1-端盖，2-磁环轴，3-螺母，4-内六角螺栓，5-缸筒 ，6-左活塞，7-磁流变液，8-活塞杆，9-感应线圈，10-磁体隔环，11-永磁体，12-励磁线圈，13-感应线圈套， 14-线圈活塞，15-橡胶密封圈，16-右活塞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图所示，一种自供能磁流变阻尼器，包括中空的活塞杆8、磁流变阻尼器系统和能量回收系统，所述能量回收系统包括固设在活塞杆内部的感应线圈套13，感应线圈套内设置有磁环轴2，活塞杆8遭受的外部冲击使得磁环轴2与感应线圈套13相对运动产生磁感线切割进而产生感应电流为磁流变阻尼器系统提供工作电源。

磁流变液阻尼器系统包括左活塞6、右活塞16和线圈活塞14，左活塞6、右活塞16和线圈活塞14共同安装在活塞杆8上，其中线圈活塞14上套有励磁线圈12，在左活塞6、右活塞16和线圈活塞14、活塞杆8外壁、缸筒5内壁形成的空间填充磁流变液，在左活塞6、右活塞16上安装有橡胶密封圈15。左活塞6、右活塞16、线圈活塞14与活塞杆8的配合方式为过盈配合。左活塞6、右活塞16和线圈活塞14是一起运动的，磁流变阻尼器的工作是依靠磁流变液固化以后与缸筒5内壁的剪切应力、活塞的截面积与线圈活塞14的截面积差在两边形成的液体压力之和。磁流变阻尼器系统的缸筒5和端盖1通过内六角螺栓4连接在一起。所述的左活塞6、右活塞16和线圈活塞14是可以设置为在活塞杆8上左右移动的也可以设置为固定的。左活塞6、右活塞16和线圈活塞14固定在活塞杆8上，线圈活塞14左端采用轴肩限位。

磁环轴2和端盖1通过螺栓连接固连在一起，该结构也称为连接起能量回收系统和磁流变阻尼器系统的纽带。能量回收系统包括空心的活塞杆8内部设置的由非磁性材料制成的中空的感应线圈套13，感应线圈套13和活塞杆8内壁焊接在一起。感应线圈套13上缠有感应线圈9，磁环轴2上套有多个永磁体11和多个磁体隔环10，该端伸入非磁性材料制成的中空的感应线圈套13中，感应线圈套13的导线经过整流电路接入励磁线圈12中。

所述的感应线圈套13上相邻的两个线圈槽中的线圈绕向相反；所述的磁环轴2上的各个永磁体11通过磁体隔环10隔开，并且相邻的两个永磁体N-S极布置方向相反。该绕制方法以及磁铁布置方法使得感应线圈套13上相邻的两个线圈槽间产生的感应电流可以互相叠加，这样的设计可以产生的感应电流也是最大的。

磁环轴2左端通过螺纹连接固定在端盖1上，右端的永磁体11和磁体隔环10与磁环轴采用过渡配合，左端轴肩定位，右端通过螺栓锁紧固定。

上端盖1、缸筒5和所述的活塞杆8由必须选用导磁良好的材料制作，所以其都选用DT4纯铁；左活塞、右活塞及磁环轴必须选用导磁良好的材料制作，所以其都选用DT4纯铁；感应线圈套13为避免与永磁体的相互吸引，选用非磁性材料。

当结构没有冲击时，活塞杆8的位置不会发生移动，所以能量回收系统不会发生切割磁感线运动，也就是不会产生感应电流，整个磁流变阻尼器处在静止状态。

当结构的活塞杆8遭受外部冲击的时候，活塞杆8产生位移，活塞杆8会带动感应线圈套13和磁环轴上的永磁体11发生相对运动，发生切割磁感线运动，产生感应电流。感应电流经过整流电路，接入到磁流变阻尼器系统中，作为磁流变阻尼器的电源部分。

电流输入到磁流变阻尼器系统的励磁线圈12中，产生磁场，磁流变液在磁场作用下发生固化，固化后的磁流变液与缸筒之间存在剪切应力，由左活塞、右活塞的截面积与线圈活塞的截面积差在左活塞和右活塞上形成的液体压力，剪切应力和液体压力之和为该磁流变阻尼器的输出力。

输出力相对于传统磁流变阻尼器会更小，并且阻尼器整体结构更小，适用于对安装空间有要求，小震动，小输出力的地方。该阻尼器的工作方式为活塞运动，当磁流变液在磁场作用下固化后，会带动缸筒5与左右活塞和线圈活塞的相对运动，其运动模式也包含流动模式和剪切模式，流动模式指磁流变液在活塞挤压下会流过环形节流通道，剪切模式指外活塞与外缸筒会发生相对运动，所以外阻尼器也属剪切阀式。其相当于双输出杆，无需配置蓄能器，结构简单。

由于该磁流变阻尼器主要应用在小功率–小输出力的地方，所以自供能更容易实现。在自供能过程会随着外部力的大小产生不同大小的感应电流，从而输出力也不一样，实现自适应特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种自供能磁流变阻尼器，其特征在于：包括中空的活塞杆、磁流变阻尼器系统和能量回收系统，所述能量回收系统包括固设在活塞杆内部的感应线圈套，感应线圈套内设置有磁环轴，活塞杆遭受的外部冲击使得磁环轴与感应线圈套相对运动产生磁感线切割进而产生感应电流为磁流变阻尼器系统提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的自供能磁流变阻尼器，其特征在于：磁环轴在感应线圈套中的一端，磁环轴上套设有多个永磁体，磁环轴的另一端连接有端盖；所述的磁环轴上的各个永磁体通过磁体隔环隔开，并且相邻的两个永磁体的N-S极布置方向相反；感应线圈套相邻的两个线圈槽中的感应线圈绕向相反。

3.根据权利要求2所述的自供能磁流变阻尼器，其特征在于：磁环轴所述另一端通过螺纹连接固定在端盖上，磁环轴所述一端的永磁体和磁体隔环与磁环

轴均采用过渡配合，所述另一端采用轴肩定位，所述一端通过螺栓锁紧固定。

4.根据权利要求1-3之一所述的自供能磁流变阻尼器，其特征在于：所述磁流变阻尼器系统包括左活塞、线圈活塞、右活塞、缸筒，左活塞、线圈活塞、右活塞依次安装在活塞杆上，左活塞、右活塞上安装有密封圈，线圈活塞上套有励磁线圈，左活塞、线圈活塞、右活塞、活塞杆外壁、缸筒内壁形成的空间内填充磁流变液，励磁线圈与感应线圈套上面缠绕的导线相连接。

5.根据权利要求4所述的自供能磁流变阻尼器，其特征在于：左活塞、线圈活塞、右活塞与活塞杆均为过盈配合,左活塞、右活塞和线圈活塞在活塞杆上设置为移动式。

6.根据权利要求5所述的自供能磁流变阻尼器，其特征在于：端盖、缸筒、活塞杆、左活塞、右活塞及磁环轴选用DT4纯铁；感应线圈套选用非磁性材料。

7.根据权利要求1-6之一所述的自供能磁流变阻尼器的工作方法，其特征在于：（1）没有冲击时，活塞杆的位置不会发生移动，能量回收系统就不会发生切割磁感线运动，也就不会产生感应电流，整个磁流变阻尼器处在静止状态；（2）活塞杆遭受外部冲击时，活塞杆产生位移，与活塞杆连接的感应线圈套和磁环轴上的永磁体发生相对运动，发生切割磁感线运动，产生感应电流，感应电流经过整流电路，接入到磁流变阻尼器系统中，作为磁流变阻尼器系统的电源部分，电流输入到磁流变阻尼器系统的励磁线圈中，产生磁场，磁流变液在磁场作用下发生固化，固化后的磁流变液与缸筒之间存在剪切应力，由左活塞、右活塞的截面积与线圈活塞的截面积差在左活塞和右活塞上形成的液体压力，剪切应力和液体压力之和为该磁流变阻尼器的输出力。