專利名稱：逆變型磁流變阻尼器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型磁流變阻尼器，所提出的逆變型磁流變阻尼器可應用于建筑結構減振控制及機車減振。亦可用于制作用于航天、電子、化工、能源、儀表、醫(yī)療、衛(wèi)生等領域的阻尼器、制動器、離合器、液壓閥等。
背景技術：
磁流變阻尼器是一類利用磁流變液作為工作介質的半主動控制裝置。磁流變液是由細小的軟磁性顆粒分散于載液中形成的隨外加磁場變化而具有可控流變特性的懸浮液體；當磁流變液受到磁場作用時，其粘度系數將會隨之增加，當其受到強磁場作用時就會變成類似“固體”的狀態(tài)，流動性消失，一旦去掉磁場后，又變成可以流動的液體。磁流變阻尼器利用磁流變液的流變特性，在阻尼器上設置存在磁場的阻尼通道，當阻尼器活塞與缸體發(fā)生相對運動時，則會擠壓缸中的磁流變液，使其從阻尼通道流過，當阻尼通道沒有磁場作用時磁流變液表現為粘性流體，若對阻尼通道內施加磁場時，阻尼通道內的磁流變液發(fā)生硬化而成為粘塑性體，導致活塞運動的阻尼力增大。調節(jié)磁場強度可以改變磁流變液的屈服強度，從而可以調節(jié)阻尼器的阻尼力的大小。
對于現有技術的磁流變阻尼器，無論電磁磁路部件形式上如何復雜，其結構示意圖都可如圖1表示，勵磁線圈1繞制于導磁材料3上，具有一定強度的導磁材料3在阻尼器中構成氣隙形式的阻尼通道。當勵磁線圈1通電時，在氣隙4將建立磁場，處于氣隙中的磁流變液將發(fā)生“固化”而發(fā)生類似相態(tài)改變而引起磁流變阻尼器阻尼的改變。
現有技術磁流變阻尼器的一種典型結構如圖14所示，阻尼器缸體9內充有磁流變液13，中部挖槽的活塞8上繞制有勵磁線圈1，勵磁線圈1外部設置有保護線圈不受磨損的隔磁護套17，勵磁線圈1的引線由中空的活塞桿7引出。當勵磁線圈1有電流通過時，在具有一定導磁能力的活塞8和缸體9之間的間隙中將產生磁場，從而引起處于間隙4中的磁流變液的相態(tài)改變以改變阻尼器的阻尼。其不足之處是阻尼器通電流時阻尼增大，導致阻尼器工作在大阻尼狀態(tài)時對能源依賴性增加。對于大多數的工程應用情況，較大阻尼狀態(tài)對減振控制是比較有利的，維持一定的阻尼力是磁流變阻尼器發(fā)揮其控制能力的重要前提。磁流變阻尼器在大阻尼狀態(tài)需要10～100W左右的電能供應，雖然這種能源需求在大多數情況下是可以滿足的，但是如果磁流變阻尼器在日常應用中作為類似被動摩擦阻尼器為受控對象提供一定的剛度和阻尼時，其能源消耗和維護則成為一個推廣應用的限制性因素。另外磁流變阻尼器長期處于零磁場狀態(tài)時磁流變液也易引起凝聚和沉降。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現有磁流變阻尼器在日常應用中需要持續(xù)的電流供應，在控制律失效時控制效果惡化等缺點，通過在磁流變阻尼器中設置永磁體以建立永磁磁場來保證阻尼器在電源切斷時能夠工作在大阻尼狀態(tài)，并且通過勵磁線圈調節(jié)磁路氣隙中磁場的大小，保證阻尼的可調節(jié)性。通過合理的設置線圈和永磁體，可以提高磁流變阻尼器的工程實用性和工作可靠性。
為解決上述技術問題，本發(fā)明對磁流變阻尼器磁路部分進行了改造，基本構思是在磁路部分同時設置勵磁線圈和永磁體，由勵磁磁場與永磁磁場組成復合磁路，在線圈不通過電流時，阻尼間隙處的磁場由永磁體產生，當線圈通電時，線圈用以產生與永磁場反向磁場，磁力線由線圈和永磁體形成閉合，從而導致阻尼間隙處磁通減小。永磁體和勵磁線圈的布置遵循圖2的原則，由工作氣隙4構成阻尼通道，永磁體2通過導磁材料3與工作氣隙4形成磁回路。勵磁線圈1與永磁體2平行并聯布置并設置輔助氣隙5。當線圈通電時，永磁體2與勵磁線圈1通過輔助氣隙5形成磁回路。磁流變阻尼器的磁路部分與阻尼器的活塞桿、缸蓋等部件用隔磁材料予以磁絕緣連接。
本發(fā)明的技術方案如圖3～圖13所示，所述的逆變型磁流變阻尼器，包括有缸體、缸體內設置的活塞，與其連接的活塞桿，缸體兩端依次設置的密封導向裝置及缸蓋，缸體內腔充有作為阻尼介質的磁流變液，缸體內設置有可產生磁場的導磁體和勵磁線圈及工作氣隙組成的電磁磁路部件；其中缸體由主缸，或主缸和副缸，或主缸和旁通缸組成，其特征在于在電磁磁路部件的磁路部分同時設置勵磁線圈和永磁體，由勵磁磁場與永磁磁場組成復合磁路，并且電磁磁路中還設置有輔助氣隙5，以保證在電源切斷時，永磁體2產生的永磁磁場由工作氣隙4通過，而使得阻尼器能夠工作在大阻尼狀態(tài)。由于勵磁線圈1與永磁體2平行并聯布置，當線圈不通電流時永磁體2產生的磁通由氣隙4形成回路，當線圈通電流時勵磁線圈1產生的勵磁磁場與永磁磁場通過輔助氣隙5形成回路，輔助氣隙5為隔磁材料制成的隔磁環(huán)。導磁體3的受力部分設有保護作用的耐磨金屬護套14。
所述的逆變型磁流變阻尼器，其特征在于當選用的逆變型磁流變阻尼器的活塞8為中部挖槽的活塞時，所述的電磁磁路部件可設置在活塞8的挖槽內，活塞與缸體之間的間隙為形成阻尼通道的工作氣隙4，活塞8由不導磁的中心連桿15連接為整體，勵磁線圈1繞制在筒狀的導磁體鐵芯3a上，導磁體鐵芯3a中段斷開設置有隔磁材料制成的隔磁環(huán)以形成輔助氣隙5，導磁體鐵芯3a套在中心連桿15上并與勵磁線圈1端部的導磁體3緊貼，在勵磁線圈1的外圈與與勵磁線圈1端部的導磁體3之間設置有筒狀的隔磁護套17，永磁體2均勻嵌裝于隔磁護套17的內部。
所述的逆變型磁流變阻尼器中的電磁磁路部件可設置在缸體內一端密封裝置內側，當選用的阻尼器上設有內缸20和外缸間通過通液孔21與內缸內部連通時，電磁磁路部件的外側為圓盤狀的導磁體3，中心部分為導磁體鐵芯3a，勵磁線圈1繞制于導磁體鐵芯3a上，導磁體鐵芯3a伸出部分與勵磁線圈1外的導磁體3伸出部分圍成工作氣隙4，處于勵磁線圈1內部的導磁體鐵芯3a靠近密封裝置的一端設置有輔助氣隙5，另一端在導磁體3和導磁體鐵芯3a之間設置有保護線圈不受磨損的盤形隔磁護套17，永磁體2嵌于隔磁護套17內，永磁體2的一個磁極與線圈內部的導磁體鐵芯3a緊密連接，另一磁極與線圈外部的導磁體3緊密連接。
所述的逆變型磁流變阻尼器，其特征在于當選用的阻尼器上設有通過通液孔21與其內部相連的旁通缸22時，所述的電磁磁路部件可位于旁通缸22內，旁通缸22的中心為導磁材料構成的導磁芯軸3b，導磁芯軸3b與包裹勵磁線圈1的L型的柱狀導磁體之間的間隙為磁場作用的工作氣隙4，工作氣隙4與勵磁線圈1之間設有隔磁護套17，永磁體2均勻嵌裝于筒形隔磁護套17內，勵磁線圈1外的中部為隔磁體構成的環(huán)形輔助氣隙5。
所述的逆變型磁流變阻尼器中的電磁磁路部件可位于缸體內兩側密封裝置之間，缸體內壁設置有隔磁護套17，永磁體2均勻嵌裝于筒形隔磁護套17內，勵磁線圈1繞制于隔磁護套17的外部，勵磁線圈1的外部及端部為高磁導率的導磁體3，導磁體3與活塞8之間形成的間隙為工作氣隙4，在勵磁線圈1外側的中部位置設置為環(huán)形隔磁材料構成的輔助氣隙5。
本發(fā)明提出的逆變型磁流變阻尼器由于采取了包含線圈和永磁體的復合磁路，使得磁流變阻尼器具有了大電流小阻尼，小電流大阻尼的獨特逆變性能，在能源不足、控制系統癱瘓時仍能有效地工作，因而比常規(guī)磁流變阻尼器更具工作可靠性和實用價值。


圖1現有技術磁流變阻尼器的等效磁路原理圖；圖2是本發(fā)明提出的逆變型磁流變阻尼器磁路原理圖；圖3是本發(fā)明一種形式的逆變型磁流變阻尼器剖視圖；圖4是圖3中磁路部分的局部放大圖；圖5是圖4的A-A截面剖視圖；圖6本發(fā)明提出的另一種形式的逆變型磁流變阻尼器剖視圖；圖7是圖6中磁路部分的局部放大圖；圖8是圖7的A-A截面剖視圖；圖9本發(fā)明提出的另一種形式的逆變型磁流變阻尼器剖視圖；圖10是圖9中磁路部分的局部放大圖；圖11是圖10的A-A截面剖視圖；圖12本發(fā)明提出的另一種形式的逆變型磁流變阻尼器剖視圖；圖13是圖12的A-A截面剖視圖；圖14現有技術磁流變阻尼器的結構剖視圖。
圖中1-勵磁線圈11-密封導向裝置2-永磁體 12-連接耳環(huán)3-導磁體 13-磁流變液3a-導磁鐵芯 14-耐磨活塞套3b-導磁芯軸 15-中心連桿4-工作氣隙16-副缸5-輔助氣隙17-隔磁護套6-磁力線 18-旁通管7-活塞桿 19-體積補償腔8-活塞20-內缸9-缸體21-通液孔10-缸蓋 22-旁通缸23-端蓋與密封
具體實施例方式
本發(fā)明提出的逆變型磁流變阻尼器除電磁磁路部分外其它結構與現有技術設計的磁流變阻尼器相同。所述的電磁磁路部分如圖2所示，電磁磁路中設置有輔助氣隙5及永磁體2，合理設置輔助氣隙5的大小，可以保證當勵磁線圈1沒有電流通過時，由永磁體2產生的磁通基本不通過輔助氣隙5，而主要由構成阻尼通道的工作氣隙4形成回路；當勵磁線圈1通過一定方向的電流時，勵磁線圈1產生的勵磁磁場與永磁磁場通過輔助氣隙5形成回路，從而導致永磁體產生的磁場基本不通過構成阻尼通道的工作氣隙4，或者在理論上也可以認為勵磁磁場在工作氣隙4產生了與永磁磁通大小相等，方向相反的磁通，從而使得工作氣隙4等效合成磁場為零。這種磁路設計，避免了勵磁磁場對永磁體的消磁效應，并且可以有效的實現工作氣隙4的磁場逆變。所述的永磁體可采用具有高剩磁和高磁能積的燒結釹鐵硼(Nd2Fe14B1)、硬磁鐵氧體或鉆稀土永磁體等；導磁材料可采用電工軟鐵、硅鋼、鐵鎳合金或磁性能良好的低碳鋼；隔磁材料可采用青銅合金或無磁高強鋁合金。
現有技術的磁流變阻尼器按工作模式不同可分為磁流變阻尼器可以分為流動型(兩極板固定，流體流動；閥式)、剪切型(極板有切向相對運動；離合器式)、擠壓型(極板有相向相對運動；壓縮式)。針對不同的工作模式，本發(fā)明所提出的四種具體實施方案如圖3～圖13所示。
如圖3所示為本發(fā)明提出的一種剪切式逆變型磁流變阻尼器的結構圖。阻尼器除電磁磁路部件外與現有技術的磁流變阻尼器無異。在缸體9一端的缸蓋10與密封導向裝置11之間設置有副缸16，活塞8兩端的活塞桿7的一端通過密封導向裝置11伸入副缸16內，另一端通過密封裝置穿出缸蓋。電磁磁路部件位于中部挖槽的活塞8內，如圖4、圖5所示，磁流變阻尼器的阻尼通道為活塞與缸體之間的間隙，也就是基本磁路中的工作間隙4。當活塞與缸體發(fā)生相對運動時，處于活塞和缸體間的磁流變液會產生剪切性流動?；钊胁繛槁撓祷钊鞑考约盎钊麠U的中心連桿15，中心連桿15采用具有足夠強度的隔磁材料加工而成；中間挖空的高導磁鐵芯3a套于中心連桿15外部，并于活塞中部設有輔助氣隙5，輔助氣隙為隔磁材料制成的隔磁環(huán)；在導磁鐵芯3a中部的環(huán)形槽內繞制有勵磁線圈1，線圈1外圈為嵌裝有棒狀永磁體2的隔磁材料加工的筒形護套17，棒形的永磁體2均勻嵌裝于隔磁護套17中部。在活塞8的兩端為具有一定強度的耐磨活塞套筒14，用于保護強度較低的導磁材料不受磁流變液的磨蝕。勵磁線圈引線的引出方式與現有技術的磁流變阻尼器相同。
如圖6所示為本發(fā)明提出的逆變型磁流變阻尼器的另一種流動式實現方式。阻尼器除電磁磁路部件外與現有技術的磁流變阻尼器無異。阻尼器缸體由內缸20和外缸9兩部分組成，外缸9上設置有體積補償腔19，阻尼器一端通過設置于內缸上的通液孔21使得內缸20和外缸9之間的間隙與內缸內部導通。另一端經由工作氣隙4使內缸20和外缸9之間的間隙與內缸內部導通。電磁磁路部件位于缸體內一端密封裝置內側，如圖7、圖8所示，其外側為圓盤狀的導磁體3，中心部分為導磁體鐵芯3a，勵磁線圈1繞制于導磁體鐵芯3a上，導磁體鐵芯3a伸出部分與勵磁線圈1外的導磁體3伸出部分圍成工作氣隙4，當活塞與缸體發(fā)生相對運動時，會壓迫磁流變液使之經由內缸20和外缸9之間的間隙而流過設置于阻尼器一端的工作氣隙4產生阻尼力。處于線圈內部的導磁鐵芯的一端設有隔磁材料構成的輔助氣隙5，一端設置有放射狀的永磁體2，永磁體2嵌于隔磁護套17內以避免受力磨損。永磁體2的一個磁極與線圈內部的導磁體鐵芯3a緊密連接，另一磁極與線圈外部的導磁體3緊密連接。導磁體3與內缸和外缸連接部位為工作氣隙4和通液孔21，合理設置工作氣隙4的間隙大小和輔助氣隙5的大小，可以保證線圈不通電流時永磁體2激發(fā)的磁場大部分由工作氣隙4通過。
如圖9所示為本發(fā)明提出的另一種流動式逆變型阻尼器的實現方式。阻尼器除電磁磁路部件外與現有技術的磁流變阻尼器無異。在缸體9一端的缸蓋10與密封導向裝置11之間設置有副缸16，活塞8兩端的活塞桿7的一端通過密封導向裝置11伸入副缸16內，另一端通過密封裝置穿出缸蓋。阻尼器缸體9內部通過通液孔21與旁通缸22相連，阻尼器中的電磁磁路部件設置于旁通缸22內，如圖10、圖11所示。旁通缸22的中部為導磁材料構成的導磁芯軸3b，芯軸與包裹勵磁線圈1的L型的柱狀導磁體3之間的間隙為磁場作用的工作氣隙4。當阻尼器的活塞8在缸體內運動時，會擠壓缸中的磁流變液，使其從通液孔21流經工作氣隙4。工作氣隙4內磁場發(fā)生變化時將引起位于其內的磁流變液發(fā)生相態(tài)改變而改變阻尼器的阻尼。工作氣隙4與勵磁線圈1之間設有隔磁護套17，棒形的永磁體2均勻嵌裝于筒形隔磁護套17內，勵磁線圈1外的中部為隔磁體構成的環(huán)形輔助氣隙5。
如圖12所示為本發(fā)明提出的一種擠壓式逆變型阻尼器的實現方式。阻尼器除電磁磁路部件外與現有技術的磁流變阻尼器無異。缸體兩端為端蓋與密封裝置23，具有一定強度的導磁材料制作的活塞8位于缸體中部，兩端連接穿過缸蓋伸出缸體的活塞桿7，電磁磁路部件位于密封裝置之間的缸體內腔內，如圖13所示，工作氣隙4為導磁材料3與活塞8之間形成的間隙，當阻尼器活塞8發(fā)生小幅度運動時會擠壓處于工作氣隙4中的磁流變液，使之發(fā)生擴散性擠壓流動而引起阻尼出力。缸體的內壁為均勻嵌有棒形永磁體2的隔磁護套17，勵磁線圈1繞制于隔磁護套17外部，勵磁線圈的外部及端部為高磁導率的導磁材料3，并且在線圈的中部位置設置環(huán)形隔磁材料構成的輔助氣隙5。
前述的各逆變型磁流變阻尼器的其它通用配件采用公知技術確定，阻尼器的缸體內徑、活塞桿直徑、導磁區(qū)長度、導磁間隙大小、阻尼器行程、線圈匝數、永磁體用量、磁流變液的粘度、磁流變液飽和強度、缸體壁厚等按照公知的液壓系統設計方法和磁路設計方法計算確定。
這種逆變型磁流變阻尼器可以與普通磁流變阻尼器一樣通過連接裝置安裝在建筑結構產生相對位移的位置或作為汽車減振器、離合器用于懸架減振和速度控制。例如將其安裝于框剪結構的層間或建筑結構梁柱節(jié)點處時，其工作機理為當未發(fā)生地震時，阻尼器類似于摩擦耗能器協同建筑結構受力，當地震發(fā)生時，有傳感器采集結構的振動信息和地面的運動信息，并由控制器依據一定的半主動控制算法計算得到磁流變阻尼器所需施加的電流值，并由功率放大裝置對阻尼器施加控制指令。當阻尼器的活塞與缸體間有相對位移趨勢時，阻尼器即可產生反力以作用于結構，由于阻尼器對運動的阻滯作用減小建筑物的振動，從而實現建筑結構減振控制的目的。
本發(fā)明提出的磁流變阻尼器磁路設計亦可有許多變型，都屬于本發(fā)明所提出的技術方案。
權利要求
1.一種逆變型磁流變阻尼器，包括有缸體、缸體內設置的活塞，與其連接的活塞桿，缸體兩端依次設置的密封導向裝置及缸蓋，缸體內腔充有作為阻尼介質的磁流變液，用于形成磁路的導磁體和可產生磁場的勵磁線圈及工作氣隙組成的電磁磁路部件；其中缸體由主缸，或主缸和副缸，或主缸和旁通缸組成，本發(fā)明的特征在于在電磁磁路部件的磁路部分同時設置勵磁線圈(1)和永磁體(2)，由勵磁磁場與永磁磁場組成復合磁路，并且電磁磁路中還設置有輔助氣隙(5)，而使得阻尼器能夠工作在大阻尼狀態(tài)。
2.根據權利要求1所述的逆變型磁流變阻尼器，其特征在于阻尼器磁路同時布置有永磁體(2)與勵磁線圈(1)，當線圈不通電時永磁體(2)產生的磁通由工作氣隙(4)形成回路，當線圈通電時勵磁線圈(1)產生的勵磁磁場與永磁磁場通過輔助氣隙(5)形成回路；輔助氣隙(5)為隔磁材料制成的隔磁環(huán)，工作氣隙(4)為磁流變液流經的阻尼通道。
3.根據權利要求1所述的逆變型磁流變阻尼器，其特征在于導磁體(3)的外部設有保護導磁體(3)受力的可導磁耐磨金屬護套(14)。
4.根據權利要求1或2所述的逆變型磁流變阻尼器，其特征在于當選用的逆變型磁流變阻尼器的活塞(8)為中部挖槽的活塞時，所述的電磁磁路部件可設置在活塞(8)的挖槽內，活塞與缸體之間的間隙為形成阻尼通道的工作氣隙(4)，活塞(8)由不導磁的中心連桿(15)連接為整體，勵磁線圈(1)繞制在筒狀的導磁體鐵芯(3a)上，導磁體鐵芯(3a)中段斷開設置有隔磁材料制成的隔磁環(huán)以形成輔助氣隙(5)，導磁體鐵芯(3a)套在中心連桿(15)上并與勵磁線圈(1)端部的導磁體(3)緊貼，在勵磁線圈(1)的外圈與與勵磁線圈(1)端部的導磁體(3)之間設置有筒狀的隔磁護套(17)，永磁體(2)均勻嵌裝于隔磁護套(17)的內部。
5.根據權利要求1或2所述的逆變型磁流變阻尼器，其特征在于當選用的阻尼器上設有內缸(20)和外缸間通過通液孔(21)與內缸內部連通時，電磁磁路部件可設置在缸體內腔端部的密封裝置內側，其外側為圓盤狀的導磁體(3)，中心部分為導磁體鐵芯(3a)，勵磁線圈(1)繞制于導磁體鐵芯(3a)上，導磁體鐵芯(3a)伸出部分與勵磁線圈(1)外的導磁體(3)伸出部分圍成工作氣隙(4)，處于勵磁線圈(1)內部的導磁體鐵芯(3a)靠近密封裝置的一端設置有輔助氣隙(5)，另一端在導磁體(3)和導磁體鐵芯(3a)之間設置有保護線圈不受磨損的盤形隔磁護套(17)，永磁體(2)嵌于隔磁護套(17)內，永磁體(2)的一個磁極與線圈內部的導磁體鐵芯(3a)緊密連接，另一磁極與線圈外部的導磁體(3)緊密連接。
6.根據權利要求1或2所述的逆變型磁流變阻尼器，其特征在于當選用的阻尼器上設有通過通液孔(21)與其內部相連的旁通缸(22)時，所述的電磁磁路部件可位于旁通缸(22)內，旁通缸(22)的中心為導磁材料構成的導磁芯軸(3b)，導磁芯軸(3b)與包裹勵磁線圈(1)的L型的柱狀導磁體之間的間隙為磁場作用的工作氣隙(4)，工作氣隙(4)與勵磁線圈(1)之間設有隔磁護套(17)，永磁體(2)均勻嵌裝于筒形隔磁護套(17)內，勵磁線圈(1)外的中部為隔磁體構成的環(huán)形輔助氣隙(5)。
7.根據權利要求1或2所述的逆變型磁流變阻尼器，其特征在于所述的電磁磁路部件可位于缸體內部兩側密封裝置之間，缸體內壁設置有隔磁護套(17)，永磁體(2)均勻嵌裝于筒形隔磁護套(17)內，勵磁線圈(1)繞制于隔磁護套(17)的外部，勵磁線圈(1)的外部及端部為高磁導率的導磁體(3)，導磁體(3)與活塞(8)之間形成的間隙為工作氣隙(4)，在勵磁線圈(1)外側的中部位置設置為環(huán)形隔磁材料構成的輔助氣隙(5)。
全文摘要
一種逆變型磁流變阻尼器，可應用于建筑結構減振控制及機車減振，它包括有缸體、活塞，與其連接的活塞桿，缸體兩端的密封導向裝置及缸蓋，缸體內腔充有磁流變液并設置有可產生磁場的導磁體和勵磁線圈及工作氣隙組成的電磁磁路部件，其中缸體由主缸，或主缸和副缸，或主缸和旁通缸組成，特征在于在磁路部分同時設置勵磁線圈和永磁體，由勵磁磁場與永磁磁場組成復合磁路，并且電磁磁路中還設置有輔助氣隙，以保證在電源切斷時，永磁體產生的永磁磁場大部分由工作氣隙通過，而使得阻尼器能夠工作在大阻尼狀態(tài)。電磁磁路部件可根據不同的缸體設置在相應的位置。此類阻尼器可與受控結構連接，實現半主動減振控制。本發(fā)明具有節(jié)省能源、提高控制效率、能夠改善磁流變液穩(wěn)定性等特點。
文檔編號F16F9/53GK1587738SQ20041006885
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月9日 優(yōu)先權日2004年7月9日
發(fā)明者紀金豹, 閆維明, 周錫元 申請人:北京工業(yè)大學