阻尼力双向调节的磁流变阻尼器.pdf

本发明公开了阻尼力双向调节的磁流变阻尼器，它在缸筒上连接有上、下两个端盖，一个活塞杆通过设置在所述的端盖上的密封圈插在所述的钢筒内，不锈钢阻磁盘安装在所述的活塞盘的两端，活塞盘为多个并且与磁芯套筒交替地套装在所述的活塞杆上，所述的每一活塞盘上沿轴向对称地在其端面上开有两个凹槽并且在所述的凹槽内插有永磁环，所述的磁芯套筒外侧缠绕有励磁线圈。本阻尼器通过施加正、反向电流分别实现最大出力与最小出力，既保证了阻尼器的故障安全(fail-safe)性能，又能有效防止抱死现象的发生；另一方面提出了一种新型复合磁路设计，极大地简化了永磁体与励磁线圈共存时的复合磁路结构，有利于阻尼器的实际制作与安装。

1.  阻尼力双向调节的磁流变阻尼器，它包括缸筒、磁芯套筒、活塞盘、在所述的缸筒上连接有上、下两个端盖，一个活塞杆通过设置在所述的端盖上的密封圈插在所述的钢筒内，不锈钢阻磁盘安装在所述的活塞盘的两端，其特征在于：所述的活塞盘为多个并且与磁芯套筒交替地套装在所述的活塞杆上，处于中间位置的活塞盘为两两设置，所述的每一活塞盘上沿轴向对称地在其端面上开有两个凹槽并且在所述的凹槽内插有永磁环，所述的磁芯套筒外侧缠绕有励磁线圈。

2.  根据权利要求1所述的阻尼力双向调节的磁流变阻尼器，其特征在于：所述的每一励磁线圈设置有独立引线。

3.  根据权利要求1所述的阻尼力双向调节的磁流变阻尼器，其特征在于：所述的永磁环为沿径向充磁的铷铁硼类永磁体，其径向厚度为1-5mm。

阻尼力双向调节的磁流变阻尼器
技术领域
本发明涉及磁流变阻尼器件，所提出的一种阻尼力双向调节的新型磁流变阻尼器是一种性能良好的耗能减振装置，可普遍适用于高层建筑结构、大跨度空间建筑结构、桥梁结构以及其他土木工程结构的减振控制中。
背景技术
磁流变液是由细小的软磁性颗粒分散于磁导率较低的载液中形成的剪切屈服强度可随外加磁场变化而具有可控流变特性的悬浮液体；在磁场作用下，磁流变液可在毫秒级时间内实现由牛顿流体到Bingham半固态的可逆变化，撤去磁场后，又可以恢复原态。采用磁流变液制作的磁流变阻尼器具有出力大、体积小、响应快、结构简单、阻尼力连续可调、易于与计算机结合实现智能化控制等优点。传统磁流变阻尼器虽然外形及出力范围各有不同，但其工作原理基本相同，即利用励磁线圈产生的磁场改变阻尼通道处磁流变液的剪切屈服强度，从而引起阻尼器出力的变化。这样，通过调整电流强度就可以实现阻尼器对外出力的连续调节。但是，由于传统磁流变阻尼器在零电流状态下阻尼通道处磁感应强度为零，因而当其在切断能源状态下用于结构的被动控制时出力过小，控制效果并不理想，即故障安全(fail-safe)性能不佳，且磁流变液长期处于零磁场状态下会出现沉降现象，严重影响其性能。专利CN200410068853.5公开了一种逆变型磁流变阻尼器。该类阻尼器通过在磁路中增设永磁体，零电流状态下实现最大出力，但是对于结构的实际控制而言，过大的零电流出力容易引起阻尼器活塞抱死现象，即结构的动力反应不足以带动活塞起滑，阻尼器仅充当刚性支撑的作用，控制效果会受到很大影响。而且，逆变型磁流变阻尼器需要利用辅助间隙形成复合磁路，磁路结构比较复杂，实际制作有一定难度。专利CN200610014402.2公开了一种多级装配式防沉降磁流变阻尼器。该类阻尼器虽然也在阻尼器中增设永磁体，但其作用主要是用于提高阻尼器零电流状态出力并防止磁流变液的沉降，而无法对永磁体进行有效退磁，即阻尼器最小出力过大，阻尼力可调范围过低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一方面将零电流状态下的出力调整为介于最大出力与最小出力之间的中间值，通过施加正、反向电流分别实现最大出力与最小出力，既保证了阻尼器的故障安全(fail-safe)性能，又能有效防止抱死现象的发生；另一方面提出了一种新型复合磁路设计，极大地简化了永磁体与励磁线圈共存时的复合磁路结构，有利于阻尼器的实际制作与安装的阻尼力双向调节的磁流变阻尼器。
本发明的阻尼力双向调节的磁流变阻尼器，它包括缸筒、磁芯套筒、活塞盘、在所述的缸筒上连接有上、下两个端盖，一个活塞杆通过设置在所述的端盖上的密封圈插在所述的钢筒内，不锈钢阻磁盘安装在所述的活塞盘的两端，所述的活塞盘为多个并且与磁芯套筒交替地套装在所述的活塞杆上，处于中间位置的活塞盘为两两设置，所述的每一活塞盘上沿轴向对称地在其端面上开有两个凹槽并且在所述的凹槽内插有永磁环，所述的磁芯套筒外侧缠绕有励磁线圈。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、在零电流状态下可以将阻尼器出力调整为介于最大出力与最小出力之间的中间值，一方面能够充分保证零电流状下态的被动控制效果，另一方面又能有效地防止活塞发生抱死现象，具备理想的故障安全(fail-safe)性能。
2、采用了一种全新的磁路设计方案，利用了导磁通道处材料的磁饱和效应及钕铁硼类永磁体的线性退磁特性，极大地简化了永磁体与通电线圈共存时的复合磁路结构，阻尼器结构设计简单，有利于实际制作与安装。
3、由于所述阻尼器在非工作状态下阻尼通道处始终保持一定的磁感应强度，因而可以有效地防止磁流变液的沉降，确保阻尼器的实时有效性。
4、所述阻尼器依据具体应用环境可选择阻尼力连续调节及阻尼力分级输出两种工作模式。阻尼力连续调节模式可以最大限度逼近最优控制力，而阻尼力分级输出模式可以极大地简化半主动控制系统的设计过程，缩短系统反应时滞，提高半主动控制系统的工作效率，有利于所述阻尼器应用于实际工程结构的智能控制及相关半主动控制系统的开发。
附图说明
图1是阻尼力双向调节的磁流变阻尼器整体结构示意图；
图2是阻尼力双向调节的磁流变阻尼器单节段局部结构示意图；
图3是阻尼力双向调节的磁流变阻尼器复合磁路结构示意图；
图4(a)是永磁环立体结构示意图；
图4(b)是永磁环剖面及充磁方向示意图；
图5是零电流、最大正向电流和最大负向电流三个状态下永磁环工作点移动示意图；
图6(a)是阻尼力双向调节的磁流变阻尼器零电流状态磁力线分布示意图；
图6(b)是阻尼力双向调节的磁流变阻尼器最大正向电流状态磁力线分布示意图；
图6(c)是阻尼力双向调节的磁流变阻尼器最大负向电流状态磁力线分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。
如图1和图2所示，所述的阻尼力双向调节的磁流变阻尼器包括缸筒3、活塞杆2、磁芯套筒8、活塞盘5、导磁通道13、永磁环11、阻尼通道7、端盖4、磁流变液10、励磁线圈9、不锈钢阻磁盘14、密封圈12、底盖6和耳环1。所述的活塞盘5为多个并且处于中间位置的活塞盘5为两两设置，各节段活塞盘5插入永磁环11后与磁芯套筒8依次套装于活塞杆2上，磁芯套筒8外侧缠绕励磁线圈9，不锈钢阻磁盘14安装于活塞两端，用以固定活塞部件并防止漏磁现象。端盖4与缸筒3密封固定，活塞放入缸筒3后，活塞杆2通过密封圈12插入两侧端盖4。活塞与两侧端盖4之间的空腔内注入磁流变液10，活塞与缸筒3之间的环形通道成为阻尼通道7，所述的每一活塞盘5上沿轴向对称地在其端面上开有两个凹槽并且在所述的凹槽内插有永磁环11，每片活塞盘5端部凹槽(用于插入永磁环11)内侧的导磁区域成为导磁通道13，活塞杆2一端以及底盖6上分别安装耳环1，以便于阻尼器实际安装。
图3为所述的阻尼力双向调节的磁流变阻尼器复合磁路结构示意图。零电流状态下，永磁环11独立工作，阻尼通道7处磁流变液10的磁感应强度仅由永磁环11引起；施加正向或反向电流状态下，永磁环11与励磁线圈9共同工作，组成复合磁路，阻尼通道7处磁流变液10的磁感应强度由永磁环11与励磁线圈9共同确定。
如图4(a)、(b)所示，根据安装方式及阻尼器磁路走向，所述的永磁环11沿径向充磁，且每节段活塞两侧活塞盘5内插入的永磁环11南、北极反向，一侧永磁环11内侧为S极，外侧为N极；另一侧永磁环11内侧为N极，外侧为S极。同时，因为铷铁硼类永磁体矫顽力H_c很高，且励磁线圈9的匝数与电流有限，为确保励磁线圈9对永磁环11能够充分进行充磁、退磁作用，永磁环11径向厚度仅为数毫米，优选的为1-5mm。
如图5所示，永磁环11在零电流I₀、最大正向电流I_max和最大负向电流I_min三个状态下的工作点会发生移动。图中B_r为永磁环剩磁，H_c为矫顽力。施加正向电流时工作点沿退磁曲线上移，永磁环11作用效果加强；施加负向电流时工作点沿退磁曲线下移，永磁环11作用减弱。且所述的永磁环11采用铷铁硼类永磁体制作，该类永磁体具备理想的线性退磁特性，退磁曲线上任意一点的回复曲线与退磁曲线基本重合，在反复外加磁场的作用下不会发生永久退磁作用。
图6为所述的阻尼力双向调节的磁流变阻尼器在零电流I₀、最大正向电流I_max和最大负向电流I_min三个状态下的磁力线分布示意图。从图6(a)可以看出，在零电流状态下，永磁环11产生的磁通分别分流经阻尼通道7和导磁通道13，形成两条回路。通常情况下，阻尼通道7处的磁阻远大于导磁通道13处的磁阻，因而阻尼通道7处磁通远小于导磁通道13处磁通。但是，由于导磁通道13处材料自身存在磁饱和效应，因而导磁通道13处通过的磁通总量有限。于是，通过适当调整导磁通道13的截面尺寸，便可以利用导磁通道13处材料的磁饱和效应，改变总磁通在两回路之间的分配比例，使阻尼通道7处的磁感应强度能够达到阻尼器中等出力的设计要求。从图6(b)可以看出，当施加最大正向电流时，永磁环11与励磁线圈9在阻尼通道7处产生同向磁场，即在励磁线圈9产生的充磁磁场的作用下，永磁环11的工作点沿退磁曲线上移，如图5所示，因而阻尼通道处7的磁感应强度逐步提高，直至磁流变液10达到磁饱，此时，阻尼器达到最大出力。从图6(c)可以看出，当施加最大负向电流时，永磁环11与励磁线圈9在阻尼通道7处产生反向磁场，即在励磁线圈9产生的退磁磁场的作用下，永磁环11的工作点沿退磁曲线下移，如图5所示，因而阻尼通道7处的磁感应强度逐步降低，直至磁感应强度降低为零，剩余磁通仅在永磁环11与导磁通道13之间流动，此时，阻尼器达到最小出力。
所述的阻尼力双向调节的磁流变阻尼器，活塞各节段励磁线圈9独立引线，可依据具体应用环境可选择阻尼力连续调节及阻尼力分级输出两种工作模式。在阻尼力分级输出模式下，由于所述阻尼器具备阻尼力双向调节特性，因而每节段活塞参与工作后可提供两档阻尼力(中等出力与最大出力)，如图1所示的阻尼器共有三个活塞节段，故加上初始状态，所述阻尼器共有七个出力等级，即所述阻尼器通过对各节段活塞励磁线圈9的独立控制，可实现阻尼器出力的分级控制，阻尼力共分七级，且通过增加活塞节段数还可进一步细化出力等级，提高半主动控制系统的控制效率。
所述的阻尼力双向调节的磁流变阻尼器，为了便于所述阻尼器应用于大跨度空间网壳结构的半主动控制，阻尼器安装方式要求杆件串联，且外形必须具备较大的长细比。所以，该阻尼器采用多节段活塞设计，通过增加阻尼通道7的有效长度以弥补活塞有效面积的不足，提高阻尼器的最大出力。
所述的活塞盘5和磁芯套筒8，采用高相对磁导率的电工软铁制作，且活塞盘5端部挖环形凹槽，用以插入永磁环11，凹槽内侧的导磁区域成为导磁通道13。
所述的永磁环11：1)选用铷铁硼类永磁体制作。铷铁硼类永磁体剩磁B_r比较高，矫顽力H_c很高，且具备理想的线性退磁特性，退磁曲线上任意一点的回复曲线与退磁曲线基本重合，在反复外加磁场的作用下不会发生永久退磁作用。由于所述的阻尼力双向调节的磁流变阻尼器在不同工作状态下需要通过励磁线圈9对永磁环11进行往复充磁、退磁作用，因而铷铁硼类永磁体的线形退磁特性对于实现阻尼力双向调节的设计构想具有重要意义；2)根据永磁环11的安装方式及阻尼器磁路走向，永磁环11沿径向充磁，同时，因为铷铁硼类永磁体矫顽力H_c很高，且励磁线圈9的匝数与电流有限，为确保励磁线圈9对永磁环11能够充分进行充磁、退磁作用，永磁环径向厚度仅为数毫米，优选的为1-5mm。
所述的活塞杆2和不锈钢阻磁盘14可采用高强度非导磁类不锈钢制作。缸筒3、端盖4和底盖6可采用45号钢制作。