一种馈能式磁流变液能量吸收器

摘要

本发明公开了一种馈能式磁流变液能量吸收器，其特征是由可控阻尼力机构、馈能机构以及自适应供电电路构成；可控阻尼力机构由励磁外壳与运动转换机构同轴装配组成，运动转换机构包括了转换机构套筒、滚珠丝杆、励磁转子以及推力轴承；励磁外壳与上端盖、馈能机构外壳连接并形成充满磁流变液的封闭空间；馈能机构是在馈能机构外壳中，利用发电机上套筒和发电机下套筒同轴装配发电机，以转动的连接套筒驱动发电机实现馈能；馈能机构的馈能输出端与可控阻尼力机构的供电输入端之间设置自适应供电电路电连接。本发明实现了磁流变液的高效利用，实现磁流变液能量吸收器的自适应供电功能。

说明书

技术领域

本发明涉及能量收集和振动/冲击控制系统用执行器，更具体地说是一种馈能式磁流变液能量吸收器。

背景技术

冲击与振动存在于各个领域并且不可避免，例如：地面车辆行驶在不平路面、飞行器的降落冲击、建筑物遭遇地震波、机械设备和工作仪器产生的振颤等。这些振动/冲击对人们的工作和生活造成了不良的影响。使用能量吸收器即减振器，有于吸收并缓冲振动和冲击，不仅保证机械设备、仪器系统在运行时的稳定性和安全性，而且还能提升车辆、飞行器等载运工具提供给负载或乘员的舒适性。

传统的基于智能材料磁流变液的能量吸收器，能够在几个毫秒内提供几千牛顿到几百千牛顿的阻尼力，实现振动/冲击的有效控制，在汽车工程、土木工程、航空航天、火炮以及医学器械等领域中得到了一定的研究与应用。但是，传统的基于磁流变液的半主动执行器目前必须解决以下几个棘手的问题才能够大范围进入商业市场。第一，居高不下的磁流变液价格是普通液压油的几十倍以上，传统的磁流变液能量吸收器多数是基于液压式能量吸收器的结构进行改造，磁流变液使用量与液压油相当，最终制造的磁流变液能量吸收器的成本却是液压式能量吸收器的几十倍以上。例如应用于桥梁建筑的磁流变液能量吸收器体积庞大并且实际活动行程较短，导致能量吸收器内填充的磁流变液大半处于闲置状态，使用量大且使用效率低下(小于0.4vol％)。第二，磁流变液半主动系统需要额外配置供电电源，增加系统复杂程度的同时还占用了额外的安装空间，这使得磁流变液能量吸收器很难顺利应用于汽车悬架或者其他内部空间有限的应用环境。第三，系统控制器和状态反馈传感器是大多数传统磁流变液半主动系统必须配置的模块，复杂的控制策略对应了复杂的控制模块，复杂的控制模块势必造成系统的成本、系统的复杂程度以及安装空间需求的相应增加，系统的可靠性也会相应降低。

发明内容

本发明是为解决上述现有技术所存在的不足，提供一种馈能式磁流变液能量吸收器，以期实现磁流变液的高效利用，摆脱对额外供电电源依赖的结构，能实现磁流变液能量吸收器的自适应供电功能。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明馈能式磁流变液能量吸收器的结构特点是由可控阻尼力机构、馈能机构以及自适应供电电路构成；

所述可控阻尼力机构由筒状励磁外壳与运动转换机构同轴装配组成，所述励磁外壳与上端盖、馈能机构外壳共同形成充满磁流变液的封闭空间，在所述励磁外壳的筒壁中埋置有绕线定子，所述运动转换机构由转换机构套筒、滚珠丝杆、励磁转子以及推力轴承同轴装配而成，所述励磁转子的外圆周面与励磁外壳的内表面形成有工作间隙，所述励磁转子与励磁外壳可形成相对旋转运动；所述励磁转子的一端与滚珠丝杆中的螺母固定连接，另一端与连接套筒固定连接，所述连接套筒的另一端伸向馈能机构所在一侧；所述滚珠丝杆是由转换机构套筒、连接套筒以及推力轴承共同支承，使所述励磁转子与励磁外壳保持为同轴；

所述馈能机构是在所述馈能机构外壳中，利用发电机上套筒和发电机下套筒同轴装配发电机，以转动的连接套筒驱动发电机实现馈能；

设置自适应供电电路在馈能机构的馈能输出端与可控阻尼力机构的供电输入端之间电连接，实现馈能式磁流变液能量吸收器的自适应供电功能。

本发明馈能式磁流变液能量吸收器的结构特点也在于：在所述可控阻尼力机构中：所述励磁外壳的两端分别设置为内螺纹段，两端的内螺纹段分别用于固定连接上端盖和馈能机构外壳；在所述励磁外壳的中段沿励磁外壳的圆周方向均布若干个绕线定子，所述绕线定子与励磁外壳为一体结构，相邻两个绕线定子上的定子线圈绕向相反，利用所述定子线圈产生作用于磁流变液的磁场，所述励磁外壳采用高导磁材料。

本发明馈能式磁流变液能量吸收器的结构特点也在于：所述运动转换机构中的推力轴承为两只，其中一只设置在上端盖与转换机构套筒之间，另一只设置在连接套筒与馈能机构外壳之间。

本发明馈能式磁流变液能量吸收器的结构特点也在于：在所述馈能机构中，所述发电机的定子由硅钢片叠加而成并与馈能机构外壳固连；所述发电机的转子由磁钢和磁钢套制成且中心设置有便于滚珠丝杆通行的通孔；在发电机转子的一端固定连接发电机上套筒，在发电机转子的另一端固定连接发电机下套筒，利用发电机上套筒、发电机下套筒以及径向定位轴承将所述发电机与馈能机构外壳同轴装配，所述发电机上套筒与连接套筒固定连接。

本发明馈能式磁流变液能量吸收器的结构特点也在于：所述自适应供电电路包括：

在馈能机构的馈能输出端与可控阻尼力机构的供电输入端之间设置可调电阻，利用可调电阻改变磁流变液能量吸收器的电流的幅值范围并实现自适应供电功能；

在馈能机构的馈能输出端设置有频压转换器，频压转换器的输出端设置有位移/速度观测器，所述频压转换器用于检测所述馈能机构馈能电压的频率并输出给所述位移/速度观测器，所述位移/速度观测器用于获得所述馈能式磁流变液能量吸收器中滚珠丝杆的轴向相对运动位移或相对速度状态。

本发明为解决技术问题还可以采用如下技术方案：

本发明馈能式磁流变液能量吸收器的结构特点是：由可控阻尼力机构、机械式整流机构、馈能机构以及外部储能及供电电路构成；

所述可控阻尼力机构由筒状励磁外壳与运动转换机构同轴装配组成，所述励磁外壳与上端盖、馈能机构外壳共同形成充满磁流变液的封闭空间，在所述励磁外壳的筒壁中埋置有绕线定子，所述运动转换机构由转换机构套筒、滚珠丝杆、励磁转子以及推力轴承同轴装配而成，所述励磁转子的外圆周面与励磁外壳的内表面形成有工作间隙，所述励磁转子与励磁外壳可形成相对旋转运动；所述励磁转子的一端与滚珠丝杆中的螺母固定连接，另一端与连接套筒固定连接，所述连接套筒的另一端伸向馈能机构所在一侧；所述滚珠丝杆是由转换机构套筒、连接套筒以及推力轴承共同支承，使所述励磁转子与励磁外壳保持为同轴；

所述馈能机构是在所述馈能机构外壳中，利用发电机上套筒和发电机下套筒同轴装配发电机，以转动的连接套筒驱动发电机实现馈能；

所述机械式整流机构是由两组行星齿轮系叠加并配合单向离合轴承所构成，设置在连接套筒与发电机之间，利用所述机械式整流机构实现运动速度的放大和输出电压整流的双重功能；

设置外部储能及供电电路在馈能机构的馈能输出端与可控阻尼力机构的供电输入端之间电连接，实现馈能式磁流变液能量吸收器的自供电功能。

本发明馈能式磁流变液能量吸收器的结构特点也在于：

所述机械式整流机构中的两组行星齿轮系分别是第一行星系和第二行星系，所述单向离合轴承分别第一单向离合轴承和第二单向离合轴承；所述第一行星系的行星架与第二行星系的齿圈固定连接，第一单向离合轴承设置在第一行星系的太阳轮与发电机上套筒之间，所述第二单向离合轴承设置在第二行星系的太阳轮与发电机上套筒之间，所述发电机上套筒与发电机转子同步转动；设置与所述连接套筒固定连接的输入套筒，所述输入套筒与所述第一行星系的行星架固定连接，作为所述机械式整流机构的输入端；

设置两组行星齿轮系的传动比大小相等且大于1；

$i_{13}=\frac{n_1}{n_3}=1+\frac{z_2}{z_1}---\left(1\right)$

$i_{12}^{,}=\frac{n_1^{,}}{n_2^{,}}=-\frac{z_2^{,}}{z_1^{,}}---\left(2\right)$

式中：

i₁₃为第一行星系传动比；为第二行星系的传动比；

n₁和z₁分别为第一行星系中太阳轮的转速和齿数；

n₃和z₃分别为第一行星系中行星架的转速和齿数；

和分别为第二行星系中太阳轮的转速和齿数；

和分别为第二行星系中齿圈的转速和齿数；

本发明馈能式磁流变液能量吸收器的结构特点也在于：所述储能及供电电路包括：

在所述馈能机构的输出端设置电能收集装置，用于回收并储存馈能电能，同时向可控阻尼力机构及其它用电元件供给电能；

在所述可控阻尼力机构与电能收集装置之间设置电流控制器和电流驱动器，用于调节供给可控阻尼力机构的驱动电流，所述电流控制器由控制电路提供控制算法，所述控制电路的信息来源于电压幅值检测电路和力传感器。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1.本发明能够解决传统磁流变液能量吸收器需要额外配置供电电源的问题，集阻尼力可控和馈能功能于一体，结构紧凑并避免了额外配电的复杂系统，既节约了应用成本，又缩减安装空间，同时还避免了附加装置的维护问题。

2.本发明结构紧凑并设置有运动转换机构，充分利用磁流变液能量吸收器的设计空间的同时能够将线性运动转化为旋转运动，磁流变液使用量小(约82ml)，工作间隙中的磁流变液利用率高(10vol％以上)，从根本上降低了磁流变液能量吸收器的成本。

3.本发明中机械式整流机构安装于连接套筒与发电机上套筒之间，具有运动增速以及运动输出整流的双重功能：(i)通过设定行星系齿轮之间的模数比能够实现发电机输入端运动速度的放大；(ii)无论机械式整流机构的输入端如何旋转，输出端始终朝一个方向旋转，可实现馈能电压的整流。

4.本发明中可控阻尼力机构、机械式整流机构以及馈能机构在结构上巧妙地重叠连接，避免了能量吸收器结构上串联导致的行程过长，能够顺利应用于空间受限的领域。

5.本发明中馈能机构的馈能输出可直接供应给可控阻尼力机构，利用连接套筒传递来自于可控阻尼力机构相同或者相似的运动学关系代替复杂的电流驱动器和控制策略，实现磁流变液能量吸收器的自适应供电/阻尼力自适应调节的功能。

附图说明

图1为本发明一种实施方式结构示意图；

图2a为图2b所示本发明中励磁转子的A-A剖面图；

图2b为图2a的B-B剖面图；

图3a为本发明中可控阻尼力机构磁路原理图；

图3b为本发明中可控阻尼力机构磁路仿真图；

图4为图1所示实施方式的馈能式磁流变液能量吸收器原理图；

图5本发明另一实施方式结构示意图；

图6a为图5所示实施方式中机械式整流机构结构示意图；

图6b为图6所示机械式整流机构在输入端正转时的运动关系图；

图6c为图6所示机械式整流机构在输入端反转时的运动关系图；

图7a为图5所示另一实施方式的馈能式磁流变液能量吸收器原理图；

图7b为图5所示另一实施方式的馈能式磁流变液能量吸收器的电气部分；

图8a为基于图5所示另一实施方式的振动/冲击控制系统的原理图；

图8b为基于图5所示另一实施方式的振动/冲击控制系统应用于车辆悬架结构示意图。

图中标号：1可控阻尼力机构，2上端盖，3转换机构套筒，4励磁外壳，5滚珠丝杆，6馈能机构外壳，7连接套筒，8发电机上套筒，9发电机下套筒，10下端盖，11轴端径向轴承，12轴端旋转密封，13套筒旋转密封，14定子线圈，15励磁转子，16推力轴承，17定位径向轴承，18机械式整流机构，19发电机，20馈能机构，21储能及供电电路，22自适应供电电路，41磁力线，181输入套筒，182第一行星系，183第二行星系，184第一单向离合轴承，185第二单向离合轴承，211电能收集装置，212电流控制器，213电流驱动器，214力传感器，215控制电路，216反推算法模块，217电压幅值检测电路，221可调电阻，222频压转换器，223位移/速度观测器，500馈能式磁流变液能量吸收器，501车身，502车桥，503车轮。

具体实施方案

图1、图2a、图2b、图3a、图3b以及图4示出了本发明一种实施方式，其形式为：

如图1所示，馈能式磁流变液能量吸收器的机械结构是由可控阻尼力机构1和馈能机构20构成；可控阻尼力机构1由筒状励磁外壳4与运动转换机构同轴装配组成，励磁外壳4与上端盖2、馈能机构外壳6共同形成充满磁流变液的封闭空间，封闭液腔中充满磁流变液，约为82ml；运动转换机构由转换机构套筒3、滚珠丝杆5、励磁转子15以及推力轴承16同轴装配而成，励磁转子15的外圆周面与励磁外壳4的内表面形成有工作间隙，励磁转子15与励磁外壳4可形成相对旋转运动；励磁转子15的一端与滚珠丝杆5中的螺母固定连接，另一端与连接套筒7固定连接，连接套筒7的另一端伸向馈能机构20所在一侧；滚珠丝杆5是由转换机构套筒3、连接套筒7、轴端径向轴承11、以及定位径向轴承17共同支承，使励磁转子15与励磁外壳4保持为同轴，转换机构套筒3与上端盖2之间设置有轴端旋转密封12和套筒旋转密封13，连接套筒7与馈能机构外壳6之间设置有轴端旋转密封12，用于运动转化机构的旋转密封，运动转换机构中的推力轴承16设置为两只，其中一只设置在上端盖2与转换机构套筒3之间，另一只设置在连接套筒7与馈能机构外壳6之间；馈能机构20是在馈能机构外壳6中，利用发电机上套筒8和发电机下套筒9同轴装配发电机19，以转动的连接套筒7驱动发电机19实现馈能，在馈能机构20中，发电机19的定子由硅钢片叠加而成并与馈能机构外壳6固连；发电机19的转子由磁钢和磁钢套制成且中心设置有便于滚珠丝杆通行的通孔；在发电机转子的一端固定连接发电机上套筒8，在发电机转子的另一端固定连接发电机下套筒9，发电机下套筒8和发电机下套筒9上均布置有径向定位轴承17，使发电机19与馈能机构外壳6和下端盖10保持同轴；所述发电机上套筒8与连接套筒7固定连接。

如图2a和2b所示，在可控阻尼力机构1中，励磁外壳4的两端分别设置为内螺纹段，两端的内螺纹段分别用于固定连接上端盖2和馈能机构外壳6；在励磁外壳4的筒壁中埋置有6个绕线定子，沿励磁外壳4的圆周方向均布设置，绕线定子与励磁外壳4为一体结构，励磁外壳4采用高导磁材料制成，可以是采用20号钢材料制成；在绕线定子上设置有定子线圈14，利用定子线圈14产生作用于磁流变液的磁场，相邻两个绕线定子上的定子线圈14绕向相反，行成三个闭环磁路。

如图3a和3b所示，图3a给出可控阻尼力机构1在通电情况下的理论磁路分布图，由于每相邻两个绕线定子上的定子线圈14绕向相反，产生磁力线方向相反，使得相邻两个绕线定子间串联形成闭环磁路，有利于磁路的分布；图3b所示为基于有限元软件分析得出的磁力线41的分布图，与图3a给出的理论磁路分布图结果一致。

如图4所示，设置自适应供电电路22包括：在馈能机构20的馈能输出端与可控阻尼力机构1的供电输入端之间设置可调电阻221，改变可调电阻221的设定值，可以改变磁流变液能量吸收器的电流的幅值范围，实现自适应供电功能，利用发电机19与可控阻尼力机构1相同的运动规律可实现馈能式磁流变液能量吸收器的阻尼力自适应调节功能。在馈能机构20的馈能输出端设置频压转换器222，频压转换器222的输出端设置有位移/速度观测器223，频压转换器222用于检测馈能机构20馈能电压的频率并输出给位移/速度观测器223，位移/速度观测器223通过计算和标定，用于获得馈能式磁流变液能量吸收器中滚珠丝杆的轴向相对运动位移或相对速度状态。频压转换器222和位移/速度观测器223也可由其它方式替代。

图5、图6a、图6b、图6c以及图7示出了本发明另一种实施方式，其形式为：

如图5所示，馈能式磁流变液能量吸收器的机械结构是由可控阻尼力机构1、机械式整流机构18以及馈能机构20构成；可控阻尼力机构1由筒状励磁外壳4与运动转换机构同轴装配组成，励磁外壳4与上端盖2、馈能机构外壳6共同形成充满磁流变液的封闭空间，封闭液腔中充满磁流变液，约为82ml，运动转换机构由转换机构套筒3、滚珠丝杆5、励磁转子15以及推力轴承16同轴装配而成，励磁转子15的外圆周面与励磁外壳4的内表面形成有工作间隙，励磁转子15与励磁外壳4可形成相对旋转运动；励磁转子15的一端与滚珠丝杆5中的螺母固定连接，另一端与连接套筒7固定连接，连接套筒7的另一端伸向馈能机构20所在一侧；滚珠丝杆5是由转换机构套筒3、连接套筒7、轴端径向轴承11、以及定位径向轴承17共同支承，使励磁转子15与励磁外壳4保持为同轴，转换机构套筒3与上端盖2之间设置有轴端旋转密封12和套筒旋转密封13，连接套筒7与馈能机构外壳6之间设置有轴端旋转密封12，用于运动转化机构的旋转密封，运动转换机构中的推力轴承16设置为两只，其中一只设置在上端盖2与转换机构套筒3之间，另一只设置在连接套筒7与馈能机构外壳6之间；机械式整流机构18连接于可控阻尼力机构1与馈能机构20之间，馈能机构20与机械式整流机构18连接是在馈能机构外壳6中，利用发电机上套筒8和发电机下套筒9同轴装配发电机19，以转动的连接套筒7驱动发电机19实现馈能。

如图6a、图6b以及图6c所示，机械式整流机构18是由两组行星齿轮系叠加并配合单向离合轴承所构成，设置在连接套筒7与发电机19之间，机械式整流机构18中的两组行星齿轮系分别是第一行星系182和第二行星系183，单向离合轴承分别第一单向离合轴承184和第二单向离合轴承185；第一行星系182的行星架与第二行星系183的齿圈固定连接，第一单向离合轴承184设置在第一行星系182的太阳轮与发电机上套筒8之间，第二单向离合轴承185设置在第二行星系183的太阳轮与发电机上套筒8之间，发电机上套筒8与发电机转子同步转动；设置与连接套筒7固定连接的输入套筒181，输入套筒181与第一行星系182的行星架固定连接，作为机械式整流机构18的输入端；设置两组行星齿轮系的传动比大小相等且大于1，关系式如下：

$i_{13}=\frac{n_1}{n_3}=1+\frac{z_2}{z_1}---\left(1\right)$

$i_{12}^{,}=\frac{n_1^{,}}{n_2^{,}}=-\frac{z_2^{,}}{z_1^{,}}---\left(2\right)$

式中：

i₁₃为第一行星系182传动比；为第二行星系183的传动比；

n₁和z₁分别为第一行星系182中太阳轮的转速和齿数；

n₃和z₃分别为第一行星系183中行星架的转速和齿数；

和分别为第二行星系183中太阳轮的转速和齿数；

和分别为第二行星系183中齿圈的转速和齿数；

如图6b所示为械整流装置18输入端正转的情况，定义图6b中输入端箭头方向为正，此时第一行星系182的输出端有效，带动发电机上套筒8正转；如图6c所示为械整流装置18输入端反转情况，此时第二行星系183输出端有效，带动发电机上套筒8正转，图6b和6c中用椭圆形虚线所框部位为有效输出。

如图7a所示，储能及供电电路21在馈能机构20的馈能输出端与可控阻尼力机构1的供电输入端之间电连接，实现馈能式磁流变液能量吸收器的自供电功能。参见图7b，在馈能机构20的输出端设置电能收集装置211，用于储存馈能电能并给可控阻尼力机构1、力传感器214以及其它相关电子器件供给电能；在可控阻尼力机构1与电能收集装置211之间设置电流控制器212和电流驱动器213，用于调节供给可控阻尼力机构1的驱动电流；为电流控制器212设置控制电路215，在控制电路215的输入端设置有力传感器214、电压幅值检测电路217以及反推算法模块216，通过力传感器214获取磁流变液能量吸收器振动方向的状态信息，通过电压幅值检测电路217与反推算法模块216的组合可获取磁流变液能量吸收器振动速度的绝对值，由此实现控制电路215对电流驱动器213供电调节过程的控制，同时，电压幅值检测电路217和反推算法模块216的组合还能实现磁流变液能量吸收器的状态自传感功能。

图8a所示为基于图5所示的本发明另一实施方式的振动/冲击控制系统原理，此振动/冲击控制系统用馈能式磁流变能量吸收器替代传统的“磁流变能量吸收器(执行器)+供电装置+阻尼力控制模块(控制器)”的组合，通过馈能式磁流变能量吸收器中的馈能机构20将磁流变液能量吸收器的“废弃”机械能转换为电能给自身以及其他用电电路供电；通过馈能机构与可控阻尼力机构间形成的相同运动规律来实现馈能电能的自适应输出以及可控阻尼力的自适应调节。

图8b所示为基于馈能式磁流变液能量吸收器的振动/冲击控制系统应用于车辆悬架的结构示意图；馈能式磁流变液能量吸收器500设置在车身501和车桥502之间，振动作用于车轮503上，经过车桥502输入至馈能式磁流变液能量吸收器500中被衰减；相比基于传统磁流变液减震器的半主动悬架而言，图8b所示半主动控制悬架可以实现阻尼力自适应调节并且省去额外的供电电源，简化系统复杂性的同时也明显缩减了车辆悬架的安装空间，对汽车半主动悬架系统的研发与应用具有极为重要的推进作用。

本发明的馈能式磁流变液能量吸收器原理还可以应用于其他任何振动/冲击控制系统。