一种多极环形磁路变组态的磁流变减振器及其控制方法

1.本发明涉及磁流变减振器设计领域，具体涉及一种多极环形磁路变组态的磁流变减振器及其控制方法。


背景技术：

2.磁流变液（mrf）作为一种半主动控制智能材料，因其具备响应速度快、无级可控、能耗低等优点而受各国专家学者青睐。mrf的特性主要表现为：磁流变液在无磁场环境下，其表现为类牛顿流体状态，载液中的软磁性颗粒均匀分布，无屈服应力；当所处环境加入磁场后，磁流变液表现为宾汉流体状态，载液中的软磁性颗粒形成链状结构，当运动方向于磁场方向垂直时，会产生抗剪切屈服应力，其大小主要与磁场强度有关。
3.磁流变减振器是以智能可控的磁流变液为载体，以可变磁场强度为依据，实现阻尼出力无级可变，广泛应用于半主动控制减振领域。当今普遍的磁流变减振器多为活塞与阻尼装置位于同一轴线上，此类设计结构简单，但轴向布置的阻尼出力装置必然会导致减振器的长度增加，且减振领域对减振器的轴向长度要求较为苛刻，这一劣势限制了该减振器的使用场合。同时，目前各类文献中所设计的线圈绕组多为整体单线圈绕线方式，在高频振动或持续性出力的情况下，由于绕组单一、圈数较多、有效散热面积较小，其内部热量无法及时散出，最终导致阻尼出力衰退，甚至直接失效而无法正常工作，同时单线圈绕组的方式决定了被控对象的单一性，虽然加入各类最优控制算法，但都无法避免对同一绕组重复性使能，从根本上解决不了线圈无法及时散热问题。目前磁流变减振器外置式振动压力传感器使其整体集成度不高，无法适应复杂的应用工况。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多极环形磁路变组态的磁流变减振器及其控制方法，实现节能控制的同时保证线圈绕组及时散热。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多极环形磁路变组态的磁流变减振器，包括内外缸筒、压缩装置、电压反馈装置和多极可控阻尼回流装置；所内外缸筒包括内缸筒和外缸筒，所述内缸筒内腔为磁流变液内流道，所述内缸筒外壁与外缸筒内壁留有的间隙为磁流变液外流道；所述的压缩装置包括活塞、两个弹簧，所述活塞沿内缸筒轴线上下运动，所述两个弹簧位于活塞的两侧并分别设有弹簧座固定；所述的电压反馈装置包括两个压电陶瓷堆，所述两个压电陶瓷堆分别设于两个弹簧的另一端，压电陶瓷堆受压后产生电压信号；所述的多极可控阻尼回流装置包括六极环形铁筒、格栅阻尼柱、锥形可调阻尼装置、多孔直角流道底座装置所述格栅阻尼柱内部设有方形磁流变液流道，该流道与磁流变液内流道连通，所述格栅阻尼柱位于六极环形铁筒内部，所述可调阻尼装置上部设有磁流变回流装置，实现内缸筒上下腔容积平衡，所述六极环形铁筒由绕有六组线圈的六铁心环绕而成，通电后可产生磁场，从而构成多极环形磁路，所述六组线圈分别与所述控制器连
接，控制器依据所述反馈电压选择线圈组合类型，通过改变所述六组线圈组合方式构成变组态的多种磁场分布，所述多孔直角流道底座装置位于减振器主体的外侧，内部设有多孔流道，分别连通所述磁流变液的内外流道，通过所述外缸筒留有的螺纹装置与主体连接，内部嵌有装配后的六极环形铁筒。
6.进一步的，所述内外缸筒的一端在侧边留有圆孔，且外缸筒留有的圆孔连接带有螺纹的空心轴筒，外缸筒嵌套在上底座和下底座上，内缸筒通过螺纹与上底座和下底座连接，且内缸筒和外缸筒的圆孔同心，内缸筒和外缸筒的间隙为磁流变液的外流道。
7.进一步的，所述外缸筒通过焊接的方式与空心轴筒连接，轴筒的内孔大于内缸筒的圆孔，在内缸筒不具有圆孔的一端设有多个回流小孔，实现磁流变由外流道流入内流道。进一步的，所述活塞与活塞杆通过螺纹连接且设有紧定螺钉限制其周向运动，活塞上侧弹簧底座嵌套在活塞杆上，下侧弹簧底座通过设有的凸轴与活塞配合。
8.进一步的，所述多孔直角流道底座设有多孔直角流道底座、回流外罩和内流道连接器，内流道连接器与内缸筒孔连接，从而引出内流道磁流变液，多孔直角流道底座一端配有内螺纹，与外缸筒轴筒连接，同时压紧内流道连接器。
9.进一步的，所述六极环形铁筒包括六组衔铁芯围成的环形圆筒和六个铜线绕组，绝缘漆包铜线绕组独立的缠绕在六组铁芯上，其六组绕线由回流外罩处开设的圆孔引出，通电可形成多极环形磁路，通过控制器实现基于六绕组可变组态的多种磁场分布。
10.一种多极环形磁路变组态的磁流变减振器的控制方法，包括以下步骤:步骤1、将压电陶瓷接线端信号线引出减振器并接入控制器电压采集端口;步骤2、将引出阻尼回流装置的6对绕组控制线标定，按照六组铁芯内部环形排列方式，以逆时针为正向对绕线命名为1、2......6号绕组,并分别接入控制器的六个电流输出接线端；步骤3、将6组绕线进行组合，分为1个绕组组合、2个绕组组合、4个绕组组合、6个绕组组合四种组态，1个绕组组合方式包括：1、2、3、4、5、6；2个绕组组合方式包括3种类型，分别为：1-4、2-5、3-6； 1-3、2-4、3-5、4-6、5-1； 1-2、3-4、5-6，在控制时选用第1种组合方式；4个绕组组合方式包括：1-2-4-5、2-3-5-6、3-4-6-1；6个绕组组合方式包括：1-2-3-4-5-6；则根据以上组合类型的不同且产生的磁场不同，将组合一共分四类，且依次命名为
①②③④
；步骤4、根据四类组合方式产生的阻尼力的大小，设置反馈电压阈值分别为0、a、b、c四个阈值，且对上述四类组合进行优先权标定，当反馈电压x即0≤x《a时，优先选择
①
进行系统控制；依次类推，当反馈电压x即b≤x《c时，优先选择
③
进行系统控制：最后当反馈电压x即c≤x时，优先选择
④
进行系统控制。
11.进一步的，在系统控制算法设计时加入定时器功能，当达到预设时间时进行组合切换。
12.进一步的，步骤4中，所述的优先权和电压阈值，设计模糊控制器：（1）定义输入输出模糊集： 将反馈电压分为四个模糊集：a1，b1，c1，d1。将所述的四类组合分为四个模糊集：
①
，
②
，
③
，
④
；（2）依据优先权设置的权重系数定义隶属函数；（3）建立模糊控制规则：“电压值在a1范围时，则优先选用第
①
类组合可达到节能
控制”；“电压值在b1范围时，则优先选用第
②
类组合可达到节能控制”；依次类推；（4）按照需求设置模糊控制表。
13.进一步的，所述的模糊控制器，将其依据反馈电压输出的组合类型应用到整个减振控制系统里，达到节能控制的目的，如当阻尼器受到低频振动时，输出的电压在a1范围内，则模糊控制器选用第
①
类组合进行减振输出。
14.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明阻尼装置外置的设计，缩短了减振器的整体长度，使结构更加紧凑，增加了减振器的适应场合，同时多孔直角流道底座设有的单孔内流道和多孔外流道，实现了磁流变液在主体与阻尼装置的内外流道循环往复流动。
15.2、本发明格栅阻尼柱的设计可以使得磁流变液在无磁场流过时受到的阻尼力更小，降低了磁流变阻尼器的零场阻尼，提高了减振器在复原回程时的响应性能。
16.3、本发明六极环形铁筒的设计增加了线圈绕组数量，提高了线圈的有效散热面积，解决了单线圈绕组无法快速散热问题，同时设置1、2、4、6等多种节能组态，且每类组合中又划分了多种组合方式，增加了使能对象的数量，降低了同一绕组的重复使用频率，设置切换规则，增加绕组散热时间，最终实现了节能控制。
附图说明
17.图1为本发明的减振装配图；图2为本发明一实施例中的格栅板部件；图3为本发明一实施例中的多孔直角流道底座部件；图4为本发明一实施例中的六极环形铁筒部件；图5为本发明一实施例中的自反馈控制路线；图6为本发明一实施例中的控制方法流程图；图7为本发明一实施例中的线圈绕组磁场分布图；其中：1、上端盖；2、内缸筒；3、外缸筒；4、下端盖；5、压电陶瓷堆；6、弹簧座1；7、弹簧；8、活塞杆；9、弹簧座2；10、活塞；11、弹簧座3；12、弹簧座4；13、旋转塞；14、回流外罩；15、回流隔板；16、锥形座；17、六极环形铁筒；18、内套筒；19、格栅阻尼柱；20、线圈绕组；21、挡圈；22、内流底座；23、多孔直角流道底座；24、内流道连接器。
具体实施方式
18.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
19.本发明提供一种多极环形磁路的自反馈式磁流变减振器，参照图1-图4所示，包括内外缸筒1-2、压缩装置6-12、压电陶瓷堆5、多极可控阻尼回流装置17-20。
20.在本实施例中，内外缸筒包括内缸筒2和外缸筒3，外缸筒3嵌套在上下底座1、4上，内缸筒2通过螺纹与上下底座1、4连接，且在装配时保证内外缸筒的圆孔同心，内缸筒内部充满磁流变液且为内流道，内外缸筒间隙为磁流变外流道。所述的压缩装置包括活塞杆8、活塞10、弹簧7、弹簧座9、11，活塞10可在内缸筒2上下滑动，弹簧座9、11位于活塞的上下两端，两组弹簧7分别位于弹簧座9、11的两侧，弹簧座用于弹簧7的固定。所述的电压反馈装置包括堆叠式电陶瓷堆5和上下底座1、5，压电陶瓷堆5通过分别固定在底座1、4上进行整体装
配，分别位于弹簧7的两端，由弹簧底座1、12隔开。所述的多极可控阻尼回流装置包括六极环形铁筒17、格栅阻尼柱19、内套筒18、线圈绕组20，格栅阻尼柱19嵌进内套筒18且将其与锥形座16同时装入六极环形铁筒17，六极环形铁筒17上的六铁心配有线圈绕组20，线圈绕组20通电后可产生磁场，通过导线与控制器连接，可实现自由组合且独立可控，内流底座22位于六极环形铁筒17下方，通过导流管嵌在多孔直角流道底座23上，内流道连接器24分别与多孔直角流道底座2和内缸筒2连接，多孔直角流道底座位于减振器主体的外侧，通过14回流外罩留有的螺纹装置与主体连接。
21.在本实施例中，内缸筒2和外缸筒3在侧边留有圆孔，且外缸筒3连接带有螺纹的空心轴筒，外缸筒3通过焊接的方式与空心轴筒连接，轴筒的内孔大于内缸筒2的圆孔，在内缸筒2不具有圆孔的一端设有多个回流小孔，实现磁流变由外流道流入内流道。
22.在本实施例中，活塞10与活塞杆8通过螺纹连接且设有紧定螺钉限制其周向运动，活塞10上侧弹簧底座9嵌套在活塞杆8上，活塞10下侧底座11通过设有的凸轴，将其嵌入活塞10内。
23.在本实施例中，优选的，单个压电陶瓷堆5由压电陶瓷片堆叠并联组成，压电陶瓷堆5分别固定在上下底座1、4上。
24.参照图3所示，在本实施例中，多孔直角流道底座23设有内流道和多孔外流道，实现磁流变液的内外回流。
25.参照图4所示，在本实施例中，六极环形铁筒17包括六组衔铁芯围成的环形圆筒和铜线绕组，绝缘漆包铜线绕组独立的缠绕在六组铁芯上，按顺时针排列依次为1、2...6号绕组。其六组绕线由回流外罩处开设的圆孔引出。六组线圈绕组20缠绕方向相同，独立可控，互不干扰，随意选择其中两组加入相反电流即可在圆筒内部实现闭环磁场。
26.在本实施例中，锥形座16上还包括旋转塞13、回流隔板15，旋转塞13与回流隔板15通过螺纹配合，使其周向运动转化为直线运动，从而调节与锥形座16的流道间隙。旋转塞13的一端通过回流外罩14上方留有的圆孔伸出，可以在外侧使用扳手调整锥形流道间隙。
27.在本实施例中，当减振器受到竖直向下的力时，活塞杆8推动活塞10往下运动，弹簧7受压后将力作用于压电陶瓷堆5进而使其产生电压信号，向下运动的活塞10推动磁流变液从内缸筒流道流经内流道连接器24和多孔直角流道底座23内孔到达内流底座22的腔室内，然后磁流变液从腔室内流入格栅阻尼柱19，由于前述产生的电压信号，经过控制器采集、放大、加入控制算法后输出所需电流，使得线圈绕组20产生磁场，则流入格栅阻尼柱19的磁流变液在垂直磁场的作用产生剪切屈服应力，阻碍了其在内部的流动，则在格栅阻尼柱19上下两侧形成了压力差，从而实现了所需的减振效果，最后流出格栅阻尼柱19的磁流变液通过回流隔板15回流到回流外罩14的流道，再经过多孔直角流道底座23外孔和内缸筒2留有的多孔回流到活塞杆10的上侧，形成上下容腔体积平衡。被压弹簧7蓄能后推动活塞10往上运动，则磁流变液反向流经上述过程，此处不做赘述。在使用时可调节旋转塞13改变其与锥形座16的流道间隙，实现手动调节减振器的灵敏度。
28.本发明还提供一种节能控制方法，参照图1、图5-图7 ，包括：步骤1、将压电陶瓷接线端信号线引出减振器并接入控制器电压采集端口；步骤2、将引出阻尼回流装置的6对绕组控制线标定，按照六组铁芯内部环形排列方式，以逆时针为正向对绕线命名，分别接入控制器的六个输出接线端
步骤3、将6组绕线进行组合，可分为1、2、4、6等四种组态，1个绕组组合方式包括：1、2、3、4、5、6；2个绕组组合方式包括3种类型，分别为：1-4、2-5、3-6； 1-3、2-4、3-5、4-6、5-1； 1-2、3-4、5-6，在控制时选用第1种组合方式；4个绕组组合方式包括：1-2-4-5、2-3-5-6、3-4-6-1；6个绕组组合方式包括：1-2-3-4-5-6。则根据以上组合类型的不同且产生的磁场不同，将组合一共分六类，且依次命名为
①②③④
。
29.步骤4、根据四类组合方式产生的阻尼力的大小，设置反馈电压阈值分别为0、a、b、c四个阈值，且对上述四类组合进行优先权标定，当反馈电压x即0≤x《a时，优先选择
①
进行系统柔顺控制；依次类推，当反馈电压x即b≤x《c时，优先选择
③
进行系统控制：最后当反馈电压x即c≤x时，优先选择
④
进行系统控制。
30.优选的， 所述的每一类有不同组合方式，在控制算法设计时加入定时器功能，实现组合切换：如在执行第
②
类系统控制时，加入切换定时器t，在t1个时间内使用1-4号组合、在t2个时间内切换至2-5号组合、在t3个时间内切换至3-6组合，依次往复循环，从而避免在持续供给电流的条件下因无法快速散热而最终造成设备损坏问题。
31.优选的，在步骤4中，所述的电压反馈值为控制器采集来自压电陶瓷的电压且滤波放大后的值，其峰值波动较小，同时电压阈值均为峰值点电压。优先权标定，其在划定的阈值范围内可产生反馈值所需的阻尼力，最大程度上实现节能控制。
32.在本实施例中，设计模糊控制器：（1）定义输入输出模糊集： 将反馈电压分为四个模糊集：a1，b1，c1，d1。将所述的六类组合分为四个模糊集：
①
，
②
，
③
，
④
；（2）依据优先权设置的权重系数定义隶属函数；（3）建立模糊控制规则：“电压值在a1范围时，则优先选用第
①
类组合可达到节能控制......”；“电压值在b1范围时，则优先选用第
②
类组合可达到节能控制”；依次类推；（4）按照需求设置模糊控制表。
33.优选的 ，模糊控制器将其依据反馈电压输出的组合类型应用到整个减振控制系统里，达到节能控制的目的，如当阻尼器受到低频振动时，输出的电压在a1范围内，则模糊控制器选用第
①
类组合进行减振输出。
34.开始时，减振器在工作时受到振动，控制板采集来自压电陶瓷堆5的电压信号，经过滤波、放大后抽取峰值点且求取平均值后发送给模糊控制器，模糊控制器根据反馈的电压信号输出相应的控制组合类型，然后将这一控制组合类型应用到减振系统中，最终通过控制板输出相应控制电流进而使线圈绕组20产生磁场，阻尼装置产生阻尼力的同时实现节能控制的目的，如当阻尼器受到低频低幅振动时，由于作用压力较小，假设输出的电压在a1范围内，则模糊控制器优先选用第
①
类组合进行减振输出，且利用定时器不断改变1-4、2-5、3-6组合的使能绕组，当阻尼器受到高幅振动时，此时振动压力较大，假设最终采集的电压超过了d1，则模糊控制器会选用
④
类组合进行减振输出，产生更大的阻尼力减少减振器的振动幅度，实现多组态自反馈式节能抑振。
35.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。