基于電磁感應(yīng)能量捕獲技術(shù)的磁流變阻尼器研究

蔣學(xué)爭，胡紅生，2，王 炅

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094;2.嘉興學(xué)院 機電工程學(xué)院，嘉興 314001)

磁流變液是一種智能材料，在外磁場作用下能在瞬間(毫秒級)從自由流動液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，呈現(xiàn)可控的屈服強度，而且該變化是可逆的［1］。磁流變阻尼器是以磁流變液為工作介質(zhì)的半主動振動控制結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，磁流變減振器具有能耗低、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、阻尼力連續(xù)順逆可調(diào)以及方便與計算機控制結(jié)合等優(yōu)點［3］，已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、工程建筑、航空航天、武器系統(tǒng)等領(lǐng)域的振動控制，并取得了良好的控制效果［4－7］。

磁流變阻尼器工作時需要外部電源設(shè)備為其活塞線圈提供直流電能，以產(chǎn)生控制磁流變液的磁場。然而如果能夠收集外界環(huán)境振動能給磁流變阻尼器供電，省去外加電源設(shè)備，實現(xiàn)磁流變減振器自供電，即可減小振動控制系統(tǒng)的體積、重量、成本，提高可靠性，從而促進磁流變減振技術(shù)進一步發(fā)展。目前在磁流變阻尼器自供電方面的研究較少，處于可行性論述階段。其中Jung［8－9］研究了利用永磁式磁感應(yīng)能量收集系統(tǒng)給磁流變阻尼器供電，進行了實驗，取得了不錯的控制效果，不過其研制的能量收集裝置與磁流變阻尼器是分離的，未考慮將能量收集裝置與磁流變阻尼器集合成整體;Choi等［10］和 Chao等［11］分別對磁流變阻尼器自供電方面開展了研究，但是均未考慮收集電能的傳輸問題，并且研制的磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性較低，應(yīng)用成本高。

本文提出一種無需外部電源設(shè)備的新型磁流變阻尼器，它包括一個電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)，能將外界振動能轉(zhuǎn)換成適合磁流變阻尼器使用的穩(wěn)壓直流電，可在無外界電源情況下實現(xiàn)對振動的智能控制。相比上述研究，該電磁感應(yīng)式自供能磁流變阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點，同時對收集的電能進行整流調(diào)理，以適合磁流變阻尼器使用。首先論述了該新型磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)特征，建立了電能收集的理論模型，然后對其捕獲電能的能力進行了模擬仿真，最后在實驗臺架上對實際加工的實驗器件原型進行了實驗研究，實驗結(jié)果表明:在外界振動條件下，該新型磁流變阻尼器可以在無需外界電能輸入的情況下改變阻尼特性，從而可以實現(xiàn)對振動的無源智能控制。

1 新型磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

在振動過程中，所設(shè)計的電磁感應(yīng)式自供能磁流變阻尼器必須能收集振動能給自身供電，從而改變輸出阻尼力特性，實現(xiàn)對振動的智能控制，因此設(shè)計時需要考慮三條設(shè)計準(zhǔn)則:① 電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集電能的能力(即收集的電能是否能驅(qū)動阻尼器線圈產(chǎn)生足夠強的磁場，以改變磁流變液的阻尼特性);② 磁流變阻尼器是否可以實現(xiàn)對外界振動的智能控制(即阻尼器輸出阻尼力是否受施加到線圈活塞上的電流控制);③ 結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及加工難易度。其中電磁感應(yīng)式能量捕獲結(jié)構(gòu)收集電能的能力是結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要考慮的問題。按上述原則設(shè)計的電磁感應(yīng)式自供能磁流變減振器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)、電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)、電能調(diào)理模塊及相關(guān)連接件構(gòu)成，其中連接件包括將電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)的永磁體和磁流變阻尼器活塞連接在一起的中間連接桿，將磁流變液密封在磁流變阻尼器中的密封件等。

圖1 電磁感應(yīng)式自供能磁流變阻尼器Fig.1 EMI self-powered MR damper

由圖1可見電磁感應(yīng)能捕獲結(jié)構(gòu)的定子與磁流變阻尼器的缸筒連接在一起，并且在定子凹槽內(nèi)纏繞著電磁線圈。實際工作時，在外界環(huán)境振動作用下，阻尼器的活塞桿在缸筒內(nèi)做往復(fù)運動。同時由于電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)的永磁體定子通過中間連接桿和磁流變阻尼器的活塞連接在一起，因此在振動力作用下，永磁體將隨著阻尼器活塞桿一起運動，在定子內(nèi)腔內(nèi)做往復(fù)運動。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，這將引起定子上纏繞的電磁線圈內(nèi)部的磁通量變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電能調(diào)理模塊將產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換成適合磁流變阻尼器使用的穩(wěn)壓直流電，并作用到磁流變阻尼器的活塞線圈上，產(chǎn)生控制磁流變液的磁場，改變磁流變阻尼器的阻尼特性，從而實現(xiàn)在無外接電源設(shè)備情況下智能控制振動的目標(biāo)。

2 電能收集理論建模

圖2 電磁感應(yīng)能量捕獲內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of EMI energy harvesting device

在振動環(huán)境作用下，電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)定子內(nèi)的電磁線圈切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生電能，將一部分振動能轉(zhuǎn)換成電能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括定子、永磁體、磁極、電磁線圈等。定子內(nèi)部采用T形齒結(jié)構(gòu)，并且在相鄰T形齒的凹槽內(nèi)繞制有電磁線圈，可最大化穿過磁力線，提高永磁體磁場的利用率，增加收集的電能。鋁桿將圓環(huán)形永磁體和磁極連接在一起構(gòu)成電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)的動子，永磁體的磁極化方向為軸向方向，相鄰永磁體的極化方向相反。永磁體采用NdFeB35制成;定子和磁極用電磁純鐵DT4制成，由于DT4的磁導(dǎo)率高、磁阻低，永磁體產(chǎn)生的磁力線容易穿過磁極、氣隙和定子形成一個磁力線回路，提高磁場利用率。永磁體按照極化方向相反固定在一起，同磁極相互排斥，迫使磁感應(yīng)線穿過氣隙和定子形成磁力線回路。磁力線回路如圖2所示，設(shè)計加工的電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)動子由7塊NdFeB35永磁體和8塊DT4磁極構(gòu)成，共7個磁力線回路。由于磁極區(qū)Tp的長度是T行齒繞線區(qū)Ts長度的兩倍，因此工作時定子內(nèi)共有14個電磁線圈處于電磁感應(yīng)發(fā)電區(qū)。

當(dāng)永磁體在定子內(nèi)往復(fù)運動時，針對其中一個電磁線圈，其等效磁路模型如圖3所示，其中:Frem表示永磁體的剩余磁動勢;Rm表示永磁體自身的磁阻;R'm表示由于鋁桿而引起的磁漏;Rp表示磁極的磁阻;Rg表示氣隙的磁阻;Rc表示定子的磁阻。由于定子和磁極用高導(dǎo)磁材料DT4制成，磁阻很小，Rp和Rc可以忽略不記。又因材料鋁不導(dǎo)磁，鋁桿引起的磁漏非常小，R'm也可忽略不計。由法拉第電磁感應(yīng)定律知，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為線圈內(nèi)磁通的變化率。因此在外界振動作用下，電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電動勢為:

圖3 等效磁路模型Fig.3 Equivalent magnetic circuit

式中ψPM為永磁體的磁鏈，可由下式計算:

式中:N為電磁線圈的匝數(shù);φg為定子和永磁體之間氣隙的磁通量，而由磁路原理［12］知該磁通量可用下式計算:

式中:μ0為真空磁導(dǎo)率;Brem為永磁體的剩余磁通密度;He為永磁體的磁矯頑力;Ag為氣隙的截面積;Am為圓環(huán)形永磁體的截面積;g為氣隙厚度。

化簡式(1)、式(2)可得線圈切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為:

由于磁力線從永磁體出來之后經(jīng)過磁極、氣隙、定子形成一個磁力線回路，而氣隙磁通量為φg，故T形齒的厚度Wtb和定子壁厚Wb分別用下二式計算:

式中:Bmax為電磁純鐵DT4的飽和磁通密度;Lr為定子內(nèi)壁的圓周長;Nsm為T形齒個數(shù)與永磁體個數(shù)的比值(本設(shè)計中Nsm=2)。

3 電能收集仿真及調(diào)理電路

3.1 電能收集仿真

由上文可知定子內(nèi)電磁線圈產(chǎn)生的電動勢非定值，其大小與方向隨時間不斷變化，為清楚觀察其變化情況，利用MATLAB軟件對其進行仿真計算，仿真條件為:永磁體在外界振動力作用下，沿軸線在定子內(nèi)部做振幅為5mm和頻率為2Hz(低頻振動)的正弦振動。在此振動作用下，定子內(nèi)電磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢如圖4所示。由圖4可見，在外界振動作用下，電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集的電動勢為交流電壓，不能直接輸入到磁流變阻尼器活塞線圈上產(chǎn)生控制磁場。由于發(fā)電時有14個電磁線圈參與工作，且每個電磁線圈參與發(fā)電的時間不同，因而造成圖4中總電壓曲線呈不規(guī)則曲線。為能控制磁流變阻尼器產(chǎn)生不同阻尼力，需要一個電能調(diào)理模塊，將電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成適合磁流變阻尼器使用的穩(wěn)壓直流電。

圖4 感應(yīng)電動勢Fig.4 Generated voltage

圖5 電磁感應(yīng)能量捕獲調(diào)理電路Fig.5 EMI energy harvesting circuit

3.2 電能調(diào)理電路

根據(jù)電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集的電壓特點及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計的調(diào)理電路如圖5所示，該調(diào)理電路由一個直流整流電路和一個存儲電容C1組成，直流整流電路用于將方向不斷變化的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換成方向不變的直流電壓，存儲電容用于存儲從直流整流電路輸出的電能，并通過電容充放電功能將其轉(zhuǎn)換成適合磁流變阻尼器使用的穩(wěn)壓直流電。為驗證調(diào)理電路的有效性，在電路仿真軟件PSPICE中對設(shè)計的調(diào)理電路進行仿真(如圖5)，其中:電壓輸入V1為上文MATLAB電壓仿真中輸出的感應(yīng)電動勢，V1與時間的關(guān)系見圖4;R1表示繞制在定子內(nèi)電磁線圈的電阻值(28.26 Ω);R2表示磁流變阻尼器活塞線圈的電阻值(1.26 Ω)。在交流電壓源V1的激勵下，經(jīng)過電能調(diào)理電路，實測得R2兩端電壓如圖6所示。

圖6 調(diào)理電路輸出電壓Fig.6 Output voltage of EMI energy harvesting circuit

由圖6可見，在振動剛開始3 s內(nèi)R2兩端電壓從0 V 上升到2.1 V，并從第3 s開始保持在2.1 V 和2.2 V之間，其變化幅度只有0.1 V左右，基本上處于穩(wěn)壓狀態(tài)，能在阻尼器活塞線圈中產(chǎn)生1.67 A左右的直流電。由此可見，設(shè)計的電能調(diào)理電路可以將電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集的交流電壓轉(zhuǎn)換成適合磁流變阻尼器使用的穩(wěn)壓直流電壓。

4 實驗

為驗證設(shè)計加工的電磁感應(yīng)自供能磁流變阻尼器振動控制能力，在實驗臺架上對設(shè)計加工的器件原型進行實驗研究。實驗原理如圖7所示，激振臺采用PA－20－Z型電液伺服振動測試臺，EMI磁流變減振器活塞桿固定在實驗臺架的上懸梁上，底部連接在實驗臺架的激振頭上，實驗時激振頭帶動活塞桿一起運動。實驗中，磁流變阻尼器輸出的阻尼力由固定在激振頭上的拉壓力傳感器(HDW207，福建莆田)測量，位移和速度由位移傳感器(LWH150，Novotechnik)測量，實驗臺架如圖8所示。實驗條件與上文電能收集仿真時設(shè)定的振動條件相同，從而方便與仿真結(jié)果比較。

圖7 實驗原理圖Fig.7 Schematic of experimental setup

首先對磁流變阻尼器自身阻尼特性進行實驗驗證，檢驗設(shè)計的磁流變阻尼器是否可以實現(xiàn)對外界振動的智能控制。不同電流激勵下，磁流變阻尼器輸出的阻尼力如圖9所示。圖9由里到外依次顯示了0 A至1.4 A電流輸入時的阻尼力曲線，可見隨著外界輸入電流的增加，阻尼器輸出阻尼力的峰值逐漸增大，由100 N增加大約到1100 N。表明所設(shè)計的磁流變阻尼器可以達到預(yù)先設(shè)定的振動控制目標(biāo)，可以通過控制輸入電流達到對外界振動的智能控制。當(dāng)外部輸入1.2 A和1.4 A 電流時，磁流變阻尼器輸出的兩條阻尼力曲線基本重合。這表明磁流變阻尼器的飽和輸入電流為1.4 A，即在輸入1.4 A固定電流情況下，磁流變液已達到自身的剪切屈服強度，此時阻尼器輸出阻尼力將不在隨電流的增大而增大。

圖8 實驗臺架Fig.8 Photo of experimental rig

其次為驗證電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集電能的能力，其收集的電能是否足夠驅(qū)動活塞線圈產(chǎn)生控制磁場，在相同振動條件下(即頻率2Hz/振幅5mm)對電磁感應(yīng)式自供電磁流變阻尼器電能捕獲能力和輸出阻尼力進行實驗研究，結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

利用示波器測量EMI結(jié)構(gòu)收集的電能(圖10)，收集的電壓經(jīng)過調(diào)理電路后變?yōu)?V左右平穩(wěn)電壓，可在阻尼器線圈中產(chǎn)生約1.58 A直流電流，與圖4仿真所得的電壓曲線相似。比較圖10和圖6可見，實際采集的平穩(wěn)電壓值比仿真所得值稍小，是由于實際測量系統(tǒng)內(nèi)阻造成的。將收集到的電壓能輸入到磁流變阻尼器的活塞中(ON狀態(tài))，此時磁流變阻尼器輸出的阻尼力曲線如圖11所示。由圖11可見，在無外部電能輸入的條件下，新型電磁感應(yīng)式自供能磁流變阻尼器的輸出阻尼力遠(yuǎn)大于普通無外電流輸入的磁流變阻尼器，并且基本與飽和激勵電流(即1.4 A)輸入情況下的阻尼力曲線重合。其原因為在此振動條件下，電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集的電能可在阻尼器活塞線圈中產(chǎn)生1.58 A左右的電流，從而使阻尼器輸出阻尼力達到最大。這表明在2Hz/5mm低頻正弦振動作用下，該電磁感應(yīng)式自供能磁流變阻尼器能實現(xiàn)電能自供的目標(biāo)，可在無外界電能輸入情況下改變其阻尼特性，實現(xiàn)對外界振動的智能控制。

圖9 不同電流下輸出阻尼力曲線Fig.9 Output damping force under different current

圖10 捕獲電能Fig.10 Harvested voltage by EMI

圖11 不同阻尼力對比曲線Fig.11 The comparison of different output damping force

5 結(jié)論

本文提出的一種新型電磁感應(yīng)式自供能磁流變阻尼器，相比于常規(guī)需要外部電源輸入的同類器件，該新型磁流變阻尼器可在無外部電源情況下實現(xiàn)對振動的智能控制。由于其包含電磁感應(yīng)能量結(jié)構(gòu)，可將外部振動環(huán)境的一部分振動能轉(zhuǎn)化成電能，并通過電能調(diào)理電路將收集的電能轉(zhuǎn)換成適合磁流變阻尼器使用的直流電。通過理論分析，建立收集電能的理論模型，構(gòu)建電能調(diào)理電路，并對其進行仿真研究。為對理論研究進行實驗驗證，設(shè)計加工了一個電磁感應(yīng)式自供能磁流變阻尼器實驗原型進行了實驗研究，結(jié)果表明在外界振動作用下該電磁感應(yīng)式自供能磁流變阻尼器可以捕獲足夠自身使用的電能，實現(xiàn)對振動的無源智能控制。由于無需外部電源，大大地減小磁流變振動控制系統(tǒng)的體積、重量，提高系統(tǒng)的可靠性，降低成本，從而推動磁流變減振技術(shù)的進一步發(fā)展。

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