一种自供能自适应磁流变阻尼器及电磁阻尼器的制作方法

本发明属于工程结构消能减振及结构抗风领域，更具体地，涉及一种自供能自适应磁流变阻尼器，可以解决磁流变阻尼器的能量供应问题。

背景技术：

随着科学技术的不断进步，为了满足现实需求，现代建筑结构的规模越来越大，超高层建筑和大跨度桥梁越来越多。高层建筑在风荷载作用下会产生加速度，可能引起人体的不适，大跨度桥在风荷载作用下可能会破坏，在地震作用下，桥梁和建筑损坏甚至倒塌的情况也很多。结构的动力特性在设计中需要慎重考虑，例如1940年著名的塔科马海峡大桥在风荷载的作用下产生扭转，最终破坏，因此控制结构在风荷载作用和地震作用下的振动相当重要。

自上世纪70年代以来，土木工程结构振动控制研究与工程应用发展迅速，结构振动控制系统可分为被动控制系统、半主动控制系统、主动控制系统和混合控制系统四类。现有结构振动控制系统的应用主要以被动控制为主，被动控制系统不需要输入能量，包括隔震和消能减振/震两种形式。主动控制系统一般需要输入能量，并且需要传感器来获取结构的运动信息来实时调整控制力。半主动控制系统结合了被动控制系统和主动控制系统的优点，它需要的能量很少，系统构造比主动控制系统更简单，具有更高的稳定性，而且又具备主动控制系统可控地改变控制力或者阻尼的能力。在半主动控制装置中，磁流变阻尼器具有阻尼力大，阻尼力可调，响应时间快，工作温度范围大，功率小等优点，在汽车，建筑等领域中被应用。

然而，磁流变阻尼器同样需要能量供应，需要感应器和控制器来调节阻尼力，对于大型的建筑来说，可能需要应用很多个磁流变阻尼器来控制结构的振动，这使得减振系统变得很复杂，难以维护，在地震作用下可能失去能量供应，导致系统失效。为了使磁流变阻尼器能够更方便地应用于建筑结构，有必要设计一种能够实现能量自给自足的，不需要感应器就可以实现自适应控制的磁流变阻尼器。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自供能自适应磁流变阻尼器，其目的在于，通过将磁流变阻尼器和电磁阻尼器并联入受控结构，直接利用受控结构的振动驱动电磁阻尼器发电并提供给磁流变阻尼器使用，从而实现自供电的同时根据振动状况自适应改变磁流变阻尼器的阻尼力大小，由此解决传统磁流变阻尼减振系统复杂易失效的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自供能自适应磁流变阻尼器，包括：磁流变阻尼器、电磁阻尼器、第一连接件和中间电路；

磁流变阻尼器和电磁阻尼器通过两个第一连接件并联；第一连接件用于与被控制结构连接，以随被控制结构运动，从而带动磁流变阻尼器和电磁阻尼器运动；

电磁阻尼器包括：推杆、滚珠丝杠、滚珠螺母、飞轮、直流电机、丝杠座和电机座；滚珠丝杠、飞轮、直流电机从上至下依次串联；滚珠丝杠安装于丝杠座上，滚珠螺母与滚珠丝杠组成滚珠丝杠副；直流电机安装于电机座上，电机座与下部的第一连接件连接；推杆上端与上部的第一连接件连接，下端与滚珠螺母连接，以将上部的第一连接件的上下振动位移通过滚丝杠副转换为飞轮和直流电机主轴的转动，带动飞轮转动减振并带动直流电机发电；

直流电机的发电端口通过中间电路连接磁流变阻尼器的供电端口，从而根据振动大小不同向磁流变阻尼器自适应供电。

进一步地，还包括第二连接件和第三连接件；推杆上端通过第二连接件连接上部的第一连接件，电机座下端通过第三连接件连接下部的第一连接件。

进一步地，所述中间电路包括：电阻r1～r4，电容c1、c2，第一运算放大器，以及第二运算放大器；

中间电路的输入端电压vi的正极通过电阻r1接入第一运算放大器的反向输入端，电容c1与电阻r1并联；电阻r2与电容c2并联后两端分别连接第一运算放大器的反向输入端和输出端；第一运算放大器的输出端通过电阻r3连接第二运算放大器的反向输入端；电阻r4两端分别连接第二运算放大器的反向输入端和输出端；第一运算放大器22的正向输入端和第二运算放大器的正向输入端均连接中间电路的输入端电压vi的负极；

中间电路的输入端电压vi由电磁阻尼器提供，输出端电压vo连接到磁流变阻尼器。

进一步地，中间电路为相位超前电路，r1*c1>r2*c2。

进一步地，中间电路为相位滞后电路，r1*c1<r2*c2。

进一步地，中间电路为相位同步电路，r1*c1＝r2*c2。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明专利所提供的一种自供能自适应磁流变阻尼器是一种控制结构振动的装置，其中电磁阻尼器可以在提供阻尼力的同时产生电能，该电能用于供给磁流变阻尼器。由于结构振动会通过滚珠丝杠副传递给直流电机，直流电机的发电规律直接受到振动规律的影响，而磁流变阻尼器可以通过控制输入励磁线圈的电流来控制磁场强度，进而控制磁流变阻尼器的阻尼力大小。因此，本发明将电磁阻尼器产生的电流，通过中间电路输入给磁流变阻尼器，既可以解决磁流变阻尼器的能量供应问题，同时还可以形成根据振动情况自适应控制阻尼力大小的效果。

(2)采用增速机可以将滚珠丝杠的转速增大，从而提高发电机的能量收集效率，使得电压输出相应更及时，自适应控制能力更灵敏。

(3)通过各种连接件进行本发明的自供能自适应磁流变阻尼器的安装，则可以根据不同的土木结构改变连接件结构形式，而无需改变阻尼器自身结构，从而扩大本发明的应用范围。

(4)所述中间电路可以根据需要使用合适的电路，例如相位超前电路、相位滞后电路、相位同步电路，从而扩展出更为丰富的同步、延迟、超前自适应特性。

附图说明

图1为本发明优选实施例的自供能自适应磁流变阻尼器的结构示意图；

图2为本发明优选实施例的电磁阻尼器的结构示意图；

图3为本发明优选实施例的中间电路的电路图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第二连接件，2-推杆，3-滚珠丝杠，4-滚珠螺母，5-轴承支座，6-第一联轴器，7-增速机，8-飞轮，9-第二联轴器，10-直流电机，11-第三连接件，12-磁流变阻尼器，13-电磁阻尼器，14-第一连接件，15-中间电路，16-电阻r1，17-电阻r2，18-电阻r3，19-电阻r4，20-电容c1，21-电容c2，22-第一运算放大器，23-第二运算放大器，24-丝杠座，25-增速机座，26-电机座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明一种自供能自适应磁流变阻尼器的结构示意图。结构振动带动磁流变阻尼器12和电磁阻尼器13振动，阻尼力由两个阻尼器共同提供，其中磁流变阻尼器需要的电能，可以使用中间电路15调节由电磁阻尼器13供给。

如图1、2所示，磁流变阻尼器12和电磁阻尼器13通过两个第一连接件14并联。第一连接件14用于与被控制结构连接，以随被控制结构运动，从而带动磁流变阻尼器12和电磁阻尼器13运动。

电磁阻尼器13包括：推杆2、滚珠丝杠3、滚珠螺母4、飞轮8、直流电机10、丝杠座24和电机座26。滚珠丝杠3、飞轮8、直流电机10从上至下依次串联。滚珠丝杠3安装于丝杠座24上，滚珠螺母4与滚珠丝杠3组成滚珠丝杠副，可以实现将直线运动转换为旋转运动的功能。直流电机10安装于电机座26上，电机座26与下部的第一连接件14连接。推杆2上端与上部的第一连接件14连接，下端与滚珠螺母4连接，以将上部的第一连接件14的上下振动位移通过滚丝杠副转换为飞轮8和直流电机10主轴的转动，带动飞轮8转动减振并带动直流电机10发电。

直流电机10的发电端口通过中间电路15连接磁流变阻尼器12的供电端口，从而根据振动大小不同向磁流变阻尼器12自适应供电。

优选地，还包括第一联轴器6、增速机7、第二联轴器9和增速机座25。增速机座25固定于丝杠座24和电机座26之间，增速机7安装于增速机座25上。增速机7的输入轴通过第一联轴器6连接滚珠丝杠3下端，飞轮8安装于增速机7的输出轴上，且增速机7的输出轴的末端通过第二联轴器9连接直流电机10的主轴。所述增速机7可以将所述滚珠丝杠的转速增大，从而提高发电机的能量收集效率。

优选地，还包括第二连接件1和第三连接件11。推杆2上端通过第二连接件1连接上部的第一连接件14，电机座26下端通过第三连接件11连接下部的第一连接件14。第一连接件14、第二连接件1、第三连接件11，均可以根据不同的土木结构改变形式，扩大本发明的应用范围。

优选地，所述磁流变阻尼器12可以根据受控结构的实际减振耗能需要选择出力大小合适的型号。

优选地，所述直流电机10可以根据实际场景下选择的具体磁流变阻尼器12的供电需要，选择具有合适参数的型号，从而为磁流变阻尼器提供充足的电能。

优选地，所述中间电路可以根据需要使用合适的电路，例如相位超前电路、相位滞后电路、相位同步电路，从而扩展出更为丰富的自适应特性。

在一个优选实施例中，磁流变阻尼器12采用单出杆型，电磁阻尼器13的具体结构如图3所示，第一连接件14用于将两个阻尼器形成一个整体，并且将整个装置和外部土木结构相连，连接件两端的连接板上的接口可以跟据土木工程的接口做成相应的形式，中间电路15见图3。

图2为本发明优选的电磁阻尼器13的结构示意图，其中：第二连接件1和第三连接件11实现电磁阻尼器13与第一连接件14的连接。滚珠螺母4与滚珠丝杠3为适应结构大小的滚珠丝杠副，可将直线运动转化为旋转运动。第一联轴器6将旋转的滚珠丝杠与增速机的输入轴固连，实现运动的传递。增速机7可根据具体的应用对减速比进行设置和调节，以适应不同的能量需求。飞轮8可以消耗结构振动的能量，既可以作为阻尼器进行耗能减震，又可以减少传导至直流电机10的振动，确保直流电机10正常稳定工作。第二联轴器9用于增速机7与直流电机10的固连。直流电机10处于整个阻尼器装置的最后一环，通过电磁感应原理，将动能转换成电能，这一发电过程同样存在电磁阻尼作用，然后通过中间电路15，输出相应的电流到磁流变阻尼器12，从而实现结构能量的耗散和振动的控制。推杆2用于第二连接件1和滚珠螺母4的连接。轴承支座5用于支撑和限制滚珠丝杠3。

图3为本发明优选的中间电路15的电路图，中间电路15的输入端电压vi由电磁阻尼器13提供，输出端电压vo连接到磁流变阻尼器12。本实施例的中间电路15包括：电阻r1～r4，电容c1、c2，第一运算放大器22，以及第二运算放大器23。

其中，中间电路15的输入端电压vi的正极通过电阻r1接入第一运算放大器22的反向输入端，电容c1与电阻r1并联；电阻r2与电容c2并联后两端分别连接第一运算放大器22的反向输入端和输出端；第一运算放大器22的输出端通过电阻r3连接第二运算放大器23的反向输入端；电阻r4两端分别连接第二运算放大器23的反向输入端和输出端；第一运算放大器22的正向输入端和第二运算放大器23的正向输入端均连接中间电路15的输入端电压vi的负极。优选地，第一运算放大器22和第二运算放大器23均为运算放大器opa，当r1*c1>r2*c2，就可以实现相位超前电路，反之可以实现相位滞后电路，相等则可以实现相位同步电路，因此可以根据需要改变电阻和电容的大小来改变输入端电压vi和输出端电压vo的相位关系，以适应不同的应用场景。

本发明的工作原理如下：

第一连接件14带动所述电磁阻尼器13的滚珠螺母4振动，滚珠丝杠3会做相应的正反转运动，通过增速机7改变转动速度，再带动电磁阻尼器13中的飞轮8和发电机10转动，产生阻尼力以及一定的电能。此外第一连接件14还会带动磁流变阻尼器12的活塞相对于缸体运动。缸体中装有磁流变液，活塞相对缸体运动会剪切磁流变液，产生阻尼力。

由于磁流变液具有一定的粘性和屈服强度，而其屈服强度受磁场强度的影响，可以通过安装于活塞上的励磁线圈产生磁场加以控制，因此可以通过控制输入励磁线圈的电流来控制磁场强度，进而控制磁流变阻尼器的阻尼力大小。在本发明中，该电流来自于电磁阻尼器13发电，由于电磁阻尼器13的发电行为取决于推杆2的上下振动，换言之，被控制结构的振动幅度和振动频率直接影响到电磁阻尼器13的输出电压。

因此，本发明将电磁阻尼器13产生的电流，通过中间电路15输入给磁流变阻尼器12的励磁线圈，在解决磁流变阻尼器12的能量供应问题的同时，还可以形成自适应控制磁流变阻尼器12阻尼力大小的效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。