基于电磁感应能量捕获技术的磁流变阻尼器研究

　　磁流变液是一种智能材料，在外磁场作用下能在瞬间( 毫秒级) 从自由流动液体转变为半固体，呈现可控的屈服强度，而且该变化是可逆的［1］。磁流变阻尼器是以磁流变液为工作介质的半主动振动控制结构，与传统结构相比，磁流变减振器具有能耗低、响应快、结构简单、阻尼力连续顺逆可调以及方便与计算机控制结合等优点［3］，已广泛应用于汽车工业、工程建筑、航空航天、武器系统等领域的振动控制，并取得了良好的控制效果［4 －7］。

　　磁流变阻尼器工作时需要外部电源设备为其活塞线圈提供直流电能，以产生控制磁流变液的磁场。然而如果能够收集外界环境振动能给磁流变阻尼器供电，省去外加电源设备，实现磁流变减振器自供电，即可减小振动控制系统的体积、重量、成本，提高可靠性，从而促进磁流变减振技术进一步发展。目前在磁流变阻尼器自供电方面的研究较少，处于可行性论述阶段。其中 Jung［8 －9］研究了利用永磁式磁感应能量收集系统给磁流变阻尼器供电，进行了实验，取得了不错的控制效果，不过其研制的能量收集装置与磁流变阻尼器是分离的，未考虑将能量收集装置与磁流变阻尼器集合成整体; Choi 等［10］和 Chao 等［11］分别对磁流变阻尼器自供电方面开展了研究，但是均未考虑收集电能的传输问题，并且研制的磁流变阻尼器结构比较复杂，可靠性较低，应用成本高。

　　本文提出一种无需外部电源设备的新型磁流变阻尼器，它包括一个电磁感应能量捕获结构，能将外界振动能转换成适合磁流变阻尼器使用的稳压直流电，可在无外界电源情况下实现对振动的智能控制。相比上述研究，该电磁感应式自供能磁流变阻尼器具有结构简单、可靠性高的优点，同时对收集的电能进行整流调理，以适合磁流变阻尼器使用。首先论述了该新型磁流变阻尼器的结构特征，建立了电能收集的理论模型，然后对其捕获电能的能力进行了模拟仿真，最后在实验台架上对实际加工的实验器件原型进行了实验研究，实验结果表明: 在外界振动条件下，该新型磁流变阻尼器可以在无需外界电能输入的情况下改变阻尼特性，从而可以实现对振动的无源智能控制。

　　1 新型磁流变阻尼器结构设计

　　在振动过程中，所设计的电磁感应式自供能磁流变阻尼器必须能收集振动能给自身供电，从而改变输出阻尼力特性，实现对振动的智能控制，因此设计时需要考虑三条设计准则: ① 电磁感应能量捕获结构收集电能的能力( 即收集的电能是否能驱动阻尼器线圈产生足够强的磁场，以改变磁流变液的阻尼特性) ; ② 磁流变阻尼器是否可以实现对外界振动的智能控制( 即阻尼器输出阻尼力是否受施加到线圈活塞上的电流控制) ; ③ 结构复杂程度及加工难易度。其中电磁感应式能量捕获结构收集电能的能力是结构设计中主要考虑的问题。按上述原则设计的电磁感应式自供能磁流变减振器结构如图 1 所示，主要由磁流变阻尼器结构、电磁感应能量捕获结构、电能调理模块及相关连接件构成，其中连接件包括将电磁感应能量捕获结构的永磁体和磁流变阻尼器活塞连接在一起的中间连接杆，将磁流变液密封在磁流变阻尼器中的密封件等。