CN107143606B - 针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法，利用铝镍钴和钕铁硼永磁体叠加磁场的记忆特性，通过施加瞬时脉冲磁场改变永磁体磁化状态且其磁化水平能够被记忆住，从而使减振器阻尼间隙中的磁感应强度实现双向调节的技术。与现有方法相比具有以下优点：所述针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法，利用可记忆磁路结构中不同矫顽力与剩磁特性的永磁体组合产生磁场的记忆特性，仅通过施加瞬时脉冲磁场即可实现对磁场强度的改变和维持，无需外部持续供能，减少了电能损耗，且能够对阻尼间隙的磁场强度进行双向调节。

Description

针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法

技术领域

本发明涉及磁流变减振领域，特别涉及一种针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法。

背景技术

磁流变减振器是以磁流变液为阻尼液开发的一种新型智能减振器。磁流变减振器的阻尼间隙中充满磁流变液，磁流变减振器通过改变阻尼间隙磁场强度的大小改变磁流变液的流变状态，进而改变磁流变减振器的输出阻尼力。

目前，针对磁流变减振器现有磁路结构所采用的磁场调节方法主要有以下两种：

一种是针对仅依靠线圈励磁的磁路结构。由外部电源装置供电，通过改变励磁电流的大小来改变磁场的强弱，进而影响磁流变液的特性，实现对阻尼力的控制。这种方法依靠励磁电流维持阻尼间隙磁场，对外部电源依赖性强，能量在线圈中损耗高。且在零电流状态下阻尼间隙磁场近似为零，阻尼力小可控性差，磁流变液长期处于零磁场状态下易沉降和凝聚，因此难以保证减振性能。

另一种是针对线圈与永磁体共同励磁的磁路结构。通常有励磁线圈产生励磁磁场与永磁体磁场叠加调节磁场的方法，如2006年在《北京工业大学学报》第32卷第7期592～595页“逆变型MR阻尼器磁路设计与试验研究”作者：闫维明等一文，提出在零电流状态下永磁体提供最大磁场，通过励磁线圈通电施加反向磁场来逐步降低磁场强度的调节方法。还有通过线圈施加磁场对永磁体进行磁化从而调节磁场的方法，如2010年在《工程力学》第27卷第2期228～234页“阻尼力双向调节磁流变阻尼器的性能测试与滞回模型”作者：丁阳等一文，利用对片状钕铁硼永磁体充、退磁实现磁场的正、反向调节。目前，线圈与永磁体共同励磁的磁路结构中永磁体多为单一的钕铁硼材料，两种调节方式均需要通过励磁线圈的持续供电维持磁场被调节后的状态。

德国Vlado Ostovic教授最早在2001年第36届IEEE工业应用会议中提出一种记忆电动机概念。该电动机独特的磁路设计具有记忆特性，由于永磁体材料采用了剩磁较高而矫顽力较低的铝镍钴永磁体，通过在定子电枢绕组中施加一个短时间的充、去磁电流脉冲即可有效的改变转子上铝镍钴永磁体的磁化状态并能够维持这种状态，实现低耗能、高效地调节气隙磁场。这种记忆磁路结构与其调节方法为磁流变减振器的磁场双向调节提供了新的思路。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法

技术方案

一种针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法，在采用可记忆磁路结构的磁流变减振器中，铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体作为磁场源在阻尼间隙产生叠加磁场，通过施加一定方向的瞬时脉冲磁场，改变铝镍钴永磁体的磁化状态使其被正、反向磁化，与钕铁硼永磁体的叠加磁场随之增强或减弱，当撤去瞬时脉冲磁场后由于叠加磁场的可记忆特性，磁场维持在被改变后的状态，从而使减振器阻尼间隙中的叠加磁感应强度实现双向调节。所述瞬时脉冲磁场由线圈中通入一个脉冲宽度在毫秒级、具有0～5Hc磁动势的脉冲电流产生，其中Hc为铝镍钴永磁体的矫顽力，当施加一定强度的瞬时脉冲磁场时，铝镍钴永磁体的磁化状态由该铝镍钴永磁体的磁滞特性确定。

其特征在于：用于磁场双向调节方法的磁流变减振器可记忆磁路结构为：磁流变减振器可记忆磁路结构为：在活塞1内、沿活塞轴设有多个线圈5、钕铁硼永磁体3和铝镍钴永磁体2组成的结构，在阻尼间隙4中充满磁流变液；磁场双向调节步骤如下：

1、当铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体初始磁场方向一致时，阻尼间隙中，磁场初始磁感应强度为B₁+B₂：

情况1：减弱磁场的磁感应强度

对铝镍钴永磁体施加一个瞬时脉冲磁场，其磁场强度方向与铝镍钴永磁体磁化方向相反，其磁场强度大小使铝镍钴永磁体磁感应强度减小ΔB₁₁；

若ΔB₁₁<B₁，则铝镍钴永磁体被去磁；当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体磁感应强度方向与初始方向相同，磁感应强度减小至B₁-ΔB₁₁且该磁化水平被记忆，钕铁硼永磁体磁感应强度不被改变仍为B₂，则阻尼间隙中磁感应强度减弱为B₂+B₁-ΔB₁₁；

若ΔB₁₁>B₁，则铝镍钴永磁体被反向充磁磁化；当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体磁感应强度方向与初始时相反，磁感应强度大小变为ΔB₁₁-B₁且该磁化水平被记忆；钕铁硼永磁体磁感应强度不被改变仍为B₂，铝镍钴永磁体在活塞内部与钕铁硼永磁体形成闭合磁力线，此时阻尼间隙中磁感应强度减弱为B₂-ΔB₁₁-B₁；

情况2：增强磁场的磁感应强度

对铝镍钴永磁体施加一个瞬时脉冲磁场，其磁场强度方向与铝镍钴永磁体磁化方向一致，其磁场强度大小使铝镍钴永磁体磁感应强度增大ΔB₁₂；当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体磁感应强度增大至B₁+ΔB₁₂且该磁化水平被记忆；钕铁硼永磁体磁感应强度不被改变仍为B₂，则此时阻尼间隙中磁感应强度增强为B₂+B₁+ΔB₁₂；

2.铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体初始磁场方向相反

在两永磁体之间形成闭合磁场回路，阻尼间隙的初始磁感应强度为两个永磁体初始磁感应强度的矢量叠加，为B₂-B₁；

情况1：减弱磁场的磁感应强度

对铝镍钴永磁体施加一个瞬时脉冲磁场，其磁场强度方向与铝镍钴永磁体磁化方向一致，其磁场强度大小可使铝镍钴永磁体的磁感应强度增强ΔB₂₁；当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体磁感应强度增强至B₁+ΔB₂₁且该磁化水平被记忆，铝镍钴永磁体保持在磁化状态；

若B₁+ΔB₂₁≥B₂，铝镍钴永磁体完全抵消钕铁硼永磁体在阻尼间隙的磁感应强度，此时阻尼间隙中磁感应强度大小为B₁+ΔB₂₁-B₂，阻尼间隙磁感应强度绝对值为最低为零；

若B₁+ΔB₂₁<B₂，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体在活塞内部形成的闭合磁场增强，因此阻尼间隙磁感应强度大小减弱为B₂-B₁+ΔB₂₁；

情况2：增强磁场的磁感应强度

对铝镍钴永磁体施加一个瞬时脉冲磁场，其磁场强度方向与铝镍钴永磁体磁化方向相反，其磁场强度大小可使铝镍钴永磁体被去磁或反向充磁，使其磁感应强度减少ΔB₂₂；

若ΔB₂₂<B₁，则当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体被去磁，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体形成的闭合磁感应强度减弱ΔB₂₂，即钕铁硼永磁体在阻尼间隙产生的磁感应强度增大ΔB₂₂，则此时阻尼间隙中合成磁感应强度增大为B₂-(B₁-ΔB₂₂)；

若ΔB₂₂>B₁，则当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体被反向充磁磁化，磁感应强度与初始状态方向相反，大小为ΔB₂₂-B₁，由于铝镍钴永磁体不再与钕铁硼永磁体形成闭合磁场，阻尼间隙中两种永磁体的合成磁感应强度为B₂+ΔB₂₂-B₁。

所述钕铁硼永磁体3与铝镍钴永磁体2的位置能够互换，即铝镍钴永磁体2位于钕铁硼永磁体3的内侧。

所述钕铁硼永磁体3与铝镍钴永磁体2相互形成一个角度设置。

有益效果

本发明提出的一种针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法，利用铝镍钴和钕铁硼永磁体叠加磁场的记忆特性，通过施加瞬时脉冲磁场改变永磁体磁化状态且其磁化水平能够被记忆住，从而使减振器阻尼间隙中的磁感应强度实现双向调节的技术。与现有方法相比具有以下优点：所述针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法，利用可记忆磁路结构中不同矫顽力与剩磁特性的永磁体组合产生磁场的记忆特性，仅通过施加瞬时脉冲磁场即可实现对磁场强度的改变和维持，无需外部持续供能，减少了电能损耗，且能够对阻尼间隙的磁场强度进行双向调节。

附图说明

图1示例磁流变减振器剖面图

图2永磁体初始磁场方向一致的磁场双向调节示意图

图3永磁体初始磁场方向相反的磁场双向调节示意图

图4铝镍钴永磁体磁滞曲线

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明是一种针对磁流变减振器可记忆磁路结构，利用铝镍钴和钕铁硼永磁体叠加磁场的记忆特性，通过施加瞬时脉冲磁场改变永磁体磁化状态且其磁化水平能够被记忆住，从而使减振器阻尼间隙中的磁感应强度实现双向调节的技术，其技术特征在于它含有一下内容：

(1)记忆磁路结构的初始磁场状态确定

为便于本实施例的进一步讨论，图1为示例磁流变减振器剖面图，图2、图3为图1中粗实线框部分磁路结构的磁场双向调节方法示意图。磁流变减振器在磁路部分的外壳和活塞均为导磁材料。在磁流变减震器的活塞1中，安装有铝镍钴永磁体2和钕铁硼永磁体3，在阻尼间隙4中充满磁流变液。

铝镍钴永磁体2具有矫顽力较低且剩磁较高的特性，磁滞曲线如图4所示，本例中假设其初始为非饱和磁化状态Q₀，初始磁感应强度为B₁。图中Br表示永磁体最大剩磁，Hc表示永磁体的矫顽力。永磁体在满磁化状态下，其工作点以退磁曲线和负载线的交点P₀表示。由于永磁材料去磁曲线的非线性，使得会浮现绝不可能和退磁曲线相重合，因此其磁化状态发生改变后永磁体的工作点就沿着回复线返回并停留在被改变后的磁化水平附近，即达到了永磁体磁化状态被记忆的目的。

钕铁硼永磁体3具有矫顽力较高的特性，本例中假设其初始磁感应强度为B₂，在脉冲磁场下磁感应强度变化量可忽略。

将具有磁化状态记忆特性的铝镍钴永磁体和磁感应强度恒定不变的钕铁硼永磁体组合作为磁场源，不仅初始磁场强度非零，保证了减振器的安全性，而且具有对磁场磁感应强度的记忆和维持特性，便于对磁场的调节。

2可记忆磁路结构的磁场双向调节方法

所述双向调节磁场由两种永磁体在磁流变减振器阻尼间隙4中叠加产生。对阻尼间隙的磁感应强度进行调节需要对永磁体施加瞬时脉冲磁场。瞬时脉冲磁场由线圈5中通入一个脉冲宽度在毫秒级、具有0～5Hc磁动势的脉冲电流产生，其中Hc为铝镍钴永磁体的矫顽力，当施加一定强度的瞬时脉冲磁场时，铝镍钴永磁体的磁化状态由该铝镍钴永磁体的磁滞特性确定。

若两永磁体初始磁场方向一致，如图2，则阻尼间隙初始磁感应强度为B₁+B₂。

当需要减弱阻尼间隙的磁感应强度时，需要铝镍钴永磁体达到较低的磁化状态，甚至是对其进行反向充磁以抵消部分钕铁硼永磁体在阻尼间隙的磁场。如图2中的(a)，线圈5中通入具有H₁磁动势的瞬时电流脉冲产生瞬时脉冲磁场，其磁场强度方向与铝镍钴永磁体磁化方向相反，其磁场强度大小可使铝镍钴永磁体磁感应强度减小ΔB₁₁。

若ΔB₁₁<B₁，则铝镍钴永磁体被去磁，由图4中的(a)曲线可以看到，铝镍钴永磁体的工作点即从Q₀移至Q₁。脉冲电流撤去后，永磁体工作点将沿着回复线Q₁R₁上升，最后稳定在P₁点。相对初始的状态工作点Q₀，工作点P₁的磁化状态更低并且被保持住。此时铝镍钴永磁体磁感应强度方向与初始方向相同，磁感应强度减小至B₁-ΔB₁₁，钕铁硼永磁体磁感应强度不被改变仍为B₂，如图2中的(b)，则此时阻尼间隙中磁感应强度减弱为B₂+B₁-ΔB₁₁。

若ΔB₁₁>B₁,则铝镍钴永磁体被反向充磁磁化，由图4中的(b)曲线可以看到，铝镍钴被充磁后由初始工作点Q₀降至Q₁并沿着该状态下新的磁滞回线稳定到新的工作点P₁。此时当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体磁感应强度方向与初始时相反，磁感应强度大小变为ΔB₁₁-B₁且该磁化水平被记忆。钕铁硼永磁体磁感应强度不被改变仍为B₂，铝镍钴永磁体在活塞内部与钕铁硼永磁体形成闭合磁力线，如图2中的(c)，此时阻尼间隙中磁感应强度减弱为B₂-ΔB₁₁-B₁。

当需要增强阻尼间隙的磁感应强度时，需提高铝镍钴永磁体的磁化状态，本例对铝镍钴永磁体进行饱和充磁。如图2中的(d)，线圈5中通入具有2～5Hc磁动势的瞬时电流脉冲产生一个瞬时脉冲磁场，其磁场强度H₂方向与铝镍钴永磁体磁化方向一致。脉冲电流撤去后，由图4中的(a)曲线可以看到，铝镍钴永磁体的工作点将沿着极限磁滞回线达到并稳定在满磁化工作状态P₀点，相对初始工作点Q₀，工作点P₀的磁化状态更高。此时，如图2中的(e)，铝镍钴永磁体在阻尼间隙的磁感应强度增大至B₁+ΔB₁₁，钕铁硼永磁体磁感应强度仍为B₂，则此时阻尼间隙中磁感应强度增强为B₂+B₁+ΔB₁₁。

若两永磁体初始磁场方向相反，如图3，在两永磁体之间会形成闭合磁场回路。B₁、B₂仍表示铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体的初始磁感应强度，因此阻尼间隙叠加初始磁感应强度为B₂-B₁。

当需要减弱阻尼间隙的磁感应强度时，需提高铝镍钴永磁体的磁化状态以抵消钕铁硼永磁体的磁场。如图3中的(a)。

在线圈5中通入具有2～5Hc磁动势大小的瞬时电流脉冲产生一个瞬时脉冲磁场，使其磁场强度H₁方向与铝镍钴永磁体磁化方向一致，则铝镍钴永磁体被饱和充磁。脉冲电流撤去后，铝镍钴永磁体磁感应强度增强至B₁+ΔB₂₁。

若B₁+ΔB₂₁＝B₂，如图3中的(b)，则铝镍钴永磁体完全抵消钕铁硼永磁体在阻尼间隙的磁感应强度，因此阻尼间隙磁场强度减弱到0。

若B₁+ΔB₂₁<B₂，如图3中的(c)，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体在活塞内部形成的闭合磁场增强，因此阻尼间隙磁感应强度大小减弱为B₂-B₁+ΔB₂₁。

当需要增强阻尼间隙的磁感应强度时，需要铝镍钴永磁体达到较低的磁化状态，如图3中的(d)。线圈5中通入具有H₁磁动势大小的瞬时电流脉冲产生一个瞬时脉冲磁场，使其磁场强度H₁方向与铝镍钴永磁体磁化方向相反，脉冲电流撤去后，其磁感应强度减少ΔB₁₁。

若ΔB₁₁<B₁，如图4中的(a)，铝镍钴永磁体被去磁，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体形成的闭合磁感应强度减弱ΔB₁₁，如图3中的(e)即钕铁硼永磁体在阻尼间隙产生的磁感应强度增大ΔB₁₁，则此时阻尼间隙中合成磁感应强度增大为B₂-(B₁-ΔB₁₁)。

若ΔB₁₁>B₁，如图4中的(b)，铝镍钴永磁体被反向充磁磁化，磁感应强度与初始状态方向相反，大小为ΔB₁₁-B₁，如图3中的(f),由于铝镍钴永磁体不再与钕铁硼永磁体形成闭合磁场，阻尼间隙中两种永磁体的合成磁感应强度为B₂+ΔB₁₁-B₁。

以上所述阻尼间隙中磁感应强度的变化范围均应满足可维持磁流变液流变特性的磁感应强度范围。

Claims (3)

1.一种针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法，其特征在于：磁流变减振器可记忆磁路结构为：在活塞(1)内、沿活塞轴设有多个线圈(5)、钕铁硼永磁体(3)和铝镍钴永磁体(2)组成的结构，在阻尼间隙(4)中充满磁流变液；磁场双向调节步骤如下：

1、当铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体初始磁场方向一致时，阻尼间隙中，磁场初始磁感应强度为B₁+B₂：

情况1：减弱磁场的磁感应强度

对铝镍钴永磁体施加一个瞬时脉冲磁场，其磁场强度方向与铝镍钴永磁体磁化方向相反，其磁场强度大小使铝镍钴永磁体磁感应强度减小ΔB₁₁；

若ΔB₁₁<B₁，则铝镍钴永磁体被去磁；当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体磁感应强度方向与初始方向相同，磁感应强度减小至B₁-ΔB₁₁且该磁化水平被记忆，钕铁硼永磁体磁感应强度不被改变仍为B₂，则阻尼间隙中磁感应强度减弱为B₂+(B₁-ΔB₁₁)；

若ΔB₁₁>B₁，则铝镍钴永磁体被反向充磁磁化；当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体磁感应强度方向与初始时相反，磁感应强度大小变为ΔB₁₁-B₁且该磁化水平被记忆；钕铁硼永磁体磁感应强度不被改变仍为B₂，铝镍钴永磁体在活塞内部与钕铁硼永磁体形成闭合磁力线，此时阻尼间隙中磁感应强度减弱为B₂-(ΔB₁₁-B₁)；

情况2：增强磁场的磁感应强度

对铝镍钴永磁体施加一个瞬时脉冲磁场，其磁场强度方向与铝镍钴永磁体磁化方向一致，其磁场强度大小使铝镍钴永磁体磁感应强度增大ΔB₁₂；当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体磁感应强度增大至B₁+ΔB₁₂且该磁化水平被记忆；钕铁硼永磁体磁感应强度不被改变仍为B₂，则此时阻尼间隙中磁感应强度增强为B₂+(B₁+ΔB₁₂)；

2、铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体初始磁场方向相反

在两永磁体之间形成闭合磁场回路，阻尼间隙的初始磁感应强度为两个永磁体初始磁感应强度的矢量叠加，为B₂-B₁；

情况1：减弱磁场的磁感应强度

对铝镍钴永磁体施加一个瞬时脉冲磁场，其磁场强度方向与铝镍钴永磁体磁化方向一致，其磁场强度大小可使铝镍钴永磁体的磁感应强度增强ΔB₂₁；当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体磁感应强度增强至B₁+ΔB₂₁且该磁化水平被记忆，铝镍钴永磁体保持在磁化状态；

若B₁+ΔB₂₁≥B₂，铝镍钴永磁体完全抵消钕铁硼永磁体在阻尼间隙的磁感应强度，此时阻尼间隙中磁感应强度大小为B₁+ΔB₂₁-B₂，阻尼间隙磁感应强度绝对值为最低为零；

若B₁+ΔB₂₁<B₂，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体在活塞内部形成的闭合磁场增强，因此阻尼间隙磁感应强度大小减弱为B₂-(B₁+ΔB₂₁)；

情况2：增强磁场的磁感应强度

对铝镍钴永磁体施加一个瞬时脉冲磁场，其磁场强度方向与铝镍钴永磁体磁化方向相反，其磁场强度大小可使铝镍钴永磁体被去磁或反向充磁，使其磁感应强度减少ΔB₂₂；

若ΔB₂₂<B₁，则当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体被去磁，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体形成的闭合磁感应强度减弱ΔB₂₂，即钕铁硼永磁体在阻尼间隙产生的磁感应强度增大ΔB₂₂，则此时阻尼间隙中合成磁感应强度增大为B₂-(B₁-ΔB₂₂)；

若ΔB₂₂>B₁，则当瞬时脉冲磁场结束作用后，铝镍钴永磁体被反向充磁磁化，磁感应强度与初始状态方向相反，大小为ΔB₂₂-B₁，由于铝镍钴永磁体不再与钕铁硼永磁体形成闭合磁场，阻尼间隙中两种永磁体的合成磁感应强度为B₂+(ΔB₂₂-B₁)。

2.根据权利要求1所述针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法，其特征在于：所述钕铁硼永磁体(3)与铝镍钴永磁体(2)的位置能够互换，即铝镍钴永磁体(2)位于钕铁硼永磁体(3)的内侧。

3.根据权利要求1所述针对磁流变减振器可记忆磁路结构的磁场双向调节方法，其特征在于：所述钕铁硼永磁体(3)与铝镍钴永磁体(2)相互形成一个角度设置。