基于磁致效应的局部自供电半主动减振技术

This proposal develops new type of devices and technologies for semi-active vibration control with local self-power. Due to the high magneto-mechanical coupling coefficient, magnetostrictive devices can convert mechanical vibration into electrical energy with ultra-high efficiency. This generates high magnetostrictive damping. Adaptive damping control could be realized by designing semi-active shunted circuit. To give birth a new type of magnetorheological elastomers with giant magnetorheological effect, rare-earth composite Tb1-xDyxFe2 which have giant magnetostriction and low magnetocrystalline anisotropy is used as one of the magnetic particles. Large variation range of stiffness and resonance frequency is realized by using multi magneto effect of magnetorheological elastomers, magnetostrictive material and magnetic force. With these understanding, advanced technologies of semi-active vibration control is investigated. To reduce the power requirements of vibration control system, multifunctional device for semi-active vibration control and vibration energy harvesting is proposed. The harvested vibration energy is converted into electric energy, and then stored. The electric energy serves as subsidiary power of the control system. In this manner, a local self-powered system is possible.

本项目基于磁致效应，开展具有局部自供电能力的新型半主动减振技术研究。由于磁致伸缩材料具有高磁机耦合系数，磁致伸缩器件将机械振动高效转化为磁能/电能，产生大磁致伸缩阻尼。通过构建半主动分支电路，实现自适应阻尼控制。提出采用具有大磁致伸缩系数和低磁晶各向异性的Tb1-xDyxFe2稀土合金粉末作为磁性填充颗粒之一，制备新型磁流变弹性体。基于新型磁流变弹性体、磁致伸缩材料以及磁力耦合等多种效应相结合，实现大范围刚度变化，增大移频范围。在此基础上，研究阻尼和刚度可控的先进半主动减振技术。为了降低振动控制系统对外部电源的需求，提出将振动能量采集与半主动减振装置一体化设计，使得同一装置在减振的同时又能够兼顾振动能量采集，将采集到振动能量转换为电能并存储起来，作为系统电源的补充，实现局部自供电。

以羰基铁粉为磁性填充颗粒进行试验，摸索出了机械性能好的天然橡胶基体磁流体弹性体配方和制备工艺。在此基础上，改用稀土超磁致伸缩粉末为磁性填充粒子与天然橡胶基体混合，进行了新型磁流变弹性体制备和性能研究。采用磁流变弹性体设计了剪切-压缩混合工作模式磁流变减振器，同时获得了较高的磁流变效应和良好的机械性能，不仅能够满足轻质模块减振，还能够满足几十公斤大质量负载下的减振应用，典型的可用于弹载惯性组合测量平台的隔振。本结构中磁流变弹性体为锥形结构，该减振的刚度主要取决于磁流变弹性体材料的弹性模量、尺寸以及锥角，特别是可以通过调整锥形的角度来调整刚度，且能够实现三向等刚度。制备过程中，为提高器件结构的稳定性和可靠性，采用胶黏剂使磁流变弹性体与导磁体形成一体化的复合结构。磁致伸缩执行器是一种利用磁致伸缩效应制作而成的微位移执行器，具有应变量大、能量密度高、频响快等优点，已经成为精密定位和精密隔振系统中重要执行元件。基于FeGa合金薄片设计了一种纵弯模式工作的磁致伸缩执行器结构，由两端固定在软磁基片上的磁致伸缩片、激励线圈、偏置线圈组成。激励线圈沿着磁致伸缩片纵向施加磁场，磁致伸缩片由于磁致伸效应产生挠度，输出垂直于纵向的线位移。为了准确描述Fe-Ga合金磁致伸缩执行器的非对称且与速率-偏置相关的迟滞现象，提出了采用多体系统传递矩阵法表征执行器动力学特性结合修正的Bouc-Wen磁滞算子的综合模型，能准确描述Fe-Ga合金磁致伸缩执行器的动力学和迟滞特性。提出了应用动态Bouc-Wen模型的逆补偿磁致伸缩执行器在不同频率和偏差下输入下迟滞特性的线性化控制方法。基于建立的线性化控制器，采用位移PID控制器能对磁致伸缩执行器的输出位移精确地跟踪。提供了一种有效地补偿磁致伸缩执行器在不同频率和偏置输入下迟滞特性的方法。将磁流变减振器和磁致伸缩执行器结合，还可以进一步实现精密平台隔振应用。