基于振动能量回收的自供电MR阻尼器集成与试验研究

    所谓能量回收，就是将一些常常直接消耗或废弃的能量通过某种方式转化为有用的能量。目前，这些研究主要集中在航天、机械与微电子领域，其振动特点是高频、微幅，可回收能量的功率在微瓦级，能量回收装置主要以压电材料为载体［1］。土木工程结构的振动也是一种能量，且从理论上讲，还是一种很大的能量。制的能量源问题，而能量源正是制约减振效果较好的结构主动与半主动控制技术工程实际应用的重要因素［2］。

    孙作玉等［3］提出了一种不需要外部能源供给的主动控制方案，其原理是利用“换能器”将结构的一部分振动能量转换为液压能存储在蓄能器，并利用它作为主动控制的动力源。Nerves 等［4］结合永磁无刷直流电机与调谐质量阻尼器( TMD) 仿真分析了对某高层建筑结构风振、地震的混合控制，其中 TMD 充当电机与被控结构之间能量传递的中介。Scruggs 等［5］提出了基于永磁无刷直流电机进行振动能量回收的主动质量阻尼器( AMD) ，即利用回收的振动能量施加 AMD 所需的主动控制力; Scruggs 等［6］还首次系统提出了基于结构振动能量回收的土木工程结构半主动或主动控制理论设想; Scruggs 等［7］最近又成功研制了最大出力达 1 kN 的三相能量回收电机，推进了振动能量回收技术在土木工程中的潜在应用。

    由于土木工程结构现有的振动能量回收技术效率较低，难以驱动主动控制装置，研究者就联想到将能量回收技术与需要较小能耗的磁流变( MＲ) 阻尼器结合起来使用。Cho 等［8］提出在传统的 MＲ 阻尼器的活塞杆上额外固定永磁体，在其周围同时设置感应线圈。当活塞杆运动时，感应线圈的磁通量发生变化而产生感应电动势，然后直接给 MＲ 阻尼器的励磁线圈供电，Choi 等［9］的振动台测试结果仅给出了在各种激励下感应线圈产生的电动势，却没有将 MＲ 阻尼器作为负载，测试在同源激励下 MＲ 阻尼器的出力。事实上，对于MＲ 阻尼器这个用电器而言，虽然所需供电功率较低，正常工作仍需要两个必要条件，即足够的供给电压与输入功率。因此，该方案虽然概念清晰，充满前景，但事实上对于振动频率低、幅值小的土木工程结构，能量回收效率较低，再加上电路损耗，预计难以投入到实际结构振动控制中应用。与文献［8 － 9］的工作类似，Sapiński［10］提出采用图 1 所示的直线电机回收振动能量，然后供给低功耗的 MＲ 阻尼器。然而电机与 MＲ 阻尼器同处在 10 mm 振幅、1 Hz 正弦激励下的测试结果表明: 相对零电压输入，自供电 MＲ 阻尼器出力并没有发生明显的变化。Choi 等［11］理论构思了图 2 所示的自供电 MＲ 阻尼器系统，其通过 TMD 子系统来放大固定在动子上的永磁体与感应线圈的相对速度，以期产生更大的电动势与输出功率。