CN110513419A - 一种基于磁路设计的可调准零刚度隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，涉及振动控制领域，导向轴安装于外部导磁壳的顶端，负载平台、弹性部件和调节螺母由上至下依次套设安装于导向轴上，负载平台通过连接组件与可动轴连接，能够与可动轴一起沿轴向运动，中间导磁环同轴间隙套设于可动轴外部，两个端部导磁轴位于可动轴两端，与可动轴同轴且有轴向间隙，各连接导磁轴的两端分别与中间导磁环和外部导磁壳的内壁连接，各连接导磁轴上分别套设有一个线圈，外部导磁壳上固定有加速度传感器，加速度传感器和线圈均与控制系统连接。该装置将可调磁负刚度机构与正刚度弹性元件并联，在保证大承载能力的情况下实现低固有频率，提升隔振效果，能量利用率高，使用方便。

Description

一种基于磁路设计的可调准零刚度隔振器

技术领域

本发明涉及振动控制领域，特别是涉及一种基于磁路设计的可调准零刚度隔振器。

背景技术

传统的线性隔振器，采用线性刚度元件，比如螺旋弹簧，橡胶和空气弹簧，只有对频率高于其固有频率的倍的外部激励才有隔振效果，在低频区反而会放大振动(共振)。降低隔振器刚度可以降低隔振器固有频率，从而有效的扩展隔振频带，提升隔振性能。然而，一方面降低线性刚度会降低隔振器承载能力，引起过大的静变形和失稳问题；另一方面线性隔振器的刚度元件受到物理条件限制也难以实现很低的刚度，比如低刚度的空气弹簧需要很大的体积。为解决高隔振性能与高承载能力的固有矛盾，很多研究人员提出了通过正负刚度并联实现准零刚度，也就是高静低动刚度：高静态刚度保证小变形和高承载能力，低动态刚度保证低固有频率和高隔振性能。负刚度是指载荷与位移曲线的斜率为负的特性，与常见的正刚度相反。负刚度是不稳定的，机械负刚度机构一般是由几个弹性元件和连杆等零件用特殊的方式组合而成。

然而，目前的绝大多数负刚度机构其刚度在装配完成后就确定了，不能在线调节，刚度不可变的隔振器不能应对激励频率变化的情况，难以实现最优的隔振性能。近年来，有人在机械负刚度机构上附加作动器来调节刚度大小，但是其机械结构体积大，性能受材料和零件加工条件影响，而且存在死区，响应慢，难以用于工程实际。有人提出了电磁负刚度机构，由通电线圈和永磁铁组成，可以通过控制电流来调节刚度，但永磁铁在高温和冲击下会发生退磁，这使线圈不能通入大电流造成温升，也限制了隔振器的应用场景；而且磁场分布比较分散，利用率低，负刚度的量级很小，耗能很高，难以用于大负载的低频隔振。

比如上海大学提出的授权公告号为CN 105927694 B的电磁负刚度弹簧，利用直流通电线圈和永磁铁之间的磁场力形成负刚度，可以通过控制电流线性地调节负刚度大小。但磁场分布比较分散，磁场能量利用率低。

哈尔滨工程大学提出的授权公告号为CN 105587812 B的电磁负刚度弹簧，定子设置在动子的外部，动子上缠绕有线圈，动子和定子的工作表面设置矩形齿圈，动子矩形齿圈与定子矩形齿圈的位置相对应且两者之间存在气隙，磁齿之间的麦克斯韦切向力形成负刚度。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，保证大承载能力的情况下实现低固有频率，提升隔振效果，同时力密度大，能量效率高，使用方便。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，包括负载平台、连接组件、正刚度承载模块、负刚度磁路模块和控制系统，所述负刚度磁路模块包括外部导磁壳、可动轴、中间导磁环、两个端部导磁轴和多个连接导磁轴，所述正刚度承载模块包括导向轴、弹性部件和调节螺母，所述导向轴安装于所述外部导磁壳的顶端，所述负载平台、所述弹性部件和所述调节螺母由上至下依次套设安装于所述导向轴上，所述调节螺母与所述导向轴螺纹连接，所述负载平台通过连接组件与所述可动轴连接，且能够与所述可动轴一起沿轴向运动；所述可动轴设置于所述外部导磁壳内两个所述端部导磁轴中间，两个所述端部导磁轴与所述可动轴同轴设置，且与所述可动轴的上下端面之间存在间隙，两个所述端部导磁轴分别固定于所述外部导磁壳的顶端和底端；所述中间导磁环同轴间隙套设于所述可动轴外部，所述调节螺母用于调整所述负载平台以及与其相连的所述可动轴与所述中间导磁环的初始相对位置；各所述连接导磁轴的两端分别与所述中间导磁环和所述外部导磁壳的内壁连接，各所述连接导磁轴上分别套设有一个线圈，所述外部导磁壳上固定有加速度传感器，所述加速度传感器和所述线圈均与所述控制系统连接。

优选地，所述连接组件包括固定环和多个连接杆，所述固定环套设于所述可动轴的上端，用沿径向的紧定螺钉与所述可动轴固定，所述连接杆与所述导向轴相互平行，各所述连接杆的两端分别与所述负载平台和所述固定环连接，各所述连接杆贯穿所述外部导磁壳的顶端且能够相对于所述外部导磁壳上下运动。

优选地，所述控制系统包括计算机、模拟输出模块、电源和模拟输入模块，所述模拟输入模块和所述模拟输出模块分别与所述计算机连接，所述加速度传感器与所述模拟输入模块连接，所述电源与所述模拟输出模块连接，所述线圈与所述电源连接。

优选地，所述可动轴和两个所述端部导磁轴直径相等，所述可动轴的轴向高度高于所述中间导磁环的轴向高度。

优选地，所述中间导磁环与所述连接导磁轴相互垂直，所述线圈的内环紧贴所述连接导磁轴的外环，所述线圈工作时通入直流电，使各个所述线圈生成的磁场方向同时指向或背离所述中间导磁环。

优选地，还包括多个轴支座，各所述连接导磁轴能够通过一个所述轴支座固定于所述外部导磁壳的内壁上。

优选地，还包括直线轴承，所述直线轴承固定于所述负载平台的中心，所述导向轴穿过所述直线轴承，且所述直线轴承套设于所述导向轴外部。

优选地，所述导向轴的下端螺纹连接于所述外部导磁壳的顶端上表面。

优选地，所述弹性部件为螺旋弹簧、橡胶或板弹簧。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，包括负载平台、连接组件、正刚度承载模块、负刚度磁路模块和控制系统，负刚度磁路模块的磁路设计使磁场集中分布于设计好的磁路之中，极大的提高了磁场的利用率，利用麦斯威法向力，用更小的功率可以实现更大的负刚度，可以与更大的正刚度并联实现准零刚度，进而可以用于大负载的低频隔振，在保证大承载能力的情况下实现低固有频率，提升隔振效果，能量利用率高，使用方便，而且整个磁路系统中没有永磁铁的存在，可以用于高温环境中。通过设置控制系统控制电流大小，可以改变磁路产生的负刚度大小，也就是改变隔振器的固有频率，从而可以避免低频的共振，进一步的提高隔振效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器的系统组成示意图；

图2为本发明提供的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器的轴测图。

附图标记说明：1、外部导磁壳；2、端部导磁轴；3、轴支座；4、连接导磁轴；5、中间导磁环；6、可动轴；7、调节螺母；8、弹性部件；9、直线轴承；10、导向轴；11、负载平台；12、连接杆；13、固定环；14、线圈；15、加速度传感器；16、计算机；17、模拟输出模块；18、电源；19、模拟输入模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，保证大承载能力的情况下实现低固有频率，提升隔振效果，同时力密度大，能量效率高，使用方便。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-2所示，本实施例提供一种基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，包括负载平台11、连接组件、正刚度承载模块、负刚度磁路模块和控制系统，负刚度磁路模块包括外部导磁壳1、可动轴6、中间导磁环5、两个端部导磁轴2和多个连接导磁轴4，正刚度承载模块包括导向轴10、弹性部件8和调节螺母7。导向轴10安装于外部导磁壳1的顶端，负载平台11、弹性部件8和调节螺母7由上至下依次套设安装于导向轴10上，于本具体实施例中，导向轴10包括由上至下依次连接的光杆段、螺纹段和连接段，负载平台11套设于光杆段上，负载平台11可以沿导向轴10做轴向运动，调节螺母7安装于螺纹段上，导向轴10通过它的下端螺纹固定连接于外部导磁壳1的顶端上表面。负载平台11把弹性部件8压紧到调节螺母7上端，弹性部件8用于支撑大负载，负载不变的情况下，弹性部件8的压缩量就确定了，旋转调节螺母7可以调节负载平台11的初始位置。没有磁路产生的负刚度的时候，仅有弹性部件8产生的正刚度，隔振器处于高固有频率。具体地，弹性部件8为螺旋弹簧、橡胶或板弹簧。

负载平台11通过连接组件与可动轴6连接，且能够与可动轴6一起沿轴向运动，可动轴6设置于外部导磁壳1内两个端部导磁轴2中间，两个端部导磁轴2与可动轴6同轴设置，且与可动轴6的上下端面之间存在间隙，两个端部导磁轴2分别固定于外部导磁壳1的顶端和底端，可动轴6与两个端部导磁轴2之间形成的轴向间隙由隔振器的工作行程决定。中间导磁环5同轴间隙套设于可动轴6外部，可动轴6的外环面与中间导磁环5的内环面的径向间隙很小，弹性部件8压紧在调节螺母上7，调节螺母7能够调整负载平台11以及与其相连的可动轴6与中间导磁环5的初始相对位置；各连接导磁轴4的两端分别与中间导磁环5和外部导磁壳1的内壁连接，各连接导磁轴4上分别套设有一个线圈14，线圈14的内环紧贴连接导磁轴4的外环，线圈14工作时通入直流电，使各个线圈14生成的磁场方向同时指向或背离中间导磁环5。整个磁路为，线圈14通电产生磁动势，通过连接导磁轴4到中间导磁环5，经过环面小气隙进入可动轴6，并经过可动轴6的上下端面穿过轴向气隙分别进入上下两个端部导磁轴2，最后经过外部导磁壳1回到连接导磁轴4闭合，整个磁路在每个连接导磁轴4的轴截面位置呈“8”字形(如图1的虚线所示)，这样的磁路设计是为了产生负刚度。于本具体实施例中，磁路经过的部分，除气隙外都用电工纯铁等导磁率高的材料制作，其他部分用304钢或铝合金等低导磁率的材料制作，即外部导磁壳1、可动轴6、中间导磁环5、两个端部导磁轴2和多个连接导磁轴4均采用电工纯铁等导磁率高的材料制作，除上述部件之外的其他部件均采用304钢或铝合金等低导磁率的材料制作。

外部导磁壳1上固定有加速度传感器15，加速度传感器15和线圈14均与控制系统连接。具体地，外部导磁壳1的底部用于安装到基础座上，加速度传感器15用于采集基础座振动的加速度信号。

控制系统包括计算机16、模拟输出模块17、电源18和模拟输入模块19，模拟输入模块19和模拟输出模块17分别与计算机16连接，加速度传感器15与模拟输入模块19连接，电源18与模拟输出模块17连接，线圈14与电源18连接。

具体地，连接组件包括固定环13和多个连接杆12，固定环13套设于可动轴6的上端，用沿径向的紧定螺钉与可动轴6固定，连接杆12与导向轴10相互平行，各连接杆12的两端分别与负载平台11和固定环13连接，各连接杆12贯穿外部导磁壳1的顶端且能够相对于外部导磁壳1上下运动。于本具体实施例中，连接杆12设置为两个。

具体地，可动轴6和两个端部导磁轴2直径相等。可动轴6的轴向高度高于中间导磁环5的轴向高度。中间导磁环5与连接导磁轴4相互垂直。本实施例中还包括多个轴支座3，各连接导磁轴4能够通过一个轴支座3固定于外部导磁壳1的内壁上。

于本具体实施例中，外部导磁壳1包括十字形顶板、十字形底板和四个侧板，各侧板的上端和下端分别与十字形顶板和十字形底板固定连接。两个端部导磁轴2分别固定于十字形顶板的下端和十字形底板的上端，加速度传感器15设置于十字形底板上，各侧板的内壁上安装有一个轴支座3，即本实施例中轴支座3、连接导磁轴4和线圈14均设置为四个。

本实施例中还包括直线轴承9，直线轴承9固定于负载平台11的中心，导向轴10穿过直线轴承9，且直线轴承9套设于导向轴10外部。通过设置直线轴承9减少摩擦，也就是减少系统阻尼率。

隔振器工作时，两个端部导磁轴2都吸引可动轴6，吸引力使轴向气隙减小，而且很明显可知，气隙越小，吸引力越大。也就是说，当可动轴6处于中间导磁环5的中间位置时，两个端部导磁轴2对可动轴6的吸引力相等，磁负刚度处于平衡位置，这就是隔振器系统理想的初始位置。但是，一旦产生微小的扰动使得可动轴6离开平衡位置，可动轴6将继续远离平衡位置，而且没有外力不能回复。由此可见，可动轴6与端部导磁轴2之间形成了负刚度。而螺旋弹簧的正刚度力会使得负载平台11在偏离平衡位置之后回到平衡位置。磁路产生的负刚度与螺旋弹簧产生的正刚度并联，正刚度回复平衡位置的力和负刚度远离平衡位置的力相互抵消，可以产生准零刚度，隔振器处于低固有频率，实现良好的隔振效果。无振动的初始工作位置下，可动轴6的中心与中间导磁环5的中心应处于同一高度，调节螺母7用于在无振动的初始状态下方便地调节负载平台11以及与其相连的可动轴6的位置，以使磁负刚度处于平衡位置，隔振器达到理想的初始位置。

然而，现有技术条件下，准零刚度距离真正的零刚度还有一定距离，低固有频率也没有降低到0，隔振器依然可能会在这个低固有频率处发生共振。通过控制电流大小，可以改变磁路产生的负刚度，也就是改变隔振器的固有频率，从而可以避免低频的共振，进一步的提高隔振效果。具体实施方法是：加速度传感器15采集基础座振动的加速度信号，通过模拟输入模块19转化成数字信号送给计算机16，计算机16通过频率检测算法算出外界振动的主要频率；当外界主要振动频率高于隔振器的低固有频率的倍时，计算机16输出信号，并通过模拟输出模块17转化成模拟信号，最后通过电源18转化成驱动电流输送给线圈14，即可产生负刚度，此时隔振器处于准零刚度，固有频率较低，隔振效果较好；当外界激励频率接近隔振器的低固有频率时，隔振器可能发生共振，此时计算机16输出信号，将电源18关闭，负刚度消失，即可切换到正刚度隔振器的高固有频率，避免共振。

由此可知，本实施例提供的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，负刚度磁路模块的磁路设计使磁场集中分布于设计好的磁路之中，磁场分布优，极大的提高了磁场的利用率，利用麦斯威法向力，用更小的功率可以实现更大的负刚度，即能量利用率高且产生的负刚度量级高，可以与更大的正刚度并联实现准零刚度，进而可以用于大负载的低频隔振，在保证大承载能力的情况下实现低固有频率，提升隔振效果，能量效率高，使用方便，而且整个磁路系统中没有永磁铁的存在，可以用于高温环境中。通过设置控制系统控制电流大小，可以改变磁路产生的负刚度大小，也就是改变隔振器的固有频率，从而可以避免低频的共振，进一步的提高隔振效果。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，其特征在于，包括负载平台、连接组件、正刚度承载模块、负刚度磁路模块和控制系统，所述负刚度磁路模块包括外部导磁壳、可动轴、中间导磁环、两个端部导磁轴和多个连接导磁轴，所述正刚度承载模块包括导向轴、弹性部件和调节螺母，所述导向轴安装于所述外部导磁壳的顶端，所述负载平台、所述弹性部件和所述调节螺母由上至下依次套设安装于所述导向轴上，所述调节螺母与所述导向轴螺纹连接，所述负载平台通过连接组件与所述可动轴连接，且能够与所述可动轴一起沿轴向运动；所述可动轴设置于所述外部导磁壳内两个所述端部导磁轴中间，两个所述端部导磁轴与所述可动轴同轴设置，且与所述可动轴的上下端面之间存在间隙，两个所述端部导磁轴分别固定于所述外部导磁壳的顶端和底端；所述中间导磁环同轴间隙套设于所述可动轴外部，所述调节螺母用于调整所述负载平台以及与其相连的所述可动轴与所述中间导磁环的初始相对位置；各所述连接导磁轴的两端分别与所述中间导磁环和所述外部导磁壳的内壁连接，各所述连接导磁轴上分别套设有一个线圈，所述外部导磁壳上固定有加速度传感器，所述加速度传感器和所述线圈均与所述控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，其特征在于，所述连接组件包括固定环和多个连接杆，所述固定环套设于所述可动轴的上端，用沿径向的紧定螺钉与所述可动轴固定，所述连接杆与所述导向轴相互平行，各所述连接杆的两端分别与所述负载平台和所述固定环连接，各所述连接杆贯穿所述外部导磁壳的顶端且能够相对于所述外部导磁壳上下运动。

3.根据权利要求1所述的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，其特征在于，所述控制系统包括计算机、模拟输出模块、电源和模拟输入模块，所述模拟输入模块和所述模拟输出模块分别与所述计算机连接，所述加速度传感器与所述模拟输入模块连接，所述电源与所述模拟输出模块连接，所述线圈与所述电源连接。

4.根据权利要求1所述的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，其特征在于，所述可动轴和两个所述端部导磁轴直径相等，所述可动轴的轴向高度高于所述中间导磁环的轴向高度。

5.根据权利要求4所述的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，其特征在于，所述中间导磁环与所述连接导磁轴相互垂直，所述线圈的内环紧贴所述连接导磁轴的外环，所述线圈工作时通入直流电，使各个所述线圈生成的磁场方向同时指向或背离所述中间导磁环。

6.根据权利要求5所述的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，其特征在于，还包括多个轴支座，各所述连接导磁轴能够通过一个所述轴支座固定于所述外部导磁壳的内壁上。

7.根据权利要求1所述的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，其特征在于，还包括直线轴承，所述直线轴承固定于所述负载平台的中心，所述导向轴穿过所述直线轴承，且所述直线轴承套设于所述导向轴外部。

8.根据权利要求1所述的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，其特征在于，所述导向轴的下端螺纹连接于所述外部导磁壳的顶端上表面。

9.根据权利要求1所述的基于磁路设计的可调准零刚度隔振器，其特征在于，所述弹性部件为螺旋弹簧、橡胶或板弹簧。