CN101943243B - 电磁式两自由度半主动吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供电磁式两自由度半主动吸振器。包括定子、动子和励磁线圈，动子包括第一动子和第二动子，定子安装在第一动子外侧，定子的内外两侧分别安装励磁线圈，第二动子安装在定子的外侧，端盖安装在第一动子、定子和第二动子的上下两端，第一动子和第二动子相对端盖沿轴向移动。本发明在控制多个激振力频率时所用的吸振器个数大为减少，节省了安装空间和成本，并且简化了控制环节，具有广阔的应用前景。

Description

电磁式两自由度半主动吸振器

技术领域

本发明涉及的是一种吸振器，特别是涉及满足降低柴油机等动力机械基频和倍频两个频率机械振动的吸振器。

背景技术

振动是生产生活中的一种常见现象。舰船动力装置等机械设备的振动问题越来越受到人们的关注。振动不仅容易引起结构的疲劳损伤，影响设备寿命，还会降低仪器仪表的测量精度，同时振动还不可避免地产生噪声，影响操作人员的正常工作甚至危害健康。为了抑制有害的振动，长期以来人们展开了大量的研究。中国专利公开号CN201078433Y的专利文件中公开的电磁动力吸振器执行机构的原理就是通过调节电磁铁线圈电流可以改变电磁刚度，进而达到调节吸振器固有频率的目的。但该研究和大多数其它相关研究一样只能跟踪单一频率，而多数动力机械的振动通常呈倍频关系，第二阶固有频率的振动也较大，需要与第一阶固有频率同时控制，这种情况下以往的电磁式执行器便不能满足工程实际的应用。本发明正是针对于以往的不足，研制出一种能够实现对基频和倍频两个频率同时控制的电磁式两自由度半主动吸振器执行机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固有频率可随励磁电流连续变化、能够同时对基频和倍频两个频率进行控制的电磁式两自由度半主动吸振器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明电磁式两自由度半主动吸振器，其特征是：包括定子、动子和励磁线圈，动子包括第一动子和第二动子，定子安装在第一动子外侧，定子的内外两侧分别安装励磁线圈，第二动子安装在定子的外侧，端盖安装在第一动子、定子和第二动子的上下两端，第一动子和第二动子相对端盖沿轴向移动。

本发明电磁式两自由度半主动吸振器还可以包括：

1、所述的第一动子的外表面、定子的内外表面和第二动子的内表面均为沿轴线方向的齿圈，齿圈的齿宽、齿距和齿数相等。

2、所述的第一动子和定子之间存在缝隙，定子和第二动子之间存在缝隙。

本发明的优势在于：本发明在控制多个激振力频率时所用的吸振器个数大为减少，节省了安装空间和成本，并且简化了控制环节，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构三维图；

图3是本发明的定子下半部分剖面图；

图4是本发明的定子下半部分三维图；

图5是本发明的定子上半部分剖面图；

图6是本发明的定子上半部分三维图；

图7是本发明的第一动子剖面图；

图8是本发明的第一动子三维图；

图9是本发明的第二动子剖面图；

图10是本发明的第二动子三维图；

图11是本发明的端盖剖面图；

图12是本发明的端盖三维图；

图13是本发明的第一动子的轴剖面图；

图14是本发明的第一动子的轴三维图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～14，本发明包括定子3、第一动子5、第二动子2和励磁线圈9，第一动子5通过线性轴承11与机械弹簧10与下端盖1连接；第一动子5上穿四根轴，两端均有弹簧连接；第一动子5和第二动子2可以相对端盖1及定子3沿轴向自由移动。定子3与动子间要有适合的微小间隙，定子3上安装内外两个励磁线圈9，定子3与第一动子5和第二动子2工作表面上沿轴线方向均布有齿宽、齿距和齿数相等的齿圈，定子3为内、外双齿圈，第一动子5为外齿圈，第二动子2为内齿圈。为了便于装配，定子3分为上下两部分。

针对于第一阶固有频率f₁、第二阶f₂(即f₁＝2f₂)，由固有频率的公式得到第一动子5、第二动子2的质量比与电磁刚度之间的关系。

$f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_1}{m_1}}$ $f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_2}{m_2}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\μ}=\frac{m_1}{m_2}=\frac{{4k}_1}{k_2}---\left(2\right)$

其中k₁为第一动子与定子间的电磁弹簧刚度，k₂为第二动子与定子间的电磁弹簧刚度，m₁为第一动子的质量，m₂为第二动子的质量，μ为第一动子与第二动子的质量比。

利用ANSOFT电磁学仿真软件建立电磁式动力吸振器的计算模型，并计算出通入不同电流、错开不同齿距的情况下第一动子5与定子3间的电磁力和第二动子2与定子3间的电磁力，绘制力与位移的曲线，进而确定电磁刚度。根据式(1)固有频率与刚度、质量间的关系，为实现倍频，得到式(2)中质量与频率间的关系。即可合理选配第一动子5和第二动子2的质量比，最终实现了同时对基频和倍频两个频率振动的控制。

图1和图2是电磁式两自由度半主动吸振器的结构示意图和三维图。其中端盖1、第二动子2、定子3、第一动子的轴4、第一动子5、螺柱6、导柱7、弹簧8、励磁线圈9、弹簧10(上述机械弹簧只是起到支撑作用，其刚度较电磁弹簧刚度小一个数量级，故可忽略)、轴承11、螺钉12。当励磁线圈9通电后，在定子3和动子之间产生磁拉力。磁拉力随偏离量的增大而增大，力的方向与偏离方向相反，即形成电磁弹簧，该弹簧刚度可通过改变励磁电流加以调整，从而改变吸振器的固有振动频率。本发明在工作时应有一定的低频限制，因为在工作前应预先通小额电流以克服两个动子的重力，待齿完全对齐后方可工作，频率太低(小于1Hz)则无法工作。

图3和图4是定子3下半部分，图5和图6是定子3的上半部分。定子3采用良好的导磁材料-电工纯铁制成，在加工中为了保证它与动子的间隙，定子3应在动子加工成型后，按动子的实际尺寸加工定子3，使二者之间的间隙满足要求。另外保证动子齿和定子齿在平衡位置能准确对正。定子3的两侧要安装两个电磁线圈。

图7和图8是第一动子，图9和图10是第二动子。动子质量直接影响到电磁吸振器的总质量，具体设计时主要考虑以下两个因素：一是不加吸振器时原系统的最大原始振幅以及需吸振的最高振动频率，二是合理的质量比μ，μ应结合电磁刚度一起设计，以满足f₁、f₂的倍数关系。

图11和图12是端盖结构图和三维图。

图13和图14是第一动子的轴4。应考虑到该材料经热处理后有良好的强度、刚度与韧性以及良好的表面硬度等因素。

本发明的工作原理：

当励磁线圈9通有一定电流后，即相当于恒定电流产生磁场，磁力线通过间隙在定子3、动子之间形成一个闭合回路。由于定子3与动子工作表面上沿轴线方向均布有齿宽、齿距和齿数相等的矩形齿圈。当定子3、动子各齿圈完全对齐时，拉力为零。当吸振器发生振动，使定子3、动子的小齿发生相对位移，小齿间的磁力线扭曲变形，小齿间产生轴向电磁拉力，拉着动子复位。磁拉力随偏离量的增大而增大，力的方向与偏离方向相反，即形成了电磁弹簧。该电磁弹簧刚度可通过改变励磁电流加以调整，从而改变电磁式吸振器的固有频率，即为工作频率。由于定子3与第一动子、第二动子在工作区间的刚度接近线性，且内圈与外圈电磁力在不同电流下比例接近常数。因此，可通过合理的选配第一动子和第二动子的质量比最终实现两个吸振器的频率比，即实现同时控制基频和倍频两个频率的振动。

Claims (1)

1.电磁式两自由度半主动吸振器，包括定子、动子和励磁线圈，其特征是：动子包括第一动子和第二动子，定子安装在第一动子外侧，定子的内外两侧分别安装励磁线圈，第二动子安装在定子的外侧，端盖安装在第一动子、定子和第二动子的上下两端，第一动子和第二动子相对端盖沿轴向移动，第一动子的外表面、定子的内外表面和第二动子的内表面均为沿轴线方向的齿圈，齿圈的齿宽、齿距和齿数相等，第一动子和定子之间存在缝隙，定子和第二动子之间存在缝隙。

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