CN102705415A - 一种高速电磁阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高速电磁阻尼器。包括缸体、导电线圈、磁轭、导轨、导电垫片、导电滑轮、连接杆、端盖。缸体两侧分别装有固定及可轴向运动的可控电磁铁，电磁铁由软铁磁轭和导电线圈组成，导电线圈的绕向相反，通入同向直流电时产生相斥磁力，形成磁性阻尼。固定电磁铁与运动电磁铁供电电极均在缸体的左端，其中运动电磁铁线圈两端连接两个运动导电滑轮，限制在缸体内部滑槽中运动，滑槽底部铺设导电垫片，导电滑轮与导电垫片接触，导电垫片与外部电极连接。运动电磁铁的磁轭与连接杆一体，与连接杆随动。缸体右端由端盖封闭，两块电磁铁间由非磁性弹簧连接。本发明结构简单，体积小，便于在高速往复运动执行器末端进行组装，运行可靠性高。

Description

一种高速电磁阻尼器

技术领域

本发明是一种高速电磁阻尼器。特别涉及一种应用于高速末端执行机构的电磁阻尼器，属于减振技术领域。

背景技术

为确保高速焊线机、贴片机等设备的精密工作件与工作面间接触力控制在精确的范围内，电机缓冲与末端阻尼器往往在考虑范围内。由于设备工作频率的提高，利用改变供电信号控制电机缓冲的难度越来越大，而且因为电机自身的惯性因素，可靠性逐渐降低，这时，末端阻尼器的优势逐渐明显。阻尼器可以直接影响到接触工作面的受力状态，其决定了设备的加工质量，此外，其还影响到设备的使用寿命。高速执行过程中，末端阻尼器件多采用弹簧阻尼器、永磁体磁性阻尼器、电磁阻尼器以及特种材料阻尼器。弹簧阻尼器制作简单，成本低，可靠性高，使用较为普遍。但随着工作频率急剧升高，弹簧阻尼器的频响逐渐到达极限，而且弹簧阻尼器容易产生疲劳，而且伴随噪声，随着设备的升级，逐渐不适用于目前的高频加工设备。永磁体磁性阻尼器是也是目前应用较广的阻尼产品，由于极性相同的永磁面间永不接触，理论上不存在疲劳和磨损。但永磁体阻尼器也存在一定的缺陷，其对材料要求严格，要求较高的矫顽力，而且由于漏磁的产生，也影响其应用精度和使用寿命。特种材料阻尼器是目前研究的热门领域，由于其涉及到材料领域，研发的过程较长，参数较为单一，材料的稳定性也存在一定的不确定性，多用在特种设备和特殊环境中，相对成本也较高。

电流的磁效应早在一百年多年前就被人们发现，由此产生的电磁铁得到了较为广泛的应用。随着被动阻尼器应用的局限越来越明显，主动阻尼器逐渐得到产业界的重视。因为电磁铁可以通过改变经过绕线电流，较为方便地控制磁轭间的磁场强度，这也意味着可以通过外部控制，动态改变阻尼器的阻尼力，可以更为灵活的对精密运动件的碰撞接触，进行高精度的阻尼控制，从而改善接触面的受力状态，使得末端器件得到良好的缓冲，提高加工质量和部件的使用寿命。

随着脉宽调制式(PWM)功率放大器的研制成功，解决了效率和功率之间的矛盾。国外采用PWM技术制造出了集成电路元件，如美国德州仪器和APEX公司相继推出了PWM型音频功放用集成电路元件。APEX公司的SA60，效率可达97%，输出电流达10A。 Bang-Bang控制、采样保持控制和滞后控制等多种控制方法也相继用十电磁轴承系统的开关功放的设计和实现上。目前，开关功放正在向大功率化发展，英国LDS(Ling Dynamic System Ltd)公司的SPAK开关功放采用多个开关功放模块并联，最大功率可达280kW，开关频率150kHz，效率达到93%，但其模块之间存在均流问题。新型的开关功放正在尝试采用DSP芯片开发DPPC(数字脉冲功率转换器)，它的载频可变，频率高达兆赫兹 。

目前，ANSYS软件的不断升级，对于有限元的分析能得到更好的模拟，对通过磁场的分析，从而更有效地去控制磁场的变化和对周围元器件的影响。同时可以利用ANSYS软件模拟高速电磁阻尼器电磁铁产生的三维磁场, 从而仿真出电磁铁的磁力线分布情况, 然后计算出磁隙间的磁感应强度大小,验证模拟的正确性。ANSYS可以给出电磁铁磁感应强度总量和分量的分布特征, 实现电磁铁磁场的可视化。

采用ADAMS对电磁阻尼减振系统进行了振动仿真分析，可以通过仿真结果，合理设置阻尼比，能够有效抑制谐振峰值，大幅度提高低频减振效果，并且可以对对减振平台谐振频率和高频性能影响很小。采用ADAMS和MATLAB2种软件以及传统PID(比例积分微分)、不完全微分PID和模糊自调整PID3种控制方法分别对系统的运动仿真。

因此，由电磁铁装置构成的高集成度高速可控阻尼器具备了实现的可能性，可以实现高速工作下的可编程定量控制，延展了末端阻尼器的使用范围，降低了重复研发的时间和工业应用的成本。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种结构简单，体积小，便于在高速往复运动执行器末端进行组装，运行可靠性高的高速电磁阻尼器。本发明设计合理，方便实用。

本发明的技术方案是：本发明的高速电磁阻尼器，包括有缸体、磁轭、缠绕导电线圈、导轨、导电垫片、导电滑轮、端盖、端盖紧固螺栓、连接杆、运动电磁铁电极、固定电磁铁电极、固定电磁铁紧固螺栓、弹簧，其中缸体为圆柱形空心结构，一端为封闭结构，一端为开口结构，由磁轭缠绕导电线圈构成的两组电磁铁装设在缸体的两端，两组电磁铁分别为固定电磁铁及运动电磁铁，其中固定电磁铁中的磁轭通过固定电磁铁紧固螺栓固定在缸体的左端，运动电磁铁固定在缸体的右端，运动电磁铁中的磁轭与连接杆连接，端盖通过端盖紧固螺栓与缸体连接，固定电磁铁与运动电磁铁间安装有非磁性弹簧，运动电磁铁中的导电线圈的两端与导电滑轮连接，导电滑轮嵌入缸体所设的导轨中，且与导轨内的导电垫片相接触，导电垫片与运动电磁铁电极相连，固定电磁铁中的导电线圈两端穿过缸体左端面与固定电磁铁电极相连。

上述电磁铁紧固螺栓穿过缸体的左端面将固定电磁铁中的磁轭固定在缸体的左端。

上述缸体的几何中心线与磁轭、弹簧、端盖以及连接杆的各几何中心线均在同一直线上。

上述缸体的柱面轴对称开有4个定位孔，4个定位孔上分别装设有定位螺栓，端盖上还设有对称设置、并能贯穿端盖紧固螺栓的通孔。

上述缸体的左端面也设有装设固定电磁铁紧固螺栓的通孔。

上述缸体的左端面设有穿设运动电磁铁电极及固定电磁铁电极的通孔。

上述导电滑轮嵌入导轨内，导电垫片能沿导轨一维自由滑动。

上述固定电磁铁的磁轭为圆柱体，磁轭通过固定电磁铁紧固螺栓固定在缸体的左端，且磁轭的几何中心线与缸体的几何中心线在同一直线上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1）本发明通过弹簧和电磁铁磁场对机构减振，未使用永磁体材料，避免了消磁的影响。

2）本发明利用弹簧力和电磁铁斥力作为阻尼力，根据胡克定律可知，弹簧弹力属于线性力，然而电磁铁斥力属于非线性力变化，所以总阻尼力为线性力与非线性力的耦合，可以得到更好的变化曲线，提高减振质量。

3）本发明使用电磁铁可以通过可编程电流源实时改变磁场，电磁阻尼力可以根据具体的情况设定，做到实时控制，优化阻尼系数，提高减振效果，扩大器件的使用范围。

4）本发明阻尼器机构简单，将电磁铁、弹簧、连接杆、缸体等部件集成化，结构紧凑，体积较小，便于在高速往复运动执行器末端进行组装，运行可靠性高。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的高速电磁阻尼器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明安装在高速运动执行末端夹具时的结构示意图。

图3为本发明的侧视图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3所示，本发明的高速电磁阻尼器，包括有缸体1、磁轭2、缠绕导电线圈3、导轨5、导电垫片6、导电滑轮7、端盖8、端盖紧固螺栓9、连接杆10、运动电磁铁电极11、固定电磁铁电极12、固定电磁铁紧固螺栓13、弹簧14，其中缸体1为圆柱形空心结构，一端为封闭结构，一端为开口结构，由磁轭2缠绕导电线圈3构成的电磁铁分别装设在缸体1的两端，装设在缸体1的两端的两组电磁铁分别为固定电磁铁及运动电磁铁，其中固定电磁铁中的磁轭2通过固定电磁铁紧固螺栓13固定在缸体1的左端，运动电磁铁固定在缸体1的右端，运动电磁铁中的磁轭2与连接杆10连接，端盖8通过端盖紧固螺栓9与缸体1连接，固定电磁铁与运动电磁铁间安装有非磁性弹簧14，运动电磁铁中的导电线圈3的两端与导电滑轮7连接，导电滑轮7嵌入缸体1所设的导轨5中，且与导轨5内的导电垫片6相接触，导电垫片6与运动电磁铁电极11相连，固定电磁铁中的导电线圈3两端穿过缸体1左端面与固定电磁铁电极12相连。

本实施例中，上述电磁铁紧固螺栓13穿过缸体1的左端面将固定电磁铁中的磁轭2固定在缸体1的左端。

此外，上述缸体1的几何中心线与磁轭2、弹簧14、端盖8以及连接杆10的各几何中心线均在同一直线上。

本实施例中，上述缸体1的柱面轴对称开有4个定位孔，4个定位孔上分别装设有定位螺栓4，端盖8上设有对称设置、并能贯穿端盖紧固螺栓9的通孔。

另外，上述缸体1的左端面也设有装设固定电磁铁紧固螺栓13的通孔。

本实施例中，上述缸体1的左端面设有穿设运动电磁铁电极11及固定电磁铁电极12的通孔。

本实施例中，上述导电滑轮7嵌入导轨5内，导电垫片7能沿导轨5一维自由滑动。

本实施例中，上述固定电磁铁的磁轭2为圆柱体，磁轭2通过固定电磁铁紧固螺栓13固定在缸体1的左端，且磁轭2的几何中心线与缸体1的几何中心线在同一直线上。

本发明安装时，将阻尼器固定到执行末端夹具15上，通过定位螺栓4，穿过末端定位夹具15，进行固定。将双输出可编程电源16的两对输出线，分别连接到两对电极11、12，根据具体使用要求，选择末端执行器固定在连接杆10上即可。双输出可编程电源输出端分别接阻尼器内两个电磁铁的两极，电流流入两个电磁铁线圈的方向相反。

本发明的工作原理如下：在高速工作接触时，连接杆对工作面形成冲击，由于执行器制动距离往往超过预定停止为止一定距离，即阻尼器下冲△d。为了缓冲连接杆对于接触面多余的冲击力，在连接杆遇到接触面停止时，阻尼器虽然下冲△d距离，但连接杆不再下冲，仅固定电磁铁会继续下行△d，在此过程中，弹簧弹力与电磁铁间斥力将对上述过程进行缓冲，使得连接杆与接触面的冲击力控制在精确的范围内。有电流的磁效应原理可知，通过可编程电流源，完全可以实现电磁阻尼的瞬态控制。而在执行机构回程与进程加速过程时，通过可编程电流源也可瞬间改变其间磁性斥力，使得阻尼器与执行机构的频率响应一致，使其应用的频域更广，达到良好的缓冲减振作用，同时期工作频率可以超过30L/s，通过合理的控制编程，还可以进一步提高。

本发明阻尼器高速工作过程中，加速阶段，可编程电流源供给特定电流，电磁铁产生反向斥力，结合弹簧的弹力，给予活动端电磁铁同等的加速度，当阻尼器端杆即将接触到工作面时，可编程电源改变供给电流，调整电磁铁间斥力大小，结合弹簧的弹力，为下冲一段距离的端杆提供阻尼力，防止端杆在接触面过冲，造成界面损坏。本发明的优点在于可以通过可编程电源，控制工作器件在运动、接触过程中的阻尼力，通过编程，可以实现高频运动下的实时控制，将端杆与工作面间的接触力控制在较为精确的范围内。

Claims (8)

1.一种高速电磁阻尼器，其特征在于包括有缸体（1）、磁轭（2）、缠绕导电线圈（3）、导轨（5）、导电垫片（6）、导电滑轮（7）、端盖（8）、端盖紧固螺栓（9）、连接杆（10）、运动电磁铁电极（11）、固定电磁铁电极（12）、固定电磁铁紧固螺栓（13）、弹簧（14），其中缸体（1）为圆柱形空心结构，一端为封闭结构，一端为开口结构，由磁轭（2）缠绕导电线圈（3）构成的两组电磁铁装设在缸体（1）的两端，两组电磁铁分别为固定电磁铁及运动电磁铁，其中固定电磁铁中的磁轭（2）通过固定电磁铁紧固螺栓（13）固定在缸体（1）的左端，运动电磁铁固定在缸体（1）的右端，运动电磁铁中的磁轭（2）与连接杆（10）连接，端盖（8）通过端盖紧固螺栓（9）与缸体（1）连接，固定电磁铁与运动电磁铁间安装有非磁性弹簧（14），运动电磁铁中的导电线圈（3）的两端与导电滑轮（7）连接，导电滑轮（7）嵌入缸体（1）所设的导轨（5）中，且与导轨（5）内的导电垫片（6）相接触，导电垫片（6）与运动电磁铁电极（11）相连，固定电磁铁中的导电线圈（3）两端穿过缸体（1）左端面与固定电磁铁电极（12）相连。

2.根据权利要求1所述的高速电磁阻尼器，其特征在于上述电磁铁紧固螺栓（13）穿过缸体（1）的左端面将固定电磁铁中的磁轭（2）固定在缸体（1）的左端。

3.根据权利要求1所述的高速电磁阻尼器，其特征在于上述缸体（1）的几何中心线与磁轭（2）、弹簧（14）、端盖（8）以及连接杆（10）的各几何中心线均在同一直线上。

4.根据权利要求1所述的高速电磁阻尼器，其特征在于上述缸体（1）的柱面轴对称开有4个定位孔，4个定位孔上分别装设有定位螺栓（4），端盖（8）上设有对称设置、并能贯穿端盖紧固螺栓（9）的通孔。

5.根据权利要求1所述的高速电磁阻尼器，其特征在于上述缸体（1）的左端面也设有装设固定电磁铁紧固螺栓（13）的通孔。

6.根据权利要求1所述的高速电磁阻尼器，其特征在于上述缸体（1）的左端面设有穿设运动电磁铁电极（11）及固定电磁铁电极（12）的通孔。

7.根据权利要求1所述的高速电磁阻尼器，其特征在于上述导电滑轮（7）嵌入导轨（5）内，导电垫片（7）能沿导轨（5）一维自由滑动。

8.根据权利要求1所述的高速电磁阻尼器，其特征在于上述固定电磁铁的磁轭（2）为圆柱体，磁轭（2）通过固定电磁铁紧固螺栓（13）固定在缸体（1）的左端，且磁轭（2）的几何中心线与缸体（1）的几何中心线在同一直线上。

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