CN102820761A - 一种基于非线性膜簧的音圈作动器 - Google Patents

一种基于非线性膜簧的音圈作动器 Download PDF

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李伟鹏
黄海
袁顺宁
郑新涛
柏杨
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Abstract

本发明公开了一种基于非线性膜簧的音圈作动器，主要用于振动隔离，其动力源采用圆柱形音圈电机，音圈电机动子与定子通过膜簧连接，通过特殊的非线性膜簧设计，使得在主动控制失效的情况下，利用膜簧恢复力的非线性，减小低频段和共振段音圈电机定子与动子相对位移的大小；在高频段，定子与动子的相对位移与采用线性膜簧的音圈电机保持一致，不影响高频隔振性能，从而提高系统的安全性与可靠性。本发明在精密运动控制、振动平台以及主动减震系统等领域有良好的应用前景，尤其适合对可靠性有严格要求的航空、航天等领域。

Description

一种基于非线性膜簧的音圈作动器
技术领域
本发明涉及的是一种基于非线性膜簧的音圈作动器，属于结构与机构技术领域。
背景技术
音圈电机是特种直线电机，是一种将电能直接转化为直线或者圆弧运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。其工作原理与扬声器的音圈类似，利用来自永久磁钢的磁场与通电线圈导体产生的磁场中磁极间的相互作用产生有规律的运动。由于音圈电机无需转动机构即可获得直线运动，所以没有传动机械磨损，而且具有无滞后、高响应、高加速度、体积小、力特性好、控制方便等优点。市场上圆柱形音圈电机系列应用相当广泛，主要用在医疗、半导体、航空、汽车等领域，包括阀门控制器，小型精密替换测量仪、振动平台以及主动减震系统等应用领域。为了消除运动间隙及摩擦的不利影响，往往通过膜簧来支撑音圈电机的定子与动子。现有的设计为了简化音圈电机的运动控制算法，通常采用纵向刚度为线性的膜簧。当音圈作动器用于精密设备的振动隔离时，难免存在着控制失效的可能性。在主动控制环节失效后，系统演变为被动隔振系统，由于隔振系统的共振频率设计得很低，容易诱发隔振系统与设备的低频共振，此时动子与定子的相对位移很容易超出作动器行程，进而发生碰撞，使系统处于不稳定状态，这在航空、航天等对可靠性要求较高的领域是难以接受的。基于上述考虑，本发明通过设计一种非线性的膜簧，当音圈电机主动控制失效后，利用膜簧恢复力的非线性，减小低频段和共振段音圈电机定子与动子相对位移的大小；在高频段，定子与动子的相对位移与采用线性膜簧的音圈电机保持一致，不影响高频隔振性能，从而提高系统的安全性与可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于非线性膜簧的音圈作动器，主要用于振动隔离，其动力源采用圆柱形音圈电机，音圈电机动子与定子通过膜簧连接，通过特殊的非线性膜簧设计，使得在主动控制失效的情况下，利用膜簧恢复力的非线性，减小低频段和共振段音圈电机定子与动子相对位移的大小；在高频段，定子与动子的相对位移与采用线性膜簧的音圈电机保持一致，不影响高频隔振性能，从而提高系统的安全性与可靠性。
本发明是一种基于新型非线性膜簧的音圈作动器，其具体结构包括：外筒、底盘、音圈电机定子、音圈电机动子、动子顶盖、内限位块、膜簧垫圈、盖板、外限位块、支杆及膜簧（如图2所示）。其中底盘固定在音圈电机定子的底部，用于固定支撑音圈电机定子；外筒与底盘固连，同时与音圈电机定子外壁同轴配合，以保证外筒与音圈电机定子的同轴度；动子顶盖一端与音圈电机动子固连，另一端与膜簧的内圈固连；膜簧内圈通过内限位块与动子顶盖压紧，外圈则利用两个膜簧垫圈及盖板压紧在外筒上。盖板与外筒固连，并且其中间有一圆孔，此圆孔只能在内限位块和外限位块之间运动，从而限制了音圈电机动子与音圈电机定子的相对运动幅度，起到保护音圈电机及膜簧的作用；外限位块一端与内限位块固连，另一端与支杆固连；支杆可以用来连接其他物体，用于作动器力的输出。
其中所述的非线性膜簧（如图3所示）是本发明的重要创新点。膜簧内圈通过若干向外辐射的直线条纹直接与膜簧外圈相连。在平衡位置附近，膜簧的刚度较低且呈线性，保证高频段良好的隔振性能；在偏离平衡位置一定距离后膜簧刚度迅速增大，保证音圈电机动子与定子的相对位移被限制在音圈电机允许的行程范围内。
本发明的优点在于：外筒与音圈电机定子直接配合，保证了音圈电机动子与音圈电机定子的同轴度；利用膜簧来支撑音圈电机的动子，消除运动间隙及摩擦的不利影响；通过合理设计的非线性膜簧，保证了音圈电机在控制失效的情况下仍然具有良好的高频隔振性能，以及低频、共振段的隔振的稳定性和可靠性。以上特点使本发明在精密运动控制、振动平台以及主动减震系统等领域有良好的应用前景，尤其适合对可靠性有严格要求的航空、航天等领域。
附图说明
图1是音圈电机总体外观图；
图2是音圈电机总体结构图；
图3是非线性膜簧外观图；
图4是非线性膜簧位移-刚度变化图；
图5是非线性膜簧位移-刚度变化局部放大图；
图6是音圈电机采用线性膜簧与非线性膜簧时系统幅频曲线对比；
图中：
1-外筒         2-底盘        3-音圈电机定子     4-音圈电机动子
5-动子顶盖     6-内限位块    7-膜簧垫圈         8-盖板
9-外限位块     10-支杆       11-非线性膜簧
具体实施方式
下面结合附图和实施方案对本发明的技术方案进一步说明。
本发明旨在提供一种基于新型非线性膜簧的音圈作动器，其具体结构如图2所示，其中底盘2固定在音圈电机定子3的底部，用于固定支撑音圈电机定子3；外筒1与底盘2固连，同时与音圈电机定子3外壁同轴配合，以保证外筒1与音圈电机定子3的同轴度；动子顶盖5一端与音圈电机动子4固连，另一端与膜簧11的内圈固连；膜簧11的内圈通过内限位块6与动子顶盖5压紧，外圈则利用膜簧垫圈7及盖板8压紧在外筒1上。盖板8与外筒1固连，并且其中间有一圆孔，此圆孔只能在内限位块6和外限位块9之间运动，从而限制了音圈电机动子4与音圈电机定子3的相对运动幅度，起到保护音圈电机及膜簧11的作用；外限位块9一端与内限位块6固连，另一端与支杆10固连；支杆10可以用来连接其他物体，用于作动器力的输出。
其中所述的非线性膜簧如图3所示，是本发明的重要创新点。膜簧内圈通过若干向外辐射的直线条纹直接与膜簧外圈相连。在平衡位置附近，膜簧的刚度较低且呈线性，保证高频段良好的隔振性能；在偏离平衡位置一定距离后膜簧刚度迅速增大，保证音圈电机动子与定子的相对位移被限制在音圈电机允许的行程范围内。
参阅图4，当图3中的膜簧中心位移从0到2.5mm变化时，其刚度变化曲线如图4所示，可以明显看出该膜簧位移-恢复力呈现很强的非线性；其局部放大如图5所示，可以看出该膜簧位移-恢复力在0到0.2mm范围内几乎为线性。通过这种合理的非线性设计，可以达到预期的目的。图6为音圈电机采用线性膜簧与非线性膜簧时系统幅频曲线对比，可以看出在低频段，采用非线性膜簧时幅频响应曲线更低；共振段系统的幅频曲线共振峰被“牵引”向脊骨曲线，有效减少了共振段系统响应幅值大小；高频段与采用线性膜簧时相一致。

Claims (4)

1.一种基于非线性膜簧的音圈作动器，其特征在于:动力源采用圆柱形音圈电机，底盘固定在音圈电机定子的底部，用于固定支撑音圈电机定子；外筒与底盘固连，同时与音圈电机定子外壁同轴配合，以保证外筒与音圈电机定子的同轴度；动子顶盖一端与音圈电机动子固连，另一端与膜簧的内圈固连；膜簧内圈通过内限位块与动子顶盖压紧，外圈则利用两个膜簧垫圈及盖板压紧在外筒上。盖板与外筒固连，并且其中间有一圆孔，此圆孔只能在内限位块和外限位块之间运动，从而限制了音圈电机动子与音圈电机定子的相对运动幅度，起到保护音圈电机及膜簧的作用；外限位块一端与内限位块固连，另一端与支杆固连；支杆可以用来连接其他物体，用于作动器力的输出。非线性膜簧内圈通过若干向外辐射的直线条纹直接与膜簧外圈相连。在平衡位置附近，膜簧的刚度较低且呈线性，保证高频段良好的隔振性能；在偏离平衡位置一定距离后膜簧刚度迅速增大，保证音圈电机动子与定子的相对位移被限制在音圈电机允许的行程范围内。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性膜簧的音圈作动器，其特征在于：外筒与底盘固连，同时与音圈电机定子外壁同轴配合，以保证外筒与音圈电机定子的同轴度。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性膜簧的音圈作动器，其特征在于：动子顶盖一端与音圈电机动子固连，另一端与膜簧的内圈固连；膜簧内圈通过内限位块与动子顶盖压紧，外圈则利用两个膜簧垫圈及盖板压紧在外筒上。
4.根据权利要求1所述的一种基于非线性膜簧的音圈作动器，其特征在于：非线性膜簧内圈通过若干向外辐射的直线条纹直接与膜簧外圈相连。在平衡位置附近，膜簧的刚度较低且呈线性，保证高频段良好的隔振性能；在偏离平衡位置一定距离后膜簧刚度迅速增大，保证音圈电机动子与定子的相对位移被限制在音圈电机允许的行程范围内。
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