CN102853018B - 一种包含磁悬浮单元的隔振器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于振动隔离领域，为一种包含磁悬浮单元的隔振器，它包括用于负刚度磁悬浮单元，以及用于产生正刚度的机械弹簧阻尼单元，二个部分串联，得到一个理论上具有无限大刚度的大刚度弹簧系统。与传统的机械弹簧串联连接，本发明实现隔振系统的等效刚度大，从而抑制直接作用在精密设备上的振动；同时保证传统的机械弹簧的弹性系数较小，从而隔离地面传至精密设备上的振动，最终同时实现了隔离地面传至精密设备上的振动与抑制直接作用在精密设备上的振动的目的。
Description
技术领域
本发明属于振动隔离领域，涉及一种包含磁悬浮单元的隔振器，它主要用于保护超精密加工设备、测量仪器等在工作过程中不受外界振动的影响，从而提高这些超精密仪器设备的使用性能。
背景技术
随着超精密加工、超精密测量、半导体光刻以及航天技术的发展，微幅、超微幅振动的影响变得十分突出，尤其是亚微米以下的超精密加工更需要超静环境作保障。这种类型的系统既要求能够隔离地面的振动，又要求能够抑制直接扰动的影响。传统的方法是采用被动隔振技术来减小由地面传至精密设备的振动。采用隔振器隔离由地面传至精密设备的振动通常要求隔振器具有较低的隔振刚度；然而，若减小隔振器的隔振刚度，就会导致隔振器无法抑制直接作用在精密设备上的振动，这是制约被动隔振系统发展的主要瓶颈。此外，被动隔振技术对于隔离低频和超低频振动效果不理想，所以被动减振技术不能充分适用于以低频和超低频振动为主的超精密场合。因此，需要寻求新的隔振方式，以实现低刚度隔离地面振动和高刚度抑制直接扰动的统一，同时具有良好的低频和超低频隔振效果。与被动隔振技术相比，主动隔振技术具有自适应性好、可对低频振动进行隔离以及重量轻等优点,因而成为隔振技术的研究热点。
美国专利文献US7290642公开了一种负刚度磁力弹簧装置，利用磁体之间异名磁极相互吸引的原理，将三个磁铁从上到下依次布置，且保证相邻磁铁的相邻磁极相反，从而达到磁力弹簧具有负刚度的目的。
美国专利文献US4710656公开了一种等效刚度为零的隔振器，利用机械弹簧的正刚度抵消磁力弹簧的负刚度，使弹簧质量系统的等效刚度为零，那么该系统的自然频率也为零，从而达到隔离振动的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种包含磁悬浮的隔振器，它可以有效解决被动隔振技术不能同时隔离由地面传至精密设备的振动和抑制直接作用在精密设备上的振动的矛盾。
本发明提供的一种包含磁悬浮单元的隔振器，其特征在于，它包括用于负刚度磁悬浮单元，以及用于产生正刚度的机械弹簧阻尼单元，二个单元串联，得到一个理论上具有无限大刚度的大刚度弹簧系统。
作为上述技术方案的改进，所述磁悬浮单元包括线圈、铁芯、环形线圈槽、中心永磁体、环形永磁体和永磁体连接板；其中，铁芯为一个下底面开有环形线圈槽的导磁材料制成的圆柱体，线圈均匀的缠绕在环形线圈槽中；中心永磁体为圆柱形，它与铁芯的轴线同轴；环形永磁体为环状，其沿垂向的剖面为矩形；环形永磁体的轴线也与铁芯的轴线同轴；中心永磁体的磁极沿上下分布；环形永磁体的磁极也沿上下分布；中心永磁体和环形永磁体的磁极方向相反，连接板为圆柱体，中心永磁体和环形永磁体与连接板的上表面连接；中心永磁体和环形永磁体的垂向高度相等；中心永磁体和环形永磁体与铁芯由间隙隔开。
本发明的基本原理是将一个传统机械弹簧与一个具有负刚度特性的磁悬浮单元串联连接，构成一个具有理论上刚度无限大的大刚度弹簧系统，利用该大刚度弹簧系统抑制直接作用在精密设备上的振动；同时，该刚度很小的传统机械弹簧能够单独实现隔离由地面传至精密设备的振动的功能。
附图说明
图1为正负刚度弹簧串联连接产生无限大刚度的原理图；
图2为磁悬浮单元的隔振器的实施例；
图3为第一种包含磁悬浮单元隔振器的实施例
图4为正负刚度弹簧串联之后再并联一个正刚度弹簧产生无限大刚度的原理图；
图5为第二种包含磁悬浮的隔振器的实施例；
图6(a)、6(b)为第三种包含磁悬浮的隔振器的实施例。
具体实施方式
本发明提供的隔振器的设计思想是：利用具有负刚度的磁悬浮单元与具有正刚度的机械弹簧串联连接，组成一个具有极大刚度的大刚度弹簧系统。利用此大刚度弹簧系统，可以设计出能对精密仪器设备进行主动振动抑制的隔振系统。
下面借助实施例更加详细地说明本发明，但该实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受该实施例的限制。
本发明的一种包含磁悬浮主动隔振器的系统结构及工作原理，结合实施例及附图详细说明如下：
本发明提供的主动隔振器包含一个大刚度弹簧系统，该大刚度弹簧系统由磁悬浮单元和机械弹簧阻尼单元二个部分串联组成。所述磁悬浮单元用于产生负刚度，机械弹簧阻尼单元用于产生正刚度，二者串联构成一个理论上具有无限大刚度的大刚度弹簧系统。该系统的原理如图1所示，刚度为ｋ1的正刚度弹簧I与刚度为k2的负刚度弹簧II串联连接，且正刚度弹簧I和负刚度弹簧II的刚度大小满足|k1|=|k2|。由于正刚度弹簧I的刚度为正，负刚度弹簧II的刚度为负，因此这两个弹簧串联连接的所构成的弹簧系统的等效刚度为
又由于k1=-k2，因此|k0|→∞，即此时正刚度弹簧I和负刚度弹簧II串联组成的弹簧系统的等效刚度的大小为无穷大。
下面举例说明磁悬浮单元的结构，其1/4剖面图如图2所示。磁悬浮单元包括：线圈1、铁芯2、环形线圈槽6、中心永磁体3、环形永磁体4、永磁体连接板5和间隙7。其中，铁芯2为一个下底面开有环形线圈槽6的圆柱体，它由导磁材料制成；线圈1均匀的缠绕在环形线圈槽6中；中心永磁体3为圆柱形，它与铁芯2的轴线同轴；环形永磁体4为环状，其沿垂向的剖面为矩形；环形永磁体4的轴线也与铁芯2的轴线同轴；中心永磁体3的磁极沿上下分布；环形永磁体4的磁极也沿上下分布；中心永磁体3和环形永磁体4的磁极方向相反，即当中心永磁体3的S极向上时环形永磁体4的S极向下，反之当中心永磁体3的S极向下时环形永磁体4的S极向上；连接板5为圆柱体，中心永磁体3和环形永磁体4与连接板5的上表面连接；中心永磁体3和环形永磁体4的垂向高度相等；中心永磁体3和环形永磁体4与铁芯2由间隙7隔开；从上向下看磁悬浮单元时，线圈中电流的方向如下：当中心永磁体3的S极朝上时，线圈1中的电流沿顺时针方向流动；当中心永磁体3的N极朝上时，线圈1中的电流沿逆时针方向流动。
图3为第一种包含磁悬浮单元的隔振器的实施例，该隔振器包括第一机械弹簧12、第一阻尼器13、磁悬浮单元17、第一连接板18、第二连接板19、第三连接板14、载物板20和底座11。第三连接板14位于底座11的上方，第一机械弹簧12连接在底座11与第三连接板14之间，第一阻尼器13也连接在底座11与第三连接板14之间，且第三连接板14位于载物板20与第一连接板18之间，磁悬浮单元17的上表面与第三连接板14的下表面连接，磁悬浮单元17的下表面与第一连接板18的上表面连接，第一连接板18与载物板20通过第二连接板19连接在一起。其中，弹性系数为k1的第一机械弹簧12等效为正刚度弹簧，它和第一阻尼器13并联用于减小地面传至精密设备的振动；弹性系数为ks的磁悬浮单元等效为负刚度弹簧，它与第一机械弹簧12串联连接。当满足ks＝-k1，则隔振系统的等效刚度kc趋近于无穷大，从而能够可以抑制直接作用在载物板20上的振动。
图4为正负刚度弹簧串联之后再并联一个正刚度弹簧以产生无限大刚度的原理图，其原理跟图2相似，但在图2的基础上再并联了一个正刚度弹簧k3，使隔振系统的等效刚度
图5为第二种包含磁悬浮的隔振器的实施例，其工作原理与图3相似，但在第一连接板18与底座11之间增设了并联的第二机械弹簧12’和第二阻尼器13’，第二机械弹簧12’和第二阻尼器13’起到承担隔离板上的部分重量，增加磁悬浮单元的负载能力的作用。
图6(a)、6(b)为第三种包含磁悬浮的隔振器的实施例，图中包括：第四连接板67、第五连接板69、第六连接板70、第七连接板71、第八连接板73、第一侧壁68、第二侧壁72、第一机械弹簧12、第二机械弹簧12’、第三机械弹簧12”、第一阻尼器13、第二阻尼器13’、第三阻尼器13”和三个磁悬浮单元17a、17b和17c。其中，第一机械弹簧12、第二机械弹簧12’和第三机械弹簧12”和第一阻尼器13、第二阻尼器13’和第三阻尼器13”组成三个机械弹簧阻尼单元，它们的上端均与第五连接板69连接，下端均与第六连接板70的上端连接；从上往下看，这三个机械弹簧阻尼单元按照等边三角形的方式布置；第六连接板70的下端与三个磁悬浮单元17a、17b和17c的上端连接；三个磁悬浮单元17a、17b和17c的下端与第七连接板71的上表面连接；同样，三个磁悬浮单元17a、17b和17c按照等边三角形的方式布置；第七连接板71和第四连接板67通过第一侧壁68连接；第五连接板69和第八连接板73通过第二侧壁72连接；第四连接板67、第五连接板69、第六连接板70、第七连接板71和第八连接板73按照从上至下的顺序布置。该实施例的工作原理是利用三个机械弹簧阻尼单元减小由地面传至精密设备的振动，三对磁悬浮单元等效为三个负刚度弹簧与三个传统机械弹簧串联连接，使隔振系统的等效刚度无限大，从而达到抑制直接作用在精密设备上的振动的目的。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种包含磁悬浮单元的隔振器，其特征在于，它包括用于负刚度磁悬浮单元，以及用于产生正刚度的机械弹簧阻尼单元，二个单元串联，得到一个理论上具有无限大刚度的大刚度弹簧系统；所述磁悬浮单元包括线圈(1)、铁芯(2)、环形线圈槽(6)、中心永磁体(3)、环形永磁体(4)和永磁体连接板(5)；其中，铁芯(2)为一个下底面开有环形线圈槽(6)的导磁材料制成的圆柱体，线圈(1)均匀的缠绕在环形线圈槽(6)中；中心永磁体(3)为圆柱形，它与铁芯(2)的轴线同轴；环形永磁体(4)为环状，其沿垂向的剖面为矩形；环形永磁体(4)的轴线也与铁芯(2)的轴线同轴；中心永磁体(3)的磁极沿上下分布；环形永磁体(4)的磁极也沿上下分布；中心永磁体(3)和环形永磁体(4)的磁极方向相反，连接板(5)为圆柱体，中心永磁体(3)和环形永磁体(4)与连接板(5)的上表面连接；中心永磁体(3)和环形永磁体(4)的垂向高度相等；中心永磁体(3)和环形永磁体(4)与铁芯(2)由间隙(7)隔开；
所述机械弹簧阻尼单元由并联的第一机械弹簧(12)和第一阻尼器(13)构成；
该隔振器还包括第一连接板(18)、第二连接板(19)、第三连接板(14)、载物板(20)和底座(11)；第三连接板(14)位于底座(11)的上方，第一机械弹簧(12)连接在底座(11)与第三连接板(14)之间，第一阻尼器(13)也连接在底座(11)与第三连接板(14)之间，且第三连接板(14)位于载物板(20)与第一连接板(18)之间，所述磁悬浮单元的上表面与第三连接板(14)的下表面连接，所述磁悬浮单元的下表面与第一连接板(18)的上表面连接，第一连接板(18)与载物板(20)通过第二连接板(19)连接在一起。
2.根据权利要求1所述的包含磁悬浮单元的隔振器，其特征在于，该隔振器在第一连接板(18)与底座(11)之间增设了并联的第二机械弹簧(12’)和第二阻尼器(13’)。
3.根据权利要求1所述的包含磁悬浮单元的隔振器，其特征在于，该隔振器包括三个并联的所述磁悬浮单元和三个并联的所述机械弹簧阻尼单元，并联的三个所述磁悬浮单元和并联的三个所述机械弹簧阻尼单元之间串接在一起。
4.根据权利要求1所述的包含磁悬浮单元的隔振器，其特征在于，该隔振器还包括第四连接板(67)、第五连接板(69)、第六连接板(70)、第七连接板(71)、第八连接板(73)、第一侧壁(68)和第二侧壁(72)；第四连接板(67)、第五连接板(69)、第六连接板(70)、第七连接板(71)和第八连接板(73)按照从上至下的顺序布置，第七连接板(71)和第四连接板(67)通过第一侧壁(68)连接，第五连接板(69)和第八连接板(73)通过第二侧壁(72)连接；各机械弹簧阻尼单元中的机械弹簧和阻尼器均连接在第五连接板(69)与第六连接板(70)之间，且在第五连接板(69)和六连接板(70)的连接点均呈等边三角形的方式布置；三个磁悬浮单元连接在第六连接板(70)与第七连接板(71)之间，在六连接板(70)和第七连接板(71)的连接点均呈等边三角形的方式布置。
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