CN103728006A - 一种三维磁场电磁阻尼装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维磁场电磁阻尼装置及阻尼方法，该装置包括U型铁心、磁多极子和阻尼铝片，其中，所述磁多极子对称紧贴于所述U型铁心的相对两面，每面由多块永磁体N、S交错相接构成，所述阻尼铝片位于所述U型铁心的气隙中，该阻尼铝片与待阻尼机构固定连接。本发明采用若干块永磁体N、S交错分布构成空间三维磁场，既满足了磁场不均匀的要求，又满足磁场各个方向都比较大的要求，实现了阻尼铝片在各个方向上运动时都有比较好的阻尼效果。同时，非接触的结构和不导磁的阻尼铝片保证了电磁阻尼不会产生任何附加的力，保证了测量精度，可应用于精密电磁天平或者其他需消除机械振动等领域。

Description

一种三维磁场电磁阻尼装置及方法

技术领域

本发明涉及一种阻尼器及阻尼方法，具体涉及一种无接触式三维磁场电磁阻尼装置及阻尼方法。

背景技术

质量测量是物理中基本测量之一，物理实验中最常用的测量质量的工具是天平。精密天平一般通过刀口来解耦悬挂的砝码与天平横梁，当悬挂的砝码在晃荡时会造成质量测量的误差，所以一般天平都会加上阻尼器以使悬挂物体尽快静止下来。普通天平的阻尼器，要使天平在不到一分钟的时间内静止下来，而精密天平的阻尼器,则应使天平在摆动1—2个周期内完全静止，并且不能影响到质量的测量。

一般天平采用空气阻尼，空气阻尼由内阻尼筒和外阻尼筒构成，内外阻尼筒相隔很小的气隙，内阻尼筒晃动时在外阻尼筒内造成空气流动，产生阻尼力。空气阻尼的优点是结构简单，绝对无接触。但是它的缺点也很明显：阻尼力太小，较重的物体阻尼效果不明显，往往需要比较长的时间才能阻尼住；而且内外阻尼筒的间隙必须要很小，很容易造成碰擦，引起测量误差。另外，也有天平采用油阻尼，悬挂物体在油中运动的时候会使得油流动从而形成阻尼力。油阻尼相对空气阻尼来讲阻尼力要大得多，很快就能阻尼住。但是它也有很多缺点：油会产生浮力；油与悬挂物体必须接触，从而会沿着接触杆不断往上渗析；在悬挂物体晃荡时，会造成接触杆上沾附上油而造成质量变化。

不光是天平，任何机械结构受到载荷作用的时候都会产生振动。在高、精、尖等技术领域，机械振动会造成结构破坏失效、精度下降、寿命缩短以及出现伤亡事故。例如，火箭发射时，冲击载荷会造成的结构破坏、发射精度降低；汽车行驶时，路面的粗糙不平使其舒适性降低；仪器仪表受到振动时，会导致其测量精度下降等等。实践中，为克服机械结构载荷所产生的振动，采用了设置阻尼器的方法，在一定程度上增加机械结构的阻尼系数，使得结构快速稳定，所以，阻尼效果好、结构简单、安装方便的阻尼器将广泛应用于各种机械结构中。

发明内容

本发明为了克服上述机械结构阻尼器的各种缺点，设计了一种三维磁场电磁阻尼装置及阻尼方法。

根据本发明的具体实施例，揭示了一种三维磁场电磁阻尼装置，该装置包括U型铁心、磁多极子和阻尼铝片，其中，所述磁多极子对称紧贴于U型铁心的相对两面，每面由多块永磁体N、S交错相接构成；所述阻尼铝片位于U型铁心的气隙中，该阻尼铝片与待阻尼机构固定连接。

优选地，所述U型铁心采用硅钢片叠装构成。

优选地，所述U型铁心相对两面各分布所述磁多极子的四块永磁体，每块永磁体相对、相邻的均为反极。

优选地，所述U型铁心的气隙宽度为16mm，阻尼铝片的宽度为10mm。

根据本发明提供的另外实施例，揭示了一种三维磁场电磁阻尼方法，包括将多个永磁体相邻、相对互为反极地固定，在所述多个永磁体的气隙中形成一个三维磁场；将阻尼铝片和待阻尼机构固定连接，并将该阻尼铝片置于所述多个永磁体的气隙中，利用气隙磁场中的涡流形成阻尼效应。

优选地，所述多个永磁体固定于U型铁心的相对两面，该多个永磁体为相邻、相对位置均互为反极地交错对称结构。

优选地，所述待阻尼机构为天平。其中，所述U型铁心的气隙宽度为16mm，阻尼铝片的宽度为10mm。

本发明提出的技术方案，采用若干块永磁体N、S交错分布构成空间三维磁场，既满足了磁场不均匀的要求，又满足磁场各个方向都比较大的要求，实现了阻尼铝片在各个方向上运动时都有比较好的阻尼效果。同时，非接触的结构和不导磁的阻尼铝片保证了电磁阻尼不会产生任何附加的力，保证了测量精度，可应用于精密电磁天平或者其他需消除机械振动的领域。

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，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，以下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而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1a为本发明的三维磁场电磁阻尼装置的立体结构图；

图1b为本发明的三维磁场电磁阻尼装置的主视图；

图1c为本发明的三维磁场电磁阻尼装置的俯视图；

图2a为本发明的磁多极子的左部永磁体分布图；

图2b为本发明的磁多极子的右部永磁体分布图；

图3为本发明的三维磁场电磁阻尼装置的安装示意图；

图4为本发明的磁力线有限元计算的俯视图；

图5为本发明的磁感应强度有限元计算的俯视图;

图6为本发明的磁力线有限元计算的主视图；

图7为本发明的磁感应强度有限元计算的主视图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

图1系列是本发明的实施例中三维磁场电磁阻尼装置，其中，图1a为本发明的三维磁场电磁阻尼装置的立体结构图，图1b为该三维磁场电磁阻尼装置的主视图，图1c为该三维磁场电磁阻尼装置的俯视图。如图所示，本装置包括U型铁心1、多块永磁体构成的磁多极子2和阻尼铝片3，其中，磁多极子2分为左右两部分，每部分别自然紧贴于U型铁心1的相对两面，阻尼铝片3则位于U型铁心1的气隙中。本实施例中U型铁心1采用硅钢片叠装而成，磁多极子2采用磁场强度较高的永磁体，阻尼铝片3绝对不导磁。当阻尼铝片3在U型铁心的气隙中运动时，会感应出涡流，涡流在磁场中产生电磁力，从而阻止阻尼铝片3运动，产生阻尼效应。

涡流是由垂直于导体平面的时变磁场产生的，满足麦克斯韦方程组：

$\mathrm{\Δ}\×H=J+\frac{\∂D}{\∂t}\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}\×E=-\frac{\∂B}{\∂t}\left(2\right)$

Δ·B＝0   (3)

Δ·D＝ρ   (4)

其中H是磁场强度，B是磁感应强度，J是电流密度，D是电通量密度，E是电场强度，ρ是电荷密度。由（2）式可以看出如果磁场B过于均匀，

就比较小，感应出来的电场E就比较小，因为：

J＝rE   (5)

I＝∫_S ^JdS   (6)

其中，r是铝片的电导率，I是阻尼铝片3中感应出的涡流，所以当E比较小时，涡流I就比较小。由载流导体在磁场中的受力公式：

其中，B是U型铁心1气隙中的磁感应强度，F是阻尼铝片3受到的阻尼力。当电流I比较小时，F就比较小，所以气隙中的磁场B不能太均匀，同时，要使得三维运动方向都产生比较大的力，那么磁场在三维空间的各个方向上都要比较大。

图2系列示出了本发明的磁多极子，其中，图2a为本发明的磁多极子的左部永磁体分布图，图2b为本发明的磁多极子的右部永磁体分布图。如图所示，本发明的磁多极子2由多块永磁体N、S交错分布构成，为使得磁场在空间三个方向都很强，本实施例中U型铁心1相对的两面紧密分布四块永磁体，也可交错分布更多永磁体，即N极永磁体相对的、相邻的均为S极，S极永磁体相对的、相邻的均是N极。本实施例中，上述N、S交错分布的永磁体分布结构，在U型铁心1的气隙中形成三维磁场，磁场在空间三个方向都很强，且不均匀，对外发散磁场小，保证了阻尼铝片在空间各个方向上运动时都会产生比较大的阻尼力，达到较好的阻尼效果。

图3为本发明的三维磁场电磁阻尼装置的安装图，如图所示，本发明的U型铁心1固定在静止的支架上，而阻尼铝片3与砝码托盘刚性连接，放置于U型铁心1的气隙中。当铝片在气隙中运动时，铝片中便会感应出涡流，涡流在磁场中产生电磁力，从而阻止铝片运动，带动天平很快稳定下来。

实验证明，图3所示本实施例的天平倾斜1度的角度，然后使其自由摆动，在空气中，天平摆动了2-3分钟，才完全静止下来；换上油阻尼，在同样的条件下，天平摆动了30-35秒的时间；最后采用本发明的电磁阻尼，同样的条件下，天平摆动了5-7秒的时间就完全静止下来。

通过实验，还可以精确测量图3所示实施例的实际阻尼效果，图4为本实施例的磁力线有限元计算的俯视图，图5为磁感应强度有限元计算的俯视图，图6为磁力线有限元计算的主视图，图7为磁感应强度有限元计算的主视图。如图4、图6所示，本实施例的磁力线大部分集中在气隙中，对外发散的磁力线比较少，而且气隙中各个方向上都有磁力线；图5、图7则表明本实施例气隙中磁感应强度最大1T，最小2000Gs，平均5000Gs，而气隙外的磁感应强度急剧减小，故本发明对外泄露的磁场是比较少的。因此，本发明在空间三维运动方向上都会产生很大的阻尼力，阻尼效果明显，1—2个周期可使天平完全静止。而且，本发明的阻尼为非接触式作用，没有附加的力，对外发散磁场小。

本发明还揭示了一种三维磁场电磁阻尼方法，具体包括将多个永磁体相邻、相对互为反极地固定，在所述多个永磁体的气隙中形成一个三维磁场；将阻尼铝片和待阻尼机构固定连接，并将该阻尼铝片置于多个永磁体形成的气隙中，利用气隙磁场中的涡流形成阻尼效应。其中，多个永磁体可以固定在U型铁心的相对两面，上述多个永磁体为相邻、相对位置均互为反极地交错对称结构。

在本发明的更为具体的实施例中，上述实施例中的待阻尼机构为天平，其中，U型铁心的气隙宽度为16mm，阻尼铝片的宽度为10mm。

显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种三维磁场电磁阻尼装置，其特征在于，该装置包括U型铁心、磁多极子和阻尼铝片，其中，所述磁多极子对称紧贴于所述U型铁心的相对两面，每面由多块永磁体N、S交错相接构成；所述阻尼铝片位于所述U型铁心的气隙中，该阻尼铝片与待阻尼机构固定连接。

2.根据权利要求1所述的三维磁场电磁阻尼装置，其特征在于，所述U型铁心采用硅钢片叠装构成。

3.根据权利要求2所述的三维磁场电磁阻尼装置，其特征在于，所述U型铁心相对两面各分布所述磁多极子的四块永磁体，每块永磁体相对、相邻的均为反极。

4.根据权利要求3所述的三维磁场电磁阻尼装置，其特征在于，所述U型铁心的气隙宽度为16mm，所述阻尼铝片的宽度为10mm。

5.一种三维磁场电磁阻尼方法，其特征在于，将多个永磁体相邻、相对互为反极地固定，在所述多个永磁体的气隙中形成一个三维磁场；将阻尼铝片和待阻尼机构固定连接，并将该阻尼铝片置于所述多个永磁体的气隙中，利用气隙磁场中的涡流形成阻尼效应。

6.根据权利要求5所述的三维磁场电磁阻尼方法，其特征在于，所述多个永磁体固定于U型铁心的相对两面，该多个永磁体为相邻、相对均互为反极地交错对称固定。

7.根据权利要求6所述的三维磁场电磁阻尼方法，其特征在于，所述待阻尼机构为天平。

8.根据权利要求7所述的三维磁场电磁阻尼方法，其特征在于，所述U型铁心的气隙宽度为16mm，所述阻尼铝片的宽度为10mm。

Images