CN105485230B - 一种采用非对称磁齿结构实现准零刚度特性的电磁式半主动隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种采用非对称磁齿结构实现准零刚度特性的电磁式半主动隔振器，包括支撑板、端盖、衔铁、壳体、底座，端盖通过螺钉安装在壳体上方，底座通过螺钉安装在壳体下方，衔铁设置在壳体里，衔铁的中心安装轴，支撑板设置在端盖的上方，支撑板与端盖之间安装第一机械弹簧，第一机械弹簧里设置支撑柱，支撑柱上端通过螺钉连接支撑板，支撑柱的下端穿过端盖并与衔铁相连，衔铁和轴之间安装第一直线轴承和第二直线轴承，在第一直线轴承和第二直线轴承之间安装轴套，衔铁与端盖之间设置第二机械弹簧，衔铁与底座之间设置第三机械弹簧。本发明的负刚度大小可通过调节电流而改变，进而系统准零刚度更易获得。

Description

一种采用非对称磁齿结构实现准零刚度特性的电磁式半主动 隔振器

技术领域

本发明涉及的是一种隔振器，具体地说是半主动隔振器。

背景技术

在传统被动隔振设计领域内，为获得更宽的隔振频带以及更好的隔振效果，隔振器的刚度需要设计得足够小，然而一个较小的隔振器刚度却很难保证整个隔振系统的稳定性，这一矛盾长期以来一直影响着从事隔振领域的设计人员。

具有准零刚度特性的隔振系统，亦可称为高静态刚度低动态刚度系统。顾名思义，其可以提供一个较高的静态刚度和一个较低的动态刚度，前者用于保证隔振系统在静态时的能够具有足够的支撑稳定性，后者提供了一个较低的系统动态刚度以获得更宽的隔振频带与更佳的隔振效果。考虑到准零刚度隔振器的优越性能，近些年其得到了越来越多的研究与探索。传统式准零刚度隔振器多利用弹簧结构或者磁弹簧来实现负刚度效应，然而刚度的不可变特性一定程度上限制了其应用。

公开号为CN103256332 B的专利提出了一种正负刚度并联减振器，其中，空气弹簧用于提供正刚度，磁弹簧用以提供负刚度，两者并联布置。所设计的正负刚度并联减振器很好的实现了高静态刚度低动态刚度特性，具备隔离超低频振动的能力。然而该专利刚度为恒定值，不具备刚度可调能力，故而在刚度发生变化时其隔振性能会受到很大的影响。

公开号为CN104455181 A的专利公布了一种采用环形永磁铁产生负刚度的准零刚度隔振器，其正刚度由与之串联的机械弹簧提供。该专利在能够隔离较大幅值的基础激励的同时具备可调节被隔振物体质量的能力。然而，串联方式的选择使得整个隔振系统静态平衡位置更难调节，进而引起所设计隔振系统很难实现准零刚度特性。

发明内容

本发明的目的在于提供可实现负刚度并可针对负刚度进行调整的一种采用非对称磁齿结构实现准零刚度特性的电磁式半主动隔振器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种采用非对称磁齿结构实现准零刚度特性的电磁式半主动隔振器，其特征是：包括支撑板、端盖、衔铁、壳体、底座，端盖通过螺钉安装在壳体上方，底座通过螺钉安装在壳体下方，衔铁设置在壳体里，衔铁的中心安装轴，轴的下端固定在底座上，支撑板设置在端盖的上方，支撑板与端盖之间安装第一机械弹簧，第一机械弹簧里设置支撑柱，支撑柱上端通过螺钉连接支撑板，支撑柱的下端穿过端盖并与衔铁相连，衔铁上缠绕有线圈，衔铁和轴之间安装第一直线轴承和第二直线轴承，在第一直线轴承和第二直线轴承之间安装轴套，衔铁与端盖之间设置第二机械弹簧，衔铁与底座之间设置第三机械弹簧，衔铁的外壁上设置有衔铁磁齿，衔铁磁齿与衔铁磁齿之间为衔铁齿槽，壳体内壁上设置有壳体磁齿，壳体磁齿与壳体磁齿之间为壳体齿槽，每个衔铁磁齿的位置分别对应一个壳体齿槽。

本发明还可以包括：

1、衔铁齿宽与壳体齿距为1:1的比例关系。

本发明的优势在于：

1、不同于传统形式的负刚度实现方式，本发明通过一种非对称磁齿结构实现了负刚度，且其结构更加紧凑高效。

2、相比于传统的被动式隔振器，电磁弹簧这一设计使得整个装置的负刚度大小可通过调节电流而改变，进而系统准零刚度更易获得，同时使其在半主动控制方面亦能获得一定的应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明非对称磁齿结构与传统对称磁齿结构对比图；

图3a为衔铁结构示意图，图3b为衔铁的仰视图；

图4为壳体结构示意图；

图5为隔振系统的力-位移曲线图。

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1～5，本发明主要包括两部分：机械刚度系统与电磁刚度系统。需要说明的是，由于某些组件即属于机械刚度系统又作为磁路的一部分而同时属于电磁刚度系统，故此在对结构进行介绍时一再被提及。

机械刚度系统主要由机械弹簧02、机械弹簧09以及机械弹簧12三者通过不同构件的相互组合并联而成，在此予以分别介绍。首先，支撑板11、机械弹簧12、端盖13、壳体03以及底座01构成第一个子系统；其次，支撑板11、支撑柱10、衔铁04、机械弹簧09、端盖13、壳体03以及底座01构成第二个子系统；最后支撑板11、支撑柱10、衔铁04、机械弹簧02以及底座01构成第三个子系统。

电磁刚度系统主要由一种非对称磁齿结构所组成，其磁路部分主要包括线圈05、衔铁04以及壳体03。非对称磁齿结构为本发明的一大特色，相比于对称磁齿，其能够提供负刚度效应。

图1为本发明隔振器结构示意图。支撑板11主要用于承载被隔振物体，其与端盖13皆设立弹簧座以便于机械弹簧12的连接。端盖13、壳体03以及底座01之间采用螺钉连接，三者在保护装置内部结构的同时亦起到了承载作用。支撑柱10分别通过螺钉连接以及螺纹连接与支撑板11以及衔铁04固连，其目的是为了实现机械弹簧02、09以及非对称磁齿结构引起的电磁弹簧并联接入隔振系统。轴07以螺纹连接的形式固连于底座01，与衔铁04之间通过直线轴承08及轴套06连接，其目的是为了限制衔铁04在径向的位移，保证滑动过程中衔铁04的磁齿不会与壳体03上的磁齿发生碰撞。轴套06主要用于限制两直线轴承08的轴向位移。线圈05置于衔铁04凹槽内，与衔铁04、壳体03一起构成磁路部分。底座01为长方体样式，其上有四个均布的圆形通孔，方便与地面的连接。

需要注意的是：所设计隔振器机械刚度系统中的三种机械弹簧(02、09与12)的功能并不相同：机械弹簧02(数量为4)与机械弹簧09(数量为1)的目的是为了通过两者之间的相互配合，维持初始状态时衔铁04尽可能在轴向上稳定在平衡位置，其刚度值需足够大以平衡掉未对中情况下施加电流所引起的轴向不平衡力；机械弹簧12(数量为4)的目的是方便调整总的机械刚度，避免在调节机械刚度时更换内部弹簧的不便。

图2为本发明中非对称磁齿结构与传统对称磁齿结构的对比图。从图中可以看出：本发明中，衔铁磁齿与壳体齿槽相对应，而非传统的衔铁磁齿与壳体磁齿相对应。

图3a、图3b、图4分别为衔铁04与壳体03的结构示意图，两者组成了整个隔振器磁路部分。衔铁04与壳体03在设计时需要着重考虑以下三点：首先，应选 取导磁率高的材料作为加工原材料，高导磁率使得整个结构磁能利用率更好，本设计中选取DT4C；其次，由于空气磁阻很大，因此加工时衔铁04与壳体03之间的磁齿间隙不可过大，否则会大大降低所设计的电磁隔振器的磁能利用率；最后，在允许的情况下，安装时衔铁04上的磁齿与壳体03上的磁齿应尽可能的维持在平衡位置，避免在施加电流时由于不平衡所引起的大幅度偏离而导致的准零刚度特性无效。

图5展示了所设计隔振器的力-位移曲线图，其中虚线代表机械弹簧力，点划线代表电磁弹簧力，实线代表两者的合力。本发明中采用COMSOL Multiphysics 5.1作为验证软件，图5中所展示的数据皆来自于该软件，相关研究人员均可以使用该软件对本发明中所涉及的非对称磁齿结构进行验证，在满足衔铁04齿宽与壳体03齿距为1:1的比例关系时，皆可获得类似图5中所示负刚度曲线。从图5中可以看出，在平衡位置附近，整个装置的动刚度近似为零，实现了准零刚度特性。

Claims (2)

1.一种采用非对称磁齿结构实现准零刚度特性的电磁式半主动隔振器，其特征是：包括支撑板、端盖、衔铁、壳体和底座，端盖通过螺钉安装在壳体上方，底座通过螺钉安装在壳体下方，衔铁设置在壳体里，衔铁的中心安装轴，轴的下端固定在底座上，支撑板设置在端盖的上方，支撑板与端盖之间安装第一机械弹簧，第一机械弹簧里设置支撑柱，支撑柱上端通过螺钉连接支撑板，支撑柱的下端穿过端盖并与衔铁相连，衔铁上缠绕有线圈，衔铁和轴之间安装第一直线轴承和第二直线轴承，在第一直线轴承和第二直线轴承之间安装轴套，衔铁与端盖之间设置第二机械弹簧，衔铁与底座之间设置第三机械弹簧，衔铁的外壁上设置有衔铁磁齿，衔铁磁齿与衔铁磁齿之间为衔铁齿槽，壳体内壁上设置有壳体磁齿，壳体磁齿与壳体磁齿之间为壳体齿槽，每个衔铁磁齿的位置分别对应一个壳体齿槽。

2.根据权利要求1所述的一种采用非对称磁齿结构实现准零刚度特性的电磁式半主动隔振器，其特征是：衔铁齿宽与壳体齿距为1:1的比例关系。