CN105587812B - 一种具有线性负刚度特性的电磁弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种具有线性负刚度特性的电磁弹簧，包括定子、动子，定子设置在动子的外部，动子上缠绕有线圈，动子和定子的工作表面设置矩形齿圈，动子矩形齿圈与定子矩形齿圈的位置相对应且两者之间存在气隙，定子矩形齿圈的齿距大于动子矩形齿圈的齿宽，线圈未通电时，定子矩形齿圈每个齿槽的位置分别对应动子矩形齿圈的一个磁齿。本发明通过定子齿槽与动子磁齿相对应以及确定两者宽度的最优比值，电磁弹簧在工作行程内仅具有线性负刚度特性，其非线性负刚度特性消失，这一点是现有负刚度结构做不到的。

Description

一种具有线性负刚度特性的电磁弹簧

技术领域

本发明涉及的是一种振动控制装置，具体地说是电磁弹簧。

背景技术

准零刚度隔振器因其优异的高静态刚度、低动态刚度特性近些年得到越来越多的研究，负刚度结构作为准零刚度隔振器的核心构件，其好坏直接影响到所设计隔振器的隔振性能。

到目前为止，科研人员已能通过多种途径实现负刚度，其中典型的方法有：机械弹簧式、磁铁式、橡胶式以及电磁铁式。([1]R.A.Ibrahim.“Recent advances in nonlinearpassive vibration isolators.”J.Sound Vib,2008)然而，所有这些方案所实现的负刚度特性存在一个必须面对的问题：非线性刚度特性的出现。

公开号为CN 103398139 B的专利利用蝶形橡胶材料作为负刚度弹性元件，提出了一种碟形橡胶准零刚度隔振器。该专利与已有准零刚度隔振器相比，具有承载量大、体积小、重量轻等优点，但其在实现负刚度的同时亦会引入非线性，这一情况会导致所设计隔振器在实际工作时会产生跳跃现象甚至更复杂的动力学行为。

综上所述，非线性的存在不但会对系统的动力学特性产生非常大的影响，并且可以想到其在主动控制领域亦非常难于控制。为此，设计一款仅具有线性负刚度特性的机构十分必要，然而，查阅国内外文献，并未发现相关方面的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有线性负刚度特性的电磁弹簧。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种具有线性负刚度特性的电磁弹簧，其特征是：包括定子、动子，定子设置在动子的外部，动子上缠绕有线圈，动子和定子的工作表面设置矩形齿圈，动子矩形齿圈与定子矩形齿圈的位置相对应且两者之间存在气隙，定子矩形齿圈的齿距大于动子矩形齿圈的齿宽，线圈未通电时，定子矩形齿圈每个齿槽的位置分别对应动子矩形齿圈的一个磁齿。

本发明一种具有线性负刚度特性的电磁弹簧，其特征是：包括定子、动子，定子设置在动子的内部，定子上缠绕有线圈，动子和定子的工作表面设置矩形齿圈，动子矩形齿圈与定子矩形齿圈的位置相对应且两者之间存在气隙，定子矩形齿圈的齿距大于动子矩形齿圈的齿宽，线圈未通电时，定子矩形齿圈每个齿槽的位置分别对应动子矩形齿圈的一个磁齿。

本发明的优势在于：通过定子齿槽与动子磁齿相对应以及确定两者宽度的最优比值，电磁弹簧在工作行程内仅具有线性负刚度特性，其非线性负刚度特性消失，这一点是现有负刚度结构做不到的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的静态磁场分布图；

图3为电磁弹簧结构不同齿宽比下的力-位移曲线图；

图4为电磁弹簧结构仿真参数。

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1～4，本发明一种具有线性负刚度特性的电磁弹簧，不同于传统的电磁弹簧的磁齿与磁齿对应，其动子磁齿与定子齿槽相对应。

电磁弹簧结构主要包括三部分：动子、线圈和定子。需要说明的是，动子与定子仅表示磁齿结构的相对性，实际应用时，两者可根据实际应用情况互换。线圈固定于动子上，动子与定子的工作表面上加工有等宽但呈错位分布矩形齿圈，两者之间存在很小的气隙。需要说明的是，为实现线性负刚度，本发明中定子磁齿的齿距与动子磁齿的齿宽并不相等，两者比值的大小取决于具体设计尺寸。

图1为本发明电磁弹簧结构二维轴对称示意图。电磁弹簧结构主要包括三个构件：动子1、线圈2以及定子3。线圈2固定于动子1上，动子1与定子3的工作表面上加工有等宽但呈错位分布矩形齿圈，两者之间存在留有一定气隙4。安装时，动子1的磁齿与定子3的齿槽相对应。线圈2通电时，所产生的磁场会先后沿着动子1、气隙4、定子3、气隙4、动子1形成闭合磁路。工作时，动子1磁齿与定子3齿槽错位，产生具有线性负刚度特性的电磁力。

电磁弹簧结构采用磁齿对齿槽的结构设计方案，但定子3齿距较动子1齿宽更大，采用该种设计可消除电磁负刚度的非线性特性，以获得仅具有线性负刚度特性的电磁弹簧。详细设计原理以及技术方案陈述如下：

磁齿式电磁弹簧发生轴向错位时电磁力为：

F_em＝αx+βx³

式中，x为轴向位移，α、β代表x不同次幂项的系数。研究发现，β的符号(sgn(β))与定子3齿距(DS)和动子1齿宽(WA)的比值(γ＝DS/WA)有关，存在某一临界值γc，使得sgn(β)满足：

可以看出，在γ＝γc的情况下，电磁力与轴向位移之间为线性变化关系，可满足仅具有线性负刚度特性的电磁弹簧的设计需要。考虑到结构的复杂性，γc的确定可借助于商业化有限元磁场计算软件来实现，例如COMSOL、ANSOFT、ANSYS。

具有线性刚度特性的电磁弹簧结构设计实例：

1、设计内容

利用有限元电磁场计算软件完成具有线性刚度特性的电磁弹簧结构设计。

2、仿真参数

本发明电磁弹簧结构选取COMSOL作为有限元电磁场仿真软件，仿真参数详见图4。仿真过程中，动子齿宽为4mm，定子齿距变化范围为4～8mm。有两点需要说明：1)为保证动子磁齿与定子齿槽的对称性，动子齿距亦需要随定子齿距同步变化；2)由于实际仿真时数据量过大，图4中仅展示了四种特殊情况。

3、仿真结果

图2为本发明电磁弹簧结构静态磁场分布图。通过该图可确定磁路设计的合理与否，为后续分析提供合理性依据。可以看出，在图4所示的设计参数下，所设计电磁弹簧结构磁路合理。

图3为本发明电磁弹簧结构不同齿宽比下的力-位移曲线图。在动子齿宽为4mm的情况下，研究定子齿距与动子齿宽不同比值下电磁弹簧结构的力-位移曲线变化趋势。定子齿距与动子齿宽相等时，γ＝1.000，α<0、β>0，此时可获得渐软刚度曲线；在γ增大到1.375时，此时α<0、β>0，此时虽获得更大的一次项刚度，然而所获得刚度曲线仍为渐软曲线；在γ增大到1.688时，此时α<0、β≈0，此时可获得近似线性刚度曲线；γ继续增大时，α<0、β<0，此时可获得渐硬刚度曲线。在充分的仿真计算基础上，可确定γc＝1.688，从而选择定子齿距6.75mm作为最佳设计尺寸，最终可获得仅具有线性负刚度特性的电磁弹簧。

Claims (2)

1.一种具有线性负刚度特性的电磁弹簧，其特征是：包括定子、动子，定子设置在动子的外部，动子上缠绕有线圈，动子和定子的工作表面设置矩形齿圈，动子矩形齿圈与定子矩形齿圈的位置相对应且两者之间存在气隙，定子矩形齿圈的齿距大于动子矩形齿圈的齿宽，线圈未通电时，定子矩形齿圈每个齿槽的位置分别对应动子矩形齿圈的一个磁齿。

2.一种具有线性负刚度特性的电磁弹簧，其特征是：包括定子、动子，定子设置在动子的内部，定子上缠绕有线圈，动子和定子的工作表面设置矩形齿圈，动子矩形齿圈与定子矩形齿圈的位置相对应且两者之间存在气隙，定子矩形齿圈的齿距大于动子矩形齿圈的齿宽，线圈未通电时，定子矩形齿圈每个齿槽的位置分别对应动子矩形齿圈的一个磁齿。