CN105805204A - 一种被动线性磁负刚度装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种被动线性磁负刚度装置，属于负刚度装置领域，可以提供线性的负刚度力，其包括静磁铁固定架、铁芯、静磁铁组、动磁铁组和负刚度传动轴。静磁铁组为横向静磁铁和纵向静磁铁，动磁铁组为横向动磁铁和纵向动磁铁。本发明利用横向静磁铁与横向动磁铁同极相斥所产生的位移减弱型负刚度特性，以及纵向静磁铁与纵向动磁铁异极相吸产生的位移增强型负刚度特性，通过铁芯将动磁铁组连接在一起，即可将位移增强型刚度与位移减弱型刚度结合在一起，静磁铁组的大小、强度，磁极布置在经过设计后，可以在静磁铁固定架内形成合适的磁场，从而对动磁铁组施加具有线性负刚度特性的力。

Description

一种被动线性磁负刚度装置
技术领域
本发明涉及一种负刚度装置，具体地说是一种被动线性磁负刚度装置。
背景技术
动态荷载可以造成很多危害，小至车辆的舒适度，大至地震造成的结构损坏坍塌。针对如何保护主体结构抵抗动态荷载所引起的强振动，各种振动控制技术应运而生。振动控制技术可以大致分为被动模式，半主动模式和主动模式三大类。依据这三大类的振动控制技术，人们已经发明出各种用于减轻主体结构振动的阻尼器，例如粘性流体阻尼器、粘弹性阻尼器、金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、调谐质量阻尼器、磁流变(magnetorheology，MR)阻尼器、可变孔阻尼器、可变摩擦阻尼器和主动质量驱动器等。
各式的阻尼器已经广泛应用在土木、机械和航空航天领域。相比于被动控制技术，半主动和主动控制技术往往可以取得更好的振动控制效果。在主动控制技术中，线性二次调节器(LQR)算法作为一种普遍采用的最优控制理论，可以产生一种具有显著负刚度特性的阻尼力-变形关系。这一结论激发了研究人员寻求一种能够与主动阻尼器一样产生相同的滞回特性并达到相同控制性能的被动式负刚度装置(negative-stiffnessdevice，NSD)。
负刚度装置的优点已经在实际应用领域中得到了验证，例如土木工程领域中，受到地面运动作用的建筑物和桥梁，机械工程领域中的车辆座椅、悬架，和敏感设备的减振台等。尽管负刚度装置在振动控制领域的优越性已经得到了验证。相比于半主动的负刚度装置，由于被动型负刚度无需传感器、控制器以及相应的控制算法，所以成本更低，鲁棒性更好。现有的被动型负刚度装置，主要通过预屈曲梁的突变特性，预应力弹簧，或者磁铁间的磁力实现，实现的负刚度力是非线性的。本发明的一种被动线性磁负刚度装置，通过磁体间的合理布置，可以实现线性的被动负刚度力。
发明内容
本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种被动线性磁负刚度装置。
本发明的一种被动线性磁负刚度装置作为一种被动负刚度装置，可以提供线性的负刚度力，其主要包括由永磁体或电磁体组成的静磁铁和动磁铁，负刚度传动轴，铁芯和静磁铁固定架。安装在静磁铁固定架上的永磁体或电磁体称为静磁铁；通过铁芯与负刚度传动轴连接在一起的永磁体或电磁体称为动磁铁；静磁铁的大小、强度，磁极布置在经过设计后，可以在静磁铁固定架内形成合适的磁场，从而对动磁铁施加线性负刚度力。负刚度传动轴可以将结构的响应传递给动磁铁，从而引起动磁铁与静磁铁相对位置的变化，产生线性负刚度力；线性负刚度力再通过负刚度传动轴传递给结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种被动线性磁负刚度装置，包括静磁铁固定架和铁芯，铁芯位于静磁铁固定架的内部，铁芯的顶面和底面设有纵向动磁铁，铁芯的侧面设有横向动磁铁，在静磁铁固定架内壁上、与纵向动磁铁相对应位置处设有纵向静磁铁，静磁铁固定架内壁上、与横向动磁铁相对应位置处设有横向静磁铁，且纵向静磁铁与纵向动磁铁异极相对，横向静磁铁与横向动磁铁同极相对，纵向动磁铁、横向动磁铁构成动磁铁组，纵向静磁铁和横向静磁铁构成静磁铁组；
还包括负刚度传动轴，负刚度传动轴穿过静磁铁固定架顶壁，向下伸入静磁铁固定架的内部，负刚度传动轴的底端通过纵向动磁铁与铁芯相连，可以将结构的响应传递到由纵向动磁铁、横向动磁铁和铁芯组成的结构上，引起位置的变化；使之受到的具有负刚度特性的磁力，此磁力也由负刚度传动轴传到结构中，从而保护结构不受过大的振动；
当铁芯上的动磁铁组的几何中心与静磁铁固定架上的静磁铁组的几何中心重合时，铁芯所受合力为零；当外部振动通过负刚度传动轴施加给铁芯，引起铁芯上的动磁铁组的几何中心偏离静磁铁固定架上的静磁铁组的几何中心时，铁芯会受到与偏移方向相同的磁合力，且磁合力大小与偏移量大小呈正比例关系，即为线性负刚度力。
优选，所述纵向静磁铁、横向静磁铁、纵向动磁铁、横向动磁铁为永磁体或电磁铁。
优选，所述负刚度传动轴由非铁磁材料制造。
优选，所述纵向静磁铁和/或横向静磁铁与静磁铁固定架接触的部分由非铁磁材料构成。
优选，所述静磁铁固定架外部设有防磁泄露金属。
进一步优选，所述静磁铁固定架外部的防磁泄露金属为双层铁皮结构，用于束缚磁铁的磁感线，使之不外泄。
本发明中涉及的同极相对磁铁组为横向静磁铁与横向动磁铁，横向静磁铁S极与横向动磁铁S极同极相对，当然也可以设计为横向静磁铁N极与横向动磁铁N极同极相对。横向动磁铁沿垂直于横向静磁铁连线的方向振动。当横向动磁铁的几何中心与静磁铁固定架内壁的横向静磁铁的几何中心重合时，所受磁力为零，此位置即为零力点。由于横向静磁铁和横向动磁铁同极相对，所以二者之间的力为斥力，当横向动磁铁偏移零力点时，偏移零力点的位移方向与横向动磁铁所受磁力的方向相同，即为负刚度。横向动磁铁与横向静磁铁之间的磁力会随着纵向动磁铁位移的增大而增大，而变化率(即为刚度)却会随着横向动磁铁位移的增大而减小，即为位移减弱型负刚度。
本发明中涉及的异极相对磁铁组为纵向静磁铁与纵向动磁铁，纵向静磁铁N极与纵向动磁铁S极异极相对，反之亦可。纵向动磁铁沿着纵向静磁铁连线的方向振动，由于纵向静磁铁和纵向动磁铁异极相对，所以二者之间的力为吸力，当纵向动磁铁对于静磁铁固定架内壁的纵向静磁铁处于中心对称位置时，纵向动磁铁所受磁力合力为零，此对称位置为零力点。当纵向动磁铁偏移零力点时，纵向动磁铁与靠近的纵向静磁铁之间的吸力会增大，而纵向动磁铁与远离的纵向静磁铁之间的吸力会变小，所以纵向动磁铁所受合磁力的方向与偏移零力点的位移方向相同，即为负刚度。而且纵向动磁铁与靠近的纵向静磁铁之间的吸力的增大量大于纵向动磁铁与远离的纵向静磁铁之间的吸力的减小量，所以纵向动磁铁与纵向静磁铁之间的磁力会随着纵向动磁铁位移的增大而增大，且变化率(即为刚度)也会随着纵向动磁铁位移的增大而增大，即为位移增强型负刚度。
本发明中纵向动磁铁与纵向静磁铁的刚度随着位移增强，横向动磁铁与横向静磁铁的刚度随着位移减弱。通过铁芯将纵向动磁铁和横向动磁铁连接在一起，即可将位移增强型刚度与位移减弱型刚度结合在一起，在全部磁铁大小、强度合理搭配的情况下，即可形成线性刚度。
本发明的一种被动线性磁负刚度装置与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明利用横向静磁铁与横向动磁铁的同极相斥所产生的位移减弱型负刚度特性，以及纵向静磁铁与纵向动磁铁异极相吸产生的位移增强型负刚度特性，通过铁芯将纵向动磁铁和横向动磁铁连接在一起，即可将位移增强型刚度与位移减弱型刚度结合在一起，静磁铁的大小、强度，磁极布置在经过设计后，可以在静磁铁固定架内形成合适的磁场，从而对动磁铁(横向动磁铁和纵向动磁铁)施加具有线性负刚度特性的力。负刚度传动轴可以将结构的响应传递给动磁铁，从而引起动磁铁与静磁铁(横向静磁铁和纵向静磁铁)相对位置的变化，产生线性负刚度的力；线性负刚度的力再通过负刚度传动轴传递给结构。
附图说明
附图1为本发明的主视剖面结构示意图。
图中101为纵向动磁铁，102为纵向静磁铁，103为横向动磁铁，104为横向静磁铁，105为铁芯，106为静磁铁固定架，107为负刚度传动轴。
附图2表示本发明的力与位移关系示意图。
图中，曲线120表示了纵向动磁铁101与纵向静磁铁102的力与位移关系；曲线110表示了横向动磁铁103与横向静磁铁104的力与位移关系；曲线130表示了曲线120和110合力的力与位移关系；
附图3表示本发明的刚度与位移关系示意图。
图中，曲线121表示了纵向动磁铁101与纵向静磁铁102的刚度与位移关系；曲线111表示了横向动磁铁103与横向静磁铁104的刚度与位移关系；曲线131表示了曲线120和110合力的刚度与位移关系；
附图4为图1本发明实施例一的A-A剖面示意图。
图中102为纵向静磁铁，106为静磁铁固定架，107为负刚度传动轴。
附图5为图1本发明实施例一的B-B剖面示意图。
图中103为横向动磁铁，104为横向静磁铁，105为铁芯，106为静磁铁固定架。
附图6为图1本发明实施例一的C-C剖面示意图。
图中101为纵向动磁铁，106为静磁铁固定架。
附图7为图1本发明实施例二的A-A剖面示意图。
图中102为纵向静磁铁，106为静磁铁固定架，107为负刚度传动轴。
附图8为图1本发明实施例二的B-B剖面示意图。
图中103为横向动磁铁，104为横向静磁铁，105为铁芯，106为静磁铁固定架。
附图9为图1本发明实施例二的C-C剖面示意图。
图中101为纵向动磁铁，106为静磁铁固定架。
附图10为图1本发明实施例三的A-A剖面示意图。
图中102为纵向静磁铁，106为静磁铁固定架，107为负刚度传动轴。
附图11为图1本发明实施例三的B-B剖面示意图。
图中103为横向动磁铁，104为横向静磁铁，105为铁芯，106为静磁铁固定架。
附图12为图1本发明实施例三的C-C剖面示意图。
图中101为纵向动磁铁，106为静磁铁固定架。
具体实施方式
下面结合附图1-12，对本发明的一种被动线性磁负刚度装置作以下详细说明。
如附图1所示，本发明的一种被动线性磁负刚度装置，其结构包括静磁铁固定架106和铁芯105，铁芯105位于静磁铁固定架106的内部，铁芯105的顶面和底面对称设有纵向动磁铁101，铁芯105的侧面对称设有横向动磁铁103，在静磁铁固定架106内壁上、与纵向动磁铁101相对应位置处设有纵向静磁铁102，静磁铁固定架106内壁上、与横向动磁铁103相对应位置处设有横向静磁铁104，且纵向静磁铁102与纵向动磁铁101异极相对，横向静磁铁104与横向动磁铁103同极相对。
本发明的一种被动线性磁负刚度装置，还包括负刚度传动轴107，负刚度传动轴107穿过静磁铁固定架106顶壁，向下伸入静磁铁固定架106的内部，负刚度传动轴107的底端通过纵向动磁铁101与铁芯105相连，可以将结构的响应传递到由纵向动磁铁101、横向动磁铁103和铁芯105组成的结构上，引起位置的变化；使之受到的具有负刚度特性的磁力，此磁力也由负刚度传动轴107传到结构中，从而保护结构不受过大的振动，纵向动磁铁101、横向动磁铁103构成动磁铁组，纵向静磁铁102和横向静磁铁104构成静磁铁组。
当铁芯105上的动磁铁组的几何中心与静磁铁固定架106上的静磁铁组的几何中心重合时，铁芯105所受合力为零；当外部振动通过负刚度传动轴107施加给铁芯105，引起铁芯105上的动磁铁组的几何中心偏离静磁铁固定架106上的静磁铁组的几何中心时，铁芯105会受到与偏移方向相同的磁合力，且磁合力大小与偏移量大小呈正比例关系，即为线性负刚度力。
本发明中涉及的异极相对磁铁组为纵向静磁铁102与纵向动磁铁101，纵向静磁铁102的N极与纵向动磁铁101的S极异极相对，反之亦可。
如附图1所示，纵向静磁铁102和纵向动磁铁101需同轴排列、左右对称。纵向静磁铁102需布置在两端，纵向动磁铁101需放置在纵向静磁铁102之间。纵向动磁铁101沿着纵向静磁铁102连线方向振动。当纵向动磁铁101对于两端的纵向静磁铁102处于中心对称位置时，纵向动磁铁101所受磁力合力为零，此对称位置为零力点。当纵向动磁铁101偏移零力点时，纵向动磁铁101与靠近的纵向静磁铁102之间的吸力会增大，而纵向动磁铁101与远离的纵向静磁铁102之间的吸力会变小，所以纵向动磁铁101所受合磁力的方向与偏移零力点的位移方向相同，即为负刚度。如图2中曲线120所示，纵向动磁铁101与靠近的纵向静磁铁102之间的吸力的增大量大于纵向动磁铁101与远离的纵向静磁铁102之间的吸力的减小量，所以纵向动磁铁101与纵向静磁铁102之间的磁力会随着纵向动磁铁101位移的增大而增大；如图3中曲线121所示，变化率(即为刚度)也会随着纵向动磁铁101位移的增大而增大，即为位移增强型负刚度。
本发明中涉及的同极相对磁铁组为横向静磁铁104与横向动磁铁103，横向静磁铁104的S极与横向动磁铁103的S极同极相对，当然也可以设计为横向静磁铁104的N极与横向动磁铁103的N极同极相对。
如附图1所示，横向动磁铁103布置在中央且左右对称，横向静磁铁104则左右对称地布置在横向动磁铁103两端。横向动磁铁103沿垂直于横向静磁铁104连线方向振动。当横向动磁铁103的几何中心与静磁铁固定架106内壁的横向静磁铁104的几何中心重合时，所受磁力为零，此位置即为零力点。由于横向静磁铁104和横向动磁铁103同极相对，所以二者之间的力为斥力，当横向动磁铁103偏移零力点时，偏移零力点的位移方向与横向动磁铁103所受磁力的方向相同，即为负刚度。如图2中曲线110所示，横向动磁铁103与横向静磁铁104之间的磁力会随着纵向动磁铁101位移的增大而增大；如图3中曲线111所示，变化率(即为刚度)却会随着横向动磁铁103位移的增大而减小，即为位移减弱型负刚度。
如图3中曲线121所示，纵向动磁铁101与纵向静磁铁102的刚度随着位移增强；如图3中曲线111所示，横向动磁铁103与横向静磁铁104的刚度随着位移减弱。通过铁芯105将纵向动磁铁101和横向动磁铁103连接在一起，即可将位移增强型刚度与位移减弱型刚度结合在一起，在全部磁铁大小、强度合理搭配的情况下，即可形成线性刚度，如图3中曲线131所示。
本发明中纵向动磁铁101与纵向静磁铁102的刚度随着位移增强，横向动磁铁103与横向静磁铁104的刚度随着位移减弱。通过铁芯105将纵向动磁铁101和横向动磁铁103连接在一起，即可将位移增强型刚度与位移减弱型刚度结合在一起，在全部磁铁大小、强度合理搭配的情况下，即可形成线性刚度。
在本发明的基础上，纵向动磁铁101与横向动磁铁103在通过铁芯105组合时需保证上下对称，也需左右对称，从而使零力点重合。
在本发明的基础上，纵向静磁铁102和横向静磁铁104固定在静磁铁固定架106上。纵向静磁铁102与横向静磁铁104固定在静磁铁固定架106上时需保证上下对称，也需左右对称，从而使零力点重合。
在本发明的基础上，纵向静磁铁102、横向静磁铁104、纵向动磁铁101、横向动磁铁103为永磁体或电磁铁。
在本发明的基础上，负刚度传动轴107由非铁磁材料制造，外部可由两层铁皮包括，束缚磁铁的磁感线，使之不外泄。
在本发明的基础上，，所述纵向静磁铁102和/或横向静磁铁104与静磁铁固定架106接触的部分由非铁磁材料构成。
在本发明的基础上，静磁铁固定架外部设有防磁泄露金属，用于束缚磁铁的磁感线，使之不外泄。
实施例一：
如附图4、5、6所示，本发明被动线性磁负刚度装置可为圆筒形，包括纵向动磁铁101，纵向静磁铁102，横向动磁铁103，横向静磁铁104，铁芯105，静磁铁固定架106和负刚度传动轴107。
其中，纵向动磁铁101、纵向静磁铁102轴向充磁；横向动磁铁103，横向静磁铁104径向充磁。
纵向动磁铁101、纵向静磁铁102、横向动磁铁103，横向静磁铁104可为永磁体。
纵向动磁铁101、纵向静磁铁102、横向动磁铁103，横向静磁铁104可为电磁铁。
铁芯105由铁磁材料制造。
静磁铁固定架106与静磁铁接触的部分由非铁磁材料构成，外部可由双层铁皮包覆，用于束缚磁铁的磁感线，使之不外泄。
负刚度传动轴107由非铁磁材料制造。
实施例二：
如图7，图8和图9所示，本发明被动线性磁负刚度装置可为长方体形，包括纵向动磁铁101，纵向静磁铁102，横向动磁铁103，横向静磁铁104，铁芯105，静磁铁固定架106和负刚度传动轴107。
其中，纵向动磁铁101和纵向静磁铁102竖向充磁；横向动磁铁103和横向静磁铁104横向充磁。
纵向动磁铁101、纵向静磁铁102、横向动磁铁103，横向静磁铁104可为永磁体。
纵向动磁铁101、纵向静磁铁102、横向动磁铁103，横向静磁铁104可为电磁铁。
铁芯105由铁磁材料制造。
静磁铁固定架106与静磁铁接触的部分由非铁磁材料构成，外部可由双层铁皮包覆，用于束缚磁铁的磁感线，使之不外泄。
负刚度传动轴107由非铁磁材料制造。
实施例三：
如图10，图11和图12所示，本发明被动线性磁负刚度装置可为板形，包括纵向动磁铁101，纵向静磁铁102，横向动磁铁103，横向静磁铁104，铁芯105，静磁铁固定架106和负刚度传动轴107。
其中，纵向动磁铁101和纵向静磁铁102竖向充磁；横向动磁铁103和横向静磁铁104横向充磁。
纵向动磁铁101、纵向静磁铁102、横向动磁铁103，横向静磁铁104可为永磁体。
纵向动磁铁101、纵向静磁铁102、横向动磁铁103，横向静磁铁104可为电磁铁。
铁芯105由铁磁材料制造。
静磁铁固定架106与静磁铁接触的部分由非铁磁材料构成，外部可由双层铁皮包覆，用于束缚磁铁的磁感线，使之不外泄。
负刚度传动轴107由非铁磁材料制造。

Claims (8)

1.一种被动线性磁负刚度装置，其特征在于，包括静磁铁固定架和铁芯，铁芯位于静磁铁固定架的内部，铁芯的顶面和底面设有纵向动磁铁，铁芯的侧面设有横向动磁铁，在静磁铁固定架内壁上、与纵向动磁铁相对应位置处设有纵向静磁铁，静磁铁固定架内壁上、与横向动磁铁相对应位置处设有横向静磁铁，且纵向静磁铁与纵向动磁铁异极相对，横向静磁铁与横向动磁铁同极相对，纵向动磁铁、横向动磁铁构成动磁铁组，纵向静磁铁和横向静磁铁构成静磁铁组；
还包括负刚度传动轴，负刚度传动轴穿过静磁铁固定架顶壁，向下伸入静磁铁固定架的内部位置处，负刚度传动轴的底端通过纵向动磁铁与铁芯相连；
当铁芯上的动磁铁组的几何中心与静磁铁固定架上的静磁铁组的几何中心重合时，铁芯所受合力为零；当外部振动通过负刚度传动轴施加给铁芯，引起铁芯上的动磁铁组的几何中心偏离静磁铁固定架上的静磁铁组的几何中心时，铁芯会受到与偏移方向相同的磁合力，且磁合力大小与偏移量大小呈正比例关系，即为线性负刚度力。
2.根据权利要求1所述的一种被动线性磁负刚度装置，其特征在于，所述纵向静磁铁、横向静磁铁、纵向动磁铁、横向动磁铁为永磁体或电磁铁。
3.根据权利要求1或2所述的一种被动线性磁负刚度装置，其特征在于，所述负刚度传动轴由非铁磁材料制造。
4.根据权利要求1或2所述的一种被动线性磁负刚度装置，其特征在于，所述纵向静磁铁和/或横向静磁铁与静磁铁固定架接触的部分由非铁磁材料构成。
5.根据权利要求1或2所述的一种被动线性磁负刚度装置，其特征在于，所述静磁铁固定架外部设有防磁泄露金属。
6.根据权利要求5所述的一种被动线性磁负刚度装置，其特征在于，所述静磁铁固定架外部的防磁泄露金属为双层铁皮结构。
7.根据权利要求1或2或6所述的一种被动线性磁负刚度装置，其特征在于，所述纵向静磁铁N极与纵向动磁铁S极异极相对，或纵向静磁铁S极与纵向动磁铁N极异极相对。
8.根据权利要求1或2或6所述的一种被动线性磁负刚度装置，其特征在于，所述横向静磁铁S极与横向动磁铁S极同极相对，或横向静磁铁N极与横向动磁铁N极同极相对。
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