CN105909713A - 一种高线性度电磁式半主动吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高线性度电磁式半主动吸振器，包括导磁外筒、安装在导磁外筒两端的上端盖和下端盖、设置在导磁外筒内的衔铁、中心轴，导磁外筒的内表面、衔铁的外表面均设置有齿圈，衔铁的上端与上端盖之间设置有第一弹簧，衔铁的下端与下端盖之间设置有第二弹簧，中心轴从上到下依次穿过上端盖、衔铁后通过内六角螺栓与下端盖固定连接，中心轴与衔铁之间设置有直线轴承，所述衔铁的中间位置设置有凹槽，凹槽中缠绕有线圈，线圈的导线穿过衔铁上设置的引线孔后、绕过中心轴、沿着下端盖上设置的导线槽伸出至下端盖外部。本发明具有极高的线性度，高线性度电磁刚度的实现使得本发明所实现的线性区域更宽，故而吸振器衔铁允许行程亦随之加大。

Description

一种高线性度电磁式半主动吸振器

技术领域

本发明涉及一种吸振器，尤其涉及一种高线性度电磁式半主动吸振器，属于振动控制领域。

背景技术

电磁式半主动吸振器是一种在一定范围内频率可调的半主动吸振器，其基本原理是通过调节励磁电流，改变吸振器的电磁弹簧刚度，从而达到改变吸振器固有频率使其跟踪被控频率的目的。相比于其它类型半主动隔振器，其具有机构紧凑、安装方便、调谐迅速等优点([1]冯肖肖.电磁式半主动吸振器设计及实验研究[D].哈尔滨工程大学，2013)。然而，电磁式半主动隔振器所产生的电磁刚度仅在静平衡位置两侧的很小一段范围内为线性特性，当动子偏离平衡位置稍大时，会产生很强的非线性，这一点使其实际应用受到很大的局限。

申请公布号为CN 102364156 A以及授权公告号为CN 102410336 B的中国专利分别提供了一种封闭结构线圈内置式半主动吸振器以及一种封闭结构线圈外置式半主动吸振器。这两种电磁式半主动吸振器的磁齿结构以及原理相同，在励磁线圈通电时，外壳体、衔铁、气隙构成的封闭磁路中形成磁场，衔铁与外壳体的临近位置皆加工有相同齿宽、齿距以及齿数的齿形结构，在衔铁与外壳体发生相对运动时，轴向便产生了试图使相对位移消除的电磁力。然而，这两种电磁式半主动吸振器仅在平衡位置附近很小的一段范围内具有较好的线性度，在相对偏置稍大时，其非线性刚度会更加明显。非线性的存在不但会使吸振器的动力学特性更为复杂，而且亦使得半主动控制更加困难，大大影响了电磁式半主动吸振器的实际应用。

授权公告号为CN 103573908 B的中国专利提供了一种半主动/全主动一体化式电磁吸振器，其突出之处在于：当励磁线圈通以直流，激励线圈断开，定子与动子之间发生相对竖向位移时，气隙中磁感线发生扭曲，产生反方向的磁拉力，形成电磁刚度，该电磁刚度可通过调节通入励磁线圈电流大小调节，实现半主动吸振；当励磁线圈通以直流电流，激励线圈通有控制电流时，实现主动吸振。然而，其磁拉力产生时所带来的附加非线性刚度问题依旧未予解决。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种高线性度电磁式半主动吸振器。

本发明的目的是这样实现的：包括导磁外筒、安装在导磁外筒两端的上端盖和下端盖、设置在导磁外筒内的衔铁、中心轴，导磁外筒的内表面、衔铁的外表面均设置有齿圈，衔铁的上端与上端盖之间设置有第一弹簧，衔铁的下端与下端盖之间设置有第二弹簧，中心轴从上到下依次穿过上端盖、衔铁后通过内六角螺栓与下端盖固定连接，中心轴与衔铁之间设置有直线轴承，所述衔铁的中间位置设置有凹槽，凹槽中缠绕有线圈，线圈的端部穿过衔铁上设置的引线孔后、绕过中心轴、沿着下端盖上设置的导线槽伸出至下端盖外部。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述导磁外筒内表面的齿圈的齿宽大于衔铁外表面的齿圈的齿宽。

2.所述第二弹簧有四个，对称设置在衔铁的下端与下端盖之间。

3.所述上端盖上还设置有限制衔铁运动的限位螺栓。

4.所述下端盖外部设置有护线板，线圈的端部穿过护线板后伸至外部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、不同于传统的等齿宽结构，本发明中衔铁齿圈的齿宽与导磁外筒齿圈的齿宽并不相等，而是满足某一特定比例关系，此种设计使得所实现的电磁刚度具有极高的线性度，这是现有电磁式吸振器所不能做到的；2、相比于传统电磁式吸振器，在同等条件下，高线性度电磁刚度的实现使得本发明所实现的线性区域更宽，故而吸振器衔铁允许行程亦随之加大。3、在对导线的处理上，本发明电磁式半主动吸振器采取环绕中心轴的方式布置，如此一来，相比于传统引出方式，线圈受往复运动而导致断裂的可能性被大大降低。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的下端盖的结构示意图；

图3(a)是本发明的磁齿结构示意图，图3(b)是传统的磁齿结构示意图；

图4是吸振器在不同齿宽比下的力-位移曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一：结合图1～2，本发明电磁式半主动吸振器主要包括上端盖13、导磁外筒14、衔铁05、中心轴07、下端盖03等部分。导磁外筒14分别通过内六角螺栓09、内六角螺栓17与上端盖13、下端盖03相连接，组成本发明吸振器的外壳体。作为吸振质量，衔铁05分别通过第一机械弹簧11以及第二机械弹簧04与上端盖13以及下端盖03相连接，衔铁与弹簧连接部位皆设计有安装槽或者定位盘16。中心轴07从上到下先后穿过上端盖13、衔铁05，最后通过内六角螺栓20与下端盖固定，用以保证衔铁在工作时始终沿着轴向运动。为降低摩擦力，衔铁05与中心轴07之间安装有直线轴承06与定位套08，直线轴承的数量可根据实际应用情况进行调整。衔铁下部加工有引线孔21，用以引出中部环形槽缠绕的线圈。下端盖上加工有引线槽，与导磁外筒底部的开孔相配合，引出线圈的导线。所述衔铁与导磁外筒之间存在很小的气隙，上端盖上加工有制动孔。

本发明电磁式半主动吸振器属于线圈内置式范畴，衔铁中部加工有环形槽，线圈安装于环形槽内，具体的说是线圈15缠绕于衔铁05凹槽之内，线圈15的导线通过衔铁05上的引线孔21向下引出。衔铁上下部位加工有环形齿圈，同时导磁外筒亦加工有与衔铁齿圈相对应的环形齿圈，两者之间留有一定气隙。为降低衔铁往复运动所造成的线圈损伤，线圈导线在吸振器内部螺旋缠绕于中心轴07之上并通过压线板18与盘头十字螺钉19对位置加以固定。

实施例二：基于实施案例一：本发明的衔铁齿圈的齿宽与导磁外筒的齿宽并不相等，而是满足某一特定比例关系，此为本发明高线性度实现的关键所在。

图3(a)与图3(b)为本发明磁齿结构与传统磁齿结构的对比图，其中图3(a)与图3(b)分别代表本发明所提出的不等宽磁齿结构以及传统的等宽磁齿结构。从图中可以看出：本发明中，导磁外筒14齿圈齿宽与衔铁05齿圈齿宽并不相等，而是前者大于后者且满足某一特定比例关系。此为本发明高线性度实现的关键所在，也是现有相似类型电磁式吸振器发明所不具备的。本发明高线性度实现原理详细介绍如下：

本发明电磁式吸振器衔铁05相对于导磁外筒14轴向移动时所产生的电磁恢复力为：

F_em＝αx+βx³

式中，x为相对位移量，α、β代表x不同次幂项的系数。研究发现，β的符号(sgn(β))与导磁外筒14齿圈的齿宽(WS)和衔铁05齿圈的齿宽(W_A)的比值γ(γ＝WS/W_A)有关，存在某一临界值γ_c，使得sgn(β)满足：

$\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\&beta;}\right)=\left\{\begin{array}{c}-1,\mathrm{\&gamma;}<{\mathrm{\&gamma;}}_c\\ 0,\mathrm{\&gamma;}={\mathrm{\&gamma;}}_c\\ 1,\mathrm{\&gamma;}>{\mathrm{\&gamma;}}_c\end{array}\right.$

可以看出，在γ＝γ_c的情况下，电磁恢复力与相对位移量之间为线性变化关系，可满足高线性度电磁式半主动吸振器的设计需要。

图4给出了本发明的电磁式半主动吸振器在不同γ值下的电磁恢复力-位移曲线。由于本发明结构的复杂性，很难建立精确的解析解表达式，为说明本发明的合理性，故此使用商业化软件进行有限元仿真验证。本发明中采用具有强大计算能力以及高度精确数值仿真解的COMSOL Multiphysics 5.1作为验证软件，图4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高线性度电磁恢复力实现方法加以验证。等齿宽情况下，γ＝1.000，α>0、β<0，此时可获得渐软刚度曲线；在γ增大到1.363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γ_c＝1.363，最后可完成电磁式半主动吸振器具体尺寸的确定。需要说明的是，1.363只是针对于本方案的一个临界值，其值根据不同的设计情况可能存在些许浮动，但该高线性度实现方法皆适用。

实施例三：基于上述实施例，本发明还可以是：衔铁与下端盖之间安装有第二机械弹簧，且第二机械弹簧的数量为4。

实施例四：基于上述实施例，本发明还可以是：上端盖13上设计有限位螺栓10以及限位开口垫片12，用以限制衔铁运动，防止吸振器在运输或某些特殊情况下由于碰撞或跌落而造成内部结构损坏。

实施例五：基于上述实施例，本发明还可以是：所述下端盖外部设置有护线板，线圈的导线穿过护线板后伸至外部。也即护线板01通过十字盘头螺钉02与下端盖03连接，用以引出并保护导线。

Claims (9)

1.一种高线性度电磁式半主动吸振器，其特征在于：包括导磁外筒、安装在导磁外筒两端的上端盖和下端盖、设置在导磁外筒内的衔铁、中心轴，导磁外筒的内表面、衔铁的外表面均设置有齿圈，衔铁的上端与上端盖之间设置有第一弹簧，衔铁的下端与下端盖之间设置有第二弹簧，中心轴从上到下依次穿过上端盖、衔铁后通过内六角螺栓与下端盖固定连接，中心轴与衔铁之间设置有直线轴承，所述衔铁的中间位置设置有凹槽，凹槽中缠绕有线圈，线圈的导线穿过衔铁上设置的引线孔后、绕过中心轴、沿着下端盖上设置的导线槽伸出至下端盖外部。

2.根据权利要求1所述的一种高线性度电磁式半主动吸振器，其特征在于：所述导磁外筒内表面的齿圈的齿宽大于衔铁外表面的齿圈的齿宽。

3.根据权利要求1或2所述的一种高线性度电磁式半主动吸振器，其特征在于：所述第二弹簧有四个，对称设置在衔铁的下端与下端盖之间。

4.根据权利要求1或2所述的一种高线性度电磁式半主动吸振器，其特征在于：所述上端盖上还设置有限制衔铁运动的限位螺栓。

5.根据权利要求3所述的一种高线性度电磁式半主动吸振器，其特征在于：所述上端盖上还设置有限制衔铁运动的限位螺栓。

6.根据权利要求1或2所述的一种高线性度电磁式半主动吸振器，其特征在于：所述下端盖外部设置有护线板，线圈的导线穿过护线板后伸至外部。

7.根据权利要求3所述的一种高线性度电磁式半主动吸振器，其特征在于：所述下端盖外部设置有护线板，线圈的导线穿过护线板后伸至外部。

8.根据权利要求4所述的一种高线性度电磁式半主动吸振器，其特征在于：所述下端盖外部设置有护线板，线圈的导线穿过护线板后伸至外部。

9.根据权利要求5所述的一种高线性度电磁式半主动吸振器，其特征在于：所述下端盖外部设置有护线板，线圈的导线穿过护线板后伸至外部。