CN106151340A - 一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构，包括外框架、内框架，外框架的内壁上沿其周向设置有外框架凹槽，内框架的外壁上与外框架凹槽相对应的位置上分别设置有内框架凹槽，每个外框架凹槽里分别嵌入外永磁体，相邻外永磁体之间极性相斥，所有外永磁体构成外永磁体阵列，每个内框架凹槽里分别嵌入内永磁体，相邻内永磁体之间极性相斥，所有内永磁体构成内永磁铁阵列，内永磁体和外永磁体的磁极均沿着轴向布置。本发明中内永磁体与外永磁体高度不等，通过确定内外永磁体高度可满足的两个特定比值，可实现线性负刚度，内外永磁体阵列的磁极采用轴向布置方案，在同等尺寸参数及相同磁性材料条件下，其所产生的磁力更大，效率更高。

Description

一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构

技术领域

本发明涉及的是一种隔振装置，具体地说是负刚度机构。

背景技术

近些年，准零刚度隔振器因其优异的高静态刚度、低动态刚度特性得到了越来越多的关注，负刚度作为准零刚度技术的核心，其实现方式至关重要，现有较为典型的方法有：机械弹簧式、永磁体式、橡胶弹簧式以及电磁铁式([1]R.A.Ibrahim.“Recent advancesin nonlinear passive vibration isolators.”J.Sound Vib,2008)。然而，现有上述方案在实现负刚度的同时亦附加了一定程度的非线性刚度，且有时所附加的非线性刚度很强，这一点很多时候限制了准零刚度隔振器的实际应用。

公开号为CN 103256332 B的发明专利公开了一种用于精密减振领域的正负刚度并联减振器。该正负刚度并联减振器利用呈正对布置的内外磁铁矩阵来实现负刚度，同时给出了磁铁的极性布置要求。分析该发明可以发现：该发明在实现负刚度时并未尝试解决所附加的非线性刚度问题；该发明的磁铁在安装时极性沿着径向呈正对布置，该种布置方式会在一定程度上降低内外磁铁之间的磁力。

公开号为CN 104455181 B的发明专利给出了一种采用环形永磁铁产生负刚度的准零刚度隔振器，其用以实现负刚度的环形永磁铁由径向充磁的磁瓦拼接而成，在实现负刚度的同时降低了加工成本。该发明内永磁铁的高度较外永磁铁的高度较低，在一定程度上获得了非线性的削弱。然而，该发明对于永磁铁负刚度机构非线性削弱方法的研究并不全面，仅给出了其中一种形式且并未指出该形式如何实现线性刚度；此外该发明永磁铁的磁极依旧采用径向布置，会在一定程度上降低内外磁铁之间的磁力。

综上所述，非线性(尤其是强非线性)的存在一定程度上限制了准零刚度隔振器的实际应用。作为准零刚度技术的核心，设计一款具有线性特性的负刚度机构十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供能够在实现负刚度的同时避免引入非线性这一问题的一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构，其特征是：包括外框架、内框架，外框架的内壁上沿其周向设置有外框架凹槽，内框架的外壁上与每个外框架凹槽相对应的位置上分别设置有内框架凹槽，每个外框架凹槽里分别嵌入外永磁体，相邻外永磁体之间极性相斥，所有外永磁体构成外永磁体阵列，每个内框架凹槽里分别嵌入内永磁体，相邻内永磁体之间极性相斥，所有内永磁体构成内永磁铁阵列，内永磁体和外永磁体的磁极均沿着轴向布置。

本发明还可以包括：

1、内永磁体和外永磁体的轴向为其实际工作方向。

2、每对对应的内永磁体和外永磁体构成一组负刚度单元，每组负刚度单元的内永磁体和外永磁体的磁极沿着轴向相斥布置。

3、内永磁体和外永磁体均为长方体结构，每对对应的内永磁体和外永磁体之间留有间距，每对对应的内永磁体和外永磁体之间高度不等。

4、每对对应的内永磁体和外永磁体之间高度的比值为0.75或1.25。

本发明的优势在于：

1、本发明中内永磁体与外永磁体高度不等，通过确定内外永磁体高度可满足的两个特定比值，可实现线性负刚度，这是现有永磁体式负刚度机构所未能实现的。

2、不同于现有发明中永磁体磁极沿着径向布置，本发明中内外永磁体阵列的磁极采用轴向布置方案，在同等尺寸参数及相同磁性材料条件下，其所产生的磁力更大，效率更高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的立体局部示意图；

图3a为本发明内永磁体和外永磁体布置示意图a，图3b为本发明内永磁体和外永磁体布置示意图b，图3c为传统内永磁体和外永磁体布置示意图；

图4相同仿真条件下内外永磁体阵列不同磁极布置方式的力-位移曲线图；

图5a为本发明负刚度机构不同内外永磁体高度比下的力-位移曲线图a，图5b为本发明负刚度机构不同内外永磁体高度比下的力-位移曲线图b。

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，本发明一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构，主要包括内框架1、内永磁体阵列2、外永磁体阵列3、外框架4，内永磁体阵列2安装于内框架1的凹槽之内，相邻永磁体之间呈极性相斥布置；外永磁体阵列3安装于外框架4的凹槽之内，相邻永磁体之间呈极性相斥布置；内外永磁体皆为长方体结构，其磁极沿着轴向相斥布置，两者之间留有一定间距。内外永磁体阵列中相对的两个永磁体构成一组负刚度单元，在本实施例中共设计有12组负刚度单元，均布于内外框架的四边之上，具体数量可根据实际需求予以调整。内永磁体与外永磁体的材料为钕铁硼，磁极沿着轴向相斥布置。内框架1与外框架4的材料为不导磁的304不锈钢。

图3为本发明中永磁体布置与传统设计中永磁体布置的对比示意图。其中，(a)、(b)代表本发明所提出的用以实现线性负刚度特性可供选择的两种布置方案，(c)代表传统设计中永磁体的布置方案，每幅图左侧代表内永磁体，右侧代表外永磁体。从图中可以看出：本发明中内外永磁体阵列的磁极均沿着轴向布置，而非传统设计中的径向布置，且本发明中内外永磁体阵列的高度并不相等，而是满足某一特定比值，该比值数量有2个。需要说明的是，轴向表示负刚度机构实际应用时工作方向，在图3中为竖直方向，径向与之相垂直。

图4为相同仿真条件下内外永磁体阵列不同磁极布置方式的力-位移曲线图。为说明本发明相比于传统设计在磁力上的优势，针对图1、图2中所给出的模型，采用MAXWELL16.0电磁仿真软件进行磁力的仿真计算。由图可知，本发明线性负刚度机构所采用的轴向布置在磁力方面优于传统设计中的径向布置。需要说明的是，当仅考虑单个负刚度单元时，轴向布置所产生的磁力要略弱于径向布置；然而，当负刚度单元数目增多且各负刚度单元间距较小时，轴向布置所产生的磁力要大于径向布置，且各负刚度单元间距越小时，差值越明显。

本发明线性负刚度机构，其内外永磁体阵列的磁极均采用轴向同向布置方案，且内外永磁体阵列的高度满足某一特定比值，采用该种设计可消除磁负刚度机构的非线性特性，以实现线性的负刚度机构。详细设计原理及特定比值确定方法陈述如下：

基于永磁体阵列的线性负刚度机构发生轴向错位时的磁力为：

F_m＝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))与内永磁体阵列高度(H_in)和内永磁体阵列高度(H_out)的比值(γ＝H_in/H_out)有关。

在[0.5,1]比值范围内存在某一临界值γ_c，使得sgn(β)满足：

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

在[1,1.5]比值范围内存在某一临界值γ_c′，使得sgn(β)满足：

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

可以看出，在γ＝γ_c或者γ＝γ_c′的情况下，磁力与轴向位移之间为线性变化关系，可满足线性负刚度机构的设计需要。考虑到结构的复杂性，γ_c、γ_c′的确定可借助于商业化有限元磁场计算软件来实现，例如MAXWELL、COMSOL、ANSYS等等。

图5为本发明负刚度机构不同内外永磁体高度比下的力-位移曲线图。其中，(a)、(b)分别代表[0.5,1]、[1,1.5]两高度比区间内负刚度机构的力-位移曲线图。由图可以看出，在[0.5,1]、[1,1.5]内均存在某一特定内外永磁体高度比值，使得此时的负刚度机构仅具有线性特性。在充分的仿真计算基础上，可确定γ_c＝0.75、γ_c′＝1.25，从而可知当内外永磁体阵列刚度满足0.75或者1.25时，可实现线性负刚度特性。

Claims (7)

1.一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构，其特征是：包括外框架、内框架，外框架的内壁上沿其周向设置有外框架凹槽，内框架的外壁上与每个外框架凹槽相对应的位置上分别设置有内框架凹槽，每个外框架凹槽里分别嵌入外永磁体，相邻外永磁体之间极性相斥，所有外永磁体构成外永磁体阵列，每个内框架凹槽里分别嵌入内永磁体，相邻内永磁体之间极性相斥，所有内永磁体构成内永磁铁阵列，内永磁体和外永磁体的磁极均沿着轴向布置。

2.根据权利要求1所述的一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构，其特征是：内永磁体和外永磁体的轴向为其实际工作方向。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构，其特征是：每对对应的内永磁体和外永磁体构成一组负刚度单元，每组负刚度单元的内永磁体和外永磁体的磁极沿着轴向相斥布置。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构，其特征是：内永磁体和外永磁体均为长方体结构，每对对应的内永磁体和外永磁体之间留有间距，每对对应的内永磁体和外永磁体之间高度不等。

5.根据权利要求3所述的一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构，其特征是：内永磁体和外永磁体均为长方体结构，每对对应的内永磁体和外永磁体之间留有间距，每对对应的内永磁体和外永磁体之间高度不等。

6.根据权利要求4所述的一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构，其特征是：每对对应的内永磁体和外永磁体之间高度的比值为0.75或1.25。

7.根据权利要求5所述的一种基于永磁体阵列的线性负刚度机构，其特征是：每对对应的内永磁体和外永磁体之间高度的比值为0.75或1.25。