CN107606018B - 一种沙漏型电磁隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沙漏型电磁隔振器，包括沙漏型框架、永磁铁部分、电磁铁部分、传感器和紧固件等部分；线圈骨架通过螺栓固定在框架上，不带铁芯；永磁铁安装在固定架上，永磁铁表面置有柔性导磁橡胶；电磁铁部分和永磁铁部分分布在沙漏型框架的中间部分，传感器分布在框架的上面板和下面板间；沙漏型框架通过铰制孔螺栓进行固定，该结构具有拉伸膨胀的反常效应和位移放大效应，从而表现出更多独特的力学和物理特性；本发明通过利用沙漏型结构特殊的力学性质和电磁主动控制反应速度快、易于控制的特点，具有同等电磁力下，所需的电流小，输出位移大，刚度可调，结构紧凑，可设计性强的特点。

Description

一种沙漏型电磁隔振器

技术领域

本发明属于振动控制技术领域，主要涉及一种电磁隔振器，具体地说是一种沙漏型电磁隔振器。

背景技术

在航天航空、精密仪器工程等领域，有害振动会直接影响设备的安全性和可靠性。例如，外部扰动造成仪表仪器的损坏，对机械部件位置精度的影响等。因此，采取适当的振动控制措施具有巨大的现实意义。隔振大致可分为：主动隔振、被动隔振和半主动隔振技术。其中，半主动隔振技术兼具被动隔振和主动隔振的优点。它在低频范围内具有比被动隔振系统更好的性能；与主动隔振系统相比，减少了能量和本身质量的要求，控制系统也相对简单。

结构的负泊松比特性是指，结构具有拉伸膨胀的反常效应，从而表现出更多独特的力学和物理特性，在减振方面已经有大量研究。主要具有抗冲击性强，断裂韧性高，抗损伤能力强等优点。如发明专利(公开号CN 102720785 A)公开了一种具有负泊松比特性的内空型金属橡胶隔振器，通过摩擦耗散振动能量，达到阻尼减振的效果。电磁隔振技术基于电磁感应原理，一般通过改变电流来改变隔振器的隔振性能。如发明专利(公开号CN103511529 A)公开了一种可调刚度的电磁隔振器，其原理是通过改变电流，调节永磁铁和电磁铁之间的作用力，从而达到结构刚度可调，适用于变化工况下获得更好的隔振频率，应用更加灵活。由于传统的电磁隔振器需要附加弹簧达到一定的支撑刚度，并且需要很大的电流提供电磁力，从而增加了结构复杂程度和设计成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于，通过利用沙漏型结构特殊的力学性能和电磁减振反应速度快、易于控制的特点，提供一种沙漏型电磁隔振器；所述隔振器具有同等电磁力下，所需的电流小，输出位移大，刚度可调，结构紧凑，可设计性强的特点，旨在用于机械/结构的微振动隔离。

本发明的目的是这样实现的：

一种沙漏型电磁隔振器，包括沙漏型框架1、电磁铁部分、永磁铁部分、传感器11和紧固件，沙漏型框架1通过第一紧固螺栓2和第二紧固螺栓8固定在振源和基础之间；电磁铁部分和永磁铁部分分布在沙漏型框架1内的中间部分，其中，永磁铁部分包括不导磁的安装架4，通过第三紧固螺栓7深入到沙漏型框架1内进行固定，永磁铁3由埋头螺钉5固定在安装架4上，永磁铁3表面设置有柔性导磁橡胶6；电磁铁部分包括线圈骨架9，通过第四紧固螺栓12固定在沙漏型框架1上，线圈10通过减少漏磁的三明治绕线法缠绕在线圈骨架9上，电磁铁部分和永磁铁部分之间留有气隙；传感器11分布在沙漏型框架1的上下面板间。

所述沙漏型框架1提供支撑刚度，通过调整夹角、框架厚度使刚度达到工况要求。

所述电磁铁部分不含铁芯，当有冲击扰动时，永磁铁3上的柔性导磁橡胶6防止永磁铁部分和电磁铁部分发生碰撞，产生破坏；永磁铁部分和电磁铁部分的中心线对齐，当沙漏型框架1上下面板受压时，永磁铁部分和电磁铁部分距离更接近，产生的电磁力更大。

所述第一紧固螺栓2、第二紧固螺栓8、第三紧固螺栓7、第四紧固螺栓12和沙漏型框架1均为非导磁的金属材料，线圈骨架9为树脂材料。

由沙漏型框架1上下面板间分布的传感器测得的面板中心点的信号，在信号处理中将上下面板的中心点视为观测点，得到观测点的相对位移和相对速度来判断沙漏型框架1的变形情况，通过控制器来进行调节，当沙漏型框架1受压时，提供正向的电流给电磁铁部分的线圈10，使得电磁铁部分和永磁铁部分之间表现为排斥力；当沙漏型框架1受拉时，提供反向的电流给电磁铁部分的线圈10，使得电磁铁部分和永磁铁部分之间表现为吸引力；上述控制器的调节过程通过多级Bang-Bang控制来实现；另外电磁铁部分在开断电的过程中，会存在电路暂态过程，为能够及时的产生电磁力，引入了一种成熟的电流环矫正技术来减小线圈时间常数，使控制更准确；电流环矫正技术是一种加入外部电路调节线圈时间常数的技术，它通过在直流电磁铁系统中加入比例-积分电流环矫正器的方法，使系统从0阶变为1阶，从而将电磁线圈时间常数降低，达到响应迅速，延迟小的良好特性。

所述控制器的调节基于电磁力随永磁铁部分和电磁铁部分之间的气隙和电流大小变化时的规律，当确定需要提供的电磁力后，由此得出电磁铁部分中的电流大小，此规律通过数值模拟得出，具体为：将永磁铁部分和电磁铁部分等效为只有侧面均匀分布面电流的导体，两个通电导体之间的作用力表示为：

其中dl和dl’均为沿电流方向长度的微分，I和I’分别是永磁铁部分和电磁铁部分等效面电流密度；

上式经过数值积分求出作用力的大小，分别改变电流的大小和气隙的大小，能够得出电磁力随永磁铁部分和电磁铁部分之间的气隙和电流大小变化时的规律，曲线拟合得到：

其中F表示电磁力的大小，i表示线圈中控制电流的大小，d表示电磁铁部分和永磁铁部分之间气隙的大小，a、b、c为与线圈形状、匝数和和永磁铁型号、剩磁有关的常数。

和现有技术相比较，本发明的优点在于：

1.由于沙漏型框架的机构性质，所述隔振器具有位移放大效应，当上下面板受压时，永磁铁和电磁铁之间的距离更接近，与传统电磁隔振器相比，获得同等电磁力下，所需的电流可以更小。

2.由于传统电磁隔振器需要附加的弹簧提供支撑刚度，而沙漏型框架本身可以提供支撑刚度，相比较，其结构简单，稳定性更好。

3.所述隔振器更适合安装于横向尺寸小的工况。

4.所述隔振器具有刚度可调，瞬态响应快，结构紧凑，体积小，集成度高，易于安装的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的控制电路框架图。

图3为电磁力随永磁铁和电磁铁之间气隙和电流大小变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，如图1-3所示，本发明通过提供一种沙漏型电磁隔振器，运用了新型的框架结构，并将永磁铁和电磁铁结合其中，利用他们之间的电磁力和框架结构特殊的力学性能来实现隔振功能，通过控制电磁铁电流的大小和方向来改变电磁铁的磁性和磁力大小，达到状态可调的目的。

图1为本发明的结构示意图，本发明一种沙漏型电磁隔振器，包括沙漏型框架1、电磁铁部分、永磁铁部分、传感器和紧固件等部分，沙漏型框架1通过第一紧固螺栓2和第二紧固螺栓8固定在振源和基础之间；电磁铁部分和永磁铁部分分布在沙漏型框架1内的中间部分，其中，永磁铁部分包括不导磁的安装架4，通过第三紧固螺栓7深入到沙漏型框架(1)内进行固定，永磁铁3由埋头螺钉5固定在安装架4上，永磁铁3表面设置有柔性导磁橡胶6；电磁铁部分包括线圈骨架9，通过第四紧固螺栓12固定在沙漏型框架1上，线圈10通过减少漏磁的三明治绕线法缠绕在线圈骨架9上，电磁铁部分和永磁铁部分之间留有气隙；传感器11分布在沙漏型框架1的上下面板间。

如图2所示，为本方面的控制电路图，包括传感器、A/D转换模块、控制器、功率转换模块、电流环矫正模块，它们依次相连，电流环矫正模块与直流电磁铁相连接。本发明的基本原理是，沙漏型框架本身作为一个支撑刚度，是可设计改变的；通过图3所示的电磁力的曲线关系设计控制律，当确定需要提供的电磁力后，可由此得出直流电磁铁中的电流大小，此规律可通过数值模拟得出；在工况变化时，由上下面板分布的传感器测得的上下面板中心点的信号，在信号处理中将上下面板的中心点视为观测点，得到观测点的相对位移和相对速度来判断沙漏型框架的变形情况，当沙漏型框架受压时，提供正向的电流，使得电磁铁和永磁铁之间表现为排斥力；当沙漏型框架受拉时，提供反向的电流，使得电磁铁和永磁铁之间表现为吸引力；上述过程可以通过多级Bang-Bang控制来实现，从而使隔振器刚度改变，达到隔振目的。

实施例

首先，将设计的一种沙漏型电磁隔振器，通过第一紧固螺栓和第二紧固螺栓固定在地基和设备之间；所述的沙漏型框架可提供支撑刚度，可通过调整夹角，框架厚度等尺寸设计使刚度达到工况要求。沙漏型框架设计完成之后，选定永磁铁型号和电磁铁参数，由数值模拟软件MATLAB得到拟合曲线中个参数的取值，在安装电磁铁部分和永磁铁时部分要确保中心线对齐。图3为当永磁铁参数为0.02m×0.02m×0.003m剩磁为B_r＝1.19T；电磁铁参数为0.02m×0.02m×0.03m，线圈厚度为t＝0.005，线圈匝数为200N；得到的拟合曲线为

系数为(95％区间)：a＝15.49(14.35,16.64)；b＝2.98e-06(2.962e-06,2.998e-06)；c＝0.03177(0.03173,0.03181)。

当振动产生时，沙漏型框架1上下面板分布的传感器11测得的信号，由数据处理得到上下面板中心点即观测点的相对位移和相对速度，从而判断沙漏型框架1的变形情况，当沙漏型框架1受压时，提供正向的电流，使得电磁铁部分和永磁铁部分之间表现为排斥力；当沙漏型框架1受拉时，提供反向的电流，使得电磁铁部分和永磁铁部分之间表现为吸引力；上述过程可以通过多级Bang-Bang控制来实现，其中需要提供的电磁力大小根据振幅的大小确定后，直流电磁铁中的电流由拟合曲线得出。

电磁铁部分在开断电的过程中，会存在电路暂态过程，为能够及时的产生电磁力，引入了电流环矫正技术来减小线圈时间常数，使控制更准确。

作为本发明的优选实施方式，所述的所有紧固螺栓和沙漏型框架均为非导磁的金属材料，线圈骨架为树脂材料。

作为本发明的优选实施方式，当有冲击扰动时，为防止电磁铁和永磁铁相互碰撞，在永磁铁表面布置有柔性导磁橡胶，防止结构发生破坏。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种沙漏型电磁隔振器，其特征在于：包括沙漏型框架(1)、电磁铁部分、永磁铁部分、传感器(11)和紧固件，沙漏型框架(1)通过第一紧固螺栓(2)和第二紧固螺栓(8)固定在振源和基础之间；电磁铁部分和永磁铁部分分布在沙漏型框架(1)内的中间部分，其中，永磁铁部分包括不导磁的安装架(4)，通过第三紧固螺栓(7)深入到沙漏型框架(1)内进行固定，永磁铁(3)由埋头螺钉(5)固定在安装架(4)上，永磁铁(3)表面设置有柔性导磁橡胶(6)；电磁铁部分包括线圈骨架(9)，通过第四紧固螺栓(12)固定在沙漏型框架(1)上，线圈(10)通过减少漏磁的三明治绕线法缠绕在线圈骨架(9)上，电磁铁部分和永磁铁部分之间留有气隙；传感器(11)分布在沙漏型框架(1)的上下面板间。

2.根据权利要求1所述的沙漏型电磁隔振器，其特征在于：所述沙漏型框架(1)提供支撑刚度，通过调整夹角、框架厚度使刚度达到工况要求。

3.根据权利要求1所述的沙漏型电磁隔振器，其特征在于：所述电磁铁部分不含铁芯，当有冲击扰动时，永磁铁上的柔性导磁橡胶(6)防止永磁铁部分和电磁铁部分发生碰撞，产生破坏；永磁铁部分和电磁铁部分的中心线对齐，当沙漏型框架(1)上下面板受压时，永磁铁部分和电磁铁部分距离更接近，产生的电磁力更大。

4.根据权利要求1所述的沙漏型电磁隔振器，其特征在于：所述第一紧固螺栓(2)、第二紧固螺栓(8)、第三紧固螺栓(7)、第四紧固螺栓(12)和沙漏型框架(1)均为非导磁的金属材料，线圈骨架(9)为树脂材料。

5.根据权利要求1所述的沙漏型电磁隔振器，其特征在于：由沙漏型框架(1)上下面板间分布的传感器测得的面板中心点的信号，在信号处理中将上下面板的中心点视为观测点，得到观测点的相对位移和相对速度来判断沙漏型框架(1)的变形情况，通过控制器来进行调节，当沙漏型框架(1)受压时，提供正向的电流给电磁铁部分的线圈(10)，使得电磁铁部分和永磁铁部分之间表现为排斥力；当沙漏型框架(1)受拉时，提供反向的电流给电磁铁部分的线圈(10)，使得电磁铁部分和永磁铁部分之间表现为吸引力；上述控制器的调节过程通过多级Bang-Bang控制来实现；另外电磁铁部分在开断电的过程中，会存在电路暂态过程，为能够及时的产生电磁力，引入了电流环矫正技术来减小线圈时间常数，使控制更准确；电流环矫正技术是一种加入外部电路调节线圈时间常数的技术，它通过在直流电磁铁系统中加入比例-积分电流环矫正器的方法，使系统从0阶变为1阶，从而将电磁线圈时间常数降低，达到响应迅速，延迟小的良好特性。

6.根据权利要求5所述的沙漏型电磁隔振器，其特征在于：所述控制器的调节基于电磁力随永磁铁部分和电磁铁部分之间的气隙和电流大小变化时的规律，当确定需要提供的电磁力后，由此得出电磁铁部分中的电流大小，此规律通过数值模拟得出，具体为：将永磁铁部分和电磁铁部分等效为只有侧面均匀分布面电流的导体，两个通电导体之间的作用力表示为：

其中dl和dl’均为沿电流方向长度的微分，I和I’分别是永磁铁部分和电磁铁部分等效面电流密度；

上式经过数值积分求出作用力的大小，分别改变电流的大小和气隙的大小，能够得出电磁力随永磁铁部分和电磁铁部分之间的气隙和电流大小变化时的规律，曲线拟合得到：

其中F表示电磁力的大小，i表示线圈中控制电流的大小，d表示电磁铁部分和永磁铁部分之间气隙的大小，a、b、c为与线圈形状、匝数和和永磁铁型号、剩磁有关的常数。