CN108054896B - 一种三自由度电磁吸振俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超精密减振领域，并具体公开了一种三自由度电磁吸振俘能器，包括共振装置、张力装置和俘能装置，其中，所述共振装置包括壳体以及设于壳体内部的共振单元和第一永磁体，所述壳体的内表面布置有与所述俘能装置相连的导电线圈，所述共振单元共设有两组，分设于第一永磁体的两侧，每组共振单元均包括第二永磁体和两根柔性连接件，两根柔性连接件的一端与第二永磁体相连，另一端穿过壳体与所述张力装置相连，所述第一永磁体通过第二柔性连接件与两组共振单元中的第二永磁体相连。本发明可实现三个自由度的吸振俘能，具有对微小振动响应快、俘能效率高和固有频率可调节的优点。

Description

一种三自由度电磁吸振俘能器
技术领域
本发明属于超精密减振领域，更具体地，涉及一种三自由度电磁吸振俘能器。
背景技术
机械振动对机械设备的性能有重要影响，故需要隔离机械设备中振动的传递，消除振动。通常可通过主动控制法以及被动隔振法进行振动消除，主动控制法是指通过施加和振动信号反相位的振动来达到振动消除的目的，此种方式存在控制结构和控制算法复杂，需要额外输入能量，控制稳定性差的问题。被动隔振法是通过结构的阻尼和反共振特性抑制振动的传递，主要应用于隔绝振动的传递，被动隔振中的动力吸振器利用共振系统吸收物体的振动能量以减小物体振动的设备，不需要额外的能力输入，且可通压电、静电或电磁感应的换能机制将机械能转化为电能为微电子设备供电，是近年来研究的热点。
通常机械振动系统存在数个甚至是时变的振动频率，且振动也存在于多个方向。由于吸振器的固有频率需要在激振频率附近才能引起共振达到最佳的吸振俘能效果，这就要求吸振器具有多个固有频率，且具有调节固有频率的功能以实现复杂振动环境下的高效吸振俘能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三自由度电磁吸振俘能器，其通过对关键组件如共振装置的结构以及其与其他组件之间的具体装配关系进行研究和设计，相应的可实现三个自由度的吸振俘能，具有对微小振动响应快、俘能效率高和固有频率可调节的优点。
为实现上述目的，本发明提出了一种三自由度电磁吸振俘能器，包括共振装置、张力装置和俘能装置，其中，所述共振装置包括壳体以及设于壳体内部的共振单元和第一永磁体，所述壳体的内表面布置有与所述俘能装置相连的导电线圈，所述共振单元共设有两组，分设于第一永磁体的两侧，每组共振单元均包括第二永磁体和两根第一柔性连接件，两根第一柔性连接件的一端与第二永磁体相连，另一端穿过壳体与所述张力装置相连，所述第一永磁体通过第二柔性连接件与两组共振单元中的第二永磁体相连。
作为进一步优选的，所述第二永磁体安装在磁体安装座内，两组共振单元中的四根第一柔性连接件的长度相等且等高平行布置。
作为进一步优选的，所述第一永磁体为环形永磁体，且沿轴向磁化，该环形永磁体内嵌套有直线轴承，所述第二柔性连接件从直线轴承穿过，两端分别穿过两个磁体安装座后与张紧力装置相连。
作为进一步优选的，作为进一步优选的，所述第二永磁体为环形永磁体，沿轴向磁化，其与第一永磁体对面同极性布置。
作为进一步优选的，所述导电线圈沿永磁体的振动方向成对布置，该导电线圈的线圈匝数可调。
作为进一步优选的，所述壳体为正方体结构，正方体结构的六个内表面上均安装有导电线圈，每个导电线圈的两端均连接有俘能装置，其中，壳体上下左右内表面上的四个导电线圈分布在垂直于第一永磁体轴线的中间切面上，且左右两导电线圈关于第一永磁体的中心对称布置，上下两导电线圈关于第一永磁体的中心对称布置，壳体前后内表面上的两个导电线圈的中心连线和第二永磁体9的轴线重合。
作为进一步优选的，所述张力装置包括螺柱和螺母，该螺柱的一端打孔用于固定第一柔性连接件或第二柔性连接件，另一端由螺母固定，通过螺母调节螺柱的伸缩。
作为进一步优选的，所述第一柔性连接件和第二柔性连接件为钢丝绳或细长杆件。
作为进一步优选的，所述俘能装置包括依次整流电路、DC-DC升压电路及储能元件，所述整流电路与导电线圈相连，所述DC-DC升压电路的电路等效电阻可调。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明的俘能器通过在张紧的柔性连接件中间连接三个永磁体，在外界激励干扰下，永磁体发生多个方向的振动，相近的导电线圈内磁通量发生变化从而产生感应电流，然后经俘能装置收集或消散，具有对微小振动响应灵敏、宽带俘能、俘能效率高、共振频率可调节的优点。
2.本发明的俘能器可根据使用环境激励特点，通过调节柔性连接件的张紧力和永磁体磁密度以及永磁体之间距离来调节系统固有频率，且具有多个离散的固有频率点。
3.本发明的俘能器可同时吸收三个自由度方向的振动，通过三个永磁体的排布引入了中间永磁体振动的非线性刚度和负刚度，从而提高三个自由度方向上的俘能带宽，并且DC-DC升压电路等效电阻可调，可优化调节阻值大小，实现最优吸振俘能效果。
4.本发明俘能器中的张紧状态的柔性连接件在复杂边界条件下具有复杂的内共振特性，有助于提高共振发生的频率范围，且垂直于柔性连接件轴线方向刚度特别小，微小的边界激励也可引起振动，可有限实现较宽频率范围内的吸振俘能。
附图说明
图1是本发明实施例的提供的一种三自由度电磁吸振俘能器的结构示意图；
图2是图1的C-C剖视图；
图3是第一永磁体和第二永磁体的布置示意图；
图4是导电线圈的布置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例提供的一种三自由度电磁吸振俘能器的结构示意图，如图1所示，该三自由度电磁吸振俘能器包括共振装置、张力装置5和俘能装置7，其中，共振装置包括壳体1以及设于壳体内部的共振单元和第一永磁体4，共振单元共设有两组，分设于第一永磁体的两侧，每组共振单元均包括第二永磁体9和两根第一柔性连接件2，两根第一柔性连接件的一端与第二永磁体的两端相连，另一端穿过壳体与张力装置相连，第一永磁体4通过第二柔性连接件3与两组共振单元中的第二永磁体9相连；壳体1的内表面布置有导电线圈6，该导电线圈6的两端与俘能装置7相连。
具体的，第二永磁体安装在磁体安装座8内，两组共振单元中的四根第一柔性连接件2的长度相等并且等高平行布置，即四根第一柔性连接件位于同一平面，且第一永磁体两侧的第一柔性连接件对称布置，且位于第一永磁体同侧(例如前侧或后侧)的两根第一柔性连接件的一端与磁体安装座固连，两根第一柔性连接件的另一端穿过壳体与设于壳体外部的张力装置5相连，如此通过对称布置第一柔性连接件，使得永磁体在振动过程中受力均匀，有利于使永磁体在平衡位置附近振动。
具体的，第一永磁体4为环形磁体，沿轴向磁化，环形磁体的轴线方向为壳体的前后方向，环内嵌套直线轴承10，第二柔性连接件3从直线轴承10环内通过，两端分别穿过两个磁体安装座后与张紧力装置相连，通过设置直线轴承可降低第二柔性连接件3和第一永磁体4之间的摩擦，提高第一永磁体4移动的速度，从而提高俘能效率。
进一步的，两组共振单元内的两个第二永磁体的规格型号相同，第二永磁体为环形永磁体，沿轴向磁化，轴线方向为壳体的前后方向，且与第一永磁体4对面同极性布置。如图3所示，第一永磁体的左侧为S极，右侧为N极，则位于左侧的第二永磁体面向第一永磁体一侧的磁极为S，位于右侧的第二永磁体面向第一永磁体一侧的磁极为N，以提供第一永磁体4如图2所示的Y向(Y向为壳体前后方向)的非线性动刚度，非线性刚度的引入有助于提高Y向的俘能带宽，同时由于柔性连接件在垂直于其轴线方向刚度非常小，幅值较小的振动均可使永磁体和线圈之间产生相对运动，线圈内磁通量发生变化从而产生电流。另，第一永磁体4在一对第二永磁体9的斥力作用下，在X方向和Z方向具有负刚度特性，有助于提高X向和Z向(Z向为壳体高度方向，X向为壳体左右方向)的俘能带宽。在安装时调整两个第二永磁体9的轴心重合，以保持第一永磁体4的受力对称均匀。
本发明的由第一柔性连接件、第二柔性连接件和永磁体组成的结构，在柔性连接件的小变形范围内，三个自由度方向的刚度均非常小。如图1所示，第一永磁体4可实现X、Y和Z三个方向的运动，第二永磁体9可实现Y和Z两个方向的运动，第一永磁体4和第二永磁体9相对于外壳的运动都可以引起相关导电线圈内部磁通量的变化从而产生感应电压。第一永磁体4相对于壳体的X向运动主要由第二柔性连接件3实现，第一永磁体4相对于壳体的Y向运动主要第一永磁体4相对于磁体安装座8的Y向运动决定，第一永磁体4和磁体安装座8之间相当于非线性弹簧连接，第一永磁体4相对于壳体的Z向运动由第一柔性连接件2和第二柔性连接件3共同实现；第二永磁体9相对于壳体的Y向和Z向运动主要由第一柔性连接件2实现，第二永磁体9相对于壳体的Z向主要由第一柔性连接件2实现。使用时三自由度电磁吸振俘能器固接于需要降低振动的结构，俘能器受迫振动为共振装置施加边界激励，共振装置中的永磁体发生受迫振动，各导电线圈磁通量发生变化产生电流，电流输出至俘能装置。
具体的，通过调节第一柔性连接件上的张力装置可调节第一柔性连接件的张紧力，从而调节第二永磁体9在Z向的固有频率，通过调节第二柔性连接件上的张力装置可调节第二柔性连接件的张紧力，从而调节第一永磁体4在X向和Z向的固有频率，张紧力越大，频率越高。由于第一永磁体4和第二永磁体9之间的刚度与两者之间的距离以及磁体的磁场分布有很大关系，因此可通过调节第二柔性连接件上的张力装置来调节第一第二永磁体之间的距离或者改变磁体磁性来改变第一永磁体4在Y向的振动固有频率，具体根据被俘能结构的主振频率成分来调整俘能器的固有频率使其与被俘能结构发生共振。
进一步的，第一柔性连接件2和第二柔性连接件3优选为直径为0.5mm的钢丝绳或细长杆件。进一步的，张力装置包括螺柱和螺母，该螺柱的一端打孔用于固定柔性连接件，另一端壳体由螺母固定，通过螺母调节螺柱的伸缩。
更为具体的，俘能装置包括依次相连的整流电路、DC-DC升压电路及储能元件，其中，导电线圈的两端与整流电路相连，由于电磁效应产生的电磁阻尼力f为：
式中，B为磁场强度，l为线圈总长度，VL为线圈的感应电动势，RL为DC-DC升压电路的电路等效电阻；其中，DC-DC升压电路的电路等效电阻可调，通过调节电路等效电阻可调节永磁体受到的电磁阻尼力，使共振速度和幅值最大，实现最优吸振俘能效果。
其中，感应电动势VL与磁通量的变化率成反比：
式中，为穿过线圈的磁通量，B为磁场强度，S为导电线圈通过磁感线的有效面积，t为时间。
更进一步的，导电线圈6沿永磁体的振动方向成对布置，该导电线圈的线圈匝数可调。导电线圈布置方案如图4所示，壳体为正方体结构，第一永磁体4共有三个振动方向，分别为X、Y和Z向，第二永磁体9共有两个振动方向，分别为Y和Z向，设置三对共六个导电线圈，六个导电线圈安装在正方体结构的六个内表面上，每个导电线圈的两端均与俘能装置7相连。其中，在壳体上下左右内表面布置的四个导电线圈，分布在垂直于第一永磁体轴线的中间切面(即与第一永磁体轴线垂直的且通过第一永磁体中心的面)上，且左右两导电线圈关于第一永磁体的中心对称布置，上下两导电线圈关于第一永磁体的中心对称布置。当第一永磁体4沿X、Y和Z方向运动的时候，四个导电线圈的磁场强度B和有效面积S都会变化，从而产生较大感应电动势，且单个方向的振动即可产生多个感应电动势，从而提高俘能效率。在壳体前后内表面布置的另外一对导电线圈的中心连线和第二永磁体9的轴线重合，当第一永磁体4和第二永磁体9沿Y向运动以及第二永磁体9沿Z向运动时，该对线圈产生感应电动势。
使用时，本发明的三自由度电磁吸振俘能器安装于需要吸振的结构中，并且第一柔性连接件和第二柔性连接件均处于张紧状态，当电磁吸振俘能器受迫发生振动时，由于第一永磁体4和第二永磁体9的惯性作用以及柔性连接件较小的刚度和较小的结构阻尼，第一第二永磁体相对于导电线圈发生相对运动，导电线圈内部产生感应电流，由于导电线圈和俘能装置连接，导电线圈内的电流被俘能装置俘获，具体的电流经整流电路整流、DC-DC升压电路升压至储能元件，该储能元件将电能转化为化学能存储能量，当然导电线圈也可直接与适当阻值的电阻连接将振动能量转化为内能耗散掉。实际使用中，通过调节导电线圈的匝数和电路等效电阻值，可以改变电路输出电压大小，同时改变永磁体振动过程中所受阻尼力大小，得到最优吸振俘能状态。
总之，本发明俘能器通过在张紧的柔性连接件中间连接永磁体，外界激励干扰下，永磁体发生三个方向的振动，相近的线圈内磁通量发生变化从而产生感应电流，经能量耗散装置转化为内能消散或者被能量收集装置(即俘能装置)收集。本发明的俘能器可根据环境激励特点，通过调节柔性连接件的张紧力和永磁体磁密度以及线圈匝数，达到共振状态，具有对微小振动响应灵敏、俘能效率高和共振频率可调节的优点，且可同时吸收三个自由度方向的振动。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三自由度电磁吸振俘能器，其特征在于，包括共振装置、张力装置和俘能装置，其中，所述共振装置包括壳体以及设于壳体内部的共振单元和第一永磁体，所述壳体的内表面布置有与所述俘能装置相连的导电线圈，所述共振单元共设有两组，分设于第一永磁体的两侧，每组共振单元均包括第二永磁体和两根第一柔性连接件，两根第一柔性连接件的一端与第二永磁体相连，另一端穿过壳体与所述张力装置相连，所述第一永磁体通过第二柔性连接件与两组共振单元中的第二永磁体相连。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度电磁吸振俘能器，其特征在于，所述第二永磁体安装在磁体安装座内，两组共振单元中的四根第一柔性连接件的长度相等且等高平行布置。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度电磁吸振俘能器，其特征在于，所述第一永磁体为环形永磁体，且沿轴向磁化，该环形永磁体内嵌套有直线轴承，所述第二柔性连接件从直线轴承穿过，两端分别穿过两个磁体安装座后与张力装置相连。
4.根据权利要求1所述的一种三自由度电磁吸振俘能器，其特征在于，所述第二永磁体为环形永磁体，沿轴向磁化，其与第一永磁体对面同极性布置。
5.根据权利要求1所述的一种三自由度电磁吸振俘能器，其特征在于，所述导电线圈沿永磁体的振动方向成对布置，该导电线圈的线圈匝数可调。
6.根据权利要求5所述的一种三自由度电磁吸振俘能器，其特征在于，所述壳体为正方体结构，正方体结构的六个内表面上均安装有导电线圈，每个导电线圈的两端均连接有俘能装置，其中，壳体上下左右内表面上的四个导电线圈分布在垂直于第一永磁体轴线的中间切面上，且左右两导电线圈关于第一永磁体的中心对称布置，上下两导电线圈关于第一永磁体的中心对称布置，壳体前后内表面上的两个导电线圈的中心连线和第二永磁体的轴线重合。
7.根据权利要求1所述的一种三自由度电磁吸振俘能器，其特征在于，所述张力装置包括螺柱和螺母，该螺柱的一端打孔用于固定第一柔性连接件或第二柔性连接件，另一端由螺母固定，通过螺母调节螺柱的伸缩。
8.根据权利要求1所述的一种三自由度电磁吸振俘能器，其特征在于，所述第一柔性连接件和第二柔性连接件为钢丝绳或细长杆件。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种三自由度电磁吸振俘能器，其特征在于，所述俘能装置包括依次相连的整流电路、DC-DC升压电路及储能元件，所述整流电路与导电线圈相连，所述DC-DC升压电路的电路等效电阻可调。
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