CN108155773A - 一种自调谐两自由度电磁吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明属于超精密减振领域，并具体公开了一种自调谐两自由度电磁吸振器，包括壳体、共振装置、固有频率调节装置和耗能装置，共振装置包括永磁体和磁铁，永磁体通过柔性连接件设于壳体内部，柔性连接件一端与壳体左侧相连，另一端穿过壳体右侧与张紧装置相连，磁铁设置有两块，两块磁铁分设于永磁体左右两侧，并安装在壳体内部的左右表面上，左侧磁铁的磁极与永磁体左侧磁极相同，右侧磁铁的磁极与永磁体右侧磁极相同；固有频率调节装置用于夹持柔性连接件并调节柔性连接件参与振动的长度，壳体的内表面布置有两端与耗能装置相连的导电线圈。本发明可同时吸收两个自由度方向的振动，具有对微小振动响应快、吸振效率高和固有频率可实时调节的优点。

Description

一种自调谐两自由度电磁吸振器

技术领域

本发明属于超精密减振领域，更具体地，涉及一种自调谐两自由度电磁吸振器。

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。

传统调谐吸振装置是在悬臂梁非固定端放置水箱，通过调节水箱里面的水量来调节质量从而改变装置的固有频率，也有设置弹簧质量系统，通过改变振动方向上的刚度来改变固有频率。上述这些方法虽然可以达到改变固有频率的效果，但装置复杂且调整周期过长，对时变激励的响应不及时，且装置质量和刚度均不易改变，固有频率调节范围小，对于复杂振动环境吸振效果难以保证，且大部分装置只能保证单自由度上的吸振效果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自调谐两自由度电磁吸振器，其通过对关键组件如共振装置和固有频率调节装置的结构及其具体设置方式进行研究和设计，可实现同时吸收两个自由度方向的振动，并可根据激振频率实时调整吸振器的固有频率，具有对微小振动响应快、吸振效率高和固有频率可实时调节的优点，可在一定频率带宽内实现较好的吸振效果。

为实现上述目的，本发明提出了一种自调谐两自由度电磁吸振器，其包括壳体、共振装置、固有频率调节装置和耗能装置，其中：

所述共振装置包括永磁体和磁铁，该永磁体通过柔性连接件设于壳体的内部，该柔性连接件的一端与壳体的左侧相连，另一端穿过壳体的右侧并与张紧装置相连，所述磁铁设置有两块，两块磁铁分设于永磁体的左右两侧，并分别安装在壳体内部的左右表面上，其中左侧磁铁的磁极与永磁体左侧的磁极相同，右侧磁铁的磁极与永磁体右侧的磁极相同；

所述固有频率调节装置用于夹持柔性连接件，并调节柔性连接件参与振动的长度，所述壳体的内表面布置有导电线圈，该导电线圈的两端与耗能装置相连。

作为进一步优选的，所述固有频率调节装置包括传动单元和调节单元，所述传动单元包括双向滚珠丝杠和用于驱动该双向滚珠丝杠转动的电机，所述调节单元设置有两组，其分设在双向滚珠丝杠的两端，并与双向滚珠丝杠螺纹配合，通过电机的驱动实现两组调节单元沿相反方向运动，每组调节单元均包括移动支座和支撑梁，该移动支座与双向滚珠丝杠螺纹配合，该支撑梁的上端与移动支座相连，下端设置有一对用于夹持柔性连接件的滚轮。

作为进一步优选的，所述固有频率调节装置中还设置有与电机相连的测控单元，该测控单元包括加速度传感器和DSP芯片，所述加速度传感器用于采集待吸振目标的振动信号，所述DSP芯片用于对加速度传感器采集到的待吸振目标的振动信号实时进行处理得到待吸振目标的主振频率，并根据该主振频率实时调整吸振器的固有频率。

作为进一步优选的，根据主振频率实时调整吸振器的固有频率具体为：根据待吸振目标的主振频率实时调整步进电机的转动角度，以带动双向滚珠丝杠转动，进而带动两个移动支座朝相反方向运动，从而带动支撑梁移动以改变柔性连接件参与振动的长度，进而改变吸振器的固有频率使其与待吸振目标的主振频率一致。

作为进一步优选的，壳体左右两侧之间还设置有穿过两移动支座的光杆。

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，且垂直于永磁体的极化方向，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，永磁体设于正方体结构的中心位置，该正方体结构内部的上下前后四个表面设置有所述导电线圈，每一导电线圈的两端均与一耗能装置相连。

作为进一步优选的，所述耗能装置由多个阻值可调的电阻组成。

作为进一步优选的，所述柔性连接件为细钢丝绳或柔性杆件。

作为进一步优选的，所述张紧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，另一端穿过壳体由螺母固定，通过螺母调节螺柱的伸缩。

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.本发明的电磁吸振器通过在柔性连接件中间连接永磁体，外界激励干扰下，永磁体在垂直于柔性连接件轴线两个方向产生振动，相近的线圈内磁通量发生变化从而产生感应电流，经耗能装置转化为内能消散，具有对微小振动响应快、吸振效率高和装置固有频率可实时调节的优点。

2.本发明的电磁吸振器可实时测得环境的激振频率，并根据激振频率实时调整电磁吸振器的固有频率，以达到最佳共振状态，可在较宽的激振频率范围内达到共振。

3.本发明的电磁吸振器通过在永磁体的一端设置磁极与该端对应的一磁铁，另一端设置与该端磁极对应的另一磁铁，可在垂直于柔性连接件轴线方向的平面内产生非线性负刚度，从而增加吸振器共振频率范围，提高吸振俘能的带宽。

4.本发明的电磁吸振器在垂直于柔性连接件轴线方向的平面内产生负刚度，对微小幅值的激励反应灵敏，响应速度值大，且感应线圈内阻较小，输出电流大，吸振俘能效率高。

附图说明

图1为本发明实施例的一种自调谐两自由度电磁吸振器的主视图；

图2为本发明实施例的一种自调谐两自由度电磁吸振器的俯视图；

图3为本发明实施例的线圈布置示意图；

图4为本发明实施例的固有频率调节装置的示意图；

图5为本发明实施例的磁体布置示意图。

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。

如图1-2所示，本发明实施例提供的一种自调谐两自由度电磁吸振器，包括壳体1、共振装置、固有频率调节装置和耗能装置，其中，壳体作为载体用于安装共振装置、固有频率调节装置和耗能装置，壳体的内表面布置有导电线圈2，该导电线圈2的两端与耗能装置相连，所述共振装置用于实现吸振器与待吸振结构的共振，固有频率调节装置用于调节柔性连接件参与振动的长度，进而调节吸振器的固有频率，而耗能装置用于将振动产生的感应电流转化为内能予以消散。通过上述各个装置的相互配合，可实现同时吸收两个自由度方向的振动，并可根据激振频率实时调整吸振器的固有频率，具有对微小振动响应快、吸振效率高和固有频率可实时调节的优点。

下面对各个装置进行更为详细的说明。

如图1所示，共振装置包括永磁体3和磁铁5，该永磁体3通过柔性连接件4设于壳体1的内部，具体是永磁体穿过柔性连接件，并由柔性连接件与壳体相连，具体的如图1所示，该柔性连接件4的一端与壳体1的左侧相连，另一端穿过壳体的右侧并与张紧装置9相连，通过调节张紧装置调节柔性连接件的张力，张紧状态的柔性连接件具有复杂的内共振特性，且垂直于其轴线方向刚度小，微小的边界激励也可引起振动。所述壳体内柔性连接件的两端处布置所述磁铁，柔性连接件中间布置的永磁体的磁极和壳体上磁铁对应面的磁极相同，即磁铁5设置有两块，两块磁铁5分设于永磁体的左右两侧，并分别安装在壳体内部的左右表面上，其中位于左侧的磁铁的磁极与永磁体左侧的磁极相同，位于右侧磁铁的磁极与永磁体右侧的磁极相同，磁铁5与永磁体3同极性相对布置。

如图5所示，永磁体的左侧为S极，右侧为N极，则位于左侧的磁铁面向永磁体一侧的磁极为S，位于右侧的磁铁面向永磁体一侧的磁极为N，以此产生永磁体在柔性连接件垂直面内运动的负刚度，磁铁可以为永磁铁，也可以为电磁铁，通过调整磁铁密度或者磁铁间距离来控制非线性强度，达到较好的吸振效果。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。

如图1-4所示，固有频率调节装置用于夹持柔性连接件，并调节柔性连接件参与振动的长度，该固有频率调节装置包括传动单元和调节单元，其中，传动单元包括双向滚珠丝杠12和用于驱动该双向滚珠丝杠转动的电机11，调节单元设置有两组，其分设在双向滚珠丝杠的两端，并与双向滚珠丝杠螺纹配合，两组调节单元具体对称布置在双向滚珠丝杠的两端，每组调节单元均包括移动支座13和支撑梁14，该移动支座13与双向滚珠丝杠螺纹配合，其与支撑梁14相连，该支撑梁14的下端设置有一对用于夹持柔性连接件的滚轮，即柔性连接件在两只滚轮中间通过，也即柔性连接件被限制在两滚轮中间。使用时通过电机带动双向滚珠丝杠旋转，进而带动其两端的移动支座、支撑梁以及支撑梁上的滚轮向相反方向对称运动，从而改变参与振动的柔性连接件的长度，进而改变系统固有频率。

优选的，固有频率调节装置中还设置有与电机相连的测控单元8，测控单元8安装于壳体侧面，其通过导线6和电机连接，该测控单元8由加速度传感器和DSP芯片组成，加速度传感器用于采集待吸振目标的振动信号，DSP芯片用于对加速度传感器所采集到的待吸振目标的振动信号实时进行快速FFT变换得到吸振目标的主振频率f，并根据该主振频率实时调整吸振器的固有频率。

具体的，首先，建立吸振器固有频率f＇与柔性连接件参与振动的长度L(即柔索位于两对滚轮之间的长度)的关系式：

其中，T为柔性连接件张紧力，ρ(x)为柔性连接件线密度；

然后，建立吸振器固有频率f＇和滚珠丝杠转动角度(也即电机转动角度)之间的关系式：

其中，L₀为柔性连接件参与振动的初始长度，i为滚珠丝杠与电机的传动比i，s为滚珠丝杠的导程，ΔL为柔性连接件参与振动的长度变化值；

上述关系式(1)和(2)存储在DSP芯片中，DSP芯片根据加速度传感器采集到的待吸振目标的振动信号实时得到吸振目标的主振频率f，然后使得本发明吸振器的固有频率f＇等于该主振频率f，以根据式(2)计算出电机的转动角度，根据该转动角度实时调整步进电机带动滚珠丝杠转动，以使两个移动支座朝相反方向运动，从而带动支撑梁移动，进而改变柔性连接件参与振动的长度以改变吸振器的固有频率，使其与吸振目标的主振频率一致，其中可根据式(1)实时计算出吸振器的固有频率。

进一步的，壳体左右两侧之间设置有光杆15，该光杆15穿过两移动支座，用于起支撑导向作用，所述电机具体为舵机，输入信号为绝对转角信号，根据输入的角度信号实现正反转调节柔性连接件的长度，该电机通过支架10安装于外壳1的外部，并且其通过传送带结构将其动力传递给双向滚珠丝杠。优选的，柔性连接件为柔性连接件(软索)或柔性杆件。进一步的，张紧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，另一端穿过装置壳体由螺母固定，通过螺母调节螺柱的伸缩。

具体的，导电线圈2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，实际使用时通过调节导电线圈匝数，可以改变永磁体振动过程中所受阻尼力大小，进而得到最优吸振状态。如图1、2所示，壳体1为正方体结构，永磁体设于正方体结构的中心位置，永磁体共有两个振动方向，分别为z向和y向(z向为壳体的高度方向，y向为壳体的前后方向)，故需设置两对共四个导电线圈，四个导电线圈安装在正方体结构的上下前后四个内表面上，每个导电线圈的两端均与一耗能装置相连。

如图3所示，上下内表面的导电线圈组成一对，沿z向布置，且垂直于永磁体的极化方向，使永磁体的磁感线垂直穿过导电线圈，最大程度上吸收振动的能量。同理的，前后内表面的导电线圈组成一对，沿y向布置，且垂直于永磁体的极化方向，使永磁体的磁感线垂直穿过导电线圈，最大程度上吸收振动的能量。

更为具体的，耗能装置7由多个阻值可调的电阻组成，其安装于壳体底部的侧面，并与导电线圈相连，导电线圈中的电流经适当阻值的电阻后将振动能量转化为内能。通过调节耗能装置的电阻值可调节永磁体受到的洛伦磁力，使共振速度和幅值最大，实现最优吸振效果。

使用时，将本发明的自调谐两自由度电磁吸振器通过主基板固接于需要吸振的平台或结构(即待吸振目标)上，主基板受迫振动，为电磁吸振器中的共振装置施加边界激励，永磁体发生受迫振动，各线圈磁通量发生变化产生电流，并输出至耗能装置进行能量消散，固有频率调节装置中的测控单元实时测得需要吸振的平台或结构的主振动频率，然后控制固有频率调节装置中的电机运转，以调整吸振器的固有频率，使其与待吸振目标的主振动频率一致，进而实现吸振器固有频率和待吸振结构频率的同步调节，以实现本发明电磁吸振器与待吸振结构的共振。

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 (10)

1.一种自调谐两自由度电磁吸振器，其特征在于，包括壳体(1)、共振装置、固有频率调节装置和耗能装置，其中：

所述共振装置包括永磁体(3)和磁铁(5)，该永磁体(3)通过柔性连接件(4)设于壳体(1)的内部，该柔性连接件(4)的一端与壳体(1)的左侧相连，另一端穿过壳体的右侧并与张紧装置相连，所述磁铁(5)设置有两块，两块磁铁(5)分设于永磁体的左右两侧，并分别安装在壳体内部的左右表面上，其中左侧磁铁的磁极与永磁体左侧的磁极相同，右侧磁铁的磁极与永磁体右侧的磁极相同；

所述固有频率调节装置用于夹持柔性连接件，并调节柔性连接件参与振动的长度，所述壳体(1)的内表面布置有导电线圈(2)，该导电线圈(2)的两端与耗能装置相连。

2.如权利要求1所述的自调谐两自由度电磁吸振器，其特征在于，所述固有频率调节装置包括传动单元和调节单元，所述传动单元包括双向滚珠丝杠(12)和用于驱动该双向滚珠丝杠转动的电机(11)，所述调节单元设置有两组，其分设在双向滚珠丝杠的两端，并与双向滚珠丝杠螺纹配合，通过电机的驱动实现两组调节单元沿相反方向运动，每组调节单元均包括移动支座(13)和支撑梁(14)，该移动支座(13)与双向滚珠丝杠螺纹配合，该支撑梁(14)的上端与移动支座相连，下端设置有一对用于夹持柔性连接件的滚轮。

3.如权利要求2所述的自调谐两自由度电磁吸振器，其特征在于，所述固有频率调节装置中还设置有与电机相连的测控单元(8)，该测控单元包括加速度传感器和DSP芯片，所述加速度传感器用于采集待吸振目标的振动信号，所述DSP芯片用于对加速度传感器采集到的待吸振目标的振动信号实时进行处理得到待吸振目标的主振频率，并根据该主振频率实时调整吸振器的固有频率。

4.如权利要求3所述的自调谐两自由度电磁吸振器，其特征在于，根据主振频率实时调整吸振器的固有频率具体为：根据待吸振目标的主振频率实时调整步进电机的转动角度，以带动双向滚珠丝杠转动，进而带动两个移动支座朝相反方向运动，从而带动支撑梁移动以改变柔性连接件参与振动的长度，进而改变吸振器的固有频率使其与待吸振目标的主振频率一致。

5.如权利要求2所述的自调谐两自由度电磁吸振器，其特征在于，壳体左右两侧之间还设置有穿过两移动支座的光杆(15)。

6.如权利要求1所述的自调谐两自由度电磁吸振器，其特征在于，所述导电线圈沿永磁体的振动方向成对布置，且垂直于永磁体的极化方向，该导电线圈的线圈匝数可调。

7.如权利要求6所述的自调谐两自由度电磁吸振器，其特征在于，所述壳体为正方体结构，永磁体设于正方体结构的中心位置，该正方体结构内部的上下前后四个表面设置有所述导电线圈，每一导电线圈的两端均与一耗能装置相连。

8.如权利要求1-7任一项所述的自调谐两自由度电磁吸振器，其特征在于，所述耗能装置由多个阻值可调的电阻组成。

9.根据权利要求1所述的自调谐两自由度电磁吸振器，其特征在于，所述柔性连接件为细钢丝绳或柔性杆件。

10.根据权利要求1-9任一项所述的自调谐两自由度电磁吸振器，其特征在于，所述张紧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，另一端穿过壳体由螺母固定，通过螺母调节螺柱的伸缩。