CN108547896B - 一种电磁弹簧智能减振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁弹簧智能减振器，包括减振器本体和减振器控制单元；减振器本体包括圆筒，圆筒内部活动连接有贯穿所述圆筒上下端的连杆，所述连杆上固定有移动永磁铁，移动永磁铁随着所述连杆移动而在所述圆筒内上下移动；圆筒内顶端固定有第一固定永磁铁，圆筒内底端固定有第二固定永磁铁；所述圆筒筒壁上缠绕有线圈；所述减振器控制单元包括感知模块、控制模块和执行模块。本发明的电磁弹簧的减振器具有结构简单、体积小、成本低、安装方便等特点，另外该装置还具备自主调节自身频率以适应多种工况的智能减振功能，可以在较宽的频带上达到最优的技术指标功能，且适应能力强，在不改变结构的条件下，可以对不同方向的振动进行减振控制。

Description

一种电磁弹簧智能减振器

技术领域

本发明涉及一种减振器，具体涉及一种电磁弹簧智能减振器。

背景技术

振动控制一直是工程中的热点话题，人们尝试过多种办法消除或减弱工程中的干扰振动。从人们意识到振动问题到现在，减振方式经历了数次革命性升级。按照是否有外界能源输入可以将振动控制分为被动式、半主动式、主动式和混合式四大类，其中被动式控制是最早出现的控制方法，可以追溯到1902年Frahm发明并成功应用于大型邮轮上的吸振器。随着科技进步和人们生活需求的提高，参数可调式减振器成为大多数学者研究的焦点。参数可调一般是指刚度可调、质量可调及阻尼可调三种形式。刚度可调包括悬臂梁结构、摆杆式结构、电磁式结构，如李化设计了基于电磁驱动的悬臂梁式吸振器，通过改变梁的有效长度方法改变吸振器的固有频率；赵国迁提出了倒立式单摆动力吸振器，通过改变单摆的有效长度方法改变吸振器的固有频率；孙志卓设计了基于电磁力的电磁式动力吸振器。质量调节有改变液体的体积、增加质量块等方法。阻尼调节有很多是新型材料应用，如磁流变材料、电流变材料、记忆合金、压电材料等，典型的有孙洪鑫进行了磁流变式调谐液柱阻尼器振动控制理论与试验研究；李斌等人设计了电涡流耗能动力吸振器并进行了试验研究。国外学者也对减振机构进行了大量的研究，Bonello等用压电材料使悬臂梁变形，设计出了一种智能机减振装置；Davis提出了一种依靠陶瓷压电元件改变减振器刚度的固态压电减振器；Williams等应用镍钛记忆合金材料设计了一种靠温度智能调节的智能减振器；Facey等设计了一种可控阻尼力的新型磁流变体减振器；Liu等提出了通过在线调整电磁体的电流来改变刚度的智能减振装置。

目前提出的减振器结构有很多种，但都存在一定的弊端，比如改变刚度的方法大多数采用步进电机带动丝杠作为作动器，丝杠在振动中会有磨损，造成精度下降，且具有一定的延迟性；而电磁式动力吸振器结构过于复杂，难以控制；通过改变液体的体积改变质量的方法结构复杂，有很多辅助装置，安装不便；智能材料制作的减振器成本高，价格昂贵，不适于推广。除此之外，在目前所查到的文献中，并没有减振器具备自主调节自身固有频率适应当前工况的智能减振功能，而这样的减振器适应多种场合，通过自我调整参数达到最好减振效果，在性能和经济性上都具有较大的优势。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种电磁弹簧智能减振器，该智能减振器结构简单，减振效果好，具备在较宽的频率区间均有最优的减振性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种电磁弹簧智能减振器,包括减振器本体和减振器控制单元；

所述减振器本体包括圆筒，圆筒内部活动连接有贯穿所述圆筒上下端的连杆，所述连杆上固定有移动永磁铁，所述移动永磁铁随着所述连杆移动而在所述圆筒内上下移动；所述圆筒内顶端固定有第一固定永磁铁，所述圆筒内底端固定有第二固定永磁铁，所述第一固定永磁铁和所述第二固定永磁铁的磁极方向相同，所述第一固定永磁铁和所述第二固定永磁铁的磁极方向均与所述移动永磁铁的磁极方向相反；所述圆筒筒壁上缠绕有线圈，所述线圈的缠绕位置与所述移动永磁铁在所述圆筒内的移动范围相对应；

所述减振器控制单元包括感知模块、控制模块和执行模块，所述感知模块与所述连杆连接，所述感知模块用于时刻采集被测物体的振动加速度的值，并将获取的信息传递给所述控制模块；所述控制模块用于接收所述感知模块的信息，并对信息进行处理，然后将控制相应输出电流的信息传给所述执行模块；所述执行模块用于接收控制模块传入的电流信息。所述第一固定永磁铁、第二固定永磁铁和所述移动永磁铁均为钕铁棚永磁铁，所述第一固定永磁铁、第二固定永磁铁和所述移动永磁铁的直径为30mm，厚度为4mm，所述第一固定永磁铁和所述第二固定永磁铁之间的磁间距为10-30mm。

所述圆筒筒壁与所述移动永磁铁之间的间距为1-2mm。

所述感知模块为JY901九轴加速度器。

所述控制模块为AVRATMEGA328单片机。

所述执行模块为Z6005S直流稳压电源模块。

本发明的电磁弹簧的减振器具有结构简单、体积小、减振效果好、成本底、安装方便等特点，除此之外，该装置还具备智能减振功能，具备在较宽的频率区间均有最优的减振性能，且适应能力强，在不改变结构的条件下，可以对不同方向的振动进行减振控制。

附图说明

图1是本发明电磁弹簧智能减振器的结构示意图；

图2是本发明电磁弹簧智能减振器的主刚度仿真分析结果图；

图3是不同磁间距的电磁弹簧智能减振器刚度拟合对比图；

图4是电磁弹簧智能减振器的实验测试结果图；

图5是控制模块电流扫描流程图；

图6是测振平台结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种电磁弹簧智能减振器，包括减振器本体71和减振器控制单元；

如图1所示，所述减振器本体71包括圆筒2，圆筒2内部活动连接有贯穿所述圆筒2上下端的连杆6，所述连杆6上固定有移动永磁铁3，所述移动永磁铁3随着所述连杆6移动而在所述圆筒2内上下移动；所述圆筒2内顶端固定有第一固定永磁铁1，所述圆筒2内底端固定有第二固定永磁铁5，所述第一固定永磁铁1和所述第二固定永磁铁5的磁极方向相同，所述第一固定永磁铁1和所述第二固定永磁铁5的磁极方向均与所述移动永磁铁3的磁极方向相反，即所述第一固定永磁铁1、第二固定永磁铁5对移动永磁铁3的作用力都是斥力，图1中N、S代表永磁体的磁极；所述圆筒2筒壁上缠绕有线圈4，所述线圈4的缠绕位置与所述移动永磁铁3在所述圆筒2内的移动范围相对应，减振过程中，线圈4中通入直流电流。

所述第一固定永磁铁1、所述第二固定永磁铁5和所述移动永磁铁3设置在同一条线上，共同组成电磁弹簧。

电磁弹簧的刚度由主刚度(k)和附加刚度(k₁)组成，主刚度由固定永磁铁与移动永磁铁3之间的斥力产生，通过改变固定永磁铁之间的磁间距大小可以改变主刚度的大小；附加刚度由通电线圈产生的磁场对移动永磁铁3的作用力而产生，附加刚度的大小由线圈中电流大小决定，附加刚度的正负由电流的方向决定。

由图1所示的永磁体的排列方式，可以知道固定永磁铁对移动永磁铁3的作用力都是斥力，在不考虑移动永磁铁3的重力情况下，当移动永磁铁3处在正中间的位置时，上下固定永磁铁给移动永磁铁3的作用力分别为F₁、F₂，则有：F＝F₁+F₂＝0

当移动永磁铁3离开平衡位置后，则有：

其中α为多项式系数，Z为永磁铁移动的距离，m为多项式最高次幂。为了确定这些参数，对移动永磁铁3在磁间距中振动过程中受到的力通过Maxwell软件进行仿真，永磁铁选用具有强磁性的钕铁硼材料，直径30mm，厚度为4mm，固定永磁铁磁间距为60mm，仿真结果如图2所示。对数据进行不同次方拟合得：

y＝-1.9969x+63.959

y＝-0.0031x³+0.2984x²-10.114x+120.36

y＝-0.000004x⁵+0.0007x⁴-0.0455x³+1.4169x²-22.849x+167.89

由图2和拟合数据可知，对离散数据进行五次方拟合的结果已经很精确了，拟合决定系数R²为0.9986，三次方拟合结果也可令人满意，拟合决定系数R²为0.9016，由离散数据的分布趋势可以看出，移动永磁体3在磁间距为60mm空间内大幅度运动时，电磁弹簧刚度总体呈非线性；当移动永磁铁3在平衡位置附近小幅度运动时，电磁弹簧刚度具备线性性质。

下面对电磁弹簧与电流之间的关系进行讨论，基于电磁感应理论，通电线圈中间会产生磁场，附加磁场会对圆筒2内部永磁铁产生的磁场产生增强或减弱的作用，从而改变电磁弹簧的刚度。为了使电磁弹簧刚度线性化，在上述模型中加入电流条件，将磁间距缩小为10mm，对移动永磁铁3振动过程进行仿真，在不失一般性，将电流设定为0-5A六个挡位，0A时即为线圈中没有电流，附加刚度为零，对仿真数据进行线性拟合及处理，得到附加刚度k₁与电流之间的关系如表1所示。

表1附加刚度与输入电流的关系

对数据进行拟合，发现附加刚度与电流有显著的线性关系，如图3所示。拟合决定系数R²高达0.9996，附加刚度与电流之间的关系为：

k₁＝291.37i-12.095

其中k₁为电磁弹簧的附加刚度，i为线圈中电流值。在磁间距为10mm时，仿真的电磁弹簧主刚度为27043N/m，对数据进行处理得到电磁弹簧的总刚度(k)与电流的关系为：

k＝27043+291.37i-12.095

本发明的智能减振器的刚度由电磁弹簧提供，由动力吸振器原理可知，减振器刚度的稳定性对减振器性能有显著的影响。由图2可知，电磁弹簧的刚度是非线性的，且非线性程度与磁间距密切相关。为了确保电磁弹簧刚度的线性化，对不同磁间距电磁弹簧进行仿真，假设智能减振器在工作的过程中，移动永磁铁3在平衡位置附近3mm的空间内振动，对磁间距从10mm到80mm范围，每0.1mm采样一次应用Maxwell软件进行仿真，对仿真数据进行线性拟合，结果如图3所示。从图中可以明显看出，磁间距越小，刚度的线性化程度越高，随着磁间距的增大，不仅刚度降低了，非线性也凸显出来，不同磁间距的电磁弹簧的刚度及拟合决定系数如表2所示。

表2中数据显示，在磁间距30mm以内，随着磁间距增大，刚度呈急速下降趋势，刚度线性化程度很高，R²都可以达到0.995以上；在磁间距30mm以外时，刚度很小，且变化趋于平稳，刚度线性化程度明显降低，尤其磁间距在80mm时，R²达到0.613，刚度几乎失去线性性质。为了验正磁间距在80mm时，移动永磁铁3平衡附近的刚度线性性质，假设移动永磁铁3在平衡附近1.5mm的空间振动，每0.05mm采样一次，实验数据及线性拟合结果如图3中最后一幅子图所示，拟合决定系数为0.323，仿真结果表明，磁间距增大到一定程度时，移动永磁铁3在平衡位置附近振动产生的刚度线性化程度也很低，此时智能减振器几乎失去了减振效果；另一方面，由于移动永磁铁3自身有厚度，且必须有一定的运动空间，所以磁间距不能太小。综上考虑，智能减振器中的磁间距应在10-30mm范围内，且在满足主刚度大小的条件下，磁间距应尽量减小。

表2不同磁间距智能减振器的拟合刚度和决定系数

除了刚度参数外，阻尼系数对智能减振器的减振功能也有很大影响，本发明的智能减振器的阻尼由两部分组成，一部分是由磁铁相对运动而产生的涡流阻尼；另一部分移动永磁铁3和圆筒2筒壁之间相对运动摩擦引起的。前者不可避免的，后者可以通过增加圆筒2筒壁内径的办法消除，但圆筒2筒壁内径过大会对附加刚度造成影响。综上分析，取圆筒2筒壁与移动永磁铁3之间的间距为1-2mm。

减振器的参数有质量、刚度、阻尼。由动力吸振器的原理可知，当减振器的固有频率与被减振的物体振动频率相等时，减振效果最优，即主系统的振幅达到最小。智能减振器的概念是指减振器可以根据被减振物体振动频率不同时自动调节自身参数，满足上述减振效果最优的条件，使减振器在不同工况下都能达到最优减振效果。本发明的智能减振器基于电磁弹簧的刚度可自动调节，电磁弹簧作为减振器的刚度元件。

本发明所述减振器控制单元包括感知模块72、控制模块73和执行模块74，所述感知模块72与所述连杆6连接，所述感知模块72用于时刻采集被测物体的振动加速度的值，并将获取的信息传递给所述控制模块73，其中所述感知模块72为JY901九轴加速度器；所述控制模块73用于接收所述感知模块72的信息，并对信息进行处理，然后将控制相应输出电流的信息传给所述执行模块74，其中所述控制模块73为AVRATMEGA328单片机；所述执行模块74用于接收控制模块传入的电流信息，然后输出对应的稳流电流，从而改变智能减振器的刚度，即改变智能减振器的固有频率，其中所述执行模块74为Z6005S直流稳压电源模块。上述智能控制逻辑流程图如图5所示。

本发明的智能减振器实验测试：

搭建测振平台，示意图及实验图如图6所示对智能减振器的减振性能进行测试，具体来讲，减振器本体71及其感知模块72设置在固支梁76上，激振器75设置在固支梁76下方，感知模块72、控制模块73、执行模块74和减振器本体71依次串接，电源77负责供电。由于被减振的固支梁76的1阶频率为42Hz，在许可的范围内对磁间距进行调整，使智能减振器的主刚度为2000N/m，同时考虑到智能减振器自身重力因素，将移动永磁铁3做为减振器本体71的振子，将连杆6与两端永磁铁固定，这样移动永磁铁可以在连杆6上自由滑动，移动永磁铁3的质量为30g。由附加刚度与电流之间的关系公式可知智能减振的总刚度与电流的关系为：

k＝2000+291.37i-12.095

在设计中，为了简化程序又不失一般性的情况下，将电流输出设定为0-5A六个挡位，即电流最大输出为5A，由自然频率计算公式和上述公式可知：电流与智能减振器的自然频率的关系为：

最后得到智能减振器71的刚度可在1988N/m-3445N/m范围内调节，智能减振器71的自然频率可在41Hz-54Hz范围内调节。

记录在不同激励频率工况下无减振器、普通减振器和智能减振器作用时梁的振动加速度值，其中普通减振器即为没有控制系统的智能减振器，线圈中无电流。实验结果如图4所示。由实验结果可知：智能减振器具有良好的减振性能，且减振效果明显优于普通减振器，尤其在被减振的梁达到共振时，智能减振器的减振效果尤为突出。该智能减振器可调频带为14Hz，具有较强的环境适应能力，在可调频带范围内不同激励的工况下，智能减振器都表现出良好的减振效果。本发明的减振器具备智能、普通两种性能，在外激力工况变化不大时，可将该智能减振器控制系统关闭，作为普通减振器使用，降低电能的消耗。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种电磁弹簧智能减振器，其特征在于：包括减振器本体和减振器控制单元；

所述减振器本体包括圆筒，圆筒内部活动连接有贯穿所述圆筒上下端的连杆，所述连杆上固定有移动永磁铁，所述移动永磁铁随着所述连杆移动而在所述圆筒内上下移动；所述圆筒内顶端固定有第一固定永磁铁，所述圆筒内底端固定有第二固定永磁铁，所述第一固定永磁铁和所述第二固定永磁铁的磁极方向相同，所述第一固定永磁铁和所述第二固定永磁铁的磁极方向均与所述移动永磁铁的磁极方向相反；所述圆筒筒壁上缠绕有线圈，所述线圈的缠绕位置与所述移动永磁铁在所述圆筒内的移动范围相对应；

所述减振器控制单元包括感知模块、控制模块和执行模块，所述感知模块与所述连杆连接，所述感知模块用于时刻采集被测物体的振动加速度的值，并将获取的信息传递给所述控制模块；所述控制模块用于接收所述感知模块的信息，并对信息进行处理，然后将控制相应输出电流的信息传给所述执行模块；所述执行模块用于接收控制模块传入的电流信息。

2.根据权利要求1所述的电磁弹簧智能减振器，其特征在于：所述第一固定永磁铁、第二固定永磁铁和所述移动永磁铁均为钕铁棚永磁铁，所述第一固定永磁铁、第二固定永磁铁和所述移动永磁铁的直径为30mm，厚度为4mm，所述第一固定永磁铁和所述第二固定永磁铁之间的磁间距为10-30mm。

3.根据权利要求1所述的电磁弹簧智能减振器，其特征在于：所述圆筒筒壁与所述移动永磁铁之间的间距为1-2mm。

4.根据权利要求1所述的电磁弹簧智能减振器，其特征在于：所述感知模块为JY901九轴加速度器。

5.根据权利要求1所述的电磁弹簧智能减振器，其特征在于：所述控制模块为AVRATMEGA328单片机。

6.根据权利要求1所述的电磁弹簧智能减振器，其特征在于：所述执行模块为Z6005S直流稳压电源模块。