CN109027124B - 一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器及控制方法 - Google Patents

一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器及控制方法，该隔振器包括前后外壳、前后垫片、用于固定传动轴的旋转套筒、永磁体励磁机构，永磁体励磁机构的旋转部件与旋转套筒固连；旋转部件通过橡胶垫块与永磁体固连，永磁体产生的磁通穿过橡胶垫块、旋转部件、气隙、环形永磁体夹持机构并回到永磁体构成磁通回路，并在气隙中产生磁应力并作用到旋转部件上，使旋转部件沿气隙厚度方向构成扭转磁力弹簧；通过调节励磁线圈通电电流强度，改变气隙处的磁场强度，进而改变磁力弹簧产生的负刚度，使其接近于橡胶轴承提供的正刚度，从而使得系统刚度达到准零状态；本发明隔振器能够有效地传递驱动力矩，并隔离扰动力矩，通过主动控制方式调节系统刚度，对于低频扭转振动具有很好的隔振效果，适用于精密旋转系统。

Description

一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器及控制方法
技术领域
本发明涉及扭转振动隔振技术领域，具体涉及一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器及控制方法。
背景技术
旋转机械广泛的应用于航空航天、机械加工制造、能源和轨道交通等领域。扭转振动是旋转机械系统一种普遍存在的动力学现象，会破坏机械设备的平稳运行，甚至导致相关部件的损坏等严重的后果。对于精密工程领域，如航天器系统，扭转振动会影响精密仪器的使用精度，同时剧烈的扭转振动也会带来噪声问题。目前用于扭转振动的准零刚度隔振器普遍较少，且结构复杂，尺寸较大，难以小型化，精密化，多为被动型，可控性较差。本发明利用磁应力作用产生扭转负刚度，设计一种扭转准零刚度隔振器，结构紧凑，负刚度可调节，能够方便的应用于低频扭转振动领域。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器及控制方法，既具有较高的静刚度，能够有效的传递驱动力矩，又具有较低的动刚度，能够降低隔振系统的固有频率，且负刚度可调节，结构简单、安装方便，有效的拓宽隔振频带，为低频扭转振动控制提供一种可靠的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器，包括前外壳1、后外壳2以及前外壳1和后外壳2形成的腔体内部的永磁体励磁机构；所述永磁体励磁机构包括环形永磁体夹持机构8，环形永磁体夹持机构8内带有四个伸出端，四个伸出端上均安装有励磁线圈9，环形永磁体夹持机构8四个伸出端间的内壁上固定有永磁体7，永磁体7另一端通过橡胶垫块10与旋转部件6一端固连，旋转部件6另一端与设置在环形永磁体夹持机构8四个伸出端内的旋转套筒4固连，旋转套筒4内设置有橡胶轴承5，旋转部件6两侧端面与环形永磁体夹持机构8的伸出端内侧形成工作气隙11；所述永磁体7、旋转部件6、环形永磁体夹持机构8和工作气隙11组成磁通回路；所述前外壳1与后外壳2通过螺栓螺母固连，前外壳1与后外壳2内部均留有凸台，与永磁体励磁机构的环形永磁体夹持机构8上的凹槽配合，防止永磁体励磁机构产生相对外壳的旋转运动；永磁体励磁机构前后与前外壳1和后外壳2接触处安装垫片3，用于限制永磁体励磁机构相对外壳的轴向运动；主动轴安装在前外壳1中部的螺纹孔内部，从动轴穿过后外壳2中部的通孔，通过橡胶轴承5与旋转套筒4固连，旋转套筒4与永磁体励磁机构的旋转部件6固定连接；当主动轴旋转时，带动隔振器转动，该转动通过旋转套筒4和橡胶轴承5传递至从动轴，并带动从动轴旋转；永磁体7产生的磁通在旋转部件6的两侧工作气隙11中产生磁应力，旋转部件6在磁应力的作用下，沿气隙11厚度方向运动，构成磁力弹簧产生负刚度，旋转部件6与旋转套筒4固连，从而推动旋转套筒产生绕轴向的转动运动；给四组励磁线圈9输入直流电流，通过调节电流强度，励磁线圈9通电后在气隙11处产生的磁感应强度也随之增强，与永磁体7在气隙11中产生的磁场强度叠加，使得气隙11中的磁场强度增大，从而增大作用到旋转部件6上的磁应力，进而调节磁力弹簧产生的负刚度。
所述隔振器当不给励磁线圈9输入电流时，为纯被动式扭转准零刚度隔振器；当给励磁线圈9输入电流时，调节负刚度大小，实现隔振器刚度的可控，为可变刚度的半主动式扭转准零刚度隔振器。
所述前外壳1、后外壳2、垫片3和旋转套筒4均采用硬铝合金材料。
所述永磁体7采用钕铁硼材料，所述旋转部件6和环形永磁体夹持机构8采用较高磁导率的软磁材料，如坡莫合金材料。
所述的一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器的控制方法，当从动轴受到扰动时，会产生与外壳相对的旋转运动，橡胶轴承5作为弹性元件提供隔振器的正刚度，并实现被动振动抑制功能；永磁体7产生的磁通穿过橡胶垫块10进入旋转部件6，在旋转部件6左右两侧的气隙11中产生磁应力，并作用到旋转部件6上，构成磁力弹簧产生负刚度，使得旋转部件6可沿气隙11的厚度方向运动；该磁力弹簧产生的负刚度与橡胶轴承5提供的正刚度并联，使得隔振器在平衡位置的总刚度很小，从而降低隔振器的共振频率；给四组励磁线圈9输入直流电，随着电流强度的增强，励磁线圈9在气隙11处产生的磁感应强度也随之增强，与永磁体7在气隙11中产生的磁场强度叠加，使得气隙11中的磁场强度增大，从而增大作用到旋转部件6上的磁应力，使得旋转部件6在气隙11中构成的磁力弹簧产生的负刚度增大，因此，改变电流强度调节磁力弹簧的负刚度大小，从而调节隔振器的共振频率，以适应扭转系统受到的扰动振动变化。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明扭转准零刚度隔振器，当不输入电流时，为纯被动式扭转准零刚度隔振器。既具有较高的静刚度，能够有效的传递驱动力矩，又具有较低的动刚度，能够有效地降低隔振系统的固有频率，拓宽隔振频带。
2)本发明扭转准零刚度隔振器，当输入电流时，调节负刚度大小，实现系统刚度的可控，为可变刚度的半主动式扭转准零刚度隔振器。调节方法简单灵活，相比传统的扭转准零刚度隔振器，不需要改变永磁体或静支撑结构来调节负刚度的大小，结构紧凑、安装方便。
附图说明
图1为本发明隔振器示意图。
图2为本发明隔振器永磁体励磁机构剖面图。
图3位本发明隔振器安装示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器，包括前外壳1、后外壳2以及腔体内部的永磁体励磁机构。其中前外壳1与后外壳2通过螺栓螺母固连。前外壳1与后外壳2内部沿轴向留有凸台，与永磁体励磁机构内部的环形永磁体夹持机构8的凹槽配合，防止永磁体励磁机构产生相对前外壳1与后外壳2的旋转运动。永磁体励磁机构的前侧与后侧与前外壳1和后外壳2接触处安装垫片3，用于限制永磁体励磁机构相对前外壳1与后外壳2的轴向运动。主动轴可安装在前外壳1中部的螺纹孔内部，从动轴穿过后外壳2中部的通孔，通过橡胶轴承5与旋转套筒4固连，旋转套筒4与永磁体励磁机构的旋转部件6固定连接。当主动轴旋转时，带动扭转准零刚度隔振器转动，该旋转运动通过旋转套筒4和橡胶轴承5传递至从动轴，并带动从动轴旋转。
如图2所示，所述永磁体励磁机构包括四个旋转部件6、四个永磁体7、环形永磁体夹持机构8、四组励磁线圈9，旋转部件6两侧端面与环形永磁体夹持机构8的伸出端内侧形成工作气隙11。永磁体7通过橡胶垫块10与旋转部件6固连，四组励磁线圈9安装在环形永磁体夹持机构8的四个伸出端上。永磁体7、旋转部件6、环形永磁体夹持机构8和工作气隙11构成磁通回路。永磁体7产生的磁通在旋转部件6的两侧工作气隙11中产生磁应力，并作用到旋转部件6上，使旋转部件6可沿气隙11厚度方向运动，构成磁力弹簧并产生负刚度。旋转部件6与旋转套筒4固连，从而推动旋转套筒产生绕轴向的转动运动。给四组励磁线圈9输入直流电流，通过调节电流强度，励磁线圈9通电后在气隙11处产生的磁感应强度也随之增强，与永磁体7在气隙11中产生的磁场强度叠加，使得气隙11中的磁场强度增大，从而增大作用到旋转部件6上的磁应力，进而调节磁力弹簧产生的负刚度。
作为本发明的优选实施方式，前外壳1、后外壳2、垫片3和旋转套筒4均采用硬铝合金材料。
作为本发明的优选实施方式，所述永磁体7采用钕铁硼材料；所述旋转部件6和环形永磁体夹持机构8采用较高磁导率的软磁材料，如坡莫合金材料。
本发明的工作原理为：如图3所示，当从动轴受到扰动时，会产生与外壳相对的旋转运动，橡胶轴承5作为弹性元件提供隔振器的正刚度，并实现被动振动抑制功能。永磁体7产生的磁通穿过橡胶垫块10进入旋转部件6，在旋转部件6左右两侧的气隙11中产生磁应力，并作用到旋转部件6上，构成磁力弹簧产生负刚度，使得旋转部件6沿气隙11的厚度方向运动。该磁力弹簧产生的负刚度与橡胶轴承5提供的正刚度并联，使得隔振器在平衡位置的总刚度很小，从而降低隔振器的共振频率。给四组励磁线圈9通直流电，随着电流强度的增强，励磁线圈9在气隙11处产生的磁感应强度也随之增强，与永磁体7在气隙11中产生的磁场强度叠加，使得气隙11中的磁场强度增大，从而增大作用到旋转部件6上的磁应力，使得旋转部件6在气隙11中构成的磁力弹簧产生的负刚度增大，因此，改变电流强度可以调节磁力弹簧的负刚度大小，从而调节隔振器的共振频率，以适应扭转系统受到的扰动振动变化。

Claims (5)

1.一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器，其特征在于：包括前外壳(1)、后外壳(2)以及前外壳(1)和后外壳(2)形成的腔体内部的永磁体励磁机构；所述永磁体励磁机构包括环形永磁体夹持机构(8)，环形永磁体夹持机构(8)内带有四个伸出端，四个伸出端上均安装有励磁线圈(9)，环形永磁体夹持机构(8)四个伸出端间的内壁上固定有永磁体(7)，永磁体(7)另一端通过橡胶垫块(10)与旋转部件(6)一端固连，旋转部件(6)另一端与设置在环形永磁体夹持机构(8)四个伸出端内的旋转套筒(4)固连，旋转套筒(4)内设置有橡胶轴承(5)，旋转部件(6)两侧端面与环形永磁体夹持机构(8)的伸出端内侧形成工作气隙(11)；所述永磁体(7)、旋转部件(6)、环形永磁体夹持机构(8)和工作气隙(11)组成磁通回路；所述前外壳(1)与后外壳(2)通过螺栓螺母固连，前外壳(1)与后外壳(2)内部均留有凸台，与永磁体励磁机构的环形永磁体夹持机构(8)上的凹槽配合，防止永磁体励磁机构产生相对外壳的旋转运动；永磁体励磁机构前后与前外壳(1)和后外壳(2)接触处安装垫片(3)，用于限制永磁体励磁机构相对外壳的轴向运动；主动轴安装在前外壳(1)中部的螺纹孔内部，从动轴穿过后外壳(2)中部的通孔，通过橡胶轴承(5)与旋转套筒(4)固连，旋转套筒(4)与永磁体励磁机构的旋转部件(6)固定连接；当主动轴旋转时，带动隔振器转动，该转动通过旋转套筒(4)和橡胶轴承(5)传递至从动轴，并带动从动轴旋转；永磁体(7)产生的磁通在旋转部件(6)的两侧工作气隙(11)中产生磁应力，旋转部件(6)在磁应力的作用下，沿气隙(11)厚度方向运动，构成磁力弹簧产生负刚度，旋转部件(6)与旋转套筒(4)固连，从而推动旋转套筒产生绕轴向的转动运动；给四组励磁线圈(9)输入直流电流，通过调节电流强度，励磁线圈(9)通电后在气隙(11)处产生的磁感应强度也随之增强，与永磁体(7)在气隙(11)中产生的磁场强度叠加，使得气隙(11)中的磁场强度增大，从而增大作用到旋转部件(6)上的磁应力，进而调节磁力弹簧产生的负刚度。
2.根据权利要求1所述的一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器，其特征在于：所述隔振器当不给励磁线圈(9)输入电流时，为纯被动式扭转准零刚度隔振器；当给励磁线圈(9)输入电流时，调节负刚度大小，实现隔振器刚度的可控，为可变刚度的半主动式扭转准零刚度隔振器。
3.根据权利要求1所述的一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器，其特征在于：所述前外壳(1)、后外壳(2)、垫片(3)和旋转套筒(4)均采用硬铝合金材料。
4.根据权利要求1所述的一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器，其特征在于：所述永磁体(7)采用钕铁硼材料；所述旋转部件(6)和环形永磁体夹持机构(8)采用坡莫合金材料。
5.权利要求1至4任一项所述的一种负刚度可调的扭转准零刚度隔振器的控制方法，其特征在于：当从动轴受到扰动时，会产生与外壳相对的旋转运动，橡胶轴承(5)作为弹性元件提供隔振器的正刚度，并实现被动振动抑制功能；永磁体(7)产生的磁通穿过橡胶垫块(10)进入旋转部件(6)，在旋转部件(6)左右两侧的气隙(11)中产生磁应力，该磁应力作用到旋转部件(6)上，构成磁力弹簧并产生负刚度，使得旋转部件(6)沿气隙(11)的厚度方向运动；该磁力弹簧产生的负刚度与橡胶轴承(5)提供的正刚度并联，使得隔振器在平衡位置的总刚度很小，从而降低隔振器的共振频率；给四组励磁线圈(9)通直流电，随着电流强度的增强，励磁线圈(9)在气隙(11)处产生的磁感应强度也随之增强，与永磁体(7)在气隙(11)中产生的磁场强度叠加，使得气隙(11)中的磁场强度增大，从而增大作用到旋转部件(6)上的磁应力，使得旋转部件(6)在气隙(11)中构成的磁力弹簧产生的负刚度增大，因此，改变电流强度，调节磁力弹簧的负刚度大小，从而调节隔振器的共振频率，以适应扭转系统受到的扰动振动变化。
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