CN109149897A - 一种控频减振馈能式“回旋”薄板结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控频减振馈能式“回旋”薄板结构，包括开设有孔阵列PCB基板以及设置在每一个孔中的回旋型弹性单元和超强磁钢块，每一个孔对应的上/下框均设有导电体以及通过导线与导电体连接的电流集成枢纽，回旋型弹性单元的中心端与超强磁钢块连接，外端向上倾斜设置并与导电体相连接，所有电流集成枢纽并联连接后两端连接入能量管理系统。整体而言，本发明结构具有可扩展性好、电路安全性高、符合轻量化要求、充电电能线性变化等特点，具有消除指定频率点处振动、阻尼可变功能和多方向减振功能，应用领域广，值得在业内推广。

Description

一种控频减振馈能式“回旋”薄板结构
技术领域
本发明属于振动控制及新能源技术领域，具体涉及一种控频减振馈能式“回旋”薄板结构。
背景技术
振动控制在工程中的应用十分广泛，采取合适的振动控制技术不仅可以有效减少振动对人体的危害，还提高机器、零部件的使用寿命。随着能源稀缺、气候恶劣、环境严峻的问题日益突出，各个行业面临的挑战也越来越大，政府开始加大对新能源产业的投入力度，研究更多的新能源产品成为企业竞争的有力手段。在此背景下，振动控制这种重要技术正被高效的应用到各个领域，将振动控制与能量回收进行结合，具有重大意义。在汽车领域中，汽车在路面行驶时，由于路面的不平度或者其他更复杂工况，给汽车造成很强的振动冲击，这些能量一部分被汽车自身的减振装置吸收，另一部分转化为热能耗散掉，若将这些能量进行回收，并转化为电能储存起来，为汽车上其他元件进行供能，将对汽车的舒适性、燃油经济性做出较大贡献。在机械制造领域中，一些重型制造设备具有高精度、高效率、高自动化等优点，但是重型机械工作时产生强烈的振动冲击，这些振动冲击轻则影响仪器精度、操作人员的舒适性，重则导致设备毁坏，危及人员生命健康。在建筑领域，尤其是KTV等娱乐场所，音响、空调等产生的噪声与振动，穿透力强，且不容易衰减，严重影响居民生活环境，若将这些噪声与振动用能量回收的方式进行控制，除了传统方式在建筑的内部添加吸音棉等材料外，安装馈能减振结构，衰减振动的同时，回收能量，并且存储的能量加上其他负载，减振的同时增加附属功能。
相关领域已公开的专利中，陈龙，汪佳佳，汪若尘，丁仁凯等人的发明“一种馈能式隔振装置(CN 105422720 A)”，该装置由缸筒、滚珠丝杠式活塞杆、主锥齿轮、副锥齿轮和储能装置组成，通过滚珠丝杠结构将悬架的垂直运动转化为旋转运动，缸筒内壁布置磁体，当滚珠丝杠式的活塞杆与缸筒做相对直线运动时，产生感应电动势，从而衰减汽车的振动。其余专利“一种电磁式振动能量回收装置(CN 105932827 A)”，“一种基于车辆振动的运动转换装置(CN 106678006 A)”，都实质为减振器。这些装置的应用领域局限在汽车的悬架，且装置的制造成本高，精度要求高。专利“基于振动能量采集技术的自供电传感微系统的电能管理系统及其方法”主要诉述的是其振动发电装置将环境中的振动能量转化为电能，并输出到能量存储电路，实现自我供电，自我控制，自适应地为微系统供能。但是该专利重点是对电路实现控制，没有对振动结构进行诉述。
综上所述，为扩展新能源产品的应用领域，控制汽车、重型机械、建筑领域等的振动问题，设计一种控频减振馈能式“回旋”薄板结构，达到减振与节能的统一。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种控频减振馈能式“回旋”薄板结构，该结构能够在衰减指定频率点或频带处振动的同时进行能量回收利用。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种控频减振馈能式“回旋”薄板结构，包括开设有孔阵列PCB基板以及设置在每一个孔中的回旋型弹性单元和超强磁钢块，每一个孔对应的上/下框均设有导电体以及通过导线与导电体连接的电流集成枢纽，回旋型弹性单元的中心端与超强磁钢块连接，外端向上倾斜设置并与导电体相连接，所有电流集成枢纽并联连接后两端连接入能量管理系统。
优选地，该结构中，设置于每一个孔中的超强磁钢块与回旋型弹性单元的组合方式并不完全相同，所述组合方式是不同尺寸的超强磁钢与回旋型弹性单元相组合。超强磁钢块(3)与回旋型弹性单元(2)的尺寸设计不同，所应用在待减振结构的振动频率就不同。
优选地，所述超强磁钢块位于回旋型弹性单元的中心，磁体N/S极横向布置在PCB基板所在平面。
优选地，所述回旋型弹性单元(2)为“回”字形，可在振动空间限制的情况下，保证振动位移最大化，所述回旋型弹性单元倾斜设置端的倾斜度为10°。
优选地，所述超强磁钢块与回旋型弹性单元之间采用楔形的过盈配合。
优选地，所述回旋型弹性单元与导电体之间采用过盈配合。
优选地，所述电流集成枢纽基本元件为二极管。
优选地，所述能量控制系统包含超级电容。
优选地，所述PCB基板采用双面PCB基板。
优选地，所述PCB基板上设有安装孔、蓄电池接口和负载接口。
本发明提供的控频减振馈能式“回旋”薄板结构具有以下有益效果：
1、可扩展性好。本发明结构可根据应用场合更改结构，若需要多层结构复合，采用双面的PCB板，解决布线交错的难点，可使多层结构叠加，重复利用结构来增强馈能减振性能，另外，超强磁钢块与回旋型弹性单元可自由组合，针对不同频率下的减振要求，更改超强磁钢与回旋型弹性单元；
2、具有阻尼可变功能。切割磁感线产生的安培力对磁体以及螺旋形弹性梁产生阻碍作用，为电磁阻尼的效果，且感应电流越大，阻碍作用越明显，所以达到一种阻尼可变的效果；
3、发挥减振作用的频率可变。回旋型弹性单元与超强磁钢块的尺寸不相同，进行不同组合可以达到消除待减振结构任意频点和频带处的不良振动。
4、具有多方向减振功能。激发回旋型弹性单元的不同模态振型，产生不同方向上的最大应变。进行多个方向的减振；
5、充电电能线性变化。振动越剧烈，产生的电流就更多；
6、电路安全性高。电路中的电流集成枢纽和能量管理系统对电路进行电流换向、低电流保护、限制、充电的同时进行供电，能量管理系统中还设有超级电容，当电压不足以向蓄电池充电时，就用电容进行储能。
7、符合轻量化要求。采用PCB基板作为支撑薄板，与传统减振装置相比，质量更轻；
8、应用领域广。本发明可应用于汽车各个位置、重型机械、特殊建筑等减振需求。
附图说明
图1是本发明控频减振馈能式“回旋”薄板结构整体结构示意图；
图2是本发明控频减振馈能式“回旋”薄板结构电路原理图；
图3是本发明控频减振馈能式“回旋”薄板结构平面示意图；
图4是本发明控频减振馈能式“回旋”薄板结构侧面示意图。
附图标记说明：1、PCB基板；2、回旋型弹性单元；3、超强磁钢块；4、电流集成枢纽；5、导电体；6、蓄电池接口；7、安装孔；8、负载接口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1和图3-4所示，本发明的控频减振馈能式“回旋”薄板结构，包括开设有孔阵列PCB基板1以及设置在每一个孔中的回旋型弹性单元2和超强磁钢块3。每一个孔对应的上/下框均设有导电体5以及通过导线与导电体5连接的电流集成枢纽4，回旋型弹性单元2的中心端与超强磁钢块3连接，外端向上倾斜设置并与导电体5相连接，所有电流集成枢纽4并联连接后两端连接入能量管理系统。能量控制系统包含超级电容。
在本实施例中，采用双面PCB基板1作为各个元件的支撑结构，PCB基板1整体呈矩形，尺寸为150*150*3mm，为一种薄片结构，其上开有9个大小为30*30mm的矩形孔，矩形孔按照3*3的阵列排列在PCB基板1中，孔与孔之间距离30mm，孔与边缘距离10mm。PCB基板1上有导线、供桥式整流器插装或贴装所用的过孔、固定印刷电路板的安装孔7以及与蓄电池接口6和负载接口8。在PCB基板1的原材料中，基板是由高分子合成树脂和增强材料组合而成的绝缘层板，因此PCB基板1作为支撑板的同时，带有阻尼的效果。
孔的上下两侧焊接有导电体5，导电体5的长度为30mm，厚度为5mm，导电体5为普通金属材料。导线与导电体5组成切割磁感线所需的闭合回路。回旋型弹性单元2的外端与导电体5相连，且回旋型弹性单元2与导电体5相连一端具有向上10°的倾斜度。回旋型弹性单元2-与导电体5-之间采用过盈配合。回旋型弹性单元2整体所在平面与PCB板平行，该单元每一边宽度为3mm，厚度0.3mm，制作材料为纤维复合材料。回旋型弹性单元2的结构呈螺旋形，使得在一定的空间内能够增加回旋型弹性单元2长度，从而降低结构的刚度，提高振动最大幅值，使结构在一定的振动空间内，产生更大变化的位移，进而产生的馈能电流更大。虽然对回旋型弹性单元2没有特殊的尺寸限制，但是本领域人员应知，回旋型弹性单元2不能过细、过长，需要满足振动幅值限位条件，具体尺寸根据应用场合和振动控制目标设定。通过改变回旋型单元的横截面尺寸，可以对指定频率的振动进行衰减，同时达到最优减振和最大馈能的效果。回旋型弹性单元2的一端与超强磁钢连接，另一端与导电体5相连，且与导电体5相连的一端具有向上的倾斜度，当被减振物体的振动引起回旋型弹性单元2与超强磁钢的上下振动时，这样的倾斜度可以避免回旋型弹性单元2与超强磁钢对被减振结构的撞击，导致二次振动问题。本发明采用的回旋型弹性单元2，能较容易地激发回旋型弹性单元2不同模态振型，从而可以对被减振结构进行多个方向减振。
超强磁钢块3位于回旋型弹性单元2的中心，尺寸为10*6*0.5mm，制作材料为铝镍钴合金，磁体的N/S极横向布置在PCB板所在平面，磁体上下振动时，使得PCB板中的闭合回路切割磁感线产生电流。超强磁钢块3与回旋性弹性单元之间采用楔形的过盈配合，设置于每一个孔中的超强磁钢块3与回旋型弹性单元2的组合方式并不完全相同，可根据不同应用场合进行自由组装，便于适应不同场合的减振要求。
电流集成枢纽4为二极管，进一步优选肖特基二极管，该枢纽的功能包括对电路中电流方向的控制以及保证电路的安全性，当电路中电流过大时，能实现自动实现过载保护。
如图2所示，本发明控频减振馈能式“回旋”薄板结构的电路原理图，该电路图由导电体5、电流集成枢纽4、能量控制系统、蓄电池、负载组成。超强磁钢块3与回旋型弹性单元2在上下振动的时候，超强磁钢的S/N极左右布置，因此PCB基板1中的闭合回路切割磁感线，产生感应电流，不同流向的电流经过电流集成枢纽4进行整合，然后流向蓄电池。当振动不剧烈时，产生的感应电流小，此时能量控制系统对电路进行低电流保护，此外，电压小的时候，采用能量控制系统中的电容进行储能；当振动剧烈时，产生的感应电流大，为保证电路的安全性，使用肖特基二极管，超过一定值时，电路自动切断，防止仪器损坏，能量控制系统还可以保证电路正在存储能量的同时，又为负载提供电能。由上可知，本发明结构能实现对电路中电流方向的控制，由于回旋型弹性单元2与超强磁钢不同方向的振动，切割磁感线产生的电流方向不同，使用电流集成枢纽4对电流方向进行控制；能实现为电路提供电流限值，超过某个阈值时，能实现对电路进行过载保护；能实现低电流时对电路的低压保护；能实现对电路进行稳压等功能。
以下对本发明的原理及创新点进行进一步的详细说明，以进一步展示本发明的优点：
本发明的原理在于：本发明为一种专用于消除指定频率点或者频带处振动的薄板结构，当被减振物体的振动传到本发明结构时，引起回旋型弹性单元2和超强磁钢六个方向的运动(X，Y，Z，RX，RY，RZ)，消耗不利于机械设备的振动能量，达到减振的目的。此外，回旋型弹性单元2和超强磁钢运动时切割布置于PCB板中的以导电体5为感应材料的闭合回路，感应电流会使运动中的回旋型弹性单元2和超强磁钢受到安培力的相互作用，从而将受到的安培力转化为能量，当振动能量较大时，回旋型弹性单元2和超强磁钢的运动也相应加剧，产生的感应电流更大。另外，感应电流通过PCB板中电流集成枢纽4进行转换，经能量管理系统管理后存储在蓄电池中，供负载使用。其中感应电流计算公式如下：
式中：B表示磁场强度；L为导体长度；A为振幅；为简谐运动频率；t为简谐运动时间；为初相位；R为电阻。
本发明的创新点在于：该结构以PCB基板1为基体，添加电子元器件以及回旋型弹性单元2、超强磁钢块3等机械结构，组成电磁式振动的馈能装置，可以衰减不利于机械设备的振动的同时进行能量储存以及供能。进一步的，结构中采用的回旋型弹性单元2呈“回”字形，在振动空间限制的情况下，保证振动位移最大化，产生的感应电流更多，且“回”字形结构更容易激发结构的不同模态，从而可以对六个方向进行减振。通过改变回旋型弹性单元2的横截面尺寸，可以对指定频率的振动进行衰减，同时达到最优减振和最大馈能的效果。此外，本结构为机械结构与电路结合，无需外接导线，在PCB板中加入电流集成枢纽4(肖特基二极管)，可对电路进行过载保护，也可对产生感应电流的方向进行整合。而能量管理系统振动衰减过程中，可对蓄电池进行充电的同时对负载进行供电。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种控频减振馈能式“回旋”薄板结构，其特征在于：该结构包括开设有孔阵列PCB基板(1)以及设置在每一个孔中的回旋型弹性单元(2)和超强磁钢块(3)，每一个孔对应的上/下框均设有导电体(5)以及通过导线与导电体(5)连接的电流集成枢纽(4)，回旋型弹性单元(2)的中心端与超强磁钢块(3)连接，外端向上倾斜设置并与导电体(5)相连接，所有电流集成枢纽(4)并联连接后两端连接入能量管理系统。
2.根据权利要求1所述的控频减振馈能式“回旋”薄板结构，其特征在于：该结构中，设置于每一个孔中的超强磁钢块(3)与回旋型弹性单元(2)的组合方式并不完全相同，所述组合方式是不同尺寸的超强磁钢与回旋型弹性单元相组合。
3.根据权利要求1所述的控频减振馈能式“回旋”薄板结构，其特征在于：所述超强磁钢块(3)位于回旋型弹性单元(2)的中心，磁体N/S极横向布置在PCB基板(1)所在平面。
4.根据权利要求1所述的控频减振馈能式“回旋”薄板结构，其特征在于：所述回旋型弹性单元(2)为“回”字形，回旋型弹性单元(2)倾斜设置端的倾斜度为10°。
5.根据权利要求1所述的控频减振馈能式“回旋”薄板结构，其特征在于：所述超强磁钢块(3)与回旋型弹性单元(2)之间采用楔形的过盈配合。
6.根据权利要求1所述的控频减振馈能式“回旋”薄板结构，其特征在于：所述回旋型弹性单元(2)与导电体(5)之间采用过盈配合。
7.根据权利要求1所述的控频减振馈能式“回旋”薄板结构，其特征在于：所述电流集成枢纽(4)基础元件为二极管。
8.根据权利要求1所述的控频减振馈能式“回旋”薄板结构，其特征在于：所述能量控制系统包含超级电容。
9.根据权利要求1-8任一所述的控频减振馈能式“回旋”薄板结构，其特征在于：所述PCB基板(1)采用双面PCB基板。
10.根据权利要求1-8任一所述的控频减振馈能式“回旋”薄板结构，其特征在于：所述PCB基板(1)设有安装孔(7)、蓄电池接口(6)和负载接口(8)。
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