CN109630582B - 一种可调刚度的电磁弹簧 - Google Patents

一种可调刚度的电磁弹簧 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调刚度的电磁弹簧。该电磁弹簧包括中轴、一中间电磁力控制部件和两端部电磁力控制部件，两端部电磁力控制部件和中间电磁力控制部件均套设于中轴上；通过中间电磁力控制部件中的中间可控电源控制中间线圈对环形磁铁的电磁力和两端电磁力控制部件中的两端可控电源对环形磁铁的电磁力调节电磁弹簧的刚度大小。本发明公开的可调刚度的电磁弹簧可以形成可调负刚度，突破弹簧承载能力对隔振性能的限制，具有结构紧凑、响应快、易于控制，刚度的非线性度可调，隔振性能好的特点。

Description

一种可调刚度的电磁弹簧
技术领域
本发明涉及振动控制技术领域，特别是涉及一种可调刚度的电磁弹簧。
背景技术
弹簧作为刚度元件是振动系统的核心元器件，其性能直接决定了振动控制的表现。可调刚度元件可以改变系统的固有频率和阻尼率，解决了可调阻尼只对特定频率有效的问题，在振动半主动控制中具有不可替代的作用。降低弹簧的刚度可以降低系统固有频率，从而扩展隔振频带，提高隔振性能。然而传统的可调刚度元件只能产生正刚度，其刚度下限受到承载能力限制不能过低，这也限制了隔振性能，难以达到超低频隔振的要求。常见的弹簧都产生正刚度，其荷载增量与变形增量方向相同，负刚度与正刚度相对，是指荷载增量与变形增量方向相反的特性。利用负刚度元件与正刚度元件并联可以设计高静态刚度低动态刚度隔振器，在不降低承载能力的同时提高隔振性能。然而目前大多数负刚度元件具有非线性，需要仔细研究设计以满足使用条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调刚度的电磁弹簧，具有结构紧凑、响应快、易于控制，可产生负刚度，且刚度的非线性度可调，隔振性能好的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种可调刚度的电磁弹簧，包括：中轴、一中间电磁力控制部件和两端部电磁力控制部件；两所述端部电磁力控制部件位于所述中间电磁力控制部件两侧，且两所述端部电磁力控制部件和所述中间电磁力控制部件均套设于所述中轴上，所述中轴用于保证所述中间电磁力控制部件和两所述端部电磁力控制部件同轴；
所述中间电磁力控制部件包括：中间线圈、环形磁铁和中间可控电源，所述环形磁铁同轴固定于所述中轴上，所述中间线圈同轴套设于所述环形磁铁上；所述中间可控电源与所述中间线圈连接，所述中间可控电源用于向所述中间线圈供电；并通过调节所述中间线圈中的电流I1，控制所述中间线圈对所述环形磁铁的电磁力；
两所述端部电磁力控制部件包括：两端可控电源和设于所述中间电磁力控制部件一侧的第一线圈、设于所述中间电磁力控制部件另一侧的第二线圈；所述第一线圈和所述第二线圈串联，并分别同轴套设于所述中轴，所述第一线圈和所述第二线圈的轴向位置关于所述中间线圈对称；所述两端可控电源分别与所述第一线圈和所述第二线圈相连，所述两端可控电源用于向所述第一线圈和所述第二线圈供电，并通过调节所述第一线圈和所述第二线圈中的电流I2，控制所述第一线圈和所述第二线圈对所述环形磁铁的电磁力；
调节所述电流I1和所述电流I2来调整所述中间电磁力控制部件和两所述端部电磁力控制部件产生的电磁力作用，实现所述可调刚度的电磁弹簧的刚度的调节。
可选的，所述可调刚度的电磁弹簧还包括第一固定环和第二固定环；所述第一固定环贴紧所述环形磁铁的一端面，所述第二固定环贴紧所述环形磁铁的另一端面，所述环形磁铁通过所述第一固定环和所述第二固定环固定在所述中轴上；固定在所述中轴上的第一固定环、第二固定环和环形磁铁与所述中轴一起做轴向运动。
可选的，所述可调刚度的电磁弹簧还包括中间支架，所述中间支架包括中间底座平台、中间竖直支撑部和中间线圈连接部，所述中间竖直支撑部竖直设于所述中间底座平台上表面，所述中间线圈连接部位于所述中间竖直支撑部的上方，并与所述中间竖直支撑部在同一竖直面内，所述中间线圈连接部为圆管状结构，所述中间线圈连接部的圆管内置所述中间线圈，使所述中间线圈和所述环形磁铁之间存在间隙。
可选的，所述可调刚度的电磁弹簧还包括第一支架和第二支架，所述第一支架与所述第二支架结构相同，包括端部底部平台、端部竖直支撑部和端部线圈连接部，所述端部竖直支撑部竖直设于所述端部底部平台的上表面，所述端部线圈连接部与所述端部竖直支撑部垂直设置，所述端部线圈连接部为圆筒状结构，所述端部线圈连接部的圆筒外壁分别连接所述第一线圈和所述第二线圈。
可选的，所述可调刚度的电磁弹簧还包括第一直线轴承和第二直线轴承；所述第一直线轴承安装在所述第一支架线圈连接部的圆筒内，位于所述第一固定环与所述环形磁铁接触的相对的一侧；所述第二直线轴承安装在所述第二支架的线圈连接部的圆筒内，位于所述第二固定环与所述环形磁铁接触的相对的一侧；所述中轴穿过所述第一直线轴承和第二右直线轴承，所述第一直线轴承和所述第二直线轴承用于限定所述中轴做轴向运动。
可选的，所述中间底部平台、所述第一支架的端部底部平台和所述第二支架的端部底部平台固定于同一平面，所述第一线圈和所述第二线圈与所述中间线圈的相对位置固定不变且同轴。
可选的，所述中间线圈的轴向长度与所述环形磁铁的轴向长度相等。
可选的，所述中间可控电源和所述两端可控电源用可编程电源实现或用数据采集卡输出信号加功率放大器输出电流实现用电脑直接控制。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的可调刚度的电磁弹簧，通过中间电磁力控制部件中的中间可控电源控制中间线圈对环形磁铁的电磁力和两端电磁力控制部件中的两端可控电源控制第一线圈和第二线圈对环形磁铁的电磁力来调节电磁弹簧的刚度大小，易于控制。本发明公开的可调刚度的电磁弹簧可以形成负刚度，利用此负刚度元件与普通正刚度元件并联能够设计出可调的高静态刚度低动态刚度的隔振器，从而突破承载能力的限制，大大提高隔振性能。而且此负刚度元件非线性度可调，适应性广，使得隔振器可以满足更多使用条件。此外，本发明还具有结构紧凑、响应快的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的可调刚度的电磁弹簧的结构图；
图2为本发明实施例提供的可调刚度的电磁弹簧的斜剖视图。
1、第一支架；2、第一线圈；3、中轴；4、第一直线轴承；5、两端可控电源；6、第一固定环，7、中间可控电源；8、中间支架；9、中间线圈；10、环形磁铁；11、第二固定环；12、第二直线轴承；13、第二线圈；14、第二支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种可调刚度的电磁弹簧，具有结构紧凑、响应快、易于控制，隔振性能好的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的可调刚度的电磁弹簧的结构图，如图1所示，本发明提供的可调刚度的电磁弹簧包括：中轴3、中间电磁力控制部件和两端部电磁力控制部件；两端部电磁力控制部件位于中间电磁力控制部件两侧，且两端部电磁力控制部件和中间电磁力控制部件均套设于中轴3上，中轴3用于保证中间电磁力控制部件和两端部电磁力控制部件同轴；
中间电磁力控制部件包括：中间线圈9、环形磁铁10和中间可控电源7，环形磁铁10同轴固定在中轴3上，中间线圈9与环形磁铁10同轴套在中轴3上；中间可控电源7与中间线圈9连接，中间可控电源7向中间线圈9供电；并通过调节中间线圈9中的电流I1，控制中间线圈9对环形磁铁10的电磁力；
两端部电磁力控制部件包括：两端可控电源5和设于中间电磁力控制部件一侧的第一线圈2、设于中间电磁力控制部件另一侧的第二线圈13；第一线圈2和第二线圈13串联，并分别同轴套设在中轴3上，第一线圈2和第二线圈13的轴向位置关于中间线圈9对称；两端可控电源5分别与第一线圈2和第二线圈13相连，两端可控电源5用于向第一线圈2和第二线圈13供电，并通过调节第一线圈2和第二线圈13中的电流I2，控制第一线圈2和第二线圈13对环形磁铁10的电磁力；
调节电流I1和电流I2来调整中间电磁力控制部件和两端部电磁力控制部件产生的电磁力作用，实现可调刚度的电磁弹簧的刚度的调节。
可调刚度的电磁弹簧还包括第一固定环6和第二固定环11；第一固定环6贴紧环形磁铁10的一端面，第二固定11环贴紧环形磁铁10的另一端面，环形磁铁10通过第一固定环6和第二固定环11固定在中轴3上；并且第一固定环6、第二固定环11和环形磁铁10在中轴3的带动下一起做轴向运动。
可调刚度的电磁弹簧还包括中间支架8，中间支架8包括中间底座平台、中间竖直支撑部和中间线圈连接部，中间竖直支撑部竖直设于中间底座平台上表面，中间线圈连接部位于中间竖直支撑部的上方，并与中间竖直支撑部在同一竖直面内，中间线圈连接部为圆管状结构，中间线圈连接部的圆管内置中间线圈9。中间线圈9和环形磁铁10之间存在间隙，是为了防止中间线圈9与环形磁铁10之间产生摩擦力。
可调刚度的电磁弹簧还包括第一支架1和第二支架14，第一支架1和第二支架14的结构相同，都包括端部底部平台、端部竖直支撑部和端部线圈连接部，端部竖直支撑部竖直设于端部底部平台的上表面，端部线圈连接部与端部竖直支撑部垂直设置，端部线圈连接部为圆筒状结构，端部线圈连接部的圆筒外壁分别连接第一线圈2和第二线圈13。
可调刚度的电磁弹簧还包括第一直线轴承4和第二直线轴承12；第一直线轴承4安装在第一支架1线圈连接部的圆筒内，位于第一固定环6与环形磁铁10接触的相对的一侧；第二直线轴12承安装在第二支架14的线圈连接部的圆筒内，位于第二固定环11与环形磁铁10接触的相对的一侧；中轴3穿过第一直线轴承4和第二右直线轴承12，第一直线轴承4和第二直线轴承12用于限定所述中轴3做轴向运动。
可调刚度的电磁弹簧的中间支架8的中间底部平台、第一支架1的端部底部平台和第二支架14的端部底部平台固定于同一平面，第一线圈2和第二线圈13与中间线圈9的相对位置固定不变且同轴。
可调刚度的电磁弹簧的中间线圈9的轴向长度与环形磁铁10的轴向长度相等。
可调刚度的电磁弹簧的中间可控电源7和两端可控电源5用可编程电源实现或用数据采集卡输出信号加功率放大器输出电流实现用电脑直接控制。
图2为本发明实施例提供的可调刚度的电磁弹簧斜剖视图，下面结合附图2详细说明本可调刚度弹簧的刚度调节原理：
当环形磁铁10相对于在中间线圈9相对位移为0时，环形磁铁10的第一端面和第二端面与中间线圈9的两个端面平齐，此时，第一线圈2和第二线圈13与环形磁铁10的间距相等，第一线圈2、第二线圈13、中间线圈9与环形磁铁10所形成的电磁场对称，环形磁铁10所受电磁力合力为0；
当环形磁铁10的相对与中间线圈9的位移为x时，环形磁铁10所受电磁力合力不为0，根据环形磁铁10所受电磁力与环形磁铁10的相对于中间线圈9位移的关系，得到可调刚度的电磁弹簧的刚度关于环形磁铁10的相对于中间线圈9位移的关系，可调刚度的电磁弹簧的刚度关于所述环形磁铁10的相对位移的关系表示为：
K＝A(I1，I2)+B(I1，I2)×x2；
K为可调刚度的电磁弹簧的刚度，常数项A，二次项系数B由所述电流I1和所述电流I2控制，x为环形磁铁10与中间线圈9的相对位移。
通过中间可控电源7和两端可控电源调节5电流I1和电流I2使二次项B为0，实现可调刚度的电磁弹簧刚度的线性调节。通过中间可控电源7和两端可控电源5调节电流I1和电流I2使常数项A为负值，得到负刚度电磁弹簧。
具体的，电流对刚度的系数的影响与线圈尺寸有关，以扩大线性负刚度弹簧的可调范围为设计目标，得到的弹簧中，磁铁尺寸为内环直径10mm，外环直径35mm，轴向长度26mm，中间线圈尺寸为内径37mm，外径44mm，长度26mm，端部线圈尺寸为内径22mm，外径45mm，长度20mm。此时常数项A与二次项系数B的表示分别为：
A(I1，I2)＝0.68×103×I1-1.08×103×I2；
B(I1，I2)＝-4×106×I1-4×106×I2；
对此弹簧，调节I1和I2使得I1＜1080I2/688，即可使常数项A小于0，得到负刚度弹簧。
令I1＝-I2，即可使二次项系数B为0，得到线性弹簧。同时令I1＜0，即可使常数项A小于0，得到线性负刚度弹簧。
本发明中一种可调刚度的电磁弹簧可以形成负刚度，利用此负刚度元件与普通正刚度元件并联可以设计可调的高静态刚度低动态刚度的隔振器，从而突破承载能力的限制，大大提高隔振性能。而且此负刚度元件非线性度可调，适应性广，使得隔振器可以满足更多使用条件。此外，本发明还具有结构紧凑、响应快的特点。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种可调刚度的电磁弹簧，其特征在于，包括：中轴、一中间电磁力控制部件和两端部电磁力控制部件；两所述端部电磁力控制部件位于所述中间电磁力控制部件两侧，且两所述端部电磁力控制部件和所述中间电磁力控制部件均套设于所述中轴上，所述中轴用于保证所述中间电磁力控制部件和两所述端部电磁力控制部件同轴；
所述中间电磁力控制部件包括：中间线圈、环形磁铁和中间可控电源，所述环形磁铁同轴固定于所述中轴上，所述中间线圈同轴套设于所述环形磁铁上；所述中间可控电源与所述中间线圈连接，所述中间可控电源用于向所述中间线圈供电；并通过调节所述中间线圈中的电流I1，控制所述中间线圈对所述环形磁铁的电磁力；
两所述端部电磁力控制部件包括：两端可控电源和设于所述中间电磁力控制部件一侧的第一线圈、设于所述中间电磁力控制部件另一侧的第二线圈；所述第一线圈和所述第二线圈串联，并分别同轴套设于所述中轴，所述第一线圈和所述第二线圈的轴向位置关于所述中间线圈对称；所述两端可控电源分别与所述第一线圈和所述第二线圈相连，所述两端可控电源用于向所述第一线圈和所述第二线圈供电，并通过调节所述第一线圈和所述第二线圈中的电流I2，控制所述第一线圈和所述第二线圈对所述环形磁铁的电磁力；
调节所述电流I1和所述电流I2来调整所述中间电磁力控制部件和两所述端部电磁力控制部件产生的电磁力作用，实现所述可调刚度的电磁弹簧的刚度的调节；
可调刚度的电磁弹簧的刚度关于所述环形磁铁的相对位移的关系表示为：
K＝A(I1，I2)+B(I1，I2)×x2；
K为可调刚度的电磁弹簧的刚度，常数项A，二次项系数B由所述电流I1和所述电流I2控制，x为环形磁铁与中间线圈的相对位移。
2.根据权利要求1所述的可调刚度的电磁弹簧，其特征在于，所述可调刚度的电磁弹簧还包括第一固定环和第二固定环；所述第一固定环贴紧所述环形磁铁的一端面，所述第二固定环贴紧所述环形磁铁的另一端面，所述环形磁铁通过所述第一固定环和所述第二固定环固定在所述中轴上；固定在所述中轴上的第一固定环、第二固定环和环形磁铁与所述中轴一起做轴向运动。
3.根据权利要求2所述的可调刚度的电磁弹簧，其特征在于，所述可调刚度的电磁弹簧还包括中间支架，所述中间支架包括中间底座平台、中间竖直支撑部和中间线圈连接部，所述中间竖直支撑部竖直设于所述中间底座平台上表面，所述中间线圈连接部位于所述中间竖直支撑部的上方，并与所述中间竖直支撑部在同一竖直面内，所述中间线圈连接部为圆管状结构，所述中间线圈连接部的圆管内置所述中间线圈，使所述中间线圈和所述环形磁铁之间存在间隙。
4.根据权利要求3所述的可调刚度的电磁弹簧，其特征在于，所述可调刚度的电磁弹簧还包括第一支架和第二支架，所述第一支架与所述第二支架结构相同，包括端部底部平台、端部竖直支撑部和端部线圈连接部，所述端部竖直支撑部竖直设于所述端部底部平台的上表面，所述端部线圈连接部与所述端部竖直支撑部垂直设置，所述端部线圈连接部为圆筒状结构，所述端部线圈连接部的圆筒外壁分别连接所述第一线圈和所述第二线圈。
5.根据权利要求4所述的可调刚度的电磁弹簧，其特征在于，所述可调刚度的电磁弹簧还包括第一直线轴承和第二直线轴承；所述第一直线轴承安装在所述第一支架线圈连接部的圆筒内，位于所述第一固定环与所述环形磁铁接触的相对的一侧；所述第二直线轴承安装在所述第二支架的线圈连接部的圆筒内，位于所述第二固定环与所述环形磁铁接触的相对的一侧；所述中轴穿过所述第一直线轴承和第二直线轴承，所述第一直线轴承和所述第二直线轴承用于限定所述中轴做轴向运动。
6.根据权利要求4所述的可调刚度的电磁弹簧，其特征在于，所述中间底部平台、所述第一支架的端部底部平台和所述第二支架的端部底部平台固定于同一平面，所述第一线圈和所述第二线圈与所述中间线圈的相对位置固定不变且同轴。
7.根据权利要求1所述的可调刚度的电磁弹簧，其特征在于，所述中间线圈的轴向长度与所述环形磁铁的轴向长度相等。
8.根据权利要求1所述的可调刚度的电磁弹簧，其特征在于，所述中间可控电源和所述两端可控电源用可编程电源实现或用数据采集卡输出信号加功率放大器输出电流实现用电脑直接控制。
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