CN109707786A - 一种电磁式正负刚度并联低频隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁式正负刚度并联低频隔振装置，包括基础平台、电磁悬浮平台、若干个支架、顶尖式负刚度机构和外部电源，所述电磁悬浮平台与所述基础平台固定连接，若干个支架沿所述电磁悬浮平台轴向均布且与所述基础平台固定连接，所述电磁悬浮平台与每个所述支架之间均设有一所述顶尖式负刚度机构，所述电磁悬浮平台与所述外部电源电连接。本发明结构简单，刚度在线可调，无摩擦因而系统阻尼低，能够实现低固有频率，可以对竖直方向上的微振动进行抑制和隔离，适应不同的场合，可以有效的衰减大频段范围内的微振动，为微振动环境下的精密加工与测量设备提供可靠的保障。

Description

一种电磁式正负刚度并联低频隔振装置

技术领域

本发明涉及低频振动隔离与抑制装置技术领域，特别是涉及一种电磁式正负刚度并联低频隔振装置。

背景技术

大多数情况下，采用隔振系统隔离振源振动是降低振动危害的唯一手段。振动隔离系统主要包括被动和主动两类。常用被动隔振器(例如橡胶隔振器、双层隔振器)都是典型的线性隔振系统。这类隔振装置在激励频率高于系统固有频率1.4倍的可隔振频段内能够获得良好的振动衰减率，但对于频率低于可隔振频带的低频振动，隔振系统无法进行有效的控制，甚至还有可能因为隔振器共振而激发出更大的振动。通过结构优化的方式降低系统刚度，虽然会提高系统对低频振动的隔振能力，也同时会增大被隔振对象的静位移，不利于被隔振对象保持稳定工作。另外，受结构设计和加工工艺的制约，结构优化方法只能有限地提升系统的隔振性能。

主动隔振是采用反馈的方式，将传感器接器采集到的状态信号，转换成电信号，传输给作动器，作动器输出相反方向的力，以抵消振动。主动隔振可以减少低频和高频振动，特别是对于低频段的隔振效果远好于被动隔振，但是结构复杂，维护困难，造价较贵。

中国专利公开号为CN 105972147 A，专利名称为正负刚度可调的准零刚度隔振平台，可较好的解决制约传统隔振系统的固有矛盾，即低频振动传递率与高频振动衰减率的矛盾。但是由于其正负刚度均由机械弹簧提供，一旦安装完毕，整个机构的刚度便无法在线调节；同时，由于轴承的采用，增大了系统的阻尼，不利于超低频隔振。

发明内容

本发明的目的是提供一种电磁式正负刚度并联低频隔振装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现低固有频率和刚度实时在线调节，同时具有较低的阻尼，可以对竖直方向上的微振动进行抑制和隔离。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种电磁式正负刚度并联低频隔振装置，包括基础平台、电磁悬浮平台、若干个支架、顶尖式负刚度机构和外部电源，所述电磁悬浮平台与所述基础平台固定连接，若干个支架沿所述电磁悬浮平台轴向均布且与所述基础平台固定连接，所述电磁悬浮平台与每个所述支架之间均设有一所述顶尖式负刚度机构，所述电磁悬浮平台与所述外部电源电连接。

优选地，所述电磁悬浮平台包括轴支座、中心轴、线圈套筒、第一挡圈、第二挡圈、第一电磁线圈、第二电磁线圈、第一永磁体和第二永磁体，所述中心轴的下端伸入所述轴支座的内部并与所述轴支座固定连接，所述轴支座与所述基础平台固定连接，所述线圈套筒套设于所述中心轴的上侧，所述线圈套筒的内壁上自下而上依次设有所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈，所述第一挡圈、所述第一永磁体、所述第二永磁体和所述第二挡圈自下而上依次套设于所述中心轴上并位于所述线圈套筒的内部，所述第一永磁体和所述第二永磁体通过所述第一挡圈和所述第二挡圈与所述中心轴固定连接。

优选地，所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈之间电连接并在轴向上具有间隙，所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈与外部电源电连接，通过所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈的电流大小相等，方向相反。

优选地，所述第一永磁体和所述第二永磁体相互接触，所述第一永磁体和所述第二永磁体相互排斥，所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈的内径大于所述第一永磁体和所述第二永磁体的外径。

优选地，所述线圈套筒的内壁形状为圆形，所述线圈套筒的外壁形状为正六边形，所述外壁的六个面上分别设有一通孔或一第一楔形槽，所述通孔和所述第一楔形槽的数量均为三个，所述通孔和所述第一楔形槽间隔设置。

优选地，所述基础平台的中部设有第一安装部，沿所述第一安装部轴向均布有若干个第二安装部，所述第二安装部上设有滑槽，所述轴支座的下端与所述第一安装部固定连接，所述支架的下端通过螺栓能够与所述第二安装部固定连接。

优选地，所述顶尖式负刚度机构包括依次可拆卸连接的蝶形顶尖、长连杆、片弹簧、短连杆、连接块以及分别设置于所述连接块两端并与所述连接块螺纹连接的第一柱形顶尖和第二柱形顶尖，所述蝶形顶尖与所述第一楔形槽相匹配。

优选地，所述片弹簧的形状为结构对称的八边形，所述片弹簧上对称开设有两个圆孔，所述长连杆的一端和所述短连杆的一端分别设置于一所述圆孔内。

优选地，所述支架的上端内侧水平设有第二楔形槽，所述第一柱形顶尖和所述第二柱形顶尖均与所述第二楔形槽相匹配。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：电磁式正负刚度并联低频隔振装置结构简单，刚度在线可调，无摩擦因而系统阻尼低，能够实现低固有频率，可以对竖直方向上的微振动进行抑制和隔离，适应不同的场合，可以有效的衰减大频段范围的微振动，为微振动环境下的精密加工与测量设备提供可靠的保障。

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为本发明电磁式正负刚度并联低频隔振装置的结构示意图；

图2为本发明电磁式正负刚度并联低频隔振装置的俯视图；

图3为图2中A-A截面处的结构示意图；

图4为本发明电磁悬浮平台的结构示意图；

图5为本发明电磁悬浮平台的主视图；

图6为图5中B-B截面处的结构示意图；

图7为本发明线圈套筒的结构示意图；

图8为本发明基础平台的结构示意图；

图9为本发明顶尖式负刚度机构的结构示意图；

图10为本发明顶尖式负刚度机构的主视图；

图11为本发明顶尖式负刚度机构的俯视图；

图12为本发明蝶形顶尖的结构示意图；

图13为本发明片弹簧的结构示意图；

图14为本发明支架的结构示意图；

图15为本发明电磁力-相对位移之间的关系图；

图16为本发明弹性恢复力数值分量-相对位移之间的关系图；

图17为本发明动子所受合力-相对位移之间的关系图；

图18为本发明传递率-频率之间的关系图；

其中：10-基础平台，20-电磁悬浮平台，30-顶尖式负刚度机构，40-支架，50-外部电源，101-第一安装部，102-第二安装部，103-滑槽，201-轴支座，202-中心轴，203-线圈套筒，2031-通孔，2032-第一楔形槽，2041-第一挡圈，2042-第二挡圈，2051-第一电磁线圈，2052-第二电磁线圈，2061-第一永磁体，2062-第二永磁体，301-蝶形顶尖，302-长连杆，303-片弹簧，304-短连杆，305-连接块，306-第一柱形顶尖，307-第二柱形顶尖，3031-圆孔，401-第二楔形槽。

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付出创造性劳动的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。

在本发明的描述中需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”和“右”指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位和位置关系，仅仅是为了方便描述的结构和操作方式，而不是指示或者暗示所指的部分必须具有特定的方位、以特定的方位操作，因而不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种电磁式正负刚度并联低频隔振装置，以解决现有技术存在的问题，能够实现低固有频率和刚度实时在线调节，同时具有较低的阻尼，可以对竖直方向上的微振动进行抑制和隔离。

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。

如图1-图18所示：本实施例提供了一种电磁式正负刚度并联低频隔振装置，包括基础平台10、电磁悬浮平台20、若干个顶尖式负刚度机构30、支架40和外部电源50，电磁悬浮平台20与基础平台10固定连接，若干个支架40沿电磁悬浮平台20轴向均布且与基础平台10固定连接，电磁悬浮平台20与每个支架40之间均设有一顶尖式负刚度机构30，电磁悬浮平台20与外部电源50电连接。

具体地，电磁悬浮平台20包括轴支座201、中心轴202、线圈套筒203、第一挡圈2041、第二挡圈2042、第一电磁线圈2051、第二电磁线圈2052、第一永磁体2061和第二永磁体2062，中心轴202的下端伸入轴支座201的内部并与轴支座201固定连接，轴支座201与基础平台10固定连接，线圈套筒203套设于中心轴202的上侧，线圈套筒203的内壁上自下而上依次设有第一电磁线圈2051和第二电磁线圈2052，第一挡圈2041、第一永磁体2061、第二永磁体2062和第二挡圈2042自下而上依次套设于中心轴202上并位于线圈套筒203的内部，第一永磁体2061和第二永磁体2062通过第一挡圈2041和第二挡圈2042与中心轴202固定连接，使得第一永磁体2061和第二永磁体2062与中心轴202之间无相对运动。

第一电磁线圈2051和第二电磁线圈2052之间电连接并在轴向上具有间隙，第一电磁线圈2051和第二电磁线圈2052与外部电源50电连接，当外部电源50工作时，通过第一电磁线圈2051和第二电磁线圈2052的电流大小相等，方向相反。第一永磁体2061和第二永磁体2062相互接触，第一永磁体2061和第二永磁体2062相互排斥，第一电磁线圈2051和第二电磁线圈2052的内径大于第一永磁体2061和第二永磁体2062的外径，因此，第一电磁线圈2051和第二电磁线圈2052与第一永磁体2061和第二永磁体2062之间无相互接触，可以发生轴向方向上的相对运动。线圈套筒203的内壁形状为圆形，线圈套筒203的外壁形状为正六边形，外壁的六个面上分别设有一通孔2031或一第一楔形槽2032，通孔2031和第一楔形槽2032的数量均为三个，通孔2031和第一楔形槽2032间隔设置。即正六边形相隔120度的三个面加工有三个通孔2031，可以通过此三个通孔2031观察第一电磁线圈2051、第二电磁线圈2052、第一永磁体2061以及第二永磁体2062的安装情况，另外三个面加工有三个第一楔形槽2032。

基础平台10的中部设有第一安装部101，沿第一安装部101轴向均布有若干个第二安装部102，第二安装部102上设有滑槽103，轴支座201的下端与第一安装部101固定连接，支架40的下端通过螺栓能够与第二安装部102固定连接。具体地，支架40的下端的螺栓穿过滑槽103，滑动支架40在基础平台10上的位置，调整到位后，旋紧螺栓即可。

顶尖式负刚度机构30包括依次可拆卸连接的蝶形顶尖301、长连杆302、片弹簧303、短连杆304、连接块305以及分别设置于连接块305两端并与连接块305螺纹连接的第一柱形顶尖306和第二柱形顶尖307，蝶形顶尖301与第一楔形槽2032相匹配。蝶形顶尖301的顶端与线圈套筒203的第一楔形槽2032连接，接触方式为线接触，工作过程中，蝶形顶尖301的顶端与第一楔形槽2032仅仅围绕该接触线转动，而无相对滑动，因此摩擦力较低，有效降低了系统阻尼。片弹簧303的形状为结构对称的八边形，片弹簧303上对称开设有两个圆孔3031，长连杆302的一端和短连杆304的一端分别设置于一圆孔3031内。具体地，片弹簧303具有弹性，可以发生沿两圆孔3031轴线的压缩或者拉伸。蝶形顶尖301的另一端与加工有螺纹孔，与长连杆302的左端连接。长连杆302的右端伸入片弹簧303上加工的孔内，通过螺母拧紧进行固定。短连杆304的左端伸入至片弹簧303的右端，同样是通过螺母拧紧进行固定。短连杆304的右端伸放至连接块306的中心孔内，通过螺母拧紧进行固定。连接块306的上下两端分别加工有螺纹通孔，使用过程中将第一柱形顶尖306和第二柱形顶尖307拧入其中，通过螺纹可以调节第一柱形顶尖306和第二柱形顶尖307的伸入量。

支架40的上端内侧水平设有第二楔形槽401，第一柱形顶尖306和第二柱形顶尖307均与第二楔形槽401相匹配。第二楔形槽401与第一柱形顶尖306和第二柱形顶尖307的顶尖端连接，连接方式为点接触，运动过程中，支架40与第一柱形顶尖306和第二柱形顶尖307绕接触点转动，无相对滑动，因此摩擦很小，进一步降低了系统阻尼。

本实施例中的电磁式正负刚度并联低频隔振装置的工作原理如下：

在电磁悬浮平台20中，线圈套筒203、第一电磁线圈2051和第二电磁线圈2052作为动子，在工作过程中发生沿中心轴202轴向的相对运动；其余部分均为定子，在运动过程中保持静止。使用过程中，对电磁线圈通以适当电流，此时第一电磁线圈2051和第二电磁线圈2052产生的磁场与第一永磁体2061和第二永磁体2062产生的磁场发生相互作用，产生电磁力。调节电流大小，当电磁力与动子部分的重力相等时，动子部分受力平衡而保持静止，该位置即为动子的平衡位置。此时的电磁悬浮平台20相当于一个提供正刚度的弹簧，为动子部分提供支持力，该力的方向与动力的运动方向相反，电磁力与相对位置之间的关系图如图15所示。

将顶尖式负刚度机构30安装至支架40和电磁悬浮平台20之间，顶尖式负刚度机构30的一左一右的两个尖端分别与支架40的第二楔形槽401和线圈套筒203的第一楔形槽2032接触。转动第一柱形顶尖306和第二柱形顶尖307，从而压缩片弹簧303，使其保持一定的预紧力。电磁悬浮平台20的动子的重力已经被电磁力抵消而静止；同时，被压缩于支架40和线圈套筒203之间的顶尖式负刚度机构30的恢复力仅仅沿水平方向，无其他方向的分力，三套顶尖式负刚度机构30的恢复力交于整个机构的几何中心，大小相等，因此整个机构处于受力平衡状态，从而也保持静止。

当电磁悬浮平台20的动子部分受到外界扰动而位置发生偏移时，顶尖式负刚度机构30不再保持水平而发生偏转，压缩片弹簧303的弹性恢复力除了水平分量以外，开始出现沿竖直方向的分量。三套顶尖式负刚度机构30恢复力的水平方向分力依然平衡，而弹性恢复力竖直方向分量的合力与相对位移之间的关系图如图16所示，该力的方向与动子的运动方向相同，即提供的刚度为负刚度。

因此，动子受到的合力，等于弹性恢复力竖直分量与电磁力的合力，动子受到的合力与相对位移之间的关系图如图17所示。从图17中可以看出，动力在平衡位置附近所受合力较小，说明刚度较低，从而实现了较低的固有频率。机构传递率与频率之间的关系图如图18所示，从图18中可以看出本机构具有较低固有频率，可以实现较大频段的振动隔离。

本实施例中的电磁式正负刚度并联低频隔振装置结构简单，刚度在线可调，无摩擦因而系统阻尼低，能够实现低固有频率，可以对竖直方向上的微振动进行抑制和隔离，适应不同的场合，可以有效的衰减大频段范围的微振动，为微振动环境下的精密加工与测量设备提供可靠的保障。

本说明书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 (9)

1.一种电磁式正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：包括基础平台、电磁悬浮平台、若干个支架、顶尖式负刚度机构和外部电源，所述电磁悬浮平台与所述基础平台固定连接，若干个支架沿所述电磁悬浮平台轴向均布且与所述基础平台固定连接，所述电磁悬浮平台与每个所述支架之间均设有一所述顶尖式负刚度机构，所述电磁悬浮平台与所述外部电源电连接。

2.根据权利要求1所述的电磁式正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：所述电磁悬浮平台包括轴支座、中心轴、线圈套筒、第一挡圈、第二挡圈、第一电磁线圈、第二电磁线圈、第一永磁体和第二永磁体，所述中心轴的下端伸入所述轴支座的内部并与所述轴支座固定连接，所述轴支座与所述基础平台固定连接，所述线圈套筒套设于所述中心轴的上侧，所述线圈套筒的内壁上自下而上依次设有所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈，所述第一挡圈、所述第一永磁体、所述第二永磁体和所述第二挡圈自下而上依次套设于所述中心轴上并位于所述线圈套筒的内部，所述第一永磁体和所述第二永磁体通过所述第一挡圈和所述第二挡圈与所述中心轴固定连接。

3.根据权利要求2所述的电磁式正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈之间电连接并在轴向上具有间隙，所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈与外部电源电连接，通过所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈的电流大小相等，方向相反。

4.根据权利要求2所述的电磁式正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：所述第一永磁体和所述第二永磁体相互接触，所述第一永磁体和所述第二永磁体相互排斥，所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈的内径大于所述第一永磁体和所述第二永磁体的外径。

5.根据权利要求2所述的电磁式正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：所述线圈套筒的内壁形状为圆形，所述线圈套筒的外壁形状为正六边形，所述外壁的六个面上分别设有一通孔或一第一楔形槽，所述通孔和所述第一楔形槽的数量均为三个，所述通孔和所述第一楔形槽间隔设置。

6.根据权利要求2所述的电磁式正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：所述基础平台的中部设有第一安装部，沿所述第一安装部轴向均布有若干个第二安装部，所述第二安装部上设有滑槽，所述轴支座的下端与所述第一安装部固定连接，所述支架的下端通过螺栓能够与所述第二安装部固定连接。

7.根据权利要求5所述的电磁式正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：所述顶尖式负刚度机构包括依次可拆卸连接的蝶形顶尖、长连杆、片弹簧、短连杆、连接块以及分别设置于所述连接块两端并与所述连接块螺纹连接的第一柱形顶尖和第二柱形顶尖，所述蝶形顶尖与所述第一楔形槽相匹配。

8.根据权利要求7所述的电磁式正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：所述片弹簧的形状为结构对称的八边形，所述片弹簧上对称开设有两个圆孔，所述长连杆的一端和所述短连杆的一端分别设置于一所述圆孔内。

9.根据权利要求7所述的电磁式正负刚度并联低频隔振装置，其特征在于：所述支架的上端内侧水平设有第二楔形槽，所述第一柱形顶尖和所述第二柱形顶尖均与所述第二楔形槽相匹配。