CN110369246A - 基于Halbach永磁阵列的惯性激振器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于Halbach永磁阵列的惯性激振器及其设计方法，包括壳体，所述壳体内部分别设有可动磁体部、固定绕组部、悬挂部和重力补偿部；可动磁体部包括Halbach永磁阵列以及位于Halbach永磁阵列上部和下部的纯铁；所述固定绕组部包括线圈；所述悬挂部包括连接在纯铁与壳体之间的若干卷曲弹簧，所述重力补偿部包括支撑弹簧；固定绕组部与被激振物体连接，当给线圈通入交变电流后，在洛伦兹力的作用下，可动磁体部相对于固定绕组部发生振动，通过调节电流大小和方向能够改变振动的幅值和频率。本发明利用Halbach永磁阵列设计激振器的磁路，用于提高激振器的磁感应强度，与同体积的传统磁路相比，本发明中磁路产生磁感应强度可以提升50％左右。

Description

基于Halbach永磁阵列的惯性激振器及其设计方法

技术领域

本发明涉及主动隔振技术领域，尤其涉及一种基于Halbach永磁阵列的惯性激振器及其设计方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着DSP芯片、数字信号处理器、高性能传感器等快速发展，有源控制技术得到大幅度提升，广泛应用于航空航天、海洋舰船、精密设备等领域的振动和噪声抑制。如海洋舰船上，螺旋桨工作、动力设备运转、水动力、舱内人员活动等产生的振动和噪声对舰船战斗力和隐蔽性的提升有较大的影响。中高频带的振动与噪声控制可以采用压电激振器、电动激振器、气动激振器、电液激振器等来实现有效的隔离与抑制。但以上激振器对低中频带范围内的振动与噪声控制效果不佳。磁悬浮技术以其非接触、刚度可调、行程大等优点，对极低频、低频到中高频带范围内的振动与噪声具有较优的隔离和抑制效果，成为当前的研究热点。

发明人发现，传统激振器应用时需要将激振器的顶杆与被激振物体接触，将激振器的主体和底座固定在另一个物体上，同时要保证安装精度，来获得预期的力和振动。这种安装和工作方式极大地限制了激振器的应用。而基于磁悬浮技术研制的惯性激振器可以将激振器主体与力的输出、基座作为一个整体安装在被激振物体上，安装方式简单，精度较易得到保证，通用程度高。但受限于磁路的影响，惯性激振器的输出力通常较小；受限于板簧的刚度，惯性激振器的总体刚度仍然难以满足低频控制需求。

现有技术针对当前激振器力输出能力不强的缺点，在单磁体结构中采用两个线圈的结构形式，与单线圈结构的激振器相比，输出力提升2倍。但是由于采用双线圈结构，磁体需要形成对称的磁路，这将使磁体的重量增加2倍，不利用实现惯性激振器小体积轻质量的设计目标。

现有技术提出采用Halbach永磁阵列设计磁场强度较大、线性度较好的磁悬浮作动器，在不增加体积的前提下，提高做动力，并降低热耗。但是该作动器是非接触的，不具有激振功能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出基于Halbach永磁阵列的惯性激振器及其设计方法，能够有效解决当前基于磁悬浮技术的惯性激振器产品输出力小的问题，且利于实现激振器低刚度需求，进一步扩大激振器的控制频率范围。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

基于Halbach永磁阵列的惯性激振器，包括壳体，所述壳体内部分别设有可动磁体部、固定绕组部、悬挂部和重力补偿部；

所述可动磁体部包括Halbach永磁阵列以及位于Halbach永磁阵列上部和下部的纯铁；所述固定绕组部包括线圈，所述线圈设置在Halbach永磁阵列与纯铁形成的间隙中；所述悬挂部包括连接在纯铁与壳体之间的若干卷曲弹簧，所述重力补偿部包括支撑弹簧，所述支撑弹簧用于支撑可动磁体部的重量，并提供激振器所需的振幅；

所述固定绕组部与被激振物体连接，当给线圈通入交变电流后，在洛伦兹力的作用下，可动磁体部相对于固定绕组部发生振动，通过调节电流大小和方向能够改变振动的幅值和频率。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

基于Halbach永磁阵列的惯性激振器设计方法，包括：

选取不同充磁强度不同、不同几何尺寸以及不同外形的永磁体，按照不同的排列方式组成不同的Halbach永磁阵列，通过有限元软件对不同的Halbach永磁阵列进行仿真，选取具有最优磁回路结构的Halbach永磁阵列；

通过分别分析不同气隙长度以及不同几何尺寸的永磁体对磁场强度的影响规律，选择最优的永磁体尺寸和结构；

通过计算固定绕组部所处的位置沿着x方向和y方向的磁场强度变化趋势，衡量惯性激振器的线性度；

对惯性激振器的输出力值指标进行分解，作为固定绕组部线圈电流和电阻的设计依据，确定最大允许用电流和电阻，以及线圈的层数、圈数；

通过应力应变分析和刚度分析，对卷曲弹簧和支撑弹簧的几何参数进行优化，最终得到满足激振器刚度要求的设计参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用Halbach永磁阵列设计激振器的磁路，用于提高激振器的磁感应强度，与同体积的传统磁路相比，本发明中磁路产生磁感应强度可以提升50％左右；

(2)本发明中激振器的磁路末端采用两块纯铁，用于形成分布均匀的磁场密度，将线圈置于纯铁之间的磁场中，可以改善永磁体端部磁路发散的情况，提高激振器的线性度；

(3)本发明采用多个卷曲弹簧连接永磁体与外壳，通过优化卷曲弹簧的刚度、改变卷曲弹簧的数量可以改变系统的刚度，利于实现激振器低刚度需求，进一步扩大激振器的控制频率范围；

(4)本发明提出的线圈及其连接件与磁体之间通过上下两组卷曲弹簧连接，用于提供激振器工作所需的刚度和运动行程；

(5)本发明激振器磁路底部有支撑弹簧，用于补偿激振器磁体部分的重力，避免长时间工作后弹簧片产生变形，提高激振器的可靠性。

附图说明

图1是实施例一中基于Halbach永磁阵列的惯性激振器工作原理示意图；

图2是实施例一中可动磁体部结构示意图；

图3(a)是实施例一中可动磁体部三维立体半剖立体示图；

图3(b)是实施例一中可动磁体部三维立体半剖线条示图；

图4是实施例一中固定绕组部结构示意图；

图5是实施例一中悬挂部结构示意图；

图6(a)-6(e)分别是不同永磁体与纯铁组合布局示意图；

图7是实施例一中不同磁路下的磁场强度变化规律；

图8是实施例一中惯性激振器可动磁体半磁场分布；

图9是实施例二中沿着线圈行程方向的磁感应强度分布；

图10是实施例二中沿着径向的磁感应强度分布；

其中，1、环形纯铁，2、第二环形永磁体，3、第一环形永磁体，4、第二圆柱形纯铁，5、第一圆柱形纯铁，6、第二圆柱形永磁体，7、第一圆柱形永磁体，8、工作平台，9、空心线圈，10、绕组骨架，11、环形外圈固定片，12、卷曲弹簧，13、环形内圈固定片，14、激振器外壳，15、支撑弹簧。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

正如背景技术所介绍的，传统激振器受安装和工作方式的影响，应用领域具有一定的局限性。为拓展激振器的应用范围，本实施例提出了一种基于Halbach永磁阵列的高力值低刚度惯性激振器，其结构如图1所示，包括：可动磁体部、固定绕组部、悬挂部和重力补偿部；

其中，可动磁体部包括纯铁和Halbach阵列组合；参照图2和图3(a)和图3(b)，可动磁体部具体包括：第一环形永磁体3之上设置第二环形永磁体2，所述第一环形永磁体3和第二环形永磁体2形成的环形空间之间设置第一圆柱形永磁体7和第二圆柱形永磁体6，第二圆柱形永磁体6设置在第一圆柱形永磁体7之上；第二环形永磁体2之上设置环形纯铁1，第二圆柱形永磁体6之上设置第一圆柱形纯铁5，第一环形永磁体3和第一圆柱形永磁体7之下设置第二圆柱形纯铁4。

第一圆柱形永磁体7、第二圆柱形永磁体6和第一圆柱形纯铁5与第一环形永磁体3、第二环形永磁体2和环形纯铁1之间均留有设定距离的间隙；固定绕组部的线圈设置在这个间隙中；

环形纯铁1、第一圆柱形纯铁5和第二圆柱形纯铁4用于形成磁回路，并且在环形纯铁1和第一圆柱形纯铁5形成的间隙中，磁场分布较均匀。

环形纯铁1、第一环形永磁体3、第二环形永磁体2和第二圆柱形纯铁4构成外路磁场。第一圆柱形纯铁5、第一圆柱形永磁体7、第二圆柱形永磁体6和第二圆柱形纯铁4构成内路磁场。各个纯铁和永磁体之间通过胶结而成。

参照图1和图4，固定绕组部包括工作平台8、空心线圈9和绕组骨架10。空心线圈9采用交错绕线方式缠绕到绕组骨架10上，用于减小线圈的体积。工作平台8用于与被激振物体连接，工作平台8上设计有标准的安装接口。绕组骨架10与工作平台8相互独立，通过螺栓连接到工作平台8上，便于更换不同的线圈。

空心线圈9放置于由纯铁、Halbach永磁阵列行程的间隙中。固定绕组部工作时安装在被激振的物体上，给线圈通入交变电流，基于洛伦兹力原理，使得可动磁体与固定绕组之间产生相互作用力，固定绕组与被激振物体连接，在洛伦兹力的作用下产生受迫振动，在共振频率附近激振器能输出较大的控制力。通过改变电流的大小和方向，可以改变振动的幅值和频率，进而改变激振器的输出特性。

参照图1和图5，悬挂部包括环形外圈固定片11、卷曲弹簧12和环形内圈固定片13。环形外圈固定片11和环形内圈固定片13与卷曲弹簧12之间设有连接接口，用于固定卷曲弹簧12，并连同卷曲弹簧12一起连接到外壳体上。卷曲弹簧12具有弯曲圆弧形结构，能够提供大于±5mm的运动行程，用于提供激振器所需的振幅。

环形纯铁1和第二圆柱形纯铁4上设计有嵌入式凹槽以及螺纹孔，用于与环形内圈固定片13连接。安装时将环形内圈固定片13潜入凹槽中，用螺栓将环形内圈固定片13与纯铁连接到一起。环形外圈固定片11通过螺栓与激振器外壳14体连接。

参照图1，重力补偿部包括支撑弹簧15，支撑弹簧15可以承载可动磁体部的重量，并具有大于±5mm的运动行程，用于补偿可动磁体的重量并提供激振器所需的振幅。

惯性激振器的磁场强度大小及其分布均匀性对激振器的力值影响较大。为提高激振器的输出力值，增加激振器输出力值的一致性，需要优化磁路中永磁体的数量和充磁方向。不同永磁体与纯铁组合布局如图6(a)-6(e)所示。利用Ansys/Maxwell软件对以上5种布局方式进行磁场仿真，得到不同磁路布局的磁场强度变化规律如图7所示。图6(a)的磁场强度优于图6(b)，表明采用Halbach阵列有助于增强气隙处的磁场。图6(c)和6(d)布局可以在气隙处产生较强的磁场，但是磁场的均匀性较差。虽然图6(a)的磁场强度大于图6(e)，但是均匀性也较差。综合考虑，图6(e)的磁场的强度和均匀性优于其他方案。

本实施例中，惯性激振器一半可动磁体的磁感线分布如图8所示，另一半的磁感线分布与之相同。考虑零件的通用性，第一环形永磁体3和第二环形永磁体2的尺寸、充磁强度和充磁方向均相同，第一圆柱形永磁体7和第二圆柱形永磁体6的尺寸和充磁强度和充磁方向均相同。

本实施例提出的惯性激振器可以作为一个整体安装到被激振物体上，拓展了磁悬浮技术的应用范围。本发明可实现激振器大力值、低刚度需求，进一步扩大激振器的控制频率范围。

本实施例中，采用的内磁路、外磁路Halbach永磁阵列，每组Halbach永磁体的磁化方向、充磁强度和尺寸参数均相同，永磁体通过高性能金属胶水粘接在一起，其中第一环形永磁体3、第二环形永磁体2的磁化方向与重力方向相反，第一圆柱形永磁体7、第二圆柱形永磁体6的磁化方向沿着重力方向。

其中，永磁体采用型号为N50M钕铁硼材料烧结而成，环形永磁体截面尺寸为14mm×15mm，圆柱形永磁体截面尺寸为28mm×30mm。环形纯铁11的截面尺寸14mm×20mm，圆柱形纯铁4的半径为37.5mm，圆柱形纯铁5的半径为16mm。外壳的最大外径为120mm。固定绕组的工作平台8外径为120mm。线圈选用直径为0.5mm的铜线，含外涂层的直径为0.55mm，线圈共360匝，线圈的总长度为52675mm，总电阻为1.1欧姆。当线圈通入1.5A电流时，基于该尺寸计算的激振力约40N。

采用这种新型的磁路布局方式，使得磁场分布较为均匀、漏磁较少。采用环形永磁体和圆柱形永磁体，同时采用环形空心线圈9，使得电流与磁场360度相互作用，有效地利用了空间，设计的惯性激振器具有体积小、输出力值大、输出力均匀性好等优点。

本实施例提出的由环形外圈固定片11、卷曲弹簧12片、环形内圈固定片13组成的悬挂部分，可以产生大于±5mm的运动行程，卷曲弹簧12的固有频率小于20Hz，环形外圈固定片11的外径为120mm，环形内圈固定片13的外径为80mm。支撑弹簧15用于补偿可动磁体的重力，同时也可以提供大于±5mm的运动行程，支撑弹簧15的固有频率小于20Hz。

本实施例的惯性激振器可以有效解决传统激振器安装复杂、主控控制频带较窄、应用不广泛等问题，通过优化设计激振器的磁路、悬挂部分的刚度，提高激振器的输出力值，降低悬挂部分刚度，扩大控制频带。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于Halbach永磁阵列的磁悬浮激振器的设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：利用充磁强度不同、几何尺寸不同、外形不同的永磁体排列组成Halbach永磁阵列，通过有限元软件对不同磁体的组合方式进行仿真；

步骤2：根据有限元仿真结果，选取最优的磁回路结构；

步骤3：计算纯铁之间形成的气隙之间的磁场强度，分析不同气隙长度对磁场强度的影响规律；

步骤4：分析不同几何尺寸的永磁体对气隙处磁场强度的影响规律，并以此为依据选择合适的磁体尺寸和结构；

步骤5：计算固定绕组所处的位置沿着x方向和y方向的磁场强度变化趋势，衡量设计的惯性激振器的线性度；

步骤6：对惯性激振器的输出力值指标进行分解，提出绕组线圈电流和电阻的设计依据；

步骤7：选择可用的漆包线直径系列，计算最大许用电流和电阻，以及线圈的层数、圈数。采用交错布线的缠绕方式制作线圈，计算最终形成的线圈的几何参数；

步骤8：设计安装空心线圈9的绕组骨架10，将绕组骨架10嵌入激振器的工作平台8中，为工作平台8设计标准的通用型接口；

步骤9：分解激振器的刚度指标，设计卷曲弹簧12和支撑弹簧15，利用有限元软件计算卷曲弹簧12和支撑弹簧15的模态，并作应力应变分析和刚度分析。

步骤10：根据仿真计算结果，对卷曲弹簧12和支撑弹簧15的几何参数进行优化，最终得到满足激振器刚度要求的设计参数；

步骤11：测试磁悬浮激振器输出力值和悬挂部分、支撑部分的刚度。

考虑到惯性激振器小体积的特点，对惯性激振器的可动磁体进行参数优化设计。采用表1所示的磁体参数和气隙参数，利用Ansys/Maxwell软件对表中5组参数的磁路进行仿真分析。仿真结果如图9、图10所示。图示表明采用e组参数可以提升沿着线圈行程方向的磁感应强度和沿着径向的磁感应强度。在间隙范围内，磁感应强度沿着水平方向的变化量小于1％，磁感应强度沿着竖直方向的变化量小于5％，其中与纯铁尺寸一致的范围内，磁感应强度的变化量小于1％，验证了设计的惯性激振器具有良好的线性。

表1不同磁体的具体参数及间隙值

磁体方案	a	b	c	d	e
						磁体截面参数(mm)	13×13	13×13	14×14	14×14	14×15
间隙(mm)	10	9	9	8	8

本发明实施例提出的惯性激振器通过对Halbach永磁阵列的磁场分布、线圈电阻、卷曲弹簧12刚度、支撑弹簧15刚度的优化设计，实现了小体积、大力值、低刚度的激振特性。本实施例中的惯性激振器可以应用于海洋舰船上的振动和噪声抑制，如螺旋桨工作、动力设备运转、水动力、舱内人员活动等产生的振动和噪声，通过惯性激振器的主动控制，对舰船战斗力和隐蔽性的提升有较大的影响。此外，本发明实施例提出的惯性激振器还可以应用于航空航天、海洋舰船、精密设备等领域。

实施例三

在一些实施例中，提供了一种基于Halbach永磁阵列的惯性激振器使用方法，包括以下步骤：

(1)将惯性激振器的工作平台8与被激振物体连接，当被激振物体工作时产生一定频率和幅值的振动，并伴随着噪声。利用传感器测试被激振物体的振动量级，并通过信号采集与处理系统对测试结果进行提取与分析。

(2)建立被激振物体的数学模型，针对被激振物体提出主动控制的目标模型。基于目标模型，采用现代控制理论，设计H∞控制算法或者自适应控制算法，建立主动控制模型。利用控制器硬件、驱动器硬件等对被激振物体实施控制

(3)利用AD板卡把模拟量转化成数字量，对传感器测试结果进行滤波，在H∞控制算法或者自适应控制算法实施后，利用控制器输出所需的电压，再利用DA板卡把数字量转化成模拟量，并将控制输出给惯性激振器的线圈，从而实现主动控制。

在本实施例中，控制器可以给激振器的线圈输入恒定电流，也可以给线圈输入交变电流，由于设计的惯性激振器磁场具有良好的线性度，激振器的输出力主要取决于电流的大小和方向。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于Halbach永磁阵列的惯性激振器，包括壳体，其特征在于，所述壳体内部分别设有可动磁体部、固定绕组部、悬挂部和重力补偿部；

所述可动磁体部包括Halbach永磁阵列以及位于Halbach永磁阵列上部和下部的纯铁；所述固定绕组部包括线圈，所述线圈设置在Halbach永磁阵列与纯铁形成的间隙中；所述悬挂部包括连接在纯铁与壳体之间的若干卷曲弹簧，所述重力补偿部包括支撑弹簧，所述支撑弹簧用于支撑可动磁体部的重量，并提供激振器所需的振幅；

所述固定绕组部与被激振物体连接，当给线圈通入交变电流后，在洛伦兹力的作用下，可动磁体部相对于固定绕组部发生振动，通过调节电流大小和方向能够改变振动的幅值和频率。

2.如权利要求1所述的基于Halbach永磁阵列的惯性激振器，其特征在于，所述可动磁体部具体包括：第一环形永磁体之上设置第二环形永磁体，所述第一环形永磁体和第二环形永磁体形成的环形空间之间设置第一圆柱形永磁体和第二圆柱形永磁体，第二圆柱形永磁体设置在第一圆柱形永磁体之上；第二环形永磁体之上设置环形纯铁，第二圆柱形永磁体之上设置第一圆柱形纯铁，第一环形永磁体和第一圆柱形永磁体之下设置第二圆柱形纯铁。

3.如权利要求2所述的基于Halbach永磁阵列的惯性激振器，其特征在于，所述第一环形永磁体和第二环形永磁体的尺寸、充磁方向和充磁强度均相同。

4.如权利要求2所述的基于Halbach永磁阵列的惯性激振器，其特征在于，第一圆柱形永磁体、第二圆柱形永磁体和第一圆柱形纯铁与第一环形永磁体、第二环形永磁体和环形纯铁之间均留有设定距离的间隙，所述线圈设置在所述间隙中。

5.如权利要求2所述的基于Halbach永磁阵列的惯性激振器，其特征在于，所述支撑弹簧设置在第二圆柱形纯铁的底部。

6.如权利要求1所述的基于Halbach永磁阵列的惯性激振器，其特征在于，所述固定绕组部包括：工作平台、线圈和绕组骨架；所述工作平台与被激振物体连接，所述绕组骨架与工作平台可拆卸连接，线圈采用交错绕线方法缠绕在绕组骨架上。

7.如权利要求1所述的基于Halbach永磁阵列的惯性激振器，其特征在于，所述悬挂部包括：外圈固定片、卷曲弹簧片和内圈固定片；所述卷曲弹簧片连接在外圈固定片和内圈固定片之间；所述外圈固定片与壳体连接，所述内圈固定片与纯铁连接。

8.如权利要求7所述的基于Halbach永磁阵列的惯性激振器，其特征在于，所述卷曲弹簧片具有弯曲圆弧形结构，用于提供激振器所需的振幅。

9.基于Halbach永磁阵列的惯性激振器设计方法，其特征在于，包括：

选取不同充磁强度不同、不同几何尺寸以及不同外形的永磁体，按照不同的排列方式组成不同的Halbach永磁阵列，通过有限元软件对不同的Halbach永磁阵列进行仿真，选取具有最优磁回路结构的Halbach永磁阵列；

通过分别分析不同气隙长度以及不同几何尺寸的永磁体对磁场强度的影响规律，选择最优的永磁体尺寸和结构；

通过计算固定绕组部所处的位置沿着x方向和y方向的磁场强度变化趋势，衡量惯性激振器的线性度；

对惯性激振器的输出力值指标进行分解，作为固定绕组部线圈电流和电阻的设计依据，确定最大允许用电流和电阻，以及线圈的层数、圈数；

通过应力应变分析和刚度分析，对卷曲弹簧和支撑弹簧的几何参数进行优化，最终得到满足激振器刚度要求的设计参数。

10.如权利要求9所述的基于Halbach永磁阵列的惯性激振器设计方法，其特征在于，通过优化卷曲弹簧的刚度、改变卷曲弹簧的数量，能够改变系统的刚度，扩大激振器的控制频率范围。