CN110985588A - 一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器 - Google Patents

Abstract

一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，包括基座、磁流变阻尼器、转接板，主要利用磁流变阻尼器支撑并消耗振动的能量；磁流变阻尼器包括上腔体、下腔体、连接环、永磁体、节流孔、导磁环、超声波电机等；在由波纹管构成的上下腔体内存储磁流变液，且利用腔体的中段和两端作为振动的输入输出端，实现阻尼器的无动静间隙的模拟活塞运动，推动流体流动，提供流体阻尼，可长期在轨工作时无泄漏。且磁流变阻尼器采用超声波电机驱动永磁体转动，调节永磁体与节流孔的重合度，即调节进入永磁体磁场内的节流孔数，来改变阻尼器的阻尼大小。超声波电机转动到位后，即可断电自锁。本发明实现了利用超声波电机调节处于磁场中的节流孔数量，调节阻尼大小。

Description

一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器

技术领域

本发明涉及一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，属于微振动控制技术领域。

背景技术

控制力矩陀螺等惯性姿态执行机构已被广泛应用于遥感卫星和空间实验室等高精度航天器，是其所在航天器实现快速姿态机动与姿态稳定的关键产品。随着航天科技的飞速发展，用户对卫星性能(如相机的分辨率)需求越来越高，实现这些性能的有效载荷对航天器平台的姿态精度和稳定性要求也越来越高。可是惯性姿态执行机构的转子在高速旋转过程中，将产生宽频微幅振动，成为航天器的主要振源之一，影响到航天器姿态精度、稳定度和平台的超静性能，进而在一定程度上影响到载荷的性能指标的实现。因此稳定的工作平台成为高性能敏感器等有效载荷正常工作的前提。

微振动控制是提高平台稳定性的有效途径，可是针对控制力矩陀螺等惯性姿态执行机构的结构减振难以取得较好的微振动抑制效果，而从振动传递路径上的微振动隔离较为简单有效。一般采用弹簧-橡胶阻尼器隔振或者金属弹簧-金属橡胶阻尼器隔振，可是橡胶受温度和频率的影响较大，且不耐受空间辐照和原子氧等侵蚀；而金属橡胶具有较强的非线性，在大振幅和小振幅时的阻尼系数和刚度都不相同，不便设计；且它们的结构一旦确定，其阻尼系数基本无法改变，难以满足不同环境不同工况的需求；传统的磁流变和电流变液体阻尼器可根据需要主动调节阻尼，但是其需要长期供电，增加了在轨应用成本；因此阻尼和刚度设计解耦、阻尼可调、功耗低、适应地面与在轨不同环境、耐辐照和原子氧侵蚀的可变阻尼隔振器亟待研发。

传统的流体阻尼器主要采用单出杆或者双出杆推动活塞运动，挤压流体的流动，从而产生一定的液体阻尼。鉴于出杆与密封腔之间难免存在一定的间隙，不可避免地存在液体微漏，既降低了液体阻尼性能，又可能污染星上环境，使之难以满足长寿命工作要求。

传统的利用磁流变液进行阻尼耗能主要是采用通电线圈产生磁场，利用电流的大小调节磁场的强弱，进而改变节流孔内磁流变液的动粘度，调节阻尼；当线圈中电流消失，则磁场也消失，无法维持磁流变液所需的磁场，因此线圈需要一直供电，因此消耗的电能较多。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，可较好地适应空间环境，以较小的重量和功耗等代价，实现隔振器变阻尼，抑制控制力矩陀螺等惯性执行机构产生的宽频微振动。

本发明所采用的技术方案是：一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，包括基座、若干磁流变阻尼器、若干转接板；每个转接板通过多个磁流变阻尼器连接基座，转接板连接被隔振的设备；

磁流变阻尼器包括下盖板、下腔体、连接环、永磁体、节流孔、上腔体、上盖板、上推力杆、上压盖、顺磁体、下压盖、导磁环、固定环、外壳、超声波电机、下推力杆；

上推力杆连接转接板，下推力杆连接基座；连接环与波纹管通过电子束焊接形成下腔体和上腔体，腔内充满磁流变液；连接环沿周向分为2n个圆心角为π/n的区域，n为自然数，相邻的两个区域中，其中一个区域内分布若干节流孔，另一个区域内没有节流孔；连接环外侧安装导磁环；连接环内侧间隔安装有永磁体和顺磁体；永磁体和顺磁体通过上压盖和下压盖安装于超声波电机的转子轴上；构成下腔体的波纹管位于超声波电机外侧；下腔体和上腔体的两端通过下盖板和上盖板压紧，实现下腔体和上腔体两波纹管的并联；下盖板和上盖板通过外壳连接，下推力杆安装在下盖板中部，作为隔振的输入或输出端；上推力杆一端与连接环连接，作为隔振的输出或输入端；在载荷的作用下，隔振的输入端和输出端之间存在相对运动时，连接环相对外壳上下移动，推动磁流变液沿节流孔从一个腔体挤入另一个腔体。

永磁体的磁力线穿过连接环，经过导磁环形成回路；超声波电机带动永磁体和顺磁体转动；当永磁体与节流孔在周向重叠时，永磁体和导磁环之间的磁场穿过节流孔，使得该重叠区域内的节流孔处的磁场加强，使得重叠区域内的节流孔中的磁流变液的动粘度提高；通过调节处于磁场中的节流孔数量的多少，实现阻尼大小的调节。

超声波电机工作在连续模式或步进模式，利用角位移传感器反馈；当超声波电机工作在步进模式时，利用零位传感器对超声波电机的转子的角位置进行标定，通过计数超声波电机走过的步数，计算永磁体转过的角度，获得永磁体与节流孔在周向的重叠度，得到阻尼隔振器的阻尼系数的大小。

超声波电机将永磁体驱动到设定的角度后，能够断电自锁，此时，所述阻尼隔振器工作于被动隔振状态。

磁流变阻尼器的个数与倾角依据被隔振对象特性和隔振要求确定。

永磁体和顺磁体为扇形结构，侧截面为U形。

每个区域内永磁体和顺磁体的圆心角皆为π/n。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用波纹管腔体存储磁流变液，且利用腔体的中段和两端作为振动的输入输出端。在振动作用下，导致输入输出端相对运动，使得中段相对于两端运动，挤压液体在上、下两腔体内流动，实现了阻尼器在无动静间隙情况下模拟活塞运动功能，提供了流体阻尼，避免了阻尼器的液体泄漏，因此适用于空间长寿命应用。

(2)在地面等重力场中，磁流变液中悬浮的磁性颗粒很容易沉淀，需要磁性颗粒进行特殊的表面改性处理；而本发明将磁流变液应用于空间产品，使之处于失重状态下，其中的悬浮磁性颗粒不易沉淀，能够较好地保持磁流变液的均匀性，可更好地发挥磁流变液主动阻尼调节的性能。

(3)本发明的阻尼器采用超声波电机驱动永磁体转动，调节进入磁场中的节流孔数量，从而实现磁流变阻尼器的阻尼近线性调节；鉴于本发明中所涉及的磁场源于永磁体，无需利用电流产生磁场；且超声波电机仅驱动永磁体转动，改变磁场分布，它将永磁体驱动到一定的角度后，即可断电自锁，几乎无需再消耗电能，这时阻尼器工作于被动隔振状态。有效减少了能量消耗，为航天器节省了宝贵的能源。

(4)本发明的阻尼器采用超声波电机驱动永磁体转动，通过调节永磁体和节流孔的重合度，鉴于重合度是角度的线性函数，可实现了阻尼器阻尼的近似线性调节。由于所用超声波电机是利用行波的振动进行爬行，不依赖于旋转磁场的作用，故不受永磁体磁场的影响，而电磁电机易受永磁体影响。且超声波电机可工作在步进模式，在对阻尼控制不高时，可无需角位移传感器，只需一个零位传感器即可进行简单的控制，简化了阻尼器的结构。

(5)本发明在振动较大尤其是在控制力矩陀螺机动的过程中，可通过超声波电机驱动永磁体，增大磁流变液的阻尼力，增加振动能量的耗散，提高系统稳定性能；在振动较小，如控制力矩陀螺锁定或慢速机动过程中，可调节永磁体，减小阻尼力，提高隔振器对高频振动的衰减率。从而实现隔振器针对不同的应用工况和振动情况主动调节阻尼，具有较好的微振动隔离性能。

(6)本发明的磁流变阻尼器在波纹管腔体内存储磁流变液，且利用腔体的中段和两端作为振动的输入输出端，实现阻尼器的无动静间隙的模拟活塞运动，推动流体流动，提供流体阻尼。本发明综合了流体阻尼、磁阻尼和磁流变阻尼，实现了利用超声波电机驱动永磁体转动调节磁流变阻尼大小。

附图说明

图1为本发明的的变阻尼隔振器的结构简图；

图2为本发明的的可变阻尼器结构纵剖视图；

图3为本发明的的可变阻尼器结构横剖视图；

图4(a)为本发明的永磁体和顺磁体的结构示意图；

图4(b)为本发明的上压盖的结构简图。

图4(c)为本发明的下压盖的结构简图。

具体实施方式

隔振器的隔振效果与其阻尼关系密切，其中，小阻尼隔振可有效隔离高频振动，而大阻尼隔振可快速耗散共振等振幅较大的振动能量，因此其可有效抑制控制力矩陀螺等惯性执行机构在机动过程中产生的较大幅度的振动。因此本发明提出了一种利用超声波电机驱动永磁体转动，调节磁场与节流孔的重合度，让进入磁场中的节流孔内的磁流变液的粘度大幅增加，从而实现隔振器的变阻尼隔振方式，提供了一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器。

如图1所示，本发明所提出的一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，包括基座1、磁流变阻尼器2、转接板3；基座1的结构形式需要根据航天器舱板等安装形式协调确定；转接板3的结构形式需要依据控制力矩陀螺等被隔振对象的接口形式确定；基座1和转接板3分别通过磁流变阻尼器2中的下推力杆19和上推力杆11的螺纹连接；磁流变阻尼器2的个数与倾角等参数依据被隔振对象特性和隔振要求等具体情况优化确定。

如图2和图3、图4(a)～4(c)所示，磁流变阻尼器2包括下盖板4、下腔体5、连接环6、永磁体7、节流孔8、上腔体9、上盖板10、上推力杆11、上压盖12、顺磁体13、下压盖14、导磁环15、固定环16、外壳17、超声波电机18、下推力杆19。连接环6与下腔体5和上腔体9所对应的两段波纹管通过电子束焊接连接成一体，分别形成下腔体5和上腔体9，腔内充磁流变液。

在连接环6的周向均布着n个圆心角为π/n的区域，区域内分布着若干节流孔8，n为自然数，在本实施例中n＝2；而节流孔分布区域之间的n个π/n区域内无节流孔。在连接环6外侧安装有导磁环15；在连接环6内侧间隔安装有永磁体7和顺磁体13，每个区域内永磁体7和顺磁体13的圆心角皆为π/n；永磁体7和顺磁体13通过上压盖12和下压盖14安装于超声波电机18的转子轴上。

U形的永磁体7的磁力线会穿过连接环6，经过导磁环15形成回路，当磁流变液未处于磁场中时，其动粘度仅为一般流体的动粘度，阻尼器的阻尼表现为一般流体阻尼和磁阻尼；当磁流变液处于磁场中时，将受到磁场的作用，其动粘度将大幅提高，其阻尼表现为磁流变阻尼和磁阻尼，其中磁流变液阻尼比磁阻尼大得多。本发明利用超声波电机18带动永磁体7和顺磁体13转动；当永磁体7与节流孔8在周向重叠时，永磁体7和导磁环15之间的磁力线将穿过节流孔8，使得这些重叠区域的节流孔8处的磁场大幅加强，使得重叠区域的节流孔8内的磁流变液的动粘度大幅提高。重叠区域的大小，也就是处于磁场中的节流孔8数量的多少，实现阻尼大小的调节。当永磁体7与节流孔8在周向完全重叠时，处于磁场中的节流孔8数量最多，这时阻尼最大；当永磁体7与节流孔8在周向无重叠时，处于磁场中的节流孔8数量最少，这时阻尼最小。鉴于超声波电机18可以转过任意角度，而重叠度是转角的线性函数，因此基于超声波电机驱动永磁体转动、调节永磁体和节流孔的重合度的磁流变液阻尼器具有近似线性阻尼调节的功能。

超声波电机18可工作在连续模式或步进模式，可利用角位移传感器测量超声波电机18转子转过的角度，并进行角位移反馈。在对阻尼控制不高时，可使之工作在步进模式，这时可仅利用零位传感器对超声波电机18转子的角位置进行标定；通过计数超声波电机18走过的步数，即可估计出永磁体7转过的角度，估计出永磁体7与节流孔8在周向的重叠度，估计出阻尼器的阻尼系数的大小。故可根据指令进行开环控制，也可基于振动量进行闭环控制，简化了隔振器的结构。

下腔体5和上腔体9的两端通过下盖板4和上盖板10压紧，实现下腔体5和上腔体9两波纹管的并联。下盖板4和上盖板10通过外壳17连接成一体，下盖板4和下推力杆19通过螺纹连接，下推力杆19的外端螺纹提供对外安装接口，作为隔振的输入或输出端。中间的连接环6通过螺纹与上推力杆11连接，上推力杆11的外端螺纹提供对外安装接口，作为隔振的输出或输入端。在振动等载荷的作用下，使得输入端和输出端之间存在相对运动时，连接环6会相对外壳17等上下移动，推动磁流变液在下腔体5和上腔体9间流动，磁流变液内部及其与节流孔8之间的摩擦即产生一定的阻尼力。该结构实现了阻尼器在无动静间隙情况下模拟活塞运动，可较好地保证其长期在轨工作时无泄漏。

磁流变阻尼器2采用超声波电机18驱动永磁体7，调节永磁体7与节流孔8的重合度，即通过调节进入永磁体7磁场内的节流孔数来改变阻尼器的阻尼大小。其磁场源于永磁体7，无需通过电流产生磁场；超声波电机18仅驱动永磁体7转动，改变磁场分布，它将永磁体7驱动到指定角度后，即可断电自锁，几乎无需再耗电。这时阻尼器工作于被动隔振状态。有效减少了电能消耗，为航天器节省了能源。

磁流变液在失重状态下，其中的悬浮磁性颗粒不容易沉淀，能够较好地保持磁流变液的均匀性，可更好地发挥磁流变液阻尼器的阻尼调节性能。

在振动较大尤其是在控制力矩陀螺机动等过程中，可通过超声波电机18驱动永磁体7，增加永磁体7与节流孔8的周向重合度，增加磁流变液的阻尼力，增加振动能量的耗散，提高系统稳定性能；在振动较小，如控制力矩陀螺锁定或慢速机动过程中，可调节永磁体7，减小永磁体7与节流孔8的周向重合度，减小磁流变液的阻尼力，减小阻尼比，提高隔振器对高频振动的衰减率。当超声波电机18将永磁体7驱动到一定的角度后，即可断电，这时阻尼器工作于被动隔振状态。可见，在整个过程中，除了超声波电机18转动驱动永磁体7需要消耗电能外，在永磁体7无需转动时，超声波电机18断电自锁，其几乎无需耗能，因此该阻尼器的功耗较小，有效减少了能量消耗。既实现了阻尼主动可调的功能，又有效减小了阻尼器所消耗的宝贵的电能。永磁体7和顺磁体13为扇形结构，侧截面为U形。

超声波电机18是利用行波的振动进行爬行，不依赖于旋转磁场的作用，故不受磁场的影响，克服了电磁电机易受到永磁体影响的问题。并且超声波电机18不带磁性元件且无线圈，因此不会产生较大的磁场，不会影响磁流变阻尼器2的阻尼性能。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，其特征在于：包括基座(1)、若干磁流变阻尼器(2)、若干转接板(3)；每个转接板(3)通过多个磁流变阻尼器(2)连接基座(1)，转接板(3)连接被隔振的设备；

磁流变阻尼器(2)包括下盖板(4)、下腔体(5)、连接环(6)、永磁体(7)、节流孔(8)、上腔体(9)、上盖板(10)、上推力杆(11)、上压盖(12)、顺磁体(13)、下压盖(14)、导磁环(15)、固定环(16)、外壳(17)、超声波电机(18)、下推力杆(19)；

上推力杆(11)连接转接板(3)，下推力杆(19)连接基座(1)；连接环(6)与波纹管通过电子束焊接形成下腔体(5)和上腔体(9)，腔内充满磁流变液；连接环(6)沿周向分为2n个圆心角为π/n的区域，n为自然数，相邻的两个区域中，其中一个区域内分布若干节流孔(8)，另一个区域内没有节流孔(8)；连接环(6)外侧安装导磁环(15)；连接环(6)内侧间隔安装有永磁体(7)和顺磁体(13)；永磁体(7)和顺磁体(13)通过上压盖(12)和下压盖(14)安装于超声波电机(18)的转子轴上；构成下腔体(5)的波纹管位于超声波电机(18)外侧；下腔体(5)和上腔体(9)的两端通过下盖板(4)和上盖板(10)压紧，实现下腔体(5)和上腔体(9)两波纹管的并联；下盖板(4)和上盖板(10)通过外壳(17)连接，下推力杆(19)安装在下盖板(4)中部，作为隔振的输入或输出端；上推力杆(11)一端与连接环(6)连接，作为隔振的输出或输入端；在载荷的作用下，隔振的输入端和输出端之间存在相对运动时，连接环(6)相对外壳(17)上下移动，推动磁流变液沿节流孔(8)从一个腔体挤入另一个腔体。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，其特征在于：永磁体(7)的磁力线穿过连接环(6)，经过导磁环(15)形成回路；超声波电机(18)带动永磁体(7)和顺磁体(13)转动；当永磁体(7)与节流孔(8)在周向重叠时，永磁体(7)和导磁环(15)之间的磁场穿过节流孔(8)，使得该重叠区域内的节流孔(8)处的磁场加强，使得重叠区域内的节流孔(8)中的磁流变液的动粘度提高；通过调节处于磁场中的节流孔(8)数量的多少，实现阻尼大小的调节。

3.根据权利要求1和2所述的一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，其特征在于：超声波电机(18)工作在连续模式或步进模式，利用角位移传感器反馈；当超声波电机(18)工作在步进模式时，利用零位传感器对超声波电机(18)的转子的角位置进行标定，通过计数超声波电机(18)走过的步数，计算永磁体(7)转过的角度，获得永磁体(7)与节流孔(8)在周向的重叠度，得到阻尼隔振器的阻尼系数的大小。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，其特征在于：超声波电机(18)将永磁体(7)驱动到设定的角度后，能够断电自锁，此时，所述阻尼隔振器工作于被动隔振状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，其特征在于：磁流变阻尼器(2)的个数与倾角依据被隔振对象特性和隔振要求确定。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，其特征在于：永磁体(7)和顺磁体(13)为扇形结构，侧截面为U形。

7.根据权利要求6所述的一种基于超声波电机调节的变阻尼隔振器，其特征在于：每个区域内永磁体(7)和顺磁体(13)的圆心角皆为π/n。

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