CN111005980A - 一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于结构隔振技术领域，公开了一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，将至少一个刚度可调的磁流变隔振器均匀布置在机身的上、下面板之间；磁流变隔振器包括隔磁底座和导磁壳体，导磁壳体中心安装有铁芯，铁芯底部通过弹簧连接于隔磁底座；铁芯和导磁壳体之间设置有磁流变弹性体，磁流变弹性体的中部由隔磁板分隔；导磁壳体内部的环形空间安装有线圈和永磁体，线圈产生的磁场方向与永磁体产生的磁场方向相反，且可将永磁体的磁场抵消。本发明利用陶瓷磁体作为永磁体，在多旋翼无人机正常飞行时提供恒定磁场，保证机架刚度；在多旋翼无人机受到较大振动的情况下，由线圈调节磁场，实时改变磁流变材料的刚度，达到隔振目的。

Description

一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置
技术领域
本发明属于结构隔振技术领域，具体的说，是涉及一种用于多旋翼机身的磁流变隔振装置。
背景技术
多旋翼无人机具有机构复杂度低、执行器响应速度高、动力安全冗余大等优势，随其广泛应用于边防巡检、精准农业、环境遥感等领域，振动分析和减振研究成为多旋翼无人机进一步发展的关键。多旋翼无人机的主要振源为电机和螺旋桨，其产生的振动激励通过无人机机臂传递到机身圆盘中心处，引起传感器的振动；此外，遭遇强风干扰、落地速度过大等情况也会引起机身的强烈振动。因而，多旋翼无人机机身的减振设计具有重要的意义。首先，飞控板上的加速度传感器对振动十分敏感，而加速度信号直接关系到姿态角和姿态速率的估计；再者，通过减振可以提高成像质量，在不依赖云台的情况下拍摄出高质量的视频，有利于多旋翼无人机的小型化。
多旋翼无人机常用隔振元件的材料一般包括金属弹簧、空气弹簧、防振橡胶、玻璃纤维、软木等。空气弹簧体积大，多用于大型结构的隔振设计；防振橡胶具有较好的隔振性能及灵活的结构设计，应用范围广；玻璃纤维和软木等材料一般应用于高频振动控制领域。这些常用的隔振材料由于其本身的性质，通常只能应对较单一的振动情况，但是多旋翼无人机实际的振动环境复杂且多变，如遇强风、撞击等突发情况，隔振元件并不能发挥其隔振作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于传统隔振器由于刚度参数难以调节，只能针对单一振动情况，无法适应多旋翼无人机机身复杂振动环境的缺陷，提供了一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，由一个或多个安装在机身上下面板之间的磁流变隔振器组成，其磁流变隔振器利用陶瓷磁体作为永磁体，在多旋翼无人机正常飞行时提供恒定磁场，保证机架刚度；在多旋翼无人机受到较大振动的情况下，由线圈调节磁场，实时改变磁流变材料的刚度，达到隔振目的。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，包括至少一个刚度可调的磁流变隔振器，所述磁流变隔振器均匀布置在机身的上、下面板之间；
所述磁流变隔振器包括隔磁底座和安装在所述隔磁底座上部的导磁壳体，所述导磁壳体中心安装有铁芯，所述铁芯底部通过弹簧连接于所述隔磁底座；所述铁芯可在所述导磁壳体内竖向运动；
所述铁芯和所述导磁壳体之间设置有磁流变弹性体，所述磁流变弹性体与所述铁芯和所述导磁壳体均形成接触；所述磁流变弹性体的中部设置有隔磁板，所述隔磁板将所述磁流变弹性体分隔为上下两部分；
所述铁芯外周在所述导磁壳体内部设置有环形空间，该环形空间用于安装线圈和永磁体，所述线圈产生的磁场方向与所述永磁体产生的磁场方向相反，并且所述线圈产生的磁场可将所述永磁体的磁场抵消。
进一步地，所述磁流变隔振器的数量为一个时，其在机身的上、下面板之间的中心设置；所述磁流变隔振器的数量为多个时，其在机身的上、下面板之间环向均匀布置。
进一步地，所述磁流变隔振器的铁芯通过螺栓与所述机身的上面板相连，所述磁流变隔振器的隔磁底座通过螺栓与所述机身的下面板相连。
进一步地，所述铁芯设置为由上部较大直径逐渐过渡到下部较小直径的圆台体，同时所述导磁壳体中心设置有与所述铁芯相匹配的斜面。
更进一步地，所述斜面相对于水平面的倾斜角度为55°-65°。
进一步地，所述导磁壳体和所述隔磁底座均为中心对称结构。
进一步地，所述磁流变弹性体的厚度为1～5mm。
进一步地，所述铁芯和所述导磁壳体均为电工纯铁制成。
进一步地，所述永磁体为陶瓷磁体、铷铁硼磁体、铝镍钴磁体中的一种。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，利用磁流变半主动控制技术，通过改变磁流变弹性体的刚度，克服了传统隔振器由于刚度参数难以调节，只能针对单一振动情况，无法适应多旋翼无人机机身复杂振动环境的缺陷。本发明由一个或多个安装在机身上下面板之间的磁流变隔振器组成，其磁流变隔振器利用陶瓷磁体作为永磁体，在多旋翼无人机正常飞行时为磁流变隔振器提供恒定磁场，保证机架刚度；在多旋翼无人机受到较大振动的情况下，由线圈调节磁场，实时改变磁流变材料的刚度，达到隔振目的，由此能够避免安装在机身上的精密仪器，由于振动而影响正常工作或因强烈振动而受到损坏。
附图说明
图1为实施例提供的一种刚度可调式磁流变隔振器的结构示意图；
图2为实施例提供的一种刚度可调式磁流变隔振装置的结构示意图。
上述图中：1、铁芯；2、磁流变弹性体；3、导磁壳体；4、隔磁底座；5、隔磁板；6、弹簧；7、线圈；8、陶瓷磁体；9、飞控；10、电池；11、机身；12、机臂；13、螺旋桨；14、磁流变隔振器；15、电能控制模块。
具体实施方式
本发明提供了一种用于多旋翼机架的刚度可调式磁流变隔振装置，由一个或多个安装在机身上下面板之间的磁流变隔振器组成，利用磁流变材料的半主动控制技术，实现其刚度可调的功能。当多旋翼无人机正常飞行时，磁流变隔振器中由永磁体提供恒定磁场，使磁流变弹性体具有足够的刚度，防止机身产生晃动；当多旋翼无人机机身振动较大，或遇强风干扰、落地速度过大等激烈振动情况时，磁流变隔振器中由线圈抵消永磁铁的磁场后，产生一个可以实时控制的新磁场，改变磁流变材料的刚度，控制铁芯的上下振动幅度，耗散振动能量。
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本实施例公开的一种用于多旋翼机架的刚度可调式磁流变隔振装置，由一个或多个磁流变隔振器14组成；当该装置只包括一个磁流变隔振器14时，磁流变隔振器14设置在机身11的上、下面板之间的中心位置；当该装置包括多个磁流变隔振器14时，多个磁流变隔振器14均匀布置在机身11的上、下面板之间。
如图1所示，磁流变隔振器14包括铁芯1、磁流变弹性体2、导磁壳体3、隔磁底座4、隔磁板5、弹簧6、线圈7、陶瓷磁体8。
导磁壳体3固定安装在隔磁底座4上部，为了保证多旋翼机架的平衡，导磁壳体3和隔磁底座4均设计为中心对称结构。本实施例中，隔磁底座4为扁状圆盘体结构，导磁壳体3外轮廓为圆柱体结构。导磁壳体3中心设置有上下贯通的安装座，用于安装铁芯1、磁流变弹性体2、隔磁板5、弹簧6；导磁壳体3内部设置有环形空间，用于安装线圈7和陶瓷磁体8。
铁芯1安装在导磁壳体3中心设置的安装座中，该安装座对铁芯1的水平运动限位而竖向运动不限位。铁芯1与隔磁底座4之间设置有弹簧6，弹簧6上端与所述铁芯1焊接，弹簧6下端与隔磁底座4焊接。铁芯1与弹簧6连接后，铁芯1顶面外露于导磁壳体3顶面5mm左右。弹簧6的主要作用是承载铁芯1的重量并对铁芯1进行约束，防止铁芯1由于振动幅度过大而损坏磁流变弹性体2，甚至脱离导磁壳体3而导致磁流变隔振器14失效。同时，弹簧6因铁芯1的振动而不断拉伸、压缩，也可消耗部分振动能量。
铁芯1与导磁壳体3之间设置有磁流变弹性体2，磁流变弹性体2包裹于铁芯1外围，并粘接在导磁壳体3的安装座表面。应对不同的振动要求，磁流变弹性体2厚度可选取范围为1～5mm。磁流变弹性体2粘接在铁芯1和导磁壳体3之间，当铁芯1上下振动时，铁芯1与导磁壳体3之间产生相对运动，实现有磁流变弹性体2的剪切式工作模式。铁芯1与导磁壳体3的加工材料均为导磁材料，需具备较高的磁导率、良好的退磁性能，可选用高磁导率和高磁饱和度的电工纯铁，利于磁感线在外壳3、磁流变弹性体2、铁芯1中形成闭合磁路。通过隔磁底座4使磁场仅在导磁壳体3及铁芯1形成的结构中通过，提高磁场的利用效率；隔磁底座采用20号钢作为加工材料，具有较好的结构强度和机械加工性能。
较为优选地，铁芯1设置为由上部较大直径逐渐过渡到下部较小直径的圆台体，同时将导磁壳体3中心的安装座侧壁设置为与铁芯1形状相匹配的斜面，可使铁芯1对磁流变弹性体2有一定的挤压作用，在铁芯1上下振动时，使磁流变弹性体2处于剪切与挤压的混合工作模式下，这样能够消耗更多的振动能量，使磁流变隔振器14具有更高的工作效率。同时由于铁芯1对磁流变弹性体2形成一定挤压作用，使两者贴合更加紧密，可改善漏磁现象。通常铁芯1侧壁与水平的倾斜角度在55°到65°之间为佳。
隔磁板5为环状结构，厚度为2mm，宽为5mm，设置于磁流变弹性体2高度方向的中段位置；隔磁板尺寸可依据隔振器尺寸的不同进行调整。隔磁板5将磁流变弹性体2分隔为上下两部分。由于磁流变弹性体2的磁化率大，为防止磁感线平行穿过磁流变弹性体2，通过隔磁板5来引导磁路，迫使磁感线必须通过铁芯1，并在经过磁流变弹性2时形成垂直于磁流变弹性体2的磁场，从而使磁感线依次通过外壳3、磁流变弹性体2、铁芯1后，再经过磁流变弹性体2回到外壳3形成闭合磁路。隔磁板5加工材料为绝磁材料，可选铝合金，其磁导率低，能够有效阻断磁感应线通过。
线圈7和陶瓷磁体8均安装在导磁壳体3的环形空间内，线圈7和陶瓷磁体8均为环形，且高度基本与铁芯1相当。应保证由线圈7产生的磁场方向与陶瓷磁体8产生的磁场方向相反，并且线圈7产生的磁场可将陶瓷磁体8的磁场抵消。陶瓷磁体8具有较大的剩磁密度和矫顽力，充磁后不易退磁，适于作为提供恒定磁场的永磁体，也可选用铷铁硼磁体、铝镍钴磁体等。由于多旋翼无人机大部分时间处于正常工作状态，此时由陶瓷磁体8提供磁场来保证磁流变材料的刚度可以减少能耗，而且具有稳定的工作状态。线圈7用于达到磁场调节的目的；当多旋翼无人机处于振动较为激烈的情况，线圈7中电流根据振动情况改变大小，由线圈7产生的磁场也随之改变；当电流增加，磁场增大，磁流变弹性体2的刚度提高，进而该磁流变隔振器14的刚度得以提高。
结合图2所示，本实施例所选取的刚度可调式磁流变隔振装置，其磁流变隔振器14的外形尺寸和安放位置适用于一种六旋翼无人机，包括机身11，机身外部设置有六个径向均布的机臂12，每个机臂12端部设置有螺旋桨13。对于不同的多旋翼机身结构，磁流变隔振器14的外形尺寸均可相应调整，且安放位置灵活，只要在机身11的上、下面板之间单个中心设置或多个均布设置即可。具体地，磁流变隔振器14安装在机身11的上、下面板之间，磁流变隔振器14的铁芯1内预留有螺栓口，通过螺栓与机身11的上面板相连；磁流变隔振器14的隔磁底座4同样通过螺栓与机身11的下面板相连。
多旋翼无人机的精密仪器多安装于机身11的上面板顶部。当多旋翼无人机正常工作时，机身11的上面板振动较小，不引起铁芯1的振动，且在拉力方向需要保证刚度，故此时磁流变隔振器14由陶瓷磁体8提供磁场，使磁流变弹性体2有足够的刚度，防止机身晃动。当多旋翼无人机振动较强烈，机身11的上面板引起铁芯1振动，此时磁流变隔振器14中的线圈7抵消陶瓷磁体8的磁场后，产生一个可以实时控制的新磁场，改变磁流变弹性体2的刚度，从而控制铁芯1的上下振动幅度，并通过铁芯1与变磁流变弹性体2之间的剪切运动耗散振动能量。
需要说明的是，当多旋翼无人机在振动较激烈的情况，其姿态(如俯仰角等)会发生较大变化，线圈7中电流的控制信号可直接根据多旋翼无人机飞控9中的姿态信息得到，姿态信息发送到电能控制模块15后，电能控制模块15控制电池10为线圈7提供合适的电流，用于改变磁场大小。电池10为常见的锂聚合物电池，单节电池标称电压3.7V，满电可达4.2V，满足磁流变隔振器14的能量需求。
可见，本发明公开的一种用于多旋翼机架的刚度可调式磁流变隔振器，结构紧凑、刚度可调、可以承载机架部分负载，克服了传统隔振器由于刚度参数难以调节，只能针对单一振动情况，无法适应多旋翼无人机机身复杂振动环境的缺陷；同时能避免安装在机身上的精密仪器，由于振动而影响正常工作或因强烈振动而受到损坏的问题。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，其特征在于，包括至少一个刚度可调的磁流变隔振器，所述磁流变隔振器均匀布置在机身的上、下面板之间；
所述磁流变隔振器包括隔磁底座和安装在所述隔磁底座上部的导磁壳体，所述导磁壳体中心安装有铁芯，所述铁芯底部通过弹簧连接于所述隔磁底座；所述铁芯可在所述导磁壳体内竖向运动；
所述铁芯和所述导磁壳体之间设置有磁流变弹性体，所述磁流变弹性体与所述铁芯和所述导磁壳体均形成接触；所述磁流变弹性体的中部设置有隔磁板，所述隔磁板将所述磁流变弹性体分隔为上下两部分；
所述铁芯外周在所述导磁壳体内部设置有环形空间，该环形空间用于安装线圈和永磁体，所述线圈产生的磁场方向与所述永磁体产生的磁场方向相反，并且所述线圈产生的磁场可将所述永磁体的磁场抵消。
2.根据权利要求1所述的一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，其特征在于，所述磁流变隔振器的数量为一个时，其在机身的上、下面板之间的中心设置；所述磁流变隔振器的数量为多个时，其在机身的上、下面板之间环向均匀布置。
3.根据权利要求1所述的一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，其特征在于，所述磁流变隔振器的铁芯通过螺栓与所述机身的上面板相连，所述磁流变隔振器的隔磁底座通过螺栓与所述机身的下面板相连。
4.根据权利要求1所述的一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，其特征在于，所述铁芯设置为由上部较大直径逐渐过渡到下部较小直径的圆台体，同时所述导磁壳体中心设置有与所述铁芯相匹配的斜面。
5.根据权利要求4所述的一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，其特征在于，所述斜面相对于水平面的倾斜角度为55°-65°。
6.根据权利要求1所述的一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，其特征在于，所述导磁壳体和所述隔磁底座均为中心对称结构。
7.根据权利要求1所述的一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，其特征在于，所述磁流变弹性体的厚度为1～5mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，其特征在于，所述铁芯和所述导磁壳体均为电工纯铁制成。
9.根据权利要求1所述的一种用于多旋翼机身的刚度可调式磁流变隔振装置，其特征在于，所述永磁体为陶瓷磁体、铷铁硼磁体、铝镍钴磁体中的一种。
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