CN111677800A - 基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置 - Google Patents

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邹丽敏
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Abstract

基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置属于精密隔振技术领域，X向磁弹簧与Y向磁弹簧垂直布置、并联连接，实现水平二自由度的正负刚度结构并联；X向磁弹簧由第一定磁铁、第一动磁铁、第二动磁铁和第二定磁铁沿水平X轴依次阵列构成，Y向磁弹簧由第三定磁铁、第三动磁铁、第四动磁铁和第四定磁铁沿水平Y轴依次阵列构成；本发明结构设计简单灵活、固有频率低、磁材料利用率高，能实现精密仪器设备的水平二自由度低频/超低频隔振效果。

Description

基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置
技术领域
本发明属于精密隔振技术领域，特别是一种基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置。
背景技术
在精密仪器设备的装调、测试和实验过程中，环境中的低频微幅振动干扰成为影响研究效果的重点问题之一，为精密仪器设备配备低频隔振器逐渐成为精密工程领域抑制环境微振动的主要技术手段。低频隔振器多采用正负刚度结构并联或者串联的方式实现垂向低频隔振效果，而水平向低频隔振器，尤其是能够实现水平二自由度低频隔振效果的电磁隔振装置较少。
专利号为CN200910273183.3公开了一种水平二自由度隔振机构，该水平二自由度隔振机构由四个磁浮单元沿圆盘圆周阵列构成。每个磁浮单元由两个正负刚度结构并联构成的单自由度低频隔振结构组成。该技术方案的特征在于：1)磁浮单元的正刚度结构与负刚度结构均只利用磁铁间的作用力实现某一特定方向的正刚度特性或负刚度特性，磁材料的利用率低，在实际使用过程中需要运动导向机构以约束正刚度结构与负刚度结构其它自由度的运动，结构复杂、体积大、制造成本高；2)磁浮单元的正刚度特性由同极磁铁(电磁铁和永磁体)间的斥力作用实现，负刚度特性由异极磁铁间的引力作用实现。
专利号为CN201811427114.9公开了一种多维磁负刚度机构及其构成的多维磁负刚度减振系统，该多维减振系统由正刚度机构和多维负刚度机构并联构成。正刚度机构是传统的弹性元件，用于连接被减振体和安装基座，提供X向、Y向和Z向的支撑和基本减振功能；多维负刚度机构由同极磁铁构成的一维负刚度磁组与二维负刚度磁组串联构成。该技术方案的特征在于：1)一维负刚度磁组利用磁铁间的斥力作用在Z向产生负刚度特性，而其沿X、Y向的运动被直线导轨等运动导向机构限制，磁材料的利用率低，结构复杂、体积大、制造成本高；2)一维负刚度磁组的负刚度特性与二维负刚度磁组的正刚度特性、负刚度特性均利用同极磁铁间的斥力作用实现，正刚度值大，固有频率高；3)一维负刚度磁组与二维负刚度磁组均只能沿着某一特定的方向磁化，负刚度磁组的结构设计单一。
综上，如何通过电磁隔振装置的结构与原理创新，提供一种高磁材料利用率且无需运动导向机构的水平二自由度电磁隔振装置对降低环境中的低频微幅振动干扰，保证精密仪器设备工作环境最优，进一步提高精密仪器设备的精度具有重大意义。
发明内容
本发明针对环境振动干扰影响精密仪器设备的研究，且目前能够实现水平二自由度低频隔振效果的电磁隔振装置较少的问题，提出一种基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置，在水平X方向，利用X向磁弹簧产生的负刚度与Y向磁弹簧产生的正刚度并联实现低频隔振效果；在水平Y方向，利用X向磁弹簧产生的正刚度与Y向磁弹簧产生的负刚度并联实现低频隔振效果，在Z方向，利用X向磁弹簧产生的正刚度与Y向磁弹簧产生的正刚度并联实现稳定支撑隔振负载的作用。该基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置能够有效隔离精密仪器设备所处环境中水平二自由度的低频微幅振动干扰，进一步提高精密仪器设备的精度。
本发明的技术解决方案是：
一种基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置，包括连接结构与磁路结构，所述连接结构包括定磁铁固定架、负载连接件和动磁铁安装框，定磁铁固定架为顶端设置固定孔的立方体结构，动磁铁安装框为底部开孔的立方体结构，动磁铁安装框顶端与负载连接件的底部固定连接，负载连接件的顶端与隔振负载固定连接；所述磁路结构包括X向磁弹簧与Y向磁弹簧，X向磁弹簧与Y向磁弹簧垂直布置；X向磁弹簧包括沿水平X轴依次阵列布置的第一定磁铁、第一动磁铁、第二动磁铁和第二定磁铁，第一定磁铁、第一动磁铁、第二动磁铁和第二定磁铁为沿Z轴阵列布置、且相邻磁铁磁化方向相反的立方永磁体组，第一定磁铁与第一动磁铁之间呈引力作用，第二动磁铁与第二定磁铁之间呈引力作用，第一定磁铁与第一动磁铁的X向间隙等于第二动磁铁与第二定磁铁的X向间隙；Y向磁弹簧包括沿水平Y轴依次阵列布置的第三定磁铁、第三动磁铁、第四动磁铁和第四定磁铁，第三定磁铁、第三动磁铁、第四动磁铁和第四定磁铁为沿Z轴阵列布置、且相邻磁铁磁化方向相反的立方永磁体组，第三定磁铁与第三动磁铁之间呈引力作用，第四动磁铁与第四定磁铁之间呈引力作用，第三定磁铁与第三动磁铁的Y向间隙等于第四动磁铁与第四定磁铁的Y向间隙；第一动磁铁、第二动磁铁、第三动磁铁和第四动磁铁分别与动磁铁安装框的四个外壁固定连接，第一定磁铁、第二定磁铁、第三定磁铁和第四定磁铁分别与定磁铁固定架的四个内壁固定连接，动磁铁安装框以轴线重合的方式嵌套在定磁铁固定架顶端的固定孔中，动磁铁安装框底部与定磁铁固定架顶端设有间隙。
优选的，所述第一定磁铁、第一动磁铁、第二动磁铁和第二定磁铁沿水平X轴同向磁化。
优选的，所述第一定磁铁、第一动磁铁、第二动磁铁和第二定磁铁均沿水平Y轴或Z轴磁化，且第一定磁铁的磁化方向与第二定磁铁的磁化方向相同，与第一动磁铁、第二动磁铁的磁化方向相反。
优选的，所述第三定磁铁、第三动磁铁、第四动磁铁和第四定磁铁沿水平Y轴同向磁化。
优选的，所述第三定磁铁、第三动磁铁、第四动磁铁和第四定磁铁均沿水平X轴或Z轴磁化，且第三定磁铁的磁化方向与第四定磁铁的磁化方向相同，与第三动磁铁、第四动磁铁的磁化方向相反。
优选的，所述基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置的整体结构成轴对称，所述固定孔为方形孔。
本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
(1)该隔振技术方案采用磁弹簧的垂直布置、并联连接实现水平二自由度的电磁隔振，同时实现了高磁材料利用率及无导向机构的结构设计。X向磁弹簧与Y向磁弹簧三自由度的刚度特性并联实现水平二自由度的正负刚度结构并联及Z向稳定支撑隔振负载的效果，磁弹簧三自由度的刚度特性均得到利用，从而显著地提高了磁材料的利用率；实际使用过程中不需要运动导向机构约束磁弹簧的运动，无导向机构的结构设计降低了隔振装置的复杂度、体积及制造成本。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。
(2)本技术方案基于异极磁铁间的引力作用构建正刚度结构可实现水平二自由度的低刚度特性从而具备了水平二自由度的低频隔振能力。X向磁弹簧和Y向磁弹簧的正刚度特性均由磁铁间的引力作用产生，因而可解决现有水平二自由度电磁隔振技术方案中磁斥力正刚度结构刚度值大而导致隔振装置固有频率高的问题，可显著降低隔振装置的刚度及起始隔振频率，实现近零刚度特性及近零频率隔振效果。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。
(3)本发明可显著提高磁弹簧的设计灵活性。X向磁弹簧可由沿水平X轴同向磁化、水平Y轴或Z轴不同向磁化的磁铁阵列构成，Y向磁弹簧可由沿水平Y轴同向磁化、水平X轴或Z轴不同向磁化的磁铁阵列构成；磁弹簧的磁化方向多样，突破现有技术方案中磁弹簧的磁化方向单一的限制，适用于不同磁铁形状、磁化工艺、刚度特性需求的场合。这是本发明区别于现有技术的创新点之三。
附图说明
图1为基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置的俯视图；
图2为基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置的三维示意图；
图3为图1A-A剖面视图的实施例1；
图4为图1B-B剖面视图的实施例1；
图5为图1A-A剖面视图的实施例2；
图6为图1A-A剖面视图的实施例3；
图7为图1B-B剖面视图的实施例2；
图8为图1B-B剖面视图的实施例3。
图中件号说明：1定磁铁固定架、2X向磁弹簧、21第一定磁铁、22第一动磁铁、23第二动磁铁、24第二定磁铁、3Y向磁弹簧、31第三定磁铁、32第三动磁铁、33第四动磁铁、34第四定磁铁、4动磁铁安装框、5负载连接件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
一种基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置，包括连接结构与磁路结构，所述连接结构包括定磁铁固定架1、负载连接件5和动磁铁安装框4，定磁铁固定架1为顶端设置固定孔的立方体结构，动磁铁安装框4为底部开孔的立方体结构，动磁铁安装框4顶端与负载连接件5的底部固定连接，负载连接件5的顶端与隔振负载固定连接；所述磁路结构包括X向磁弹簧2与Y向磁弹簧3，X向磁弹簧2与Y向磁弹簧3垂直布置；X向磁弹簧2包括沿水平X轴依次阵列布置的第一定磁铁21、第一动磁铁22、第二动磁铁23和第二定磁铁24，第一定磁铁21、第一动磁铁22、第二动磁铁23和第二定磁铁24为沿Z轴阵列布置、且相邻磁铁磁化方向相反的立方永磁体组，第一定磁铁21与第一动磁铁22之间呈引力作用，第二动磁铁23与第二定磁铁24之间呈引力作用，第一定磁铁21与第一动磁铁22的X向间隙等于第二动磁铁23与第二定磁铁24的X向间隙；Y向磁弹簧3包括沿水平Y轴依次阵列布置的第三定磁铁31、第三动磁铁32、第四动磁铁33和第四定磁铁34，第三定磁铁31、第三动磁铁32、第四动磁铁33和第四定磁铁34为沿Z轴阵列布置、且相邻磁铁磁化方向相反的立方永磁体组，第三定磁铁31与第三动磁铁32之间呈引力作用，第四动磁铁33与第四定磁铁34之间呈引力作用，第三定磁铁31与第三动磁铁32的Y向间隙等于第四动磁铁33与第四定磁铁34的Y向间隙；第一动磁铁22、第二动磁铁23、第三动磁铁32和第四动磁铁33分别与动磁铁安装框4的四个外壁固定连接，第一定磁铁21、第二定磁铁24、第三定磁铁31和第四定磁铁34分别与定磁铁固定架1的四个内壁固定连接，动磁铁安装框4以轴线重合的方式嵌套在定磁铁固定架1顶端的固定孔中，动磁铁安装框4底部与定磁铁固定架1顶端设有间隙，从而使得动磁铁安装框4底部与定磁铁固定架1顶端不接触，以避免机械摩擦给精密隔振带来非线性影响。
作为一种具体的实施方式，所述第一定磁铁21、第一动磁铁22、第二动磁铁23和第二定磁铁24沿水平X轴同向磁化。
作为一种具体的实施方式，所述第一定磁铁21、第一动磁铁22、第二动磁铁23和第二定磁铁24均沿水平Y轴或Z轴磁化，且第一定磁铁21的磁化方向与第二定磁铁24的磁化方向相同，与第一动磁铁22、第二动磁铁23的磁化方向相反。
作为一种具体的实施方式，所述第三定磁铁31、第三动磁铁32、第四动磁铁33和第四定磁铁34沿水平Y轴同向磁化。
作为一种具体的实施方式，所述第三定磁铁31、第三动磁铁32、第四动磁铁33和第四定磁铁34均沿水平X轴或Z轴磁化，且第三定磁铁31的磁化方向与第四定磁铁34的磁化方向相同，与第三动磁铁32、第四动磁铁33的磁化方向相反。
作为一种具体的实施方式，所述基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置的整体结构成轴对称，所述固定孔为方形孔。
下面结合图1～图4给出本发明的一个实施例。
图1为基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置的俯视图，图2为基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置实施例1的三维模型，第一定磁铁21为四个4mm×10mm×2.5mm立方永磁体沿Z轴阵列构成的永磁体组，永磁体组中相邻永磁体的磁化方向相反，永磁体材料为N44H牌号钕铁硼，剩余磁感应强度Br＝1.34T，相对磁导率μr＝1.03。第一定磁铁21沿X轴正方向分别按照8.5mm、27.5mm、36mm的间距阵列得到第一动磁铁22、第二动磁铁23和第二定磁铁24。第三定磁铁31为四个10mm×4mm×2.5mm立方永磁体沿Z轴阵列构成的永磁体组，永磁体组中相邻永磁体的磁化方向相反，永磁体材料为N44H牌号钕铁硼，剩余磁感应强度Br＝1.34T，相对磁导率μr＝1.03。第三定磁铁31沿Y轴负方向分别按照8.5mm、27.5mm、36mm的间距阵列得到第三动磁铁32、第四动磁铁33和第四定磁铁34，第一动磁铁22、第二动磁铁23、第三动磁铁32和第四动磁铁33分别与动磁铁安装框4的四个外壁固定连接，第一定磁铁21、第二定磁铁24、第三定磁铁31和第四定磁铁34分别与定磁铁固定架1的四个内壁固定连接；定磁铁固定架1顶端方形孔的尺寸为40mm×40mm×16.5mm，材料为硬质铝合金；动磁铁安装框4为15mm×15mm×12mm立方体结构，底端开直径10mm，深8mm的圆孔以减轻质量；动磁铁安装框4以轴线重合的方式嵌套在定磁铁固定架1顶端的固定孔中，动磁铁安装框4底部比定磁铁固定架1顶端高5mm，保证动磁铁安装框4与定磁铁固定架1不接触，以避免机械摩擦给精密隔振带来非线性影响；动磁铁安装框4顶部与负载连接件5固定连接，负载连接件5顶端连接隔振负载。
图3为图1A-A剖面视图，第一定磁铁21、第一动磁铁22、第二动磁铁23和第二定磁铁24均沿X轴同向磁化，磁化方向如图3中箭头所示；图4为图1B-B剖面视图，第三定磁铁31、第三动磁铁32、第四动磁铁33和第四定磁铁34均沿Y轴同向磁化，磁化方向如图4中箭头所示。在X方向，X向磁弹簧2产生的负刚度与Y向磁弹簧3产生的正刚度并联实现低频隔振效果；在Y方向，X向磁弹簧2产生的正刚度与Y向磁弹簧3产生的负刚度并联实现低频隔振效果；在Z方向，X向磁弹簧2产生的正刚度与Y向磁弹簧3产生的正刚度并联以稳定支撑隔振负载。
图5为图1A-A剖面视图的实施例2，第一定磁铁21、第一动磁铁22、第二动磁铁23、第二定磁铁24沿Y轴磁化，第一定磁铁21与第二定磁铁24的磁化方向相同，与第一动磁铁22、第二动磁铁23的磁化方向相反。
图6为图1A-A剖面视图的实施例3，第一定磁铁21、第一动磁铁22、第二动磁铁23、第二定磁铁24沿Z轴磁化，第一定磁铁21与第二定磁铁24的磁化方向相同，与第一动磁铁22、第二动磁铁23的磁化方向相反，磁化方向如图中箭头所示。
图7为图1B-B剖面视图的实施例2，第三定磁铁31、第三动磁铁32、第四动磁铁33、第四定磁铁34沿X轴磁化，第三定磁铁31与第四定磁铁34的磁化方向相同，与第三动磁铁32、第四动磁铁33的磁化方向相反。
图8为图1B-B剖面视图的实施例3，第三定磁铁31、第三动磁铁32、第四动磁铁33、第四定磁铁34沿Z轴磁化，第三定磁铁31与第四定磁铁34的磁化方向相同，与第三动磁铁32、第四动磁铁33的磁化方向相反，磁化方向如图中箭头所示。

Claims (6)

1.一种基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置，包括连接结构与磁路结构，所述连接结构包括定磁铁固定架(1)、负载连接件(5)和动磁铁安装框(4)，定磁铁固定架(1)为顶端设置固定孔的立方体结构，动磁铁安装框(4)为底部开孔的立方体结构，动磁铁安装框(4)顶端与负载连接件(5)的底部固定连接，负载连接件(5)的顶端与隔振负载固定连接；其特征在于：所述磁路结构包括X向磁弹簧(2)与Y向磁弹簧(3)，X向磁弹簧(2)与Y向磁弹簧(3)垂直布置；X向磁弹簧(2)包括沿水平X轴依次阵列布置的第一定磁铁(21)、第一动磁铁(22)、第二动磁铁(23)和第二定磁铁(24)，第一定磁铁(21)、第一动磁铁(22)、第二动磁铁(23)和第二定磁铁(24)为沿Z轴阵列布置、且相邻磁铁磁化方向相反的立方永磁体组，第一定磁铁(21)与第一动磁铁(22)之间呈引力作用，第二动磁铁(23)与第二定磁铁(24)之间呈引力作用，第一定磁铁(21)与第一动磁铁(22)的X向间隙等于第二动磁铁(23)与第二定磁铁(24)的X向间隙；Y向磁弹簧(3)包括沿水平Y轴依次阵列布置的第三定磁铁(31)、第三动磁铁(32)、第四动磁铁(33)和第四定磁铁(34)，第三定磁铁(31)、第三动磁铁(32)、第四动磁铁(33)和第四定磁铁(34)为沿Z轴阵列布置、且相邻磁铁磁化方向相反的立方永磁体组，第三定磁铁(31)与第三动磁铁(32)之间呈引力作用，第四动磁铁(33)与第四定磁铁(34)之间呈引力作用，第三定磁铁(31)与第三动磁铁(32)的Y向间隙等于第四动磁铁(33)与第四定磁铁(34)的Y向间隙；第一动磁铁(22)、第二动磁铁(23)、第三动磁铁(32)和第四动磁铁(33)分别与动磁铁安装框(4)的四个外壁固定连接，第一定磁铁(21)、第二定磁铁(24)、第三定磁铁(31)和第四定磁铁(34)分别与定磁铁固定架(1)的四个内壁固定连接，动磁铁安装框(4)以轴线重合的方式嵌套在定磁铁固定架(1)顶端的固定孔中，动磁铁安装框(4)底部与定磁铁固定架(1)顶端设有间隙。
2.根据权利要求1所述的基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置，其特征在于：所述第一定磁铁(21)、第一动磁铁(22)、第二动磁铁(23)和第二定磁铁(24)沿水平X轴同向磁化。
3.根据权利要求1所述的基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置，其特征在于：所述第一定磁铁(21)、第一动磁铁(22)、第二动磁铁(23)和第二定磁铁(24)均沿水平Y轴或Z轴磁化，且第一定磁铁(21)的磁化方向与第二定磁铁(24)的磁化方向相同，与第一动磁铁(22)、第二动磁铁(23)的磁化方向相反。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置，其特征在于：所述第三定磁铁(31)、第三动磁铁(32)、第四动磁铁(33)和第四定磁铁(34)沿水平Y轴同向磁化。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置，其特征在于：所述第三定磁铁(31)、第三动磁铁(32)、第四动磁铁(33)和第四定磁铁(34)均沿水平X轴或Z轴磁化，且第三定磁铁(31)的磁化方向与第四定磁铁(34)的磁化方向相同，与第三动磁铁(32)、第四动磁铁(33)的磁化方向相反。
6.根据权利要求1所述的基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置，其特征在于：所述基于正负刚度并联的水平二自由度电磁隔振装置的整体结构成轴对称，所述固定孔为方形孔。
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