CN111677811A - 基于磁斥力正负刚度并联的三自由度电磁隔振装置 - Google Patents

基于磁斥力正负刚度并联的三自由度电磁隔振装置 Download PDF

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Abstract

基于磁斥力正负刚度并联的三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，并与Z向正刚度弹簧并联连接，实现三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、磁材料利用率高，能实现精密仪器设备的三自由度低频/超低频隔振效果。

Description

基于磁斥力正负刚度并联的三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，特别是一种基于磁斥力正负刚度并联的三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低频隔振效果，目前对单自由度及六自由度电磁隔振器的研究较多，而对三自由度电磁隔振器的研究较少。
专利号为CN201310187711.X公开了一种三自由度超低频减振器。在垂向上，该技术方案利用磁正刚度结构与磁负刚度结构并联实现低频隔振效果，磁正刚度结构与磁负刚度结构分别由同极磁铁间的斥力作用与异极磁铁间的引力作用实现；在水平方向上，采用片簧作为正刚度元件与水平向磁负刚度结构并联实现低频隔振效果，水平向的磁负刚度特性由垂向磁正刚度弹簧产生。该技术方案的特征在于：垂向磁负刚度结构仅利用了磁铁间引力作用在Z向上产生的负刚度特性，磁材料的利用率低，且需要运动导向机构以实现垂向磁负刚度结构沿X、Y向运动的约束，结构复杂、体积大、制造成本高。
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及原理创新，提供一种高磁材料利用率且无需运动导向机构的三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，进而进一步提高精密仪器设备的精度具有重大意义。
发明内容
本发明针对现有三自由度电磁隔振器的磁材料利用率低，且需要运动导向机构以实现特定方向刚度特性的问题，提出一种基于磁斥力正负刚度并联的三自由度电磁隔振装置，该三自由度电磁隔振器在X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Y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Z方向，利用X向磁弹簧产生的负刚度与Y向磁弹簧产生的负刚度并联以抵消Z向正刚度弹簧的刚度值，从而实现三自由度的低频隔振效果。该三自由度电磁隔振装置结构设计简单灵活、磁材料利用率高，且无需运动导向机构。
发明的技术解决方案是：
一种基于磁斥力正负刚度并联的三自由度电磁隔振装置包括连接结构、磁弹簧结构和Z向正刚度弹簧，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；所述磁弹簧结构包括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立方永磁体，第一定磁铁与第一动磁铁之间呈斥力作用，第二动磁铁与第二定磁铁之间呈斥力作用，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立方永磁体，第三定磁铁与第三动磁铁之间呈斥力作用，第四动磁铁与第四定磁铁之间呈斥力作用，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安装在定磁铁固定架顶端的固定孔中，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Z向正刚度弹簧以轴线重合的方式安装在动磁铁安装框的底部开孔中，顶端与底部通过弹簧固定座7分别与动磁铁安装框及定磁铁固定架固定连接。
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，所述第一定磁铁、第一动磁铁、第二动磁铁和第二定磁铁沿水平Y轴或Z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沿水平Y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，所述第三定磁铁、第三动磁铁、第四动磁铁和第四定磁铁沿水平X轴或Z轴同向磁化。
优选的，所述基于磁斥力正负刚度并联的三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)该技术方案实现了三自由度的电磁隔振，同时实现了高磁材料利用率及无导向机构的结构设计。采用垂直布置、并联连接的磁弹簧与Z向正刚度弹簧并联实现三自由度的电磁隔振效果；X向磁弹簧与Y向磁弹簧并联实现水平二自由度的正负刚度结构并联隔振效果以及垂向的高幅值负刚度特性以抵消Z向正刚度弹簧的刚度值，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Y轴或Z轴同向磁化、水平X轴不同向磁化的磁铁阵列构成，Y向磁弹簧可由沿水平X轴或Z轴同向磁化、水平Y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二。
附图说明
图1为基于磁斥力正负刚度并联的三自由度电磁隔振装置的俯视图；
图2为基于磁斥力正负刚度并联的三自由度电磁隔振装置的三维剖视示意图；
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第二定磁铁、24第二动磁铁、3Y向磁弹簧、31第三定磁铁、32第三动磁铁、33第四定磁铁、34第四动磁铁、4Z向正刚度弹簧、5负载连接件、6动磁铁安装框、7弹簧固定座。
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。
一种基于磁斥力正负刚度并联的三自由度电磁隔振装置包括连接结构、磁弹簧结构和Z向正刚度弹簧4，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6，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6为底部开孔的立方体结构；所述磁弹簧结构包括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为立方永磁体，第一定磁铁21与第一动磁铁22之间呈斥力作用，第二动磁铁23与第二定磁铁24之间呈斥力作用，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为立方永磁体，第三定磁铁31与第三动磁铁32之间呈斥力作用，第四动磁铁33与第四定磁铁34之间呈斥力作用，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6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6以轴线重合的方式安装在定磁铁固定架1顶端的固定孔中，动磁铁安装框6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Z向正刚度弹簧4以轴线重合的方式安装在动磁铁安装框6的底部开孔中，顶端与底部通过弹簧固定座7分别与动磁铁安装框6及定磁铁固定架1固定连接。
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Y轴或Z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沿水平Y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X轴或Z轴同向磁化。
作为一种具体的实施方式，所述基于磁斥力正负刚度并联的三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与图2分别为基于磁斥力正负刚度并联的三自由度电磁隔振装置的俯视图与三维剖视示意图，第一定磁铁21为4mm×10mm×10mm的立方永磁体，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沿水平X轴正方向分别按照8.5mm、29.5mm、38mm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10mm×4mm×10mm的立方永磁体，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沿水平Y轴负方向分别按照8.5mm、29.5mm、38mm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42mm×42mm×17mm，材料为硬质铝合金；动磁铁安装框4为17mm×17mm×12mm立方体结构，底端开直径13mm、深9mm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；Z向正刚度弹簧4为圆柱形螺旋弹簧，以轴线重合的方式安装在动磁铁安装框6底端的圆孔中，顶端与底部通过弹簧固定座7分别与动磁铁安装框6及定磁铁固定架1固定连接。
图3为图1的A-A剖面视图，第一定磁铁21与第二定磁铁24沿水平X轴正方向磁化，第一动磁铁22与第二动磁铁23沿水平X轴负方向磁化，如图3中箭头所示；图4为图1的B-B剖面视图，第三定磁铁31与第四定磁铁34沿水平Y轴正方向磁化，第三动磁铁32与第四动磁铁33沿水平Y轴负方向磁化，如图4中箭头所示；在X方向上，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Y方向上，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Z方向上，X向磁弹簧2产生的负刚度与Y向磁弹簧3产生的负刚度并联实现高幅值负刚度特性以抵消Z向正刚度弹簧4的刚度值，实现低频隔振效果。
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和第二定磁铁24均沿水平Y轴负方向磁化，如图中箭头所示。
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和第二定磁铁24均沿Z轴正方向磁化，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和第四定磁铁34均沿水平X轴负方向磁化，如图中箭头所示。
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和第四定磁铁34均沿Z轴正方向磁化，如图中箭头所示。

Claims (6)

1.一种基于磁斥力正负刚度并联的三自由度电磁隔振装置包括连接结构、磁弹簧结构和Z向正刚度弹簧(4)，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(6)，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(6)为底部开孔的立方体结构；其特征在于：所述磁弹簧结构包括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)为立方永磁体，第一定磁铁(21)与第一动磁铁(22)之间呈斥力作用，第二动磁铁(23)与第二定磁铁(24)之间呈斥力作用，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)为立方永磁体，第三定磁铁(31)与第三动磁铁(32)之间呈斥力作用，第四动磁铁(33)与第四定磁铁(34)之间呈斥力作用，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(6)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(6)以轴线重合的方式安装在定磁铁固定架(1)顶端的固定孔中，动磁铁安装框(6)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Z向正刚度弹簧(4)以轴线重合的方式安装在动磁铁安装框(6)的底部开孔中，顶端与底部通过弹簧固定座(7)分别与动磁铁安装框(6)及定磁铁固定架(1)固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于磁斥力正负刚度并联的三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。
3.根据权利要求1所述的基于磁斥力正负刚度并联的三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Y轴或Z轴同向磁化。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于磁斥力正负刚度并联的三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。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于磁斥力正负刚度并联的三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X轴或Z轴同向磁化。
6.根据权利要求1所述的基于磁斥力正负刚度并联的三自由度电磁隔振装置，其特征在于：所述基于磁斥力正负刚度并联的三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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