CN112228487A - 变气隙高线性度电磁式主动吸振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变气隙高线性度电磁式主动吸振器，包括动子组件、定子组件和底板，动子组件位于定子组件外侧，定子组件固设于底板上，底板与动子组件间设有弹性体，定子组件和动子组件之间设有气隙。本发明结构简洁，性能好，可靠性高，解决了动子出力位移非线性，吸振器输出力降低的问题，将磁体与铜线圈全部集中在动子上，可使得吸振器质量更多集中在动子上，从而减小吸振器达到相同出力时动子的位移，同时提高吸振器体积利用效率，不需要给动子预留很大的运动空间就可以达到出力要求。

Description

变气隙高线性度电磁式主动吸振器

技术领域

本发明涉及吸振器技术领域，尤其是涉及一种变气隙高线性度电磁式主动吸振器。

背景技术

在众多工业领域，机械振动是一种不可忽视的工程问题。例如内燃机、油泵等旋转机械中旋转机构的偏心质量导致振动，产生环境噪音、降低零件寿命、影响精密仪器或传感器正常工作；机床中直线运动机构中因摩擦力产生的爬行现象或主轴受不平衡切削力导致结构振动，影响机床加工精度；又比如轨道交通中列车经过导致道床板振动，可能损坏周围建筑结构并影响周边居民；军用舰艇上的机械振动会传递至舰艇外壳，产生声辐射，影响军用舰艇隐蔽性。因此在这些应用中，振动控制显得尤为重要。

吸振器作为一种常用的振动控制手段被广泛应用，而主动式吸振作为吸振器的终极形式，可以最大程度抑制振动。被动吸振器主要由弹簧-阻尼-振子系统构成，电磁式主动吸振器在被动吸振器的基础上增加了线圈与永磁体（或只有线圈），通过对线圈通电对振子施加电磁力，从而产生主动力与振动力相抵消，起到抑制振动的作用。理想的电磁主动式吸振器具有两个重要特点：（1）出力线性度好；（2）单位体积出力密度大。理论与实践都表明：出力线性度越好，则振动主动控制效果越好；单位体积出力密度越大意味着主动吸振器占用空间越小，对安装空间、安装方式要求越灵活。

传统的主动式电磁吸振器产生电磁力的方式主要是：（1）安倍力型吸振器：此类吸振器大多导线周向环绕，通电导线在径向磁场的作用下产生安培力。此类吸振器，需要将线圈置于气隙间，线圈通电在气隙磁场中产生安培力，如中国发明专利CN107339352A、CN103573908A等；（2）电磁体型吸振器：给围绕铁芯的通电导线通电，使铁芯变成电磁体，电磁体与动子吸引或排斥产生电磁力，如中国发明专利CN106641087A、CN108916301A、CN201621103913.7等。其中，电磁体式吸振器出力体积密度比安倍力型吸振器更大，但一般来说其出力线性度比安倍力型吸振器差。电磁体式吸振器的出力非线性包含两种形式：（1）、位移非线性：吸振器出力受到动子位移影响较大，理想的电磁式吸振器在某工作频率下其出力应只与线圈电流大小相关，且出力大小与电流大小呈正比（F=K·I），但电磁体式吸振器即使在不通电的情况下由于动子定子间永磁体与导磁体间的电磁力的影响，作动器出力往往与动子位移相关，造成非线性增强（导磁体距离永磁体越近，吸力越大，反之越小，总之导磁体与永磁体的相互作用力与两者之间位置关系相关）；（2）、电流非线性：吸振器出力会随电流增大会逐渐饱和(单位电流出力随电流增大而减小)，这是由于导磁体的磁饱和特性产生的。其中，位移非线性影响最大。主动式吸振器作为振动主动控制的核心元件之一，其非线性严重影响振动主动控制效果。因此，提高主动式吸振器的线性度对提升振动主动控制效果有重要贡献。

中国专利文献CN201621103913.7记载了一种磁阻式电磁主动吸振器，通过线圈通交变电流感应产生交变的“N”极或“S”极，从而产生交变电磁力，但该结构存在以下弊端：1、线圈绕在定子上，使得质量更多集中在定子，降低了吸振器的体积效率。2、线圈不通电时，动子在竖直方向依然受到永磁体感生磁场与定子突起之间的电磁力作用，即上文所述“位移非线性”产生向上的位移时，动子永磁体感生磁场对定子突起产生吸力，其在竖直方向的分力向下，且随位移变化而变化，这个力在吸振器工作时会出力线性度造成严重干扰。3、该结构磁体用量大，导致成本上升、装配困难，磁体在装配时会与导磁体间产生强磁吸力导致装配困难，故一般来说，磁钢用量越多装配越困难。

中国专利文献CN201720827826.4记载了一种电磁式主动吸振器，同样是通过线圈通交变电流感应产生交变的“N”极或“S”极，从而产生交变电磁力，该结构同样存在体积效率低、位移非线性变化、装配困难的问题。

中国专利文献CN201922485495.2记载了一种复合电磁式动力吸振器，通过磁路设计实现了电磁力与安培力共同作用的方案，但是该结构存在以下局限：1、虽然该方案是两种吸振器磁路结构的结合，但并没有完全消除吸振器的“位移非线性”，气隙厚度不变而长度变化，总磁阻依然随动子位移变化，因此定子和动子间的磁吸力依然随动子位移变化而变化，因此没有在本质上解决“位移非线性”问题；2、该磁路结构线圈空间有限，单位体积出力效率不及单纯的电磁体型吸振器。

中国专利文献CN201610312370.8记载了一种高线性度电磁式半主动吸振器，在动子与定子气隙处采用若干错开齿形结构，此结构可使得不同齿型间气隙磁阻在动子运动过程中相互补偿使得气隙总磁阻几乎不随动子运动而变化，从而该吸振器具有极高位移线性度，但是由于整个吸振器为追求线性度未采用永磁体，导致该吸振器磁路与相同体积含永磁体的电磁体式吸振器磁路相比，磁通量极低，从而进一步导致其磁路磁能低、单位体积出力小。大大限制了其实际应用范围。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种变气隙高线性度电磁式主动吸振器，解决动子出力位移非线性，吸振器输出力降低的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括动子组件、定子组件和底板，动子组件位于定子组件外侧，定子组件固设于底板上，底板与动子组件间设有弹性体，定子组件和动子组件之间设有气隙；优选的，还设有外壳，外壳可拆卸的连接有顶板，外壳位于底板上方，顶板位于外壳上方。

优选方案中，所述定子组件包括定块，定块上均匀设置有多个凸起，凸起包括上端凸起和下端凸起，定块通过安装座分别和顶板与底板连接。

优选方案中，所述动子组件包括平行设置的两个第一导磁体，两个第一导磁体之间设有磁性件，磁性件包括平行设置的第一磁体和第二磁体，第一磁体和第二磁体之间设有第二导磁体，第二导磁体中部设有线圈，第一磁体和第二磁体极性相对设置；优选的，线圈外侧设有线圈架，线圈架位于第二导磁体内。

优选方案中，所述第二导磁体包括侧板，侧板上相对设置有两个挡板，定子组件两侧对称设有用于将动子组件和定子组件分开的气隙面，挡板靠近定子组件的第二侧壁向距离较近的磁性件倾斜，第一导磁体靠近定子组件的第一侧壁向距离较近的磁性件倾斜，磁性件的第三侧壁和气隙面平行，第三侧壁和气隙面之间的垂直距离分别大于第一侧壁靠近磁性件的一端和定子组件之间的距离和第二侧壁靠近磁性件的一端和定子组件之间的距离。

优选方案中，所述动子组件外部设有配重块，配重块上相对设有多个弹簧孔和多个轴承孔，弹性件穿设在弹簧孔，弹性件上端通过螺钉和配重块连接，轴承孔内设有轴承套，轴承套上穿设有导向轴；优选的，导向轴上端和下端分别和顶板与底板连接。

优选方案中，所述配重块上对称设有凹槽，凹槽内框尺寸和动子组件外形尺寸相配合。

优选方案中，所述弹性件和导向轴分别对角设置在配重块上。

优选方案中，所述配重块两侧相对设有两个通槽，通槽方向和定子组件轴线平行，通槽一侧贯穿配重块顶端向外延伸。

优选方案中，所述凸起处设有倒角。

本发明一种变气隙高线性度电磁式主动吸振器带来的有益效果是：

1）本发明电磁体式主动吸振器动子与定子间气隙厚度随动子位移变化而变化，从而使得气隙处总磁阻不变，定子上下两端受到的永磁体与导磁体间的电磁力等大反向而抵消，从而最大程度减小电磁体式电磁作动器的位移非线性。导致现有电磁作动器位移非线性原因为：气隙厚度不变，但气隙长度会随动子上下运动而变化，这使得气隙磁阻呈非线性反比例函数规律变化（气隙长度变大，磁阻以反比例规律降低），由于磁阻变化，永磁体导致的动子与定子间的磁吸力发生变化，本发明所提出的磁路结构会使气隙长度与厚度随动子位移变化均同时变化但总磁阻保持不变，因此可以保持恒定磁吸力，由于上部下部磁吸力恒定，因此等大反向的磁吸力可以抵消，最大程度降低吸振器位移非线性；

2）本发明将磁体与铜线圈全部集中在动子上，可使得吸振器质量更多集中在动子上，从而减小吸振器达到相同出力时动子的位移（吸振器出力为Fa=m·a，m为动子质量，a为动子加速度，当Fa一定时，m越大则所需a越小，a越小则所需动子位移越小），减小动子位移有利于提升主动式吸振器的位移线性度，同时提高吸振器体积利用效率，不需要给动子预留很大的运动空间就可以达到出力要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明内部结构示意图；

图2是本发明内部正视示意图；

图3是本发明定子组件和动子组件安装示意图；

图4是本发明工作示意图A；

图5是本发明实施例2内部结构示意图；

图6是本发明工作示意图B；

图7是本发明实施例3内部结构示意图；

图8是本发明实施例4内部结构示意图；

图9是本发明实施例4正视示意图。

图中：导向轴1；顶板2；第二侧壁3；第一侧壁4；气隙面5；凸起6；上端凸起601；下端凸起602；第一导磁体7；磁性件8；第一磁体801；第二磁体802；定子组件9；定块901；第二导磁体10；侧板1001；挡板1002；弹性件11；气隙12；底板13；安装座14；线圈15；外壳16；线圈架17；配重块18；凹槽1801；通槽1802；轴承孔19；轴承套20；动子组件21；弹簧孔22；第一感应磁场23；第一感应磁场24；倒角25；簧片26。

具体实施方式

实施例1

如图1~4所示，一种变气隙高线性度电磁式主动吸振器，包括动子组件21、定子组件9和底板13，动子组件21位于定子组件9外侧，定子组件9固设于底板13上，底板13与动子组件21间设有弹性体11，定子组件9和动子组件21之间设有气隙12；优选的，还设有外壳16，外壳16可拆卸的连接有顶板2，外壳16位于底板13上方，顶板2位于外壳16上方，弹性件11采用弹簧，外壳16采用正方体结构。由此结构，动子组件21和定子组件9之间形成稳定的磁场，在电磁力的作用下动子组件21发生相对运动，弹簧11保证了动子组件21在运动的过程中复位回到初始位置并支撑动子组件21，外壳16保证了整体的工作环境稳定。

优选方案中，所述定子组件9包括定块901，定块901上均匀设置有多个凸起6，凸起6包括上端凸起601和下端凸起602。优选的，定块901通过安装座14分别和顶板2与底板13连接。由此结构，以使得凸起6使得线圈15在通电的状态下，定子组件9上感应出的“N”极与“S”极处的磁通量更加聚集，从而提升气隙12处磁感应强度，从而提升出力。

优选方案中，所述动子组件21包括平行设置的两个第一导磁体7，两个第一导磁体7之间设有磁性件8，磁性件8包括平行设置的第一磁体801和第二磁体802，第一磁体801和第二磁体802之间设有第二导磁体10，第二导磁体10中部线圈15，第一磁体801和第二磁体802极性相对设置；优选的，线圈15外侧设有线圈架17，线圈架17位于第二导磁体10内。由此结构，第一磁体801和第二磁体802采用永磁铁材料制成，以使得线圈15通电，在第一导磁体7和第二导磁体10之间由于电磁感应产生力的作用。

优选方案中，所述第二导磁体10包括侧板1001，侧板1001上相对设置有两个挡板1002，定子组件9两侧对称设有用于将动子组件21和定子组件9分开的气隙面5，挡板1002靠近定子组件9的第二侧壁3向距离较近的磁性件8倾斜，第一导磁体7靠近定子组件9的第一侧壁4向距离较近的磁性件8倾斜，磁性件8的第三侧壁803和气隙面5平行，第三侧壁803和气隙面5之间的垂直距离分别大于第一侧壁4靠近磁性件8的一端和定子组件9之间的距离和第二侧壁1003靠近磁性件8的一端和定子组件9之间的距离。由此结构，第二导磁体10采用C型结构，第一导磁体7靠近定子组件9的第一侧壁4上任意一点与气隙面5的距离随该点沿动子组件移动方向与磁钢距离的减小而增大，第二导磁体10靠近定子组件9的第二侧壁3上任意一点与气隙面5的距离随该点沿动子组件移动方向与磁钢距离的减小而增大，从而使得气隙12处总磁阻不变，保证了定子上下两端受到的永磁体磁体801和第一导磁体7与第二导磁体10间的电磁力等大反向而抵消，从而最大程度减小电磁体式电磁作动器的位移非线性。

优选方案中，所述动子组件21外部设有配重块18，配重块18上相对设有多个弹簧孔22和多个轴承孔19，弹性件11穿设在弹簧孔22，弹性件11上端通过螺钉和配重块18连接，轴承孔19内设有轴承套20，轴承套20上穿设有导向轴1；优选的，导向轴1上端和下端分别和顶板2与底板13连接。由此结构，配重块18与动子组件21通过胶水粘接为一体，从而可以提高动子质量从而减小动子位移提高线性度。

优选方案中，所述配重18块上对称设有凹槽1801，凹槽1801内框尺寸和动子组件21外形尺寸相配合。由此结构，保证了配重块18和动子组件21的紧密配合，空间利用率高，结构稳定。

优选方案中，所述弹性件11和导向轴1分别对角设置在配重块18上。由此结构，以使得配重块18在导向轴1和弹性件11的作用下平衡受力，运动也更加准确平滑。

优选方案中，所述配重块18两侧相对设有两个通槽1802，通槽1802方向和定子组件9轴线平行，通槽1802一侧贯穿配重块18顶端向外延伸。由此结构，以使得结构紧凑，通槽1802用于穿设导线。

实施例2

与实施例1不同之处在于，第一磁体801的N极朝下，第二磁体802的N极朝上。

实施例3

与实施例1不同之处在于，优选方案中，所述凸起6处设有倒角25。优选的，倒角为圆弧形。由此结构，以使得定子组件9和动子组件21之间的气隙变化更多，满足不同场景的设计需要。

实施例4

与实施例1不同之处在于，所述外壳16采用圆柱形结构，弹性件11优选的采用簧片26，减少了轴承的使用，动子组件21和定子组件9通过簧片26实现径向定位

工作原理：

出力主要由通电时定子组件9与动子组件21间的电磁力产生。当线圈15通如图4所示方向的电流时，根据电磁感应定律，在定子组件9中生成第一感应磁场23，定子组件9变为电磁体；根据右手螺旋定则，磁感线由定子组件9下端凸起6发出、由定子组件9上端凸起601进入，上端凸起601处感生出如图4所示“N”极与“S”极。同时，动子组件21中的第一磁体801与第二磁体802形成如图4所示闭合回路，磁感线由在第一导磁体内侧面（4）发出，由“C”型截面导磁体内侧面（3）进入，在动子组件21的第一导磁体7上的第一侧壁4上感生出“N”极，在第二导磁体10的第二侧壁3感生出“S”极。此时，动子组件21上感生出的各“N”极、“S”极分别与定子组件9感生出的各“N”极、“S”极间形成如图4所示的吸力或斥力，从而使动子受到方向向下的合力。

同样的，当线圈通如图6所示方向的电流时，根据电磁感应定律，在定子组件9中生成第二感应磁场24，定子组件9变为电磁体；根据右手螺旋定则，磁感线由定子组件9的上端凸起601发出、由定子组件9的下端凸起602进入，在下端凸起602处感生出如图6所示“N”极与“S”极。同时，动子组件21中的第一磁体801与第二磁体802形成如图6所示闭合回路，磁感线由在第一导磁体7上的第一侧壁4发出，由第二导磁体10的第二侧壁3进入，在动子组件21端的第一导磁体7上的第一侧壁4上感生出“N”极，在第二导磁体10的第二侧壁3感生出“S”极。此时，动子组件21上感生出的各“N”极、“S”极分别与定子组件9感生出的各“N”极、“S”极间形成如图6所示的吸力或斥力，从而使动子受到方向向上的合力。

综上，当线圈内通正弦型交变电流时，定子组件9的各个凸起6依此感生出交变的“N”极与“S”极，与动子组件21在第二导磁体10的第二侧壁3感生出的“N”极，第一导磁体7的第一侧壁4感生出的“S”极相互作用，使动子组件21受到正弦型交变电磁力。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种变气隙高线性度电磁式主动吸振器，其特征是：包括动子组件（21）、定子组件（9）和底板（13），动子组件（21）位于定子组件（9）外侧，定子组件（9）固设于底板（13）上，底板（13）与动子组件（21）间设有弹性体（11），定子组件（9）和动子组件（21）之间设有气隙（12），动子组件（21）包括平行设置的两个第一导磁体（7），两个第一导磁体（7）之间设有磁性件（8），磁性件（8）包括平行设置的第一磁体（801）和第二磁体（802），第一磁体（801）和第二磁体（802）之间设有第二导磁体（10），第二导磁体（10）中部设有线圈（15），第一磁体（801）和第二磁体（802）极性相对设置，第二导磁体（10）包括侧板（1001），侧板（1001）上相对设置有两个挡板（1002），定子组件（9）两侧对称设有用于将动子组件（21）和定子组件（9）分开的气隙面（5），挡板（1002）靠近定子组件（9）的第二侧壁（3）向距离较近的磁性件（8）倾斜，第一导磁体（7）靠近定子组件（9）的第一侧壁（4）向距离较近的磁性件（8）倾斜，第一侧壁（4）远离磁性件（8）的一端到定子组件（9）轴线的距离小于第一侧壁（4）靠近磁性件（8）的一端到定子组件（8）轴线的距离，第二侧壁（3）远离磁性件（8）的一端到定子组件（9）轴线的距离小于第二侧壁（3）靠近磁性件（8）的一端到定子组件（9）轴线的距离。

2.根据权利要求1所述一种变气隙高线性度电磁式主动吸振器，其特征是：所述定子组件（9）包括定块（901），定块（901）上均匀设置有多个凸起（6），凸起（6）包括上端凸起（601）和下端凸起（602）。

3.根据权利要求1所述一种变气隙高线性度电磁式主动吸振器，其特征是：所述动子组件（21）外部设有配重块（18），配重块（18）上相对设有多个弹簧孔（22）和多个轴承孔（19），弹性件（11）穿设在弹簧孔（22），弹性件（11）上端通过螺钉和配重块（18）连接，轴承孔（19）内设有轴承套（20），轴承套（20）上穿设有导向轴（1）。

4.根据权利要求2所述一种变气隙高线性度电磁式主动吸振器，其特征是：所述凸起（6）处设有倒角（25）。

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