CN112303176B - 主动电磁负刚度隔微振装置 - Google Patents

主动电磁负刚度隔微振装置 Download PDF

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Abstract

主动电磁负刚度隔微振装置属于精密隔振技术领域，由同轴嵌套双磁环结构与通电线圈并联构成。同轴嵌套双磁环结构利用径向产生的高幅值正刚度特性实现轴向运动的磁力导向，在轴向实现刚度不可调整的负刚度特性，通电线圈产生精密可控的励磁磁通实现负刚度值的调整。本发明磁环间隙与负刚度方向垂直，不限制隔振负载的振动幅值及正刚度隔振器的最大形变量；无需额外的导向机构，结构简单紧凑；线圈中只需较小的电流对偏置磁场进行调节，而无需持续的高能量输入，系统能耗低。

Description

主动电磁负刚度隔微振装置
技术领域
本发明属于精密隔振技术领域，特别是一种主动电磁负刚度隔微振装置。
背景技术
环境中的低频微幅振动干扰已经成为限制精密仪器设备装调、测试和实验精度提高的重点问题之一，为精密仪器设备配备低频隔振器逐渐成为超精密工程领域抑制环境微振动的主要技术手段。主动电磁负刚度隔微振装置因其无机械摩擦、结构紧凑、易于与主动控制系统集成、能够动态适应隔振负载质量及激励频率变化等特点，广泛用于与正刚度隔振器并联构建刚度可调式高静低动刚度隔振器。
专利号201810299031.X和201810300899.7公开了一种采用电磁负刚度的主被动复合隔振器。该技术方案采用环形永磁体产生静态偏置磁通；通过检测传力杆的输出位移并反馈给隔振器，主动控制励磁线圈产生励磁磁通与偏置磁通叠加，该叠加磁通在环形动子表面与定子表面之间的工作气隙中产生电磁应力并作用到环形动子上，使环形动子在垂向产生刚度可调的负刚度特性。该技术方案的特征在于：1)永磁体及线圈的布置方式限制了隔振负载的振动幅值及正刚度隔振器的最大形变量，不适用于大型空气弹簧等具有大浮起高度及振动位移特性的隔振器的低频隔振；2)需要高精度位移传感器实现传力杆位移的精确监控，成本高。
专利号201810371511.2利用三个沿垂向阵列布置的环形电磁线圈与环形电磁铁构成刚度可调式电磁隔振装置，该技术方案通过调节环形线圈之间的轴向距离及改变供电电流大小，改变电磁线圈磁场的分布，进而实现刚度可调，提高隔振装置对不同振源的隔振能力，扩大装置的使用范围。该技术方案的特征在于：1)环形电磁线圈间的距离限制了隔振负载的振动幅值及正刚度隔振器的最大形变量，不适于降低大型空气弹簧等具有大浮起高度及振动位移特性的隔振器的刚度；2)需要精密的导向机构实现沿垂向的单自由度运动，结构复杂、成本高；3)采用电磁线圈产生可调激励磁场，工作过程中需要持续地给电磁线圈输入能量以产生电磁力，系统能耗高。
专利号201910634275.3公开了一种基于Stewart平台准零刚度隔振和能量采集系统，该技术方案利用环形永磁体和电磁铁沿轴布置提供负刚度，抵消膜片弹簧的正刚度，通过布置在运动电磁铁周围的线圈，利用电磁感应收集电能。电磁铁的引入使得负刚度大小可调，适应隔振负载质量及激励频率的变化，隔振频带增加，达到更低频隔振效果。该技术方案的特征在于：1)环形永磁体与电磁铁沿垂向间隙布置的方式限制了隔振负载的振动幅值及正刚度隔振器的最大形变量，不适用于大型空气弹簧等具有大浮起高度及振动位移特性的隔振器的低频隔振。2)采用永磁体与电磁铁组合的方式实现可调负刚度特性，工作过程中需要持续地给电磁铁输入能量以产生与运动位移方向相同的电磁力，系统能耗高；3)水平向的低刚度特性导致准零刚度隔振系统需要精密的导向机构实现沿垂向的单自由度运动，结构复杂、成本高。
综上，如何通过隔振结构与原理创新，提供一种不限制隔振负载振动幅值及正刚度隔振器最大形变量、能耗低、结构简单的主动电磁负刚度隔微振装置以实现不同负载质量、不同激励频率下的低频/超低频隔振效果，对进一步降低环境微振动干扰对精密仪器设备的装调、测试和实验精度的影响具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有电磁负刚度隔微振装置限制隔振负载振动幅值及正刚度隔振器最大形变量，而不适用于大型空气弹簧等具有大浮起高度与振动位移特性的隔振器的低频隔振领域，且结构复杂、能耗高等问题，提出了一种主动电磁负刚度隔微振装置。利用同轴嵌套双磁环结构在垂向实现刚度不可调整的负刚度特性，并利用与双磁环负刚度结构同轴嵌套的通电线圈产生精密可控的励磁磁通，改变动磁环周围的偏置磁场，进而实现负刚度值的调整，适应隔振负载质量及激励频率的变化。磁环间隙与正刚度隔振器的起落运动方向垂直，不限制隔振负载的振动幅值及正刚度隔振器的最大形变量；同轴嵌套双磁环结构在径向产生高幅值正刚度特性实现轴向运动的磁力导向，无需额外的导向机构，结构简单紧凑。偏置磁场由定磁环提供，线圈中只需较小的电流产生励磁磁通对偏置磁场进行调节，而无需持续的高能量输入，系统能耗低。
本发明的技术解决方案是：
一种主动电磁负刚度隔微振装置，包括定磁环固定件、定磁环、动磁环安装件、动磁环、线圈骨架、线圈和隔振负载，所述定磁环固定件为T形圆柱，定磁环和动磁环为沿轴向同向磁化的环形永磁体，线圈骨架和动磁环安装件为环形套筒，线圈骨架外壁的上、下端设有环形凸台；定磁环固定件、定磁环、动磁环安装件、动磁环、线圈骨架和线圈由轴线沿半径向外依次同轴嵌套，整体结构呈轴对称；所述定磁环固定安装在定磁环固定件外壁，定磁环固定件底部与线圈骨架的底部固定连接，定磁环与动磁环安装件沿径向设有间隙，动磁环固定安装在动磁环安装件外壁，动磁环和定磁环的轴向高度中心等高；动磁环安装件顶端支撑隔振负载，动磁环与线圈骨架沿径向设有间隙，线圈骨架上绕有线圈，线圈中通以精密可控的驱动电流，线圈关于动磁环的轴向高度中心对称。
优选的，所述定磁环固定件与动磁环安装件的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢。
优选的，所述线圈骨架的材料为陶瓷、花岗岩、玻璃钢或硬质塑料。
本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
(1)该技术方案采用同轴嵌套双磁环结构与通电线圈并联实现可调负刚度特性，适用于实现大型空气弹簧等具有大浮起高度与振动位移特性的隔振器的低刚度效果。利用同轴嵌套双磁环结构在垂向实现刚度不可调整的负刚度特性，并利用与双磁环负刚度结构同轴嵌套的通电线圈产生精密可控的励磁磁通，改变动磁环周围的偏置磁场，进而实现负刚度值的调整；磁环间隙与负刚度方向垂直，因此，隔振负载的振动幅值及正刚度隔振器的最大形变量不受限制，适用于大型空气弹簧等具有大浮起高度及振动位移特性的隔振器的低频隔振领域。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。
(2)该技术方案利用同轴嵌套双磁环结构的径向磁力对垂向运动进行导向，无需精密的运动导向机构，结构简单。同轴嵌套双磁环结构在轴向产生刚度不可调整的负刚度以降低正刚度隔振器的刚度值，实现低频隔振效果；在径向产生高幅值正刚度特性，实现轴向运动的磁力导向，无需额外的导向机构，结构简单紧凑。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。
(3)该技术方案利用通电线圈产生精密可控的励磁磁通对偏置磁场进行调节，通电线圈中无需持续的高能量输入，系统能耗低。利用定磁环与通电线圈分别产生偏置磁场和励磁磁通，励磁磁通与偏置磁场叠加改变动磁环周围的磁场，进而实现可调负刚度以适应隔振负载质量及激励频率的变化。偏置磁场由定磁环提供，线圈中只需较小的电流产生励磁磁通对偏置磁场进行调节，而无需持续的高能量输入，系统能耗低。这是本发明区别于现有技术的创新点之三。
附图说明
图1为主动电磁负刚度隔微振装置的三维剖视示意图；
图2为主动电磁负刚度隔微振装置中磁环的磁化方向与线圈的通电方向示意图；
图3为动磁环安装件一个实施例的结构示意图；
图中件号说明：1定磁环固定件、2定磁环、3动磁环安装件、4动磁环、5线圈骨架、6线圈、7隔振负载。
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。
一种主动电磁负刚度隔微振装置，包括定磁环固定件1、定磁环2、动磁环安装件3、动磁环4、线圈骨架5、线圈6和隔振负载7，所述定磁环固定件1为T形圆柱，定磁环2和动磁环4为沿轴向同向磁化的环形永磁体，线圈骨架5和动磁环安装件3为环形套筒，线圈骨架5外壁的上、下端设有环形凸台；定磁环固定件1、定磁环2、动磁环安装件3、动磁环4、线圈骨架5和线圈6由轴线沿半径向外依次同轴嵌套，整体结构呈轴对称；所述定磁环2固定安装在定磁环固定件1外壁，定磁环固定件1底部与线圈骨架5的底部固定连接，定磁环2与动磁环安装件3沿径向设有间隙，动磁环4固定安装在动磁环安装件3外壁，动磁环4和定磁环2的轴向高度中心等高；动磁环安装件3顶端支撑隔振负载7，动磁环4与线圈骨架5沿径向设有间隙，线圈骨架5上绕有线圈6，线圈6中通以精密可控的驱动电流，线圈6关于动磁环4的轴向高度中心对称。
作为一种具体的实施方式，定磁环固定件1与动磁环安装件3的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢。
作为一种具体的实施方式，线圈骨架5的材料为陶瓷、花岗岩、玻璃钢或硬质塑料。
下面结合图1～图2给出本发明的一个实施例。
本实施例中，定磁环固定件1为内径10mm，外径17.5mm，高度为30mm的T形圆柱，T形圆柱的材料为7075铝合金。动磁环安装件3为内径40mm、外径50mm的环形套筒，环形套筒的材料为7075铝合金。线圈骨架5为内径70mm、外径80mm的环形套筒，线圈骨架5采用99氧化铝陶瓷制成；环形套筒外壁的上、下端均设有高度为3.75mm深度为2.5mm的环形凸台，用于防止线圈6的脱落。定磁环2与动磁铁4同轴嵌套，且轴向高度中心处于同一水平线上；定磁环2为内径20mm、外径30mm、高20mm，沿轴向正向磁化的环形永磁体，动磁环4为内径50mm、外径60mm、高20mm，沿轴向正向磁化的环形永磁体；定磁环2与动磁环4的材料均为N50牌号钕铁硼，剩余磁感应强度为1.43T，相对磁导率为1.03。线圈6采用绝缘铜漆包线在线圈骨架5外表面缠绕形成，截面为圆形，厚度为10mm，关于动磁环的轴向高度中心对称。线圈6中通以精密可控的驱动电流，所通最大电流密度为5A/mm2。主动电磁负刚度隔微振装置工作时，控制信号经功率放大器放大后，输出驱动电流加载到线圈6中，根据电磁感应定律，通电线圈6周围产生精密可控的励磁磁通，励磁磁通与动磁环周围由定磁环2产生的偏置磁场叠加构成实现负刚度特性的磁场。通过控制通电线圈6中所通电流的大小和方向可以精密控制励磁磁通的大小和方向，进而改变动磁环4所受磁力大小和方向，实现负刚度值的调整，适应隔振负载质量及激励频率的变化。
图3给出了动磁环安装件3的一个实施例。本实施例中，动磁环安装件3薄壁上设有减重孔，用于减轻动磁环安装件3的重量，减重孔为长方孔，沿薄壁四周均匀分布。实际实施过程中也可采用密布圆孔、小方孔等其它形式的减重孔。

Claims (3)

1.一种主动电磁负刚度隔微振装置，包括定磁环固定件(1)、定磁环(2)、动磁环安装件(3)、动磁环(4)、线圈骨架(5)、线圈(6)和隔振负载(7)，其特征在于：所述定磁环固定件(1)为T形圆柱，定磁环(2)和动磁环(4)为沿轴向同向磁化的环形永磁体，线圈骨架(5)和动磁环安装件(3)为环形套筒，线圈骨架(5)外壁的上、下端设有环形凸台；定磁环固定件(1)、定磁环(2)、动磁环安装件(3)、动磁环(4)、线圈骨架(5)和线圈(6)由轴线沿半径向外依次同轴嵌套，整体结构呈轴对称；所述定磁环(2)固定安装在定磁环固定件(1)外壁，定磁环固定件(1)底部与线圈骨架(5)的底部固定连接，定磁环(2)与动磁环安装件(3)沿径向设有间隙，动磁环(4)固定安装在动磁环安装件(3)外壁，动磁环(4)和定磁环(2)的轴向高度中心等高；动磁环安装件(3)顶端支撑隔振负载(7)，动磁环(4)与线圈骨架(5)沿径向设有间隙，线圈骨架(5)上绕有线圈(6)，线圈(6)中通以精密可控的驱动电流，线圈(6)关于动磁环的轴向高度中心对称。
2.根据权利要求1所述的主动电磁负刚度隔微振装置，其特征在于：所述定磁环固定件(1)与动磁环安装件(3)的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢。
3.根据权利要求1所述的主动电磁负刚度隔微振装置，其特征在于：所述线圈骨架(5)的材料为陶瓷、花岗岩、玻璃钢或硬质塑料。
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