CN112696455A - 一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器 - Google Patents

一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器 Download PDF

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Abstract

本发明是一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器。本发明涉及振动控制技术领域，当隔振器当处于静平衡位置时，上下气隙相等，上定子组件对动子组件的电磁吸力与下定子组件对动子组件的电磁吸力相等；当负载有向上移动的趋势时，上气隙小于下气隙，动子组件所受合力向上，加速向上运动的趋势，呈现负刚度特性，上定子组件、下定子组件与动子组件所构成的负刚度执行机构与正刚度弹簧并联实现准零刚度；当负载有向下移动的趋势时，下气隙小于上气隙，动子组件所受合力向下，加速向下运动的趋势，呈现负刚度特性，上定子组件、下定子组件与动子组件所构成的负刚度执行机构与正刚度弹簧并联实现准零刚度。

Description

一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器
技术领域
本发明涉及振动控制技术领域，是一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器。
背景技术
隔振技术作为振动控制的重要技术，旨在振源与系统之间采取一定措施，安置适当制振或隔振器材以隔离振动的直接传递。传统被动隔振器理论上只能对激励频率大于
Figure BDA0002866588290000011
倍系统固有频率的振动起到衰减作用，随着隔振需求的不断提高，迫切需要一种在低频环境下既能保持静态支撑能力，又具有低动态刚度的隔振技术。故准零刚度隔振技术近年来得到了越来越多的重视。
准零刚度隔振器多为正负刚度机构并联组合而成，由正刚度元件(如弹簧等)提供静态支撑能力，以负刚度机构提供的负刚度抵消正刚度实现准零刚度。当隔振系统自静平衡位置发生位移时，正刚度弹簧抑制该运动趋势，负刚度机构则加强位移运动方向运动的趋势，二者并联可将系统的总体刚度减小至接近或等于零，同时实现高静态刚度与低动态刚度，大大拓宽了隔振频带，可很好的用于解决低频振动隔离问题。
负刚度的实现方式作为准零刚度技术的重点，直接决定了隔振系统的整体性能。在诸多实现负刚度的机构方式中，由于电磁式机构的控制方式较为灵活，可以通过设计相关控制器，制定控制策略，根据外界激励频率在线调整控制电流，进一步提高机构的隔振性能，具有良好的准确性和快速性，故电磁铁式负刚度机构逐渐成为研究的重点。
在船舶、大型超精密设备的加工制造等承载能力要求较大的低频隔振领域，需要正刚度机构提供较大的静态支撑能力，同时需要一种与之对应的能提供较大电磁负刚度的负刚度机构。磁盘式电磁铁机构具有电磁力大，吸合快速，漏磁少的特点，故可将其采取纵向对称布置的结构设计成负刚度机构，但会造成以下问题：为保证隔振器的具有足够的静态支撑能力，须保证正刚度弹簧具有足够的压缩空间，同时为保证隔振器具有低动态刚度，要求负刚度机构具有高负刚度，则电磁铁式负刚度机构的气隙不能太大，当正负刚度机构并联时上述两个要求相互矛盾。
发明内容
本发明考虑结构整体的加工难易与工程适用性，本发明提供了以下技术方案：
一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，所述隔振器包括定子安装板，隔振器罩子、动子组件、上定子组件、弹簧、下定子组件和底座；
所述下定子组件安装在底座上，隔振器罩子安装在底座上，定子安装板安装在隔振器罩子上，上定子组件安装在定子安装板上，弹簧安装在动子组件与隔振器罩子之间，动子组件整体置于弹簧之上。所述定子安装板，隔振器罩子和底座均由非导磁材料制成。
优选地，所述动子组件包括：负载板、调节螺母、中间板、隔磁环固定销、中间板固定销、负载板固定螺钉、支撑套管、衔铁固定螺钉、主轴、上衔铁、隔磁环和下衔铁。所述上衔铁、下衔铁均由高导磁材料制成，隔磁环由非导磁材料制成。
隔磁环内侧以及主轴处各自开有两个销孔，通过隔磁环的固定销将隔磁环与主轴固定在一起，上衔铁和下衔铁分别对称安装在隔磁环上下两侧，通过衔铁固定螺钉分别将上衔铁和下衔铁与隔磁环固定在一起，中间板与主轴对应处各自开有一个销孔，通过中间板固定销将中间板与主轴固定在一起；
所述调节螺母安装在中间板上方的主轴处，中间板与负载板各自开有螺纹孔，通过支撑套管和负载板固定螺钉将负载板安装在中间板上方，支撑套管位于中间板和负载板之间。
优选地，所述上定子组件包括包括上内侧铁芯、上线圈、上外侧铁芯、上无油轴套、上轴套固定螺钉和上铁芯固定螺钉，所述上内侧铁芯上缠绕有上线圈，所述上外侧铁芯安装在上内侧铁芯外侧，上内侧铁芯和上外侧铁芯与定子安装板设有光孔，定子安装板对应设有螺纹孔，通过上铁芯固定螺钉将上内侧铁芯和上外侧铁芯固定在定子安装板上。所述上内侧铁芯，上外侧铁芯均由高导磁材料制成。
优选地，所述下定子组件还包括：下内侧铁芯、下线圈、下外侧铁芯、下无油轴套、下轴套固定螺钉、下铁芯固定螺钉、罩子固定螺钉、定子安装板固定螺钉和定子安装板定位销。所述下内侧铁芯、下外侧铁芯均由高导磁材料制成。
所述下无油轴套通过下轴套固定螺钉安装在下内侧铁芯内侧，下外侧铁芯安装在下内侧铁芯外侧，下内侧铁芯和下外侧铁芯与底座设有光孔，底座对应位置设有螺纹孔，通过下铁芯固定螺钉将下内侧铁芯和下外侧铁芯固定在底座上。
优选地，所述隔振器还包括罩子固定螺钉，所述隔振器罩子与底座对应位置分别设有光孔和螺纹孔，通过所述罩子固定螺钉将隔振器罩子安装在底座上。
优选地，所述隔振器罩子设有阶梯槽，定子安装板安装在隔振器罩子阶梯槽上，定子安装板与隔振器罩子上对应位置分别设有销孔和螺纹孔，通过定子安装板定位销将定子安装板安装在隔振器罩子上，并通过定子安装板固定螺钉固定。
优选地，所述隔振器罩子上设有观测孔，用于配合调节螺母在隔振器处于静平衡位置时调节动子组件的对中性，使得上定子组件和下定子组件与动子组件间的气隙一致。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用磁盘式对称结构，电磁吸力大，可应用于诸多承载能力要求较大的场合，通过设计隔振器罩子阶梯，实现定子安装板位置可调，从而实现上定子组件位置可调，满足承受静载时需要较大弹簧压缩空间和承受动载时需要较小气隙的要求，能够在提供较大静态支撑能力的同时，实现较大的负刚度。
本发明隔振器体积适中，工作时整体反应迅速，控制方式简单，静平衡位置对中微调方便，实现方式简单，加工难度不高。
本发明应用场合广泛，如船舶、大型超精密设备的加工制造的减振、人机功效的提高等，安装方式简易、灵活，可与各种型号的被动减振器组合使用，还可任意布置在被控对象或基座上。
附图说明
图1为种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器结构示意图；
图2为适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器内部结构示意图；
图3为适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器俯视图；
图4为适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器A-A向视图；
图5为适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器B-B向视图；
图6为定子安装板外观示意图；
图7为定子安装板俯视图；
图8为隔振器罩子示意图；
图9为隔振器罩子俯视图；
图10为隔振器未承载时示意图；
图11为隔振器未承载时A-A向视图；
图12为隔振器仅承受静载时示意图；
图13为隔振器仅承受静载时A-A向视图；
图14为隔振器承受动载时示意图；
图15为隔振器承受动载时A-A向视图
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图15所示，本发明提供一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，它包括由定子安装板1，隔振器罩子2和底座3组成的壳体，以及位于壳体内部的动子组件、上定子组件和下定子组件等。下定子组件安装在底座3上，隔振器罩子2安装在底座3上，定子安装板1上安装在隔振器罩子2上，上定子组件安装在定子安装板1上，弹簧4安装在动子组件与隔振器罩子2之间，动子组件整体置于弹簧4之上。所述定子安装板1，隔振器罩子2和底座3均由非导磁材料制成。
动子组件包括：负载板5、调节螺母6、中间板7、主轴8、上衔铁9、隔磁环10、下衔铁11等。隔磁环10内侧以及主轴8对应处各自开有两个销孔，通过隔磁环固定销12将隔磁环10与主轴8固定在一起，上衔铁9和下衔铁11分别对称安装在隔磁环10上下两侧，且通过衔铁固定螺钉13分别将上衔铁9、下衔铁11与隔磁环10固定在一起，中间板7与主轴8对应处各自开有一个销孔，通过中间板固定销14将中间板7与主轴8固定在一起，调节螺母6安装在中间板7上方的主轴8部分，中间板7与负载板5对应位置各自开有螺纹孔，通过支撑套管15和负载板固定螺钉16，将负载板5安装在中间板7上方，支撑套管15位于中间板7和负载板5之间。所述上衔铁9、下衔铁11均由高导磁材料制成，隔磁环10由非导磁材料制成。
上定子组件包括：缠绕有上线圈18的上内侧铁芯17，上外侧铁芯19，上无油轴套20。上无油轴套20通过上轴套固定螺钉21安装在上内侧铁芯17内侧，上外侧铁芯19安装在上内侧铁芯17外侧，上内侧铁芯17、上外侧铁芯19与定子安装板1对应位置设有光孔，定子安装板1与之对应位置设有螺纹孔，通过上铁芯固定螺钉22将上内侧铁芯17，上外侧铁芯19固定在定子安装板1上。所述上内侧铁芯17，上外侧铁芯19均由高导磁材料制成。
下定子组件包括：缠绕有下线圈24的下内侧铁芯23，下外侧铁芯25，下无油轴套26。下无油轴套26通过下轴套固定螺钉27安装在下内侧铁芯23内侧，下外侧铁芯25安装在下内侧铁芯23外侧，下内侧铁芯23、下外侧铁芯25与底座3对应位置设有光孔，底座3与之对应位置设有螺纹孔，通过下铁芯固定螺钉28将下内侧铁芯23，下外侧铁芯25固定在底座3上。所述下内侧铁芯23、下外侧铁芯25均由高导磁材料制成。
隔振器罩子2与底座3对应位置分别设有光孔和螺纹孔，通过罩子固定螺钉29将隔振器罩子2安装在底座3上。
中间板7与隔振器罩子2对应位置分别设有弹簧定位孔，弹簧4安装在中间板7与隔振器罩子2之间，动子组件整体置于弹簧4之上。
隔振器罩子2设有阶梯槽，定子安装板1安装在隔振器罩子2阶梯槽上，定子安装板1与隔振器罩子2上对应位置分别设有销孔和螺纹孔，通过定子安装板定位销31将定子安装板1安装在隔振器罩子2上，并通过定子安装板固定螺钉30将二者固定。
隔振器罩子2上设有观测孔，用于配合调节螺母6在隔振器处于静平衡位置时调节动子组件的对中性，保证上定子组件、下定子组件与动子组件间的气隙一致。
隔振器的具体工作流程和原理如下：当隔振器未承受载荷时，上线圈18和下线圈24具不通电，弹簧4未压缩，定子固定板1位于隔振器罩子2阶梯槽1段上，负载板5和底座3间的高度为H，定子固定板1和底座3间的高度为h，动子组件与上定子组件间的间隙大小为0，动子组件与下定子组件间的间隙大小为2g+Δx；
当隔振器加上静载荷时，上线圈18和下线圈24具不通电，弹簧4压缩量为Δx，定子固定板1位于隔振器罩子2阶梯槽1段上，负载板5和底座3间的高度为H-Δx，定子固定板1和底座3间的高度为h，动子组件与上定子组件间的间隙大小为g+Δx，动子组件与下定子组件间的间隙大小为g；当隔振器加上动载荷前，上线圈18和下线圈24具不通电，将定子固定板1转动一定角度，使其向下移动Δx，置于隔振器罩子2阶梯槽2段上，通过定子安装板定位销31对定子固定板1在隔振器罩子2上的具体位置进行定位，并通过定子安装板紧固螺钉30进行紧固，负载板5和底座3间的高度为H-Δx，定子固定板1和底座3间的高度为h-Δx，动子组件与上定子组件间的气隙大小为g，动子组件与下定子组件间的气隙大小为g，期间可通过调节螺母6对动子组件的位置进行微调，保证上下气隙一致。同时，还上述基础上还可使阶梯槽1段、阶梯槽2段与隔振器罩子2非制成一体，保证阶梯槽1段、阶梯槽2段可在隔振器罩子2竖直方向活动，并添加相关阶梯槽高度调节机构(如螺杆与螺母配合)，使得阶梯槽1段、阶梯槽2段高度可调，以适应不同的静载荷；
当隔振器加上动载荷时，上线圈18和下线圈24通大小相等的直流电，当处于静平衡位置时，上下气隙相等，上定子组件对动子组件的电磁吸力与下定子组件对动子组件的电磁吸力相等；当负载有向上移动的趋势时，上气隙小于下气隙，上定子组件对动子组件的电磁吸力大于下定子组件对动子组件的电磁吸力，动子组件所受合力向上，加速向上运动的趋势，呈现负刚度特性，上定子组件、下定子组件与动子组件所构成的负刚度执行机构与正刚度弹簧并联实现准零刚度；当负载有向下移动的趋势时，下气隙小于上气隙，下定子组件对动子组件的电磁吸力大于上定子组件对动子组件的电磁吸力，动子组件所受合力向下，加速向下运动的趋势，呈现负刚度特性，上定子组件、下定子组件与动子组件所构成的负刚度执行机构与正刚度弹簧并联实现准零刚度。
本发明涉及振动控制领域，具体为一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器。准零刚度隔振器多为正负刚度机构并联组合而成，由正刚度元件(如弹簧等)提供静态支撑能力，以负刚度机构提供的负刚度抵消正刚度实现准零刚度。一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，它包括由定子安装板，隔振器罩子和底座组成的壳体，以及位于壳体内部的动子组件、上定子组件和下定子组件等。当隔振器当处于静平衡位置时，上下气隙相等，上定子组件对动子组件的电磁吸力与下定子组件对动子组件的电磁吸力相等；当负载有向上移动的趋势时，上气隙小于下气隙，动子组件所受合力向上，加速向上运动的趋势，呈现负刚度特性，上定子组件、下定子组件与动子组件所构成的负刚度执行机构与正刚度弹簧并联实现准零刚度；当负载有向下移动的趋势时，下气隙小于上气隙，动子组件所受合力向下，加速向下运动的趋势，呈现负刚度特性，上定子组件、下定子组件与动子组件所构成的负刚度执行机构与正刚度弹簧并联实现准零刚度。
以上所述仅是一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器的优选实施方式，一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，其特征是：所述隔振器包括定子安装板，隔振器罩子、动子组件、上定子组件、弹簧、下定子组件和底座；
所述下定子组件安装在底座上，隔振器罩子安装在底座上，定子安装板安装在隔振器罩子上，上定子组件安装在定子安装板上，弹簧安装在动子组件与隔振器罩子之间，动子组件整体置于弹簧之上。
2.根据权利要求1所述的一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，其特征是：所述动子组件包括：负载板、调节螺母、中间板、隔磁环固定销、中间板固定销、负载板固定螺钉、支撑套管、衔铁固定螺钉、主轴、上衔铁、隔磁环和下衔铁；
隔磁环内侧以及主轴处各自开有两个销孔，通过隔磁环的固定销将隔磁环与主轴固定在一起，上衔铁和下衔铁分别对称安装在隔磁环上下两侧，通过衔铁固定螺钉分别将上衔铁和下衔铁与隔磁环固定在一起，中间板与主轴对应处各自开有一个销孔，通过中间板固定销将中间板与主轴固定在一起；
所述调节螺母安装在中间板上方的主轴处，中间板与负载板各自开有螺纹孔，通过支撑套管和负载板固定螺钉将负载板安装在中间板上方，支撑套管位于中间板和负载板之间。
3.根据权利要求1所述的一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，其特征是：所述上定子组件包括包括上内侧铁芯、上线圈、上外侧铁芯、上无油轴套、上轴套固定螺钉和上铁芯固定螺钉，所述上内侧铁芯上缠绕有上线圈，所述上外侧铁芯安装在上内侧铁芯外侧，上内侧铁芯和上外侧铁芯与定子安装板设有光孔，定子安装板对应设有螺纹孔，通过上铁芯固定螺钉将上内侧铁芯和上外侧铁芯固定在定子安装板上。
4.根据权利要求1所述的一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，其特征是：所述下定子组件还包括：下内侧铁芯、下线圈、下外侧铁芯、下无油轴套、下轴套固定螺钉、下铁芯固定螺钉、罩子固定螺钉、定子安装板固定螺钉和定子安装板定位销；
所述下无油轴套通过下轴套固定螺钉安装在下内侧铁芯内侧，下外侧铁芯安装在下内侧铁芯外侧，下内侧铁芯和下外侧铁芯与底座设有光孔，底座对应位置设有螺纹孔，通过下铁芯固定螺钉将下内侧铁芯和下外侧铁芯固定在底座上。
5.根据权利要求1所述的一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，其特征是：所述隔振器还包括罩子固定螺钉，所述隔振器罩子与底座对应位置分别设有光孔和螺纹孔，通过所述罩子固定螺钉将隔振器罩子安装在底座上。
6.根据权利要求5所述的一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，其特征是：所述隔振器罩子设有阶梯槽，定子安装板安装在隔振器罩子阶梯槽上，定子安装板与隔振器罩子上对应位置分别设有销孔和螺纹孔，通过定子安装板定位销将定子安装板安装在隔振器罩子上，并通过定子安装板固定螺钉固定。
7.根据权利要求6所述的一种适用于超低频减隔振的准零刚度电磁隔振器，其特征是：所述隔振器罩子上设有观测孔，用于配合调节螺母在隔振器处于静平衡位置时调节动子组件的对中性，使得上定子组件和下定子组件与动子组件间的气隙一致。
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