CN113847343A - 一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，包括上磁极结构、中间悬浮结构以及下磁极结构，上磁极结构包括上端盖、设置于上端盖相对中部的上永磁体、沿周向均布的四组竖直C形永磁体组；下磁极结构包括下端盖、设置于下端盖相对中部的下永磁体、沿周向均布的四组水平C形永磁体组；中间悬浮结构包括悬浮体、设置于悬浮体相对中部的中间永磁体、沿周向均布于中间永磁体外圈的四个线圈固定架，线圈固定架上分别设有上线圈和下线圈。本发明实现了多自由度准零刚度隔振特性，通过调节双极串联永磁体之间气隙和电磁结构中的控制电流，可实现不同干扰和承载情况下的隔振性能，大大提高了准零刚度隔振器的低频隔振频宽和适用范围。

Description

一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器
技术领域
本发明涉及准零刚度隔振器技术领域，具体涉及一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器。
背景技术
低频振动是影响超精密加工精度的影响性因素，非线性隔振方式是现行隔离低频振动的重要手段。磁悬浮具有非接触、可控和可变力等特性，是一种良好的隔振形式。“高静低动”结构是非线性隔振器解决低频、超低频干扰的重要方式之一。
目前，准零刚度隔振器是一种有效的隔离低频和超低频的仪器。现有的准零刚度隔振器存在结构复杂、单一自由度和刚度不可调节等缺点。目前的准零刚度特性都是采用正负刚度“串并联”形式实现，正刚度和负刚度形式采用两个的独立结构，存在结构复杂，难于拆卸等缺点。此外，现有的准零刚度隔振器只在主隔振方法具有准零刚度特性，并且不可调节；要想对不同被隔振对象和不同方向具有低频隔振性能，则需要在不同方向安装不同类型的隔振器。
随着高精密设备的进步与发展，低频振动的类型越来越复杂，为力能有效隔离不同类型的低频干扰，发明一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，能有效拓宽低频隔振性能以及适用范围，本案由此而生。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，实现准零刚度特性的同时能承载被隔振设备的重力，并且有效实现了多自由度准零刚度隔振特性。
为达成上述目的，本发明提供如下技术方案：一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，包括：
上磁极结构，包括上端盖、设置于上端盖相对中部的上永磁体、沿周向均布于上永磁体外围的四组竖直C形永磁体组，每组竖直C形永磁体组包括两个开口竖直相对且磁极相反的竖直C形永磁体；
下磁极结构，包括下端盖、设置于下端盖相对中部的下永磁体、沿周向均布于下永磁体外围的四组水平C形永磁体组，每组水平C形永磁体组包括两个开口水平相对且磁极相反的水平C形永磁体，所述下永磁体与上永磁体磁极相反；以及
中间悬浮结构，包括悬浮体、设置于悬浮体相对中部的中间永磁体、沿周向均布于中间永磁体外圈的四个线圈固定架；所述中间永磁体与上永磁体磁吸对应，中间永磁体与下永磁体磁斥对应；所述线圈固定架上分别设有与竖直C形永磁体组对应匹配的上线圈和与水平C形永磁体组对应匹配的下线圈；
所述上永磁体和下永磁体中至少有一个的高度能够被调节。
上述结构中，上线圈的水平电流在竖直磁场的作用下产生竖直方向的电磁力；下线圈的竖直电流在水平磁场作用下产生水平方向的电磁力。
作为优选，所述上永磁体的下端面、下永磁体的上端面、中间永磁体的上下两端面分别固定连接有导磁板，所述导磁板分别通过螺栓固定在对应的上端盖、下端盖或悬浮体上。
作为优选，所述下端盖设有能够供下永磁体竖直移动的空心圆，通过旋转与下永磁体连接的导磁板上的螺栓能够调节下永磁体的高度。
作为优选，所述悬浮体通过支撑杆连接有支撑板面，所述支撑板面位于所述上端面的上方。
作为优选，所述支撑杆的数量为四根，支撑杆与所述线圈固定架交替均布。
作为优选，所述上端盖设有供支撑杆穿过的让位槽。
作为优选，所述上端盖和下端盖之间通过连接板固定连接。
作为优选，所述竖直C形永磁体组通过竖直磁铁安装架固定设置于上端盖底部。
作为优选，所述水平C形永磁体通过水平磁铁固定座固定设置于下端盖上。
作为优选，所述下端盖的底部设有橡胶垫。
本发明与现有技术相对比，其有益效果在于：
1、本发明提供的一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，实现了多自由度准零刚度隔振特性，通过调节双极串联永磁体之间气隙和电磁结构中的控制电流，可实现不同干扰和承载情况下的隔振性能，大大提高了准零刚度隔振器的低频隔振频宽和适用范围。
2、本发明在承载被隔振对象重力方向设计了双极串联永磁结构，实现准零刚度特性，同时能承载被隔振设备的重力，并且双极永磁体之间气隙可调节，适用于不同自重的隔振对象。
3、本发明中正负刚度组件无需独立设计，简化了准零刚度隔振器结构形式。相对于其它已有的准零刚度隔振器而言，本发明具有结构简单，可控可调，工作可靠，稳定性强，低频宽等特点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的分解示意图(图中未示出连接板)。
图3是本发明中上磁极结构的示意图。
图4是本发明中中间悬浮结构的示意图。
图5是本发明中下磁极结构的示意图。
图6是本发明中双极串联永磁结构的工作原理示意图。
图7是本发明中可变电磁力结构的工作原理图。
图中：1、上磁极结构，11、上端盖，12、上永磁体，13、上导磁板，14、竖直C形永磁体，15、竖直磁体安装架；2、中间悬浮结构，21、悬浮体，22、中间永磁体，23、中间导磁板，24、线圈固定架，25、上线圈，26、下线圈，27、支撑板面，28、支撑杆；3、下磁极结构，31、下端盖，32、下永磁体，33、下导磁板，34、水平C形永磁体，35、水平磁体固定座，36、橡胶垫；4、连接板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。
实施例：一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，如图1-7所示，包括上磁极结构1、中间悬浮结构2和下磁极结构3，采用上下近似对称、均布结构，结构稳定，便于拆卸安装。
上磁极结构1如图3所示，包括上端盖11、上永磁体12和四组竖直C形永磁体组，其中上永磁体12通过上导磁板13固定安装在上端盖11底部中间，且N极向下，上导磁板13固定在上永磁体12的下端面上，上导磁板13通过螺栓固定在上端盖11上。四组竖直C形永磁体组沿周向两两对称地均布于上永磁体12外围，每组竖直C形永磁体组包括两个间隔设置的开口竖直相对且磁极相反的竖直C形永磁体14，形成上端电磁磁极回路形式；竖直C形永磁体14分别通过竖直磁体安装架15固定设置于上端盖11底部。
下磁极结构3如图5所示，包括下端盖31、下永磁体32和四组水平C形永磁体组，其中下永磁体32的N极向上，其上端面固定有下导磁板33，下导磁板33通过螺栓设置于下端盖31的中间，且下端盖31的中间开设有能够供下永磁体32竖直移动的空心圆，通过旋转与下导磁板33连接的螺栓可以调节下导磁板33的高度，从而小范围调节下永磁体32的高度。四组水平C形永磁体组沿周向两两对称地均布于下永磁体32外围，每组水平C形永磁体组包括两个间隔设置的开口水平相对且磁极相反的水平C形永磁体34，形成下端电磁磁极回路形式；水平C形永磁体34分别通过水平磁体固定座35固定设置于下端盖31上。
本实施例中，下端盖31的底部设有橡胶垫36，其主要用于保护下磁极结构中的下永磁体32，同时将提高底面摩擦力。
中间悬浮结构2如图4所示，包括支撑板面27、悬浮体21、设置于悬浮体21相对中部的中间永磁体22、沿周向均布于中间永磁体22外圈的四个线圈固定架24，中间永磁体22的上下表面分别固定连接有中间导磁板23，两块中间导磁板23分别通过螺栓与悬浮体21固定连接，从而将中间永磁体22固定在悬浮体21中间的镂空区域，并且中间永磁体22的N极向上，S极向下，从而使得中间永磁体22与上永磁体12N-S磁吸对应，与下永磁体32N-N磁斥对应。N-S和N-N磁极结构，形成双极串联永磁结构形式。
参照图6，双极串联结构中，上中磁极为磁吸力，中下磁极为磁斥力，在上下磁极作用下，中间永磁体22受到的磁合力与被隔振对象的重力抵消，使其悬浮在气隙中间位置；通过调节下永磁体32的高度，可改变上下气隙，提高电磁力，以适应不同的被隔振对象。
线圈固定架34的相对上部设有与竖直C形永磁体组对应匹配的上线圈25，上线圈25通电后与上端电磁磁极回路产生竖直方向的电磁力；线圈固定架34的相对下部设有与水平C形永磁体组对应匹配的下线圈26，下线圈26通电后与下端电磁磁极回路产生水平方向的电磁力。竖直C形永磁体14、水平C形永磁体34和上线圈25、下线圈26组成可变电磁力结构，用以控制五自由度方向的振动，在不通电的情况下，在五自由度方向为绝对零刚度。
具体而言，参照图7，上线圈25的水平电流在竖直磁场的作用下产生竖直方向的上电磁力F1，在四组电磁力的作用下可实现上下、前后翻转、左右倾转三个自由度；下线圈26的竖直电流在水平磁场作用下产生水平方向的下电磁力F2，可实现水平方向两个自由度的移动。
更具体地说，可变电磁力结构中的电流控制由稳定电流和控制电流组成，上线圈25与竖直C形永磁体14组成的上电磁结构在稳定电流作用下，产生向上的电磁力与双极串联永磁结构一起作用承载被隔振对象，上电磁力只用来提供稳定性力。下线圈26与水平C形永磁体34组成的下电磁结构在稳定电流作用下，提供隔振器的水平稳定性力。在动态振动作用下，双极串联永磁结构产生动态永磁力，上电磁结构在控制电流作用下产生控制电磁力，动态永磁力和控制电磁力的相互作用下，在主振动方向形成准零刚度特性。下电磁结构在控制电流作用下，形成另外几个振动方向的准零刚度特性。通过可变电磁力结构能够实现在其余五个方向具有准零刚度特性，通过调节电流方向可实现五个方向的电磁力，具有五个方向的低频隔振性能。
支撑板面27通过四个支撑杆28固定连接在悬浮体21上，形成支撑结构。具体地，支撑杆28与线圈固定架24交替均布，并且上端盖11设有供支撑杆28穿过的让位槽，使得支撑板面27位于上端盖11的上方。
本实施例在装配时，依次从下往上组装下磁极结构3、中间悬浮结构2和上磁极结构1，上磁极结构1和下磁极结构3通过连接板4固定连接，形成一个隔振器外壳，中间悬浮结构2在其内部，通过永磁力和电磁力，使其悬浮在中间位置。
本实施例通过调节下磁极结构3中的下永磁体32的高度，改变下磁极的竖直方向的位置，从而调节双极串联永磁结构中的气隙，使得中间悬浮结构2连接的支撑板面27可承载不同类型的被隔振对象。上下线圈和竖直C形永磁体14、水平C形永磁体34通过稳定电流和控制电流，实现多个自由度的振动抑制功能，使本发明隔振器具有多自由准零刚度特性。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，其特征在于，包括：
上磁极结构，包括上端盖、设置于上端盖相对中部的上永磁体、沿周向均布于上永磁体外围的四组竖直C形永磁体组，每组竖直C形永磁体组包括两个开口竖直相对且磁极相反的竖直C形永磁体；
下磁极结构，包括下端盖、设置于下端盖相对中部的下永磁体、沿周向均布于下永磁体外围的四组水平C形永磁体组，每组水平C形永磁体组包括两个开口水平相对且磁极相反的水平C形永磁体，所述下永磁体与上永磁体磁极相反；以及
中间悬浮结构，包括悬浮体、设置于悬浮体相对中部的中间永磁体、沿周向均布于中间永磁体外圈的四个线圈固定架；所述中间永磁体与上永磁体磁吸对应，中间永磁体与下永磁体磁斥对应；所述线圈固定架上分别设有与竖直C形永磁体组对应匹配的上线圈和与水平C形永磁体组对应匹配的下线圈；
所述上永磁体和下永磁体中至少有一个的高度能够被调节。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，其特征在于，所述上永磁体的下端面、下永磁体的上端面、中间永磁体的上下两端面分别固定连接有导磁板，所述导磁板分别通过螺栓固定在对应的上端盖、下端盖或悬浮体上。
3.根据权利要求2所述的一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，其特征在于，所述下端盖设有能够供下永磁体竖直移动的空心圆，通过旋转与下永磁体连接的导磁板上的螺栓能够调节下永磁体的高度。
4.根据权利要求1所述的一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，其特征在于，所述悬浮体通过支撑杆连接有支撑板面，所述支撑板面位于所述上端面的上方。
5.根据权利要求4所述的一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，其特征在于，所述支撑杆的数量为四根，支撑杆与所述线圈固定架交替均布。
6.根据权利要求5所述的一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，其特征在于，所述上端盖设有供支撑杆穿过的让位槽。
7.根据权利要求1所述的一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，其特征在于，所述上端盖和下端盖之间通过连接板固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，其特征在于，所述竖直C形永磁体组通过竖直磁铁安装架固定设置于上端盖底部。
9.根据权利要求1所述的一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，其特征在于，所述水平C形永磁体通过水平磁铁固定座固定设置于下端盖上。
10.根据权利要求1所述的一种六自由度混合磁悬浮准零刚度隔振器，其特征在于，所述下端盖的底部设有橡胶垫。
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