CN113915282A - 一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，属于减振领域，其包括定子永磁体和动子永磁体，定子永磁体和动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形式布置，两个相互正交的阵列方向为第一、第二阵列方向，所有定子永磁体的励磁方向均与第一阵列方向相同，且与所有动子永磁体的励磁方向相反，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等，通过对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，使得定子永磁体与动子永磁体在第二阵列方向上的作用力呈现负刚度特性，该方向作为用于降低与外界所匹配的隔振器的刚度的方向。本发明的磁负刚度机构在相对较宽的振动行程内表现出高线性度、高幅值的负刚度特性。
Description
技术领域
本发明属于减振领域，更具体地，涉及一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构。
背景技术
在超精密制造和检测领域，对低频振动激励的隔离和抑制，一直是难以解决的问题，因为常规被动隔振无法适应低频隔振的要求。被动隔振中加入主动控制，可有效降低固有频率，提高隔振性能，但成本太高。对于传统的线性隔振系统，当外界干扰频率高于系统固有频率√2倍时，才具有隔振效果。因此，在保证隔振系统负载质量不变的情况下，为了拓宽隔振频带，必须降低系统刚度，减小固有频率。对于垂向低频隔振，目前效果最好的是空气弹簧，但需要提供气源，不能在真空中使用，且不能达到超低频隔振的效果。自Platus提出负刚度原理后，国内外基于负刚度原理研究出的各种隔振器，对隔振性能有所提升。目前，较好的解决方案是在隔振系统中引入磁负刚度机构，其主要有以下优点：
(1)在保证隔振系统承载能力不变的情况下提升隔振性能；
(2)磁负刚度机构动定子之间无接触，避免摩擦问题。
但是，目前磁负刚度机构的应用尚且存在一些技术难点，例如难以实现较大的负刚度，难以实现宽域大行程范围负刚度，难以实现高线性度负刚度等。在公开号为CN102808883A中国专利申请中公开了一种磁负刚度机构，包括机架部分、负刚度调整部件、弹性导向部件和动子框架。该负刚度机构是利用磁铁反向布置的排斥作用形成负的刚度特性，其负刚度线性度较差，在宽域行程范围内负刚度值变动较大，不够稳定。
因此，需要开发出一种新型的磁负刚度机构，要求其负刚度线性度较高，在宽域行程范围内负刚度值稳定。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其利用多个永磁体按照特定的磁化方向和位置进行阵列排布，将相邻的永磁体分别固定于定子框架和动子框架上，使相邻永磁体之间沿振动方向的作用力(吸力或斥力)都能产生负刚度特性，通过合理配置各方向的永磁体间距，使整个磁负刚度机构在相对较宽的振动行程内表现出高线性度、高幅值的负刚度特性。
为实现以上发明目的，按照本发明的一个方面，提供一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其包括定子永磁体和动子永磁体，定子永磁体至少具有两个，动子永磁体至少为一个，定子永磁体和所有的动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形式布置，两个相互正交的阵列方向为第一阵列方向和第二阵列方向，所有定子永磁体的励磁方向均与第一阵列方向相同，且与所有动子永磁体的励磁方向相反，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等，通过阵列排布，对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，使得定子永磁体与动子永磁体在第二阵列方向上的作用力呈现负刚度特性，该方向作为用于降低与外界所匹配的隔振器的刚度的方向。
进一步的，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均为长方体，所述长方体的棱边处为直角、圆角或者倒角。
进一步的，定子永磁体和动子永磁体尺寸规格相同，所有定子永磁体和所有的动子永磁体在相同方向的尺寸一致，且在第一阵列方向和第二阵列方向上的尺寸相等，所有定子永磁体的横截面为正方形。
进一步的，两个相邻的定子永磁体与动子永磁体之间在高度方向上的中心距为定子永磁体或动子永磁体高度尺寸的1.5倍～1.75倍，即高度方向间距为永磁体高度尺寸的0.5～0.75倍，两个相邻的定子永磁体与动子永磁体之间在宽度方向上的间距为高度方向间距的0.7倍～1倍。
进一步的，动子永磁体的数量为一个时，定子永磁体的数量为四个，且定子永磁体中两个对称分布于动子永磁体宽度方向(即为第一阵列方向)的左右两侧，定子永磁体中另外两个对称分布于动子永磁体的高度方向(即为第二阵列方向)的上下两侧。
进一步的，动子永磁体和定子永磁体形成二维阵列布置，二维阵列为(2m+1)排和(2n+1)列，且动子永磁体和定子永磁体的总数量相差1个，其中，m和n均为自然数。
进一步的，其还包括定子框架和动子框架，定子永磁体与定子框架固定连接，并通过设于定子框架上的机械接口与外界所匹配的隔振器定框架或与隔振器定框架固定连接的振源固定连接，动子永磁体与动子框架固定连接，并通过设于动子框架上的机械接口与外界所匹配的隔振器动框架或与外界隔振器动框架固定连接的被隔振设备固定连接，定子框架和动子框架结构和位置相互配合，以实现定子永磁体和动子永磁体按照设定位置形成二维排列。
进一步的，定子框架与动子框架之间沿第二阵列方向设置无摩擦或近零摩擦的直线导向装置，从而使动子框架相对于定子框架只沿第二阵列方向做直线运动，从而保证磁负刚度特性更为稳定，所述的直线导向装置为气浮直线导轨、液压直线导轨或精密滚珠直线导轨。
进一步的，定子框架与动子框架之间设置弹性簧片结构，弹性簧片结构在第二阵列方向具有相对较低刚度且能限制动子框架相对于定子框架只沿第二阵列方向做直线运动，而在与第二阵列方向正交的另外两个方向上具有相对较高的刚度。
进一步的，使用时，定子框架与动子框架之间设置有沿第二阵列方向的直线导向装置或者沿第二阵列方向设置有低刚度的柔性导向装置时，能在所述的动子框架与隔振器动框架之间或动子框架与待隔振设备之间设置二维柔性转接机构，或者在定子框架与隔振器定框架之间或定子框架与振源之间设置二维柔性转接机构，且二维柔性转接机构在第二阵列方向具有相对较高的刚度，而在与第二阵列方向正交的另外两个方向上具有相对较低的刚度。将正刚度机构与这种配置的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构并联，可以使外界的隔振器在所述的第二阵列方向上的刚度被大幅降低，而另外两个方向的刚度仅有少量增加。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明中，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形式布置，定子永磁体的励磁方向均与第一阵列方向相同，且与所有动子永磁体的励磁方向相反，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等，通过阵列排布，对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，构成特殊的二维阵列形式，实现宽域高线性度负刚度特性。进一步的，动子永磁体和定子永磁体均为长方体状，充分利用矩形磁体励磁方向和垂直励磁方向的磁力特性，使得每一块动子磁体同时作为斥力型磁负刚度机构磁体和吸力型磁负刚度机构磁体，磁体利用率较高，形成紧凑型的结构。此外，在不改变磁负刚度机构作用范围和线性度的情况下，通过改变并联的弹性导向部件正刚度，课实现磁负刚度机构刚度大小可调，紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构与正刚度弹簧并联，可实现具有大行程的超低频隔振机构，可实现宽域近零刚度，不光隔振性能优越，且稳定性较好。
附图说明
图1为本发明实施例中在第二阵列方向上相互作用的两磁体在第二阵列方向的作用力图；
图2为图1中相互作用两磁体的刚度-位移曲线；
图3为本发明实施例中在第一阵列方向相互作用的两磁体在第一阵列方向的作用力图；
图4为图3中相互作用两磁体的刚度-位移曲线；
图5为本发明所提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例1原理图；
图6为本发明所提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例2原理图；
图7为本发明所提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例3原理图；
图8为本发明所提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例4原理图；
图9为本发明所提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例5原理图；
图10为实施例2，也即图6中紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构中磁体不同间隙下的刚度曲线；
图11为本发明紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例2并联正刚度弹簧示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1、图3分别为本发明中沿第二阵列方向和第一阵列方向相邻两磁体在相应方向上的受力图。图1或图3中两磁体的磁化方向均沿着第一阵列方向且方向相反，当两磁体上下相邻时表现出吸力特性，当两磁体左右相邻时表现出斥力特性。本发明的负刚度原理同时利用上下相吸和左右相斥的作用力以实现宽域高线性度磁负刚度。图1和图3仅仅简单的示出了两个磁体相组合的情况，在实际工程实践中，可以通过多种二维阵列形式的组合，获得紧凑型的宽域高线性度磁负刚度机构。
图2、图4分别为图1和图3中相互作用磁体间的刚度-位移曲线。此处的刚度应当理解为两磁体产生相对位移时，因作用力改变而形成的刚度，因而该刚度与相对位置有关而与绝对位置无关。从图2可以看出，当两磁体间相互作用力为吸引力时，在相对位置零位具有最小负刚度，且在一定行程范围内偏离相对位置零位越远，负刚度越大。从图4可以看出，当两磁体间相互作用力为排斥力时，在相对位置零位具有最大负刚度，且在一定行程范围内偏离相对位置零位越远，负刚度越小。由此可见，图2、图4所示刚度曲线具有相反的刚度特性。
图5所示为本发明提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例1的原理图。如图5所示，其一种包括五个磁体，五个磁体中四个磁体用作定子永磁体，五个磁体中的一个磁体用于动子永磁体，即为，第二永磁体1b、第四永磁体1d、第七永磁体1g、第八永磁体1h用作定子永磁体，第六永磁体1f用作动子永磁体。第二永磁体1b、第四永磁体1d、第七永磁体1g、第八永磁体1h共同构成定子永磁体组件且与定子框架2固定不动，定子框架与隔振器定框架4固定不动。第六永磁体1f构成动子永磁体组，动子永磁体组固定在动子框架3上，且只能沿图示y方向运动，动子框架4固定在隔振器动框架5上。第二永磁体1b、第四永磁体1d、第七永磁体1g、第八永磁体1h在空间方向上位于四边形的四个顶点处，该四边形譬如为菱形或正方形，动子永磁体1f位于在四边形的中心处。如图5所示可知，在y方向上形成的一列永磁体中，上下两侧是定子永磁体，中心为动子永磁体，在x方向上形成的一列永磁体中，左右两侧是定子永磁体，中心为动子永磁体。将x方向和y方向分别对应两个是两个阵列方向，两个阵列方向相互正交，所有定子永磁体的励磁方向均与其中一个阵列方向相同，且与所有动子永磁体的励磁方向相反，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等。这样的二维阵列布置，使得每上下相邻两磁体间表现为吸引力，每左右相邻两磁体间表现为排斥力。整个动子永磁体组件沿图示y向移动时，同时受排斥力和吸引力而表现为负刚度特性。当动子永磁体组处于图5所示位置时，因对称性其所受合力为零。
图6所示为本发明提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例2的原理图。如图6所示，其一共具有相同规格的9块磁体，分为为第一永磁体1a、第二永磁体1b、第三永磁体1c、第四永磁体1d、第五永磁体1e、第六永磁体1f、第七永磁体1g、第八永磁体1h和第九永磁体1i，其中，第二永磁体1b、第四永磁体1d、第七永磁体1g和第八永磁体1h共同构成定子永磁体组且与隔振器定框架固定不动。第一永磁体1a、第三永磁体1c、第五永磁体1e、第六永磁体1f和第九永磁体1i共同构成动子永磁体组且沿图示y方向运动，动子永磁体组与隔振器动框架固定。第一永磁体1a、第二永磁体1b、第三永磁体1c、第四永磁体1d、第五永磁体1e、第六永磁体1f、第七永磁体1g、第八永磁体1h和第九永磁体1i共同组成一个3×3的二维阵列，第六永磁体1f位于该二维阵列的正中心处，第一永磁体1a、第三永磁体1c、第五永磁体1e和第九永磁体1i分别位于该二维阵列的四个角落处。所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形式布置，两个相互正交的阵列方向为分别对应为第一阵列方向和第二阵列方向，也即图中的y方向和x方向，所有定子永磁体的励磁方向均与其中一个阵列方向相同，且与所有动子永磁体的励磁方向相反，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等。在以上二维阵列排布中，每上下相邻两磁体间表现为吸引力，每左右相邻两磁体间表现为排斥力。整个动子永磁体组件沿图示y向移动时，同时受排斥力和吸引力而表现为负刚度特性。当动子永磁体组相对位移为零时，因对称性其所受合力为零。
图7所示为本发明提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例3的原理图。该实施例中，其一共包括五块永磁体，该五块永磁体的二维排列形式与图5一致。在图5的基础上，本实施例在定子框架2和动子框架3之间设置了近零摩擦的直线导轨装置6，从而使动子框架相对于定子框架只沿图示y向做直线运动，从而保证磁负刚度特性更为稳定。
图8所示为本发明提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例4的原理图。该实施例中，其一共包括五块永磁体，该五块永磁体的二维排列形式与图5一致。在图5的基础上，在定子框架2与隔振器定框架4之间设置二维柔性转接机构7，二维柔性转接机构7在图示y方向具有较高的刚度，而在与y向正交的另外两个方向具有较低的刚度，从而将该磁负刚度水平向正刚度大幅度降低。
图9所示为本发明提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例5的原理图。由图可知，其动子永磁体组和定子永磁体组沿着第一、第二阵列方向布置为(2m+1)层和(2n+1)列，其中，m和n均为自然数。沿着第一、第二阵列方向，动子永磁体组和定子永磁体组磁体间隔布置。所有定子永磁体组件磁体磁化方向相同且沿着第一阵列方向，所有动子永磁体组件磁体磁化方向相同且与定子永磁体组件磁体磁化方向相反。第二阵列方向作为隔振方向。
图10为图6中磁负刚度机构在不同磁体间隙下的刚度曲线。其中，所有磁体尺寸均为20mm×20mm×120mm，剩磁感应强度Br均为1.4T。由曲线可知，当磁体间左右间隙w为12mm时，改变上下间隙h从12mm至16mm时，相对零位处的负刚度值逐渐减小，且±6mm行程范围内的线性度误差先增大后减小。本发明实施例2中选取w＝12mm，h＝14mm。由图可知，在±6mm行程范围内，负刚度高达-240N/mm的同时线性度误差低于1％。较传统磁负刚度机构，在具有相同负刚度大小的同时极大程度的降低了线性度误差。
本发明的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构可以与具有大承载力的正刚度机构并联，通过合理匹配负刚度机构和正刚度机构的刚度值，在保证大承载力的同时使综合刚度接近零，从而获得超低频隔振性能。
图11为本发明紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构实施例2并联正刚度弹簧6的示意图。因为负刚度机构具有不稳定性，因此需要和正刚度弹簧并联使用。通过并联本发明所提供的紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构和线性正刚度弹簧，可构成具有大承载能力和大行程范围的低刚度弹簧，可有效降低减振器的固有频率，提升隔振性能。如图11所示，其一共具有相同规格的9块磁体，分为为第一永磁体1a、第二永磁体1b、第三永磁体1c、第四永磁体1d、第五永磁体1e、第六永磁体1f、第七永磁体1g、第八永磁体1h和第九永磁体1i，其中，第二永磁体1b、第四永磁体1d、第七永磁体1g和第八永磁体1h共同构成定子永磁体组，定子永磁体组固定在定子框架2上。第一永磁体1a、第三永磁体1c、第五永磁体1e、第六永磁体1f和第九永磁体1i共同构成动子永磁体组，动子永磁体组固定在动子框架3上。定子永磁体组与定子框架2固定连接，并通过设定于定子框架2上的机械接口与隔振器定框架4固定连接。动子永磁体组与动子框架3固定连接，并通过设定于动子框架3上的机械接口与隔振器动框架5固定连接。紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构与正刚度弹簧6并联，正刚度弹簧6同时连接隔振器动框架5和隔振器定框架4，这样的连接方式，可以实现超低频隔振。正刚度弹簧6可以是空气弹簧、机械弹簧等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其特征在于，其包括定子永磁体和动子永磁体，定子永磁体至少具有两个，动子永磁体至少为一个，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形式布置，两个相互正交的阵列方向为第一阵列方向和第二阵列方向，所有定子永磁体的励磁方向均与第一阵列方向相同，且与所有动子永磁体的励磁方向相反，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等，通过阵列排布，对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，使得定子永磁体与动子永磁体在第二阵列方向上的作用力呈现负刚度特性，该方向作为用于降低与外界所匹配的隔振器的刚度的方向。
2.如权利要求1所述的一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其特征在于，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均为长方体，所述长方体的棱边处为直角、圆角或者倒角。
3.如权利要求2所述的一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其特征在于，定子永磁体和动子永磁体尺寸规格相同，所有定子永磁体和所有的动子永磁体在相同方向的尺寸一致，且在第一阵列方向和第二阵列方向上的尺寸相等，所有定子永磁体的横截面为正方形。
4.如权利要求3所述的一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其特征在于，两个相邻的定子永磁体与动子永磁体之间在高度方向上的中心距为定子永磁体或动子永磁体高度尺寸的1.5倍～1.75倍，两个相邻的定子永磁体与动子永磁体之间在宽度方向上的间距为高度方向间距的0.7倍～1倍。
5.如权利要求4所述的一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其特征在于，动子永磁体的数量为一个时，定子永磁体的数量为四个，且定子永磁体中两个对称分布于动子永磁体宽度方向的左右两侧，定子永磁体中另外两个对称分布于动子永磁体的高度方向的上下两侧。
6.如权利要求4所述的一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其特征在于，动子永磁体和定子永磁体形成二维阵列布置，二维阵列为(2m+1)排和(2n+1)列，且动子永磁体和定子永磁体的总数量相差1个，其中，m和n均为自然数。
7.如权利要求5或6所述的一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其特征在于，其还包括定子框架和动子框架，定子永磁体与定子框架固定连接，并通过设于定子框架上的机械接口与外界所匹配的隔振器定框架或与隔振器定框架固定连接的振源固定连接，动子永磁体与动子框架固定连接，并通过设于动子框架上的机械接口与外界所匹配的隔振器动框架或与外界隔振器动框架固定连接的被隔振设备固定连接，定子框架和动子框架结构和位置相互配合，以实现定子永磁体和动子永磁体按照设定位置形成二维排列。
8.如权利要求7所述的一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其特征在于，定子框架与动子框架之间沿第二阵列方向设置无摩擦或近零摩擦的直线导向装置，从而使动子框架相对于定子框架只沿第二阵列方向做直线运动，从而保证磁负刚度特性更为稳定，所述的直线导向装置为气浮直线导轨、液压直线导轨或精密滚珠直线导轨。
9.如权利要求8所述的一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其特征在于，定子框架与动子框架之间设置弹性簧片结构，弹性簧片结构在第二阵列方向具有相对较低刚度且能限制动子框架相对于定子框架只沿第二阵列方向做直线运动，而在与第二阵列方向正交的另外两个方向上具有相对较高的刚度。
10.如权利要求8所述的一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，其特征在于，使用时，定子框架与动子框架之间设置有沿第二阵列方向的直线导向装置或者沿第二阵列方向设置有低刚度的柔性导向装置时，能在所述的动子框架与隔振器动框架之间或动子框架与待隔振设备之间设置二维柔性转接机构，或者在定子框架与隔振器定框架之间或定子框架与振源之间设置二维柔性转接机构，且二维柔性转接机构在第二阵列方向具有相对较高的刚度，而在与第二阵列方向正交的另外两个方向上具有相对较低的刚度。
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