CN114465443A - 一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,包括:外磁座、内磁座、支撑盘和多根刚度梁;所述外磁座、内磁座和支撑盘依次套设在转子系统的转轴上且都为圆盘状,所述外磁座和支撑盘都与转轴固定连接,所述内磁座通过设于中心处的内磁座轴承与转轴连接,刚度梁两端分别固定在内磁座和支撑盘上,多根刚度梁以转轴为轴心沿圆周均匀分布;所述内磁座设有多个沿圆周分布的永磁体,所述外磁座设有与内磁座相同数量的永磁体,内磁座和外磁座上的永磁体两两一组相对设置且极性相互排斥。
Description
技术领域
本发明属于振动噪声控制技术领域,涉及一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱。
背景技术
振动是旋转机械安全运行的典型危害,振动过度会造成旋转机械严重破坏。旋转机械在国家工业领域中常作为核心设备,常常由于不平衡等原因产生振动,对振动抑制的要求也越来越严格。添加动态吸振器和引入主动控制是满足这些要求的两种有效方法。
然而,这两种方法都有一些缺点:被动吸振器只能工作在反共振点附近的窄频带,在实际应用中,局限性比较大;而半主动(或主动)吸振器虽然抑振精度高,但其通常结构复杂,所以应用性也比较低。
为了达到低频和宽带的减振效果,可以降低减振器的刚度即降低其固有频率。但是,减振器中线性弹簧的低刚度会导致较大的静态挠度。将正刚度弹簧与负刚度元件相结合的减振器可以以较小的动态刚度静态支撑较大的载荷。
综上,为了满足现代旋转机械高功率,振动大且抑振频带宽的要求,亟需一种机构来抑制转子系统的扭转振动。
发明内容
为解决传统被动、主动或半主动式吸振器在抑制转载系统振动时的固有缺点,本发明提供一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱。
本发明提供一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,包括:外磁座、内磁座、支撑盘和多根刚度梁;所述外磁座、内磁座和支撑盘依次套设在转子系统的转轴上且都为圆盘状,所述外磁座和支撑盘都与转轴固定连接,所述内磁座通过设于中心处的内磁座轴承与转轴转动连接,刚度梁两端分别固定在内磁座和支撑盘上,多根刚度梁以转轴为轴心沿圆周均匀分布;所述内磁座设有多个沿圆周分布的永磁体,所述外磁座设有与内磁座相同数量的永磁体,内磁座和外磁座上的永磁体两两一组相对设置且极性相互排斥。
在本发明的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱中,所述支撑盘上设有多个沿圆周分布的通孔,刚度梁插入相应通孔中并通过螺母固定,通过改变支撑盘和内磁座间刚度梁的长度来改变正刚度。
在本发明的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱中,设有至少2根刚度梁,所述刚度梁的数量和直径与所需的刚度有关。
在本发明的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱中,转子系统振动后将振动力传递到外磁座、支撑盘和刚度梁,产生的扭振带动内磁座与外磁座发生相对角位移,使内磁座和外磁座上相对设置的一组永磁体产生角位移,产生的磁斥力与磁吸力的合力随着偏心率变化,以产生负刚度。
在本发明的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱中,通过改变内磁座和外磁座的间距来改变负刚度。
在本发明的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱中,通过改变永磁体的材料来改变负刚度。
在本发明的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱中,所述转子系统包括:底座、安装平台、电机、质量盘、联轴器和支撑架;所述安装平台固定在底座上,电机通过电机座安装在安装平台一端,电机的输出轴通过联轴器连接转轴,所述转轴通过两个支撑架支撑在安装平台上,转轴与支撑架内嵌的轴承转接;所述质量盘位于电机和永磁非线性能量阱之间,并固定安装在靠近支撑盘一端的转轴上。
本发明的一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,至少具有以下有益效果:
1.本发明中,内磁座与轴间有内磁座轴承,外磁座与支承盘与轴相固定,避免了非线性能量阱轴向攒动和保证了外磁座与支承盘的轴向转动,规定了本发明非线性能量阱的工作状态。
2.通过旋动调节螺母,可以改变刚度梁作用的长度,进而调节非线性能量阱本体拟合出的非线性立方刚度,能够吸收转子系统在不同工作情况下的振动。
3.外磁座和内磁座上各安装有多个永磁体,互斥对应布置,通过更换不通的永磁体或改变永磁体之间的距离可以调节永磁体之间产生的磁斥力与磁吸力,进而调节非线性能量阱拟合出的非线性刚度,能够吸收转子系统在不同的工况下的振动。
4.支撑盘上的通孔与刚度梁相配合连接,刚度梁又与内磁座配合连接。多根刚度梁直径相同,并联安装,能够满足转子系统在不同的工作情况下的振动。
5.本发明利用了非线性能量阱机制,形成了基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,较线性吸振器抑振频带宽。
附图说明
图1为本发明的一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱的结构示意图;
图2为本发明的一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱应用于转子系统的结构示意图;
图3为本发明一种基于磁斥力原理的永磁非线性能量阱的分段线性刚度与非线性立方刚度的机理拟合曲线图;
图4为转子系统增加和未增加本发明永磁非线性能量阱时的幅频特性曲线图;
图5为本发明的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱平稳运行时的幅频特性曲线图;
其中:1-转轴,2-支撑架,3-外磁座,4-内磁座,5-永磁体,6-刚度梁,7-支撑盘,8-螺母,9-质量圆盘,10-小联轴器,11-大联轴器,12-内磁座轴承,13-底座,14-安装平台,15-电机座,16-电机。
具体实施方式
如图1所示,本发明的一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,包括:外磁座3、内磁座4、支撑盘7和多根刚度梁6。所述外磁座3、内磁座4和支撑盘7依次套设在转子系统的转轴1上且都为圆盘状,所述外磁座3和支撑盘7都与转轴1固定连接,所述内磁座4通过设于中心处的内磁座轴承12与转轴1连接,刚度梁6两端分别固定在内磁座4和支撑盘7上,多根刚度梁6以转轴1为轴心沿圆周均匀分布。所述内磁座4设有多个沿圆周分布的永磁体5,所述外磁座3设有与内磁座4相同数量的永磁体5,内磁座4和外磁座3上的永磁体两两一组相对设置且极性相互排斥。内磁座4和外磁座3上排列成环形永磁体同轴分布,中心在平衡位置重合。
所述支撑盘7上设有多个沿圆周分布的通孔,刚度梁6插入相应通孔中并通过螺母8固定,通过调节螺母8,可以改变支撑盘7和内磁座4间刚度梁6的长度,进而改变正刚度。
具体实施时,本发明非线性能量阱设有至少2根刚度梁6,每根刚度梁的直径均相同。所述刚度梁6的数量和直径与所需的刚度有关。例如:需要1000Nm的刚度,可以用两根粗的刚度梁,也可以用四根细的刚度梁。如图1所示,本发明采用4根直径相同的刚度梁6连接支撑盘7和内磁座4。4根刚度梁6与内磁座的连接点位于以转轴1为圆心的圆周上,同时在支撑盘7上沿圆周分布4个通孔以便与相应的刚度梁6连接。
当转子系统处于平衡位置,作用在内磁座4上的永磁体的合力为0。转子系统振动后将振动力传递到外磁座、支撑盘和刚度梁,产生的扭振带动内磁座与外磁座发生相对角位移,使内磁座和外磁座上相对设置的一组永磁体产生角位移,产生的磁斥力与磁吸力的合力随着偏心率变化,以产生负刚度。通过正负刚度同时作用,以产生目标刚度,实现动态吸振。
具体实施时,可通过改变内磁座和外磁座的间距来改变负刚度。也可通过改变永磁体的材料来改变负刚度。
具体实施时,外磁座3、内磁座4和多个永磁体5构成负刚度机构。多根刚度梁6为正刚度机构。正刚度机构和负刚度机构耦合形成立方刚度单元。
如图2所示,为将本发明的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱安装在转子系统的示意图。所述转子系统包括:底座13、安装平台14、电机16、质量圆盘9、联轴器和支撑架2。所述安装平台14固定在底座13上,电机16通过电机座15安装在安装平台14一端,电机16的输出轴依次通过大联轴器11和小连轴器10与转轴1连接,所述转轴1通过两个支撑架2支撑在安装平台14上,转轴1与支撑架2内嵌的轴承转接。所述质量圆盘9位于电机16和永磁非线性能量阱之间,并固定安装在靠近支撑盘7一端的转轴1上。
磁斥力原理拟合非线性刚度的机理:当转子系统处于平衡位置时,作用于内磁座磁铁上的合力为零,此状态为不稳定平衡状态。如果某一瞬间,转子因振动而导致内外磁铁在径向产生位移差。则作用于内磁座磁铁上的合力将不再为零。当电机旋转时,内磁座与外磁座和支撑座之间会发生相对角位移,使正负刚度机构同时起作用,进而产生所需要的目标刚度。
结合图3对实际的磁力与位移的关系进行研究,可以得出关系类似三次函数,用一个次函数来进行拟合,得到拟合结果:
f(x)=1.665×108x3+118.2x
其中,x表示位移,f(x)表示磁力。图像与实际关系大致吻合。
本实例目标是用于转子系统的扭振衰减的能量吸收,参见图4与图5可以看出,将本发明非线性能量阱安装在转子系统上,转子系统的振动明显下降,随着永磁体之间距离的改变,振动抑制率增加。且在不同宽度的频带上都有抑制作用,并可自适应变化,表明了本发明非线性能量阱的宽频抑振特性,且效果显著。可以减少整体旋转机械设备在运行时的故障,弥补目前基于磁斥力原理抑制技术的不足。
本发明的一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱用于抑制转子系统振动的过程如下:
该永磁非线性能量阱在转轴1上装配时,应靠近质量圆盘9的位置。当磁非线性能量阱工作时,转子系统振动后将振动力传递给支撑架2、支撑盘7与外磁座3。支撑盘7通过刚度梁6将振动传递给内磁座4,形成正刚度。同时,振动由外磁座3,经内外磁座上的永磁体5产生的磁吸力与磁斥力的相互作用,也传递到内磁座4,形成负刚度。正负刚度机构耦合形成立方刚度单元。正负刚度同时作用,拟合非线性立方刚度。利用了非线性能量阱机制,抑振效果良好。
综上所述,以上阐述说明了本发明的一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱的较佳实例而已,不得用于限定本发明的权利保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的专利权利保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,其特征在于,包括:外磁座、内磁座、支撑盘和多根刚度梁;所述外磁座、内磁座和支撑盘依次套设在转子系统的转轴上且都为圆盘状,所述外磁座和支撑盘都与转轴固定连接,所述内磁座通过设于中心处的内磁座轴承与转轴转动连接,刚度梁两端分别固定在内磁座和支撑盘上,多根刚度梁以转轴为轴心沿圆周均匀分布;所述内磁座设有多个沿圆周分布的永磁体,所述外磁座设有与内磁座相同数量的永磁体,内磁座和外磁座上的永磁体两两一组相对设置且极性相互排斥。
2.如权利要求1所述的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,其特征在于,所述支撑盘上设有多个沿圆周分布的通孔,刚度梁插入相应通孔中并通过螺母固定,通过改变支撑盘和内磁座间刚度梁的长度来改变正刚度。
3.如权利要求2所述的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,其特征在于,设有至少2根刚度梁,所述刚度梁的数量和直径与所需的刚度有关。
4.如权利要求1所述的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,其特征在于,
转子系统振动后将振动力传递到外磁座、支撑盘和刚度梁,产生的扭振带动内磁座与外磁座发生相对角位移,使内磁座和外磁座上相对设置的一组永磁体产生角位移,产生的磁斥力与磁吸力的合力随着偏心率变化,以产生负刚度。
5.如权利要求4所述的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,其特征在于,通过改变内磁座和外磁座的间距来改变负刚度。
6.如权利要求4所述的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,其特征在于,通过改变永磁体的材料来改变负刚度。
7.如权利要求4所述的基于磁斥力原理的抑制扭振用永磁非线性能量阱,其特征在于,所述转子系统包括:底座、安装平台、电机、质量盘、联轴器和支撑架;所述安装平台固定在底座上,电机通过电机座安装在安装平台一端,电机的输出轴通过联轴器连接转轴,所述转轴通过两个支撑架支撑在安装平台上,转轴与支撑架内嵌的轴承转接;所述质量盘位于电机和永磁非线性能量阱之间,并固定安装在靠近支撑盘一端的转轴上。
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