CN114598123B - 一种基于磁阻电机的主动磁浮减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁阻电机的主动磁浮减振装置。该装置至少包括一个运动模块；运动模块包括第一框架和第二框架，第一框架包括两个第一电磁体，第二框架包括第一部分和第二部分；第一部分包括两个第二电磁体；第二部分包括两个第三电磁体；两个第二电磁体的第二铁芯通过第一导磁体相连，两个第三电磁体的第三铁芯通过第二导磁体相连，第一框架位于第二框架的一部分和第二部分之间；第一铁芯、第二铁芯和第三铁芯、第一和第二导磁体，以及第一、第二框架间的气隙形成闭合的第一回路；减振装置还可由一个或多个偏置方式相同/不同的运动模块组合而成。本发明通过控制线圈中所通电流的大小可以实现对振动的主动控制。

Description

一种基于磁阻电机的主动磁浮减振装置

技术领域

本发明涉及磁浮减振技术领域，尤其涉及一种基于磁阻电机的主动磁浮减振装置。

背景技术

随着加工精度的不断提高，高端制造、检测装备对运动部件的运动精度提出了更高的要求。超精密的运动部件通常都需要在极为“安静”的环境中工作，因为任何的扰动都会对其精度产生影响。高性能的减振器无疑是保障运动部件实现超精密运动的重要装置。在实际应用中，我们通常希望减振器具有如下特征：（1）大负载：由于一些部件本身具有很大的重量，减振器需要满足大负载的需求；（2）高变负载；（3）小体积：装备中各个分系统的集成需要减振器具有较小的体积；（4）低刚度：减振器低刚度的动力学特性可以有效提升其减振性能。

目前，减振器的技术路线主要分为三种：第一种是由音圈电机实现，音圈电机的优势在于线性出力，可控性强；第二种是气浮减振器，即利用气弹簧原理实现大负载和低刚度；第三种是采用永磁结构实现。但这几种方案都存在着各自的缺陷：首先，音圈电机的力密度（力和电机体积的比值）较低，在电机体积、散热功率受限的情况下，无法进一步提升推力，其性能已经接近物理极限；其次，气浮减振器由于高频空气动力学扰动无法精确建模，其性能受限，而且它会对真空环境造成一定程度上的破坏；最后，永磁减振器属于被动式的方案，无法根据实际需求进行调节。而磁阻电机具有出力密度大、推力常数大的优势，可以在较小的体积和功耗下实现更大的出力，但也存在着负刚度问题。

发明内容

针对现有的不足，本发明提供了一种基于磁阻电机的主动磁浮减振装置；其采用切向磁阻力实现主动的磁浮减振控制，在利用磁阻电机优势的同时避免了其在工作方向上的负刚度问题，且电流与力之间的非线性也得到了降低。

本发明的技术方案具体介绍如下。

一种基于磁阻电机的主动磁浮减振装置，至少包括一个运动模块；其中：

所述运动模块包括第一框架和第二框架，第一框架和第二框架间可以产生多个磁阻力，并发生相对运动；

第一框架包括两个第一电磁体，第一电磁体包括第一铁芯，两个第一铁芯沿第一方向排列，单个第一铁芯和第二方向平行，第一方向和第二方向相互垂直；

第二框架包括第一部分和第二部分；第一部分包括两个第二电磁体和第一导磁体，第二电磁体包括第二铁芯，两个第二铁芯沿第一方向排列，并通过第一导磁体相连，单个第二铁芯和第二方向平行；第二部分包括两个第三电磁体和第二导磁体，第三电磁体包括第三铁芯，两个第三铁芯沿第一方向排列，并通过第二导磁体相连，单个第三铁芯和第二方向平行；

第一电磁体、第二电磁体或第三电磁体中至少一个的铁芯上绕有线圈，工作时至少有一个线圈通电；

第一框架位于第二框架中第一部分和第二部分之间，第一框架与第二框架的第一、第二部分间存在多个气隙，第一框架的第一铁芯、第二框架的第一部分的第二铁芯、第一导磁体、第二部分的第三铁芯、第二导磁体，以及所述多个气隙形成闭合的第一回路；

工作时，线圈中通入电流，线圈所形成磁场沿着第一回路以相同的绕向闭合，形成第一磁路，由于漏磁现象的存在，线圈所形成磁场的极少部分会泄露在空气中；在磁场的作用下，第一框架和第二框架间的气隙中产生磁阻力，在第一、第二框架的气隙中，第一框架所受的多个磁阻力由第一铁芯的侧面指向与之相对的第二或第三铁芯的侧面，实现对振动的主动控制。

本发明中，第一铁芯、第二铁芯、第三铁芯可以是一个整体，也可由多个小铁芯拼接而成；铁芯上绕的线圈是一个整体，或分别由多个小线圈串联而成。

值得注意的是，“铁芯”只是一个便于理解的通用表达，并不特指某一种材料。

本发明中，所述第一、第二、第三铁芯结构相同、截面相同，并大致为“一”形。

本发明中，所述两个第二电磁体的第二铁芯通过第一导磁体相连，形成大致为“C”形的结构，所述两个第三电磁体的第三铁芯通过二导磁体相连，形成大致为反“C”形的结构。

本发明中，所述两个第二铁芯和第一导磁体为一个连续的整体，和/或，所述两个第三铁芯和第二导磁体为一个整体。

本发明中，所述两个第一铁芯的距离，和所述两个第二铁芯的距离，和所述两个第三铁芯的距离大致相等。所述多个第一、第二电磁体位于第一方向和第二方向所定义的第一平面上。沿垂直于第一平面的第三方向看，所述第一框架位于第二框架中第一部分和第二部分之间，第一框架与第二框架的第一、第二部分间存在间隙，且第一框架与第一、第二部分间的距离大致相等。

本发明中，根据磁路最小原理，即磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性，在第一框架和第二框架的气隙中会产生磁阻力。第一框架所受的多个磁阻力由第一铁芯的侧面指向与之相对的第二或第三铁芯的侧面。第二框架的第一部分所受的多个磁阻力由第二铁芯的侧面指向与之相对的第一铁芯的侧面；第二框架的第二部分所受的多个磁阻力由第三铁芯的侧面指向与之相对的第一铁芯的侧面。

本发明中，当所述第一铁芯各自分别大致正对着第二、第三铁芯时，第一框架受到的多个第一磁阻力大致平行于第二方向，由多个第一磁阻力产生的第一合力大致为0。同时，第二框架所受到的多个第二磁阻力分别与多个第一磁阻力相反，形成的第二合力大致为0。

本发明中，当第一框架相对于第二框架产生沿第一方向正/负方向的第一偏移时，第一框架受到的第一合力与第一偏移方向相反；当第一框架相对于第二框架产生沿第三方向正/负方向的第二偏移时，第一框架受到的第一合力与第二偏移方向相反；当第一框架相对于第二框架产生沿两个方向的第三偏移时，即第一方向正/负和第三方向正/负方向，第一框架受到的第一合力与第三偏移方向相反。类似的，当第一框架固定，第二框架产生沿第一、第三方向、第一第三方向的偏移时，第二框架也会受到与上述类似的第二合力，此处不做赘述。

本发明中，所述第一框架和第二框架在第三方向具有不同的长度，进而所述运动模块在第三方向的刚度大幅降低。且第一框架和第二框架在第三方向的长度差越大，所述运动模块在第三方向的刚度越低。

本发明中，第一、第二合力的大小受到偏移量、电流大小、结构参数的影响。当装置的结构确定时，可以通过控制电流的大小控制第一、第二框架在不同偏置位置的第一、第二合力。

本发明中，以第一方向作为工作方向，电流固定时，随着第一（第二）框架偏移量的增大，第一（第二）框架所受第一（第二）合力呈现先增大后减小的趋势，且中间某一位置在第一方向的刚度接近于0。优选的，可以在比该位置偏移量更小的附近位置选取工作点。通过控制所通入的电流实现减振控制。

本发明中，还包括功率放大器和传感器，功率放大器用于向线圈中通入电流，传感器用于测量动子的位置从而进行系统的闭环控制。

本发明中，上述运动模块可单独作为一个减振装置使用，根据不同的需求选择不同的出力形式。在实际应用中，可将第一框架作为动子、第二框架作为定子，或者将第二框架作为动子、第一框架作为定子。

本发明中，通过组合两个或多个、相同或不同偏移形式，或\和相同或不同结构的运动模块满足大出力、多轴、多自由度、多方向出力等不同的需求。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明利用磁阻电机的切向力进行工作，避免了传统磁阻电机在出力中的负刚度问题。本发明所提装置出力密度大，且存在零刚度点，同时满足了减振器低刚度、高负载、小体积的工作需要。本发明通过控制线圈中所通电流的大小可以实现对振动的主动控制。本发明结构简单，可利用有相同/不同结构的运动模块进行更多灵活的组合，满足大出力、多轴、多自由度、多方向出力等不同的需求，从而应用到更多不同的场景中。

附图说明

图1是本发明提供的一个具体实施例1的结构示意图。

图2是实施例1中第一种偏置方式的结构示意图。

图3是实施例1中第二种偏置方式的结构示意图。

图4是本发明提供的一个具体实施例2的结构示意图。

图5是本发明提供的一个具体实施例3的结构示意图。

图中标号：1-第二框架的第一部分，2-第一框架，3-第二框架的第二部分，4-第一磁路，11-第一导磁体，12，13-第二电磁体，21，22-第一电磁体，31-第二导磁体，32，33-第三电磁体，121，131-第二铁芯，122，132-第二线圈，211，221-第一铁芯，212，222-第一线圈，321，331-第三铁芯，322，332-第三线圈，A-第一框架沿y轴负向偏移的运动模块，B-第一框架沿y轴正向偏移的运动模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、“里”、“外”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本发明提供的一个具体实施例1如图1-图3所示，该实施例主要提供了单个运动模块的多种实施方式。该运动模块至少包括第一框架2和第二框架。

第一框架2至少包括第一电磁体21和第一电磁体22；第一电磁体21包括第一铁芯211和第一线圈212；第一电磁体22包括第一铁芯221和第一线圈222。第一铁芯211、221可以分别是一个整体，也可以分别由多个小铁芯拼接而成；第一线圈212、222可以分别是一个整体，也可分别由多个小线圈串联拼接而成。第一铁芯211和221沿y轴排列、并大致平行于x轴，并大致对齐。

第二框架至少包括第一部分1和第二部分3。所述第一部分1至少包括第二电磁体12和13；第二电磁体12包括第二铁芯121和第二线圈122，第二电磁体13包括第二铁芯131和第二线圈132。第二部分3至少包括第三电磁体32和33；第三电磁体32包括第三铁芯321和第三线圈322，第三电磁体33包括第三铁芯331和第三线圈332。第二铁芯121、131和第三铁芯321、331可以分别是一个整体，也可以分别由多个小铁芯拼接而成。第二线圈122、132和第三线圈322、332可以分别是一个整体，也可分别由多个小线圈串联拼接而成。第二铁芯121、131沿y轴排列、大致平行于x轴，并大致对齐；第三铁芯321、331沿y轴排列、大致平行于x轴，并大致对齐。

优选的，第一铁芯211、221，第二铁芯121、131和第三铁芯321、331具有相同的“一”字结构。

优选的，第一铁芯211、221间的距离，和第二铁芯121、131间的距离，以及第三铁芯321、331间的距离大致相等。

优选的，第二铁芯121和131通过第一导磁体11相连，第三铁芯321和331通过第二导磁体31相连。

可选的，第二铁芯121、131和第一导磁体11做成一个整体，和/或，第三铁芯321、331和第二导磁体31做成一个整体。

第一框架2位于第二框架中第一部分1和第二部分3之间，且第一框架2与第一、第二部分间的距离大致相等。第一铁芯211与第二铁芯121和第三铁芯321大致相对，所述第一铁芯221与第二铁芯131和第三铁芯331大致相对。

第一框架2的第一铁芯211、221，第二框架的第二铁芯121、131和第三铁芯321、331，以及第二框架中的第一、第二导磁体11、13能够形成大致闭合的第一回路。

可选的，在多个第一、第二、第三线圈212、222、122、132、322和332中通入如图所示的电流，则每个线圈所形成磁场的绝大多数磁通都沿着所述第一回路以顺时针方向闭合，形成第一磁路4。

或者，在多个第一、第二、第三线圈212、222、122、132、322和332中通入与图示方向相反的电流，则每个线圈所形成磁场的绝大多数磁通都沿着所述第一回路以逆时针方向闭合，形成与图示方向相反的第一磁路4。

可选的，如图1所示，当第一框架与第二框架的第二、第三部分大致正对时，第一框架所受第一磁阻力F₁、F₂、F₃和F₄大致平行于x轴，由此形成的第一合力大致为0。同样的，当第一框架固定时，第二框架受到与图示方向相反的第二磁阻力，由此形成的第二合力大致为0。

可选的，当第一框架沿图2所示的第一种偏置方式偏移（即y轴负向），所受到的第一磁阻力F₁、F₂、F₃和F₄分别由第一铁芯的侧面指向第二、第三铁芯的侧面，进而形成沿y轴正向的第一合力。第二框架所受第二磁阻力以及第二合力分别与所述第一磁阻力和第一合力相反。

可选的，当第一框架2沿图3所示的第二种偏置方式偏移（即y轴正向），所受到的第一磁阻力F₁、F₂、F₃和F₄分别由第一铁芯的侧面指向第二、第三铁芯的侧面，进而形成沿y轴负向的第一合力。第二框架所受第二磁阻力以及第二合力分别与所述第一磁阻力和第一合力相反。

可选的，当第一框架2沿z轴正向偏移时，所受第一合力指向z轴负向，第二框架所受到的第二合力则与之相反，此处不做赘述。

可选的，当第一框架2沿z轴负向偏移时，所受第一合力指向z轴正向，第二框架所受到的第二合力则与之相反，此处不做赘述。

可选的，第一框架2也可同时在两个方向产生偏移，即y轴正向z轴正向、y轴正向z轴负向、y轴负向z轴正向、y轴负向z轴正向，进而受到与偏移方向相反的第一合力。

第一、第二合力的大小和偏移量、电流大小、结构参数的影响。当装置的结构确定时，可以通过控制电流的大小控制第一、第二框架在不同偏置位置的第一、第二合力。

优选的，以y轴方向作为工作方向，电流固定时，随着第一（第二）框架偏移量的增大，第一（第二）框架所受第一（第二）合力呈现先增大后减小的趋势，且中间存在一个在y轴方向刚度为0的点。优选的，可以在比该位置偏移量更小的附近位置选取工作点。通过控制所通入的电流实现振动控制。

可选的，第一框架2和第二框架在z向具有不同的长度，进而所述运动模块在z向的刚度大幅降低。且第一框架和第二框架在z向的长度差越大，运动模块在z向的刚度越低。

上述运动模块可单独作为一个减振装置使用，根据不同的需求选择不同的出力形式。

可选的，在实际应用中，可将第一框架作为动子、第二框架作为定子，或者将第二框架作为动子、第一框架作为定子。

在实施例2中，第一框架2中的电磁体不具有线圈，只有铁芯。此时，由第二框架中的线圈通电形成闭合磁路，而其出力方式与之前所述相同，此处不做赘述。值得注意的是，运动模块中的部分电磁体可以只有铁芯，而不具有线圈，但至少有一个电磁体具有线圈，工作时至少有一个电磁体的线圈通电，线圈通电之后在铁芯和导磁体中形成闭合磁路，同样可以按实施例1中的方式出力。

本发明还给出几个将不同/相同运动模块进行组合的实施例，但应注意的是，所述实施例仅作示例性说明而并非限制。

在实施例3中，将一个第一框架沿y轴负向偏移的运动模块和一个第一框架沿y轴正向偏移的运动模块沿y轴进行组合，并将所述两个运动模块中的第一、第二框架分别相连，可以实现沿y轴正/负方向的合力，通过控制每个模块中所通电流的大小来控制出力的大小和方向。

在实施例4中，将两个偏置方向相同的运动模块沿y轴进行组合，并将两个运动模块中的第一、第二框架分别相连，使得所得装置的出力得到增强。

在实施例5中，将两个实施例3中的结构沿x轴进行组合，进而实现两个轴的控制。

值得说明的是，图2、3、4、5将第二铁芯121、131和第一导磁体11画成了一个整体，并将第三铁芯321、331和第二导磁体31画成了一个整体，这只是一种实现方式，实际中它们也可以各自分离。

除此之外，还可将多个所述具有相同/不同结构的运动模块进行更多灵活的组合，从而应用到更多不同的场景中，此处不再赘述，但应注意的是，其他的组合形式仍在本发明的权利范围内。

Claims (8)

1.一种基于磁阻电机的主动磁浮减振装置，其特征在于，至少包括一个运动模块；其中：

所述运动模块包括第一框架和第二框架，第一框架和第二框架间可以产生多个磁阻力，并发生相对运动；

第一框架包括两个第一电磁体，第一电磁体包括第一铁芯，两个第一铁芯沿第一方向排列，单个第一铁芯和第二方向平行，第一方向和第二方向相互垂直；

第二框架包括第一部分和第二部分；第一部分包括两个第二电磁体和第一导磁体，第二电磁体包括第二铁芯，两个第二铁芯沿第一方向排列，并通过第一导磁体相连，单个第二铁芯和第二方向平行；第二部分包括两个第三电磁体和第二导磁体，第三电磁体包括第三铁芯，两个第三铁芯沿第一方向排列，并通过第二导磁体相连，单个第三铁芯和第二方向平行；

第一电磁体、第二电磁体或第三电磁体中至少一个的铁芯上绕有线圈，工作时至少有一个线圈通电；

第一框架位于第二框架中第一部分和第二部分之间，第一框架与第二框架的第一、第二部分间存在多个气隙，第一框架的第一铁芯、第二框架的第一部分的第二铁芯、第一导磁体、第二部分的第三铁芯、第二导磁体，以及所述多个气隙形成闭合的第一回路；

工作时，线圈中通入电流，线圈所形成磁场沿着第一回路以相同的绕向闭合，形成第一磁路；在磁场的作用下，第一框架和第二框架间的气隙中产生磁阻力，在第一、第二框架的气隙中，第一框架所受的多个磁阻力由第一铁芯的侧面指向与之相对的第二或第三铁芯的侧面，实现对振动的主动控制。

2.如权利要求1所述的减振装置，其特征在于：所述第一铁芯、第二铁芯、第三铁芯各自是一个整体，或分别由多个小铁芯拼接而成；铁芯上绕的线圈是一个整体，或分别由多个小线圈串联而成。

3.如权利要求1所述的减振装置，其特征在于：所述第一框架沿第一方向，或/和，与所述第一、第二方向垂直的第三方向相对于第二框架产生偏移，第一框架受到的多个磁阻力产生的第一合力与偏移方向相反。

4.如权利要求1所述的减振装置，其特征在于：以第一方向作为工作方向，所述第一框架和第二框架在第三方向具有不同的长度，进而运动模块在第三方向的刚度大幅降低；且第一框架和第二框架在第三方向的长度差越大，运动模块在第三方向的刚度越低。

5.如权利要求1所述的减振装置，其特征在于：所述第一框架作为动子，所述第二框架固定在基座上作为定子；或所述第一框架固定在基座上作为定子，所述第二框架作为动子。

6.如权利要求1所述的减振装置，其特征在于：以第一方向作为工作方向，或以第二方向作为工作方向，或以第一、第二方向所在平面的某一方向作为工作方向。

7.如权利要求1所述的减振装置，其特征在于：所述运动模块单独作为一个减振装置使用，根据不同的需求选择不同的偏移方向和距离。

8.如权利要求1所述的减振装置，其特征在于：通过组合两个或多个、相同或不同偏移形式，或\和相同或不同结构的运动模块满足大出力、多轴、多自由度、多方向出力不同的需求。