CN114658784A - 一种永磁电磁复合主被动隔振系统 - Google Patents
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Abstract
本申请属于隔振设备技术领域，公开了一种永磁电磁复合主被动隔振系统，包括底板、固定于底板上的弹簧、与弹簧的上部固定的承重台，还包括固定于底板上的电磁铁、固定于电磁铁顶端的永磁体以及固定于承重台底面且与永磁体隔空相对的衔铁，其中，弹簧作为被动隔振装置，通过对弹簧进行预压缩为被隔振对象提供静态支撑力；永磁体和电磁铁共同构成永磁电磁混合作动器，作为主动隔振装置，永磁体为负刚度元件，电磁铁用于通过改变电压电流大小和方向以主动调节整个系统的刚度和阻尼。本申请提供的上述永磁电磁复合主被动隔振系统，能够有效的减小系统的总体刚度，降低系统的固有频率，同时能够主动调节系统的刚度和阻尼。
Description
技术领域
本发明属于隔振设备技术领域，特别是涉及一种永磁电磁复合主被动隔振系统。
背景技术
隔振系统是振动控制中应用最多的一种振动控制技术，分为被动隔振、主动隔振和主被动混合隔振，其中，被动隔振系统是在振动传播途径中加入被动元件，如弹簧、橡胶和空气弹簧等等，以减小传递到接受结构中的振动强度，其结构简单、易于实现、工作可靠，不需要消耗额外的能源，而随着科技的发展，对结构的承载能力和振动控制精度都有了更高的要求，目前大型化、低刚度与柔性化是精密制造的重要趋势，这就需要用到能够承受大的工作载荷且对于低频振动也有优异隔振性能的主动隔振系统，这种主动隔振系统相对于被动隔振系统具有明显的优势，能够用于大型设备的空间结构隔振领域，还适用于微小振动的控制，广泛应用于精密仪器的隔振。主被动复合隔振是在被动隔振的基础上，通过施加主动控制的一种新型隔振技术，目前是隔振领域研究的热点。
振动贯穿武器装备的整个生命周期，是制约武器装备精度和性能的关键瓶颈，同时振动也会严重影响武器装备的可靠性，降低正常使用寿命。针对某型装备隔振需求，减少外部振动对于装备的损害，亟需设计一种新型永磁电磁复合主被动隔振系统，以动态调节系统的刚度和阻尼，实现外部振动在多频段的强衰减。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种永磁电磁复合主被动隔振系统，能够有效的减小系统的总体刚度，降低系统的固有频率，同时能够主动调节系统的刚度和阻尼。
本发明提供的一种永磁电磁复合主被动隔振系统包括底板、固定于所述底板上的弹簧、与所述弹簧的上部固定的承重台，还包括固定于所述底板上的电磁铁、固定于所述电磁铁顶端的永磁体以及固定于所述承重台底面且与所述永磁体隔空相对的衔铁，其中，所述弹簧作为被动隔振装置，通过对所述弹簧进行预压缩为被隔振对象提供静态支撑力；
所述永磁体和所述电磁铁共同构成永磁电磁混合作动器，作为主动隔振装置，所述永磁体为负刚度元件，所述电磁铁用于通过改变电压电流大小和方向以主动调节整个系统的刚度和阻尼，在无电流条件下，所述永磁体与所述衔铁之间具有电磁吸力以使被隔振对象处在初始平衡位置。
优选的，在上述永磁电磁复合主被动隔振系统中，所述电磁铁为E型电磁铁，其铁芯极面积范围为7000mm2至8000mm2。
优选的，在上述永磁电磁复合主被动隔振系统中，所述永磁体的截面积与所述电磁铁的铁芯极面积相同。
优选的，在上述永磁电磁复合主被动隔振系统中，所述永磁体的厚度范围为9.5mm至10.5mm。
优选的，在上述永磁电磁复合主被动隔振系统中，所述永磁体的材料为钕铁硼。
优选的，在上述永磁电磁复合主被动隔振系统中，所述电磁铁的材料为矽钢片碟片。
优选的，在上述永磁电磁复合主被动隔振系统中，所述电磁铁的线圈包括漆包铜圆导线，绕制匝数范围为375至400，线圈绕制的宽度范围为29mm至30mm。
优选的，在上述永磁电磁复合主被动隔振系统中，所述弹簧的数量为四个，且所述弹簧选用等节距圆柱螺旋弹簧。
优选的，在上述永磁电磁复合主被动隔振系统中，所述弹簧的高度范围为170mm至180mm。
通过上述描述可知，本发明提供的上述永磁电磁复合主被动隔振系统中，包括底板、固定于底板上的弹簧、与弹簧的上部固定的承重台，还包括固定于底板上的电磁铁、固定于电磁铁顶端的永磁体以及固定于承重台底面且与永磁体隔空相对的衔铁，其中，弹簧作为被动隔振装置，通过对弹簧进行预压缩为被隔振对象提供静态支撑力，这种弹簧能够作为正刚度元件，为整个系统提供正刚度，通过弹簧预压缩为承重台和承重台上面的被隔振对象提供支撑力；永磁体和电磁铁共同构成永磁电磁混合作动器，作为主动隔振装置，永磁体作为一种负刚度元件，电磁铁用于通过改变电压电流大小和方向以主动调节整个系统的刚度和阻尼，在电磁铁中无电流的情况下，永磁体与衔铁之间具有电磁吸力，能够平衡弹簧给系统带来的正刚度，以使被隔振对象处在初始平衡位置，整个承重台在初始的平衡位置附近振动，使系统的整体刚度减小，降低系统的固有频率，同时永磁体自身会产生偏置磁场，向偏置磁场中加入电磁铁，通过改变电磁铁中的电流的大小和方向，从而改变偏置磁场的强度，进而可以改变永磁电磁混合作动器产生的磁力，可见，该方案不仅能减小系统的刚度，还能通过电磁铁输入电流的调节动态调整系统的等效刚度和阻尼，实现主动振动控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种永磁电磁复合主被动隔振系统的实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种永磁电磁复合主被动隔振系统，能够有效的减小系统的总体刚度，降低系统的固有频率，同时能够主动调节系统的刚度和阻尼。。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种永磁电磁复合主被动隔振系统的实施例如图1所示，图1为本发明提供的一种永磁电磁复合主被动隔振系统的实施例的示意图，该系统包括底板1、固定于底板1上的弹簧2、与弹簧2的上部固定的承重台3，还包括固定于底板1上的电磁铁4、固定于电磁铁4顶端的永磁体5以及固定于承重台3底面且与永磁体5隔空相对的衔铁6，其中，弹簧2作为被动隔振装置，通过对弹簧2进行预压缩为被隔振对象提供静态支撑力；
永磁体5和电磁铁4共同构成永磁电磁混合作动器，作为主动隔振装置，永磁体5为负刚度元件，电磁铁4用于通过改变电压电流大小和方向以主动调节整个系统的刚度和阻尼，在无电流条件下，永磁体5与衔铁6之间具有电磁吸力以使被隔振对象处在初始平衡位置。
需要说明的是，上述系统可以放置于振动台体7上，该振动台体用于为系统提供所需的外部振动环境，能够根据需要动态的调整激振的幅值、频率和激振时间，该振动台体的下端可以固定在地面，上端承载上述永磁电磁复合主被动隔振系统，上述弹簧2可以是机械弹簧，作为正刚度元件，为整个系统提供正刚度，其次通过弹簧预压缩为承重台和被隔振对象提供支撑力，同时在无外部输入条件下，即电磁铁无输入电流，也可以平衡永磁体与衔铁之间的吸力，使整个承重台在初始的平衡位置附近振动，永磁电磁混合作动器是永磁电磁主被动复合隔振系统的核心设备，可以但不限于采用图1中的E型电磁铁，并且在该E型电磁铁的顶端安装永磁体，另外，上述衔铁可以但不限于利用螺栓连接在承重台的底部，衔铁的下端可以但不限于与永磁体上端距离10mm，该永磁体作为负刚度元件，根据负刚度理论，即便是电磁铁输入电流为0的情况下永磁体仍然可以平衡弹簧被动隔振装置带给系统的正刚度，使系统的整体刚度减小，同时永磁体自身会产生偏置磁场，向偏置磁场中加入电磁铁，通过改变电磁铁中的电流的大小和方向，从而改变偏置磁场的强度，进而改变永磁电磁混合作动器产生的磁力，这样的作动器不仅能够通过永磁体减小系统的刚度，还能通过对电磁铁输入电流的调整进一步动态的调整整个系统的等效刚度和阻尼，从而为系统的主动振动控制提供了可能性。
通过上述描述可知，本发明提供的上述永磁电磁复合主被动隔振系统的实施例中，包括底板、固定于底板上的弹簧、与弹簧的上部固定的承重台，还包括固定于底板上的电磁铁、固定于电磁铁顶端的永磁体以及固定于承重台底面且与永磁体隔空相对的衔铁，其中，弹簧作为被动隔振装置，通过对弹簧进行预压缩为被隔振对象提供静态支撑力，这种弹簧能够作为正刚度元件，为整个系统提供正刚度，通过弹簧预压缩为承重台和承重台上面的被隔振对象提供支撑力；永磁体和电磁铁共同构成永磁电磁混合作动器，作为主动隔振装置，永磁体作为一种负刚度元件，电磁铁用于通过改变电压电流大小和方向以主动调节整个系统的刚度和阻尼，在电磁铁中无电流的情况下，永磁体与衔铁之间具有电磁吸力，能够平衡弹簧给系统带来的正刚度，以使被隔振对象处在初始平衡位置，整个承重台在初始的平衡位置附近振动，使系统的整体刚度减小，降低系统的固有频率，同时永磁体自身会产生偏置磁场，向偏置磁场中加入电磁铁，通过改变电磁铁中的电流的大小和方向，从而改变偏置磁场的强度，进而可以改变永磁电磁混合作动器产生的磁力，可见，该方案不仅能减小系统的刚度，还能通过电磁铁输入电流的调节动态调整系统的等效刚度和阻尼，实现主动振动控制。
在上述永磁电磁复合主被动隔振系统的一个具体实施例中，电磁铁可以优选为E型电磁铁，其铁芯极面积范围可以但不限于为7000mm2至8000mm2。进一步的，电磁铁的材料优选为矽钢片碟片，而且，电磁铁的线圈可以包括漆包铜圆导线，绕制匝数范围为375至400，线圈绕制的宽度范围为29mm至30mm。
需要说明的是，电磁铁是永磁电磁混合作动器的主动控制模块，该模块主要是通过控制电磁铁两端的控制电压，从而控制输入电磁铁的电流，而通过电磁铁中的电流的不同将会导致永磁电磁混合作动器产生的磁场强度不同，最终达到调节吸力的目的，根据电磁铁的具体用途，电磁铁的设计主要包括E型电磁铁铁芯和导线材料的选取和空间尺寸。E型电磁铁具备良好的空间结构，高度要求符合需求，适合在此系统中使用，考虑到系统在工作中将会面临持续的振动和电磁铁产热的问题，电磁铁铁芯和衔铁均使用矽钢片碟片形式，而且，为减少电磁铁在工作中的发热，电磁铁的线圈优选的采用电阻较小的漆包铜圆导线，电磁铁加工后的绝缘等级要满足F级。
还需要说明的是，E型电磁铁的吸力与铁芯极面积成正比，铁芯极面积越大，E型电磁铁的吸力越强，但也收到安装空间的限制，因此这里铁芯极面积范围优选为7000mm2至8000mm2，以满足吸力和空间两方面的要求，为方便线圈绕制，中间铁芯极面可以采用正方形，左右两侧铁芯极面可以为相同的长方形，同时，为了保证尽可能的减少所设计的电磁铁的漏磁现象，在衔铁的尺寸设计上可以采取与电磁铁磁极相对应的尺寸。
在上述永磁电磁复合主被动隔振系统的另一个具体实施例中，永磁体的截面积可以与电磁铁的铁芯极面积相同，而且，永磁体的厚度范围可以优选为9.5mm至10.5mm，其材料可优选为钕铁硼，这种钕铁硼材料具备较高的能量密度、极大的矫顽力和磁能积，而且成本低，在室温条件下钕铁硼剩余磁感应强度最高可以到达1.4756T，矫顽力可以达到955KA/m，相比其他永磁体有较高的稳定性，当然也可以根据实际需要选用其他材料，此处并不限制。还需说明的是，永磁体的厚度进一步优选为10mm，其刚度更好地符合要求，且能够提供足够的力。
在上述永磁电磁复合主被动隔振系统中，弹簧的数量可以优选为四个，且弹簧选用等节距圆柱螺旋弹簧，其刚度近似为常数，特性线更接近于直线，，结构简单，易于加工和制造，这样能够简化隔振系统设计，同时也能够达到良好的被动隔振效果，符合系统的设计需求，同时，为保证弹簧结构的稳定性，弹簧不发生水平侧弯，还可以将弹簧直接套在直线轴承导杆上，限制弹簧水平方向上的自由度，使弹簧只能在竖直方向上进行压缩和伸长，保证了水平稳定性，选取的直线轴承导杆直径可以为20mm，在此基础上为了保证弹簧与导杆间不会产生较大的滑动摩擦和水平侧弯，对弹簧内径的选取必须大于20mm，同时还要留足一定的余量，以便保证不会产生较大的滑动摩擦。当然这仅是一个优选方案，还可以根据实际需要选用其他类型的弹簧，此处并不限制。进一步的，上述弹簧的高度范围可以优选为170mm至180mm，这就是弹簧的自由长度，这样更好地符合变形量的要求，在装配的过程中可能出现余量，就可以选择使用垫片进行填充和调整。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种永磁电磁复合主被动隔振系统，其特征在于，包括底板、固定于所述底板上的弹簧、与所述弹簧的上部固定的承重台，还包括固定于所述底板上的电磁铁、固定于所述电磁铁顶端的永磁体以及固定于所述承重台底面且与所述永磁体隔空相对的衔铁，其中，所述弹簧作为被动隔振装置，通过对所述弹簧进行预压缩为被隔振对象提供静态支撑力；
所述永磁体和所述电磁铁共同构成永磁电磁混合作动器，作为主动隔振装置，所述永磁体为负刚度元件，所述电磁铁用于通过改变电压电流大小和方向以主动调节整个系统的刚度和阻尼，在无电流条件下，所述永磁体与所述衔铁之间具有电磁吸力以使被隔振对象处在初始平衡位置。
2.根据权利要求1所述的永磁电磁复合主被动隔振系统，其特征在于，所述电磁铁为E型电磁铁，其铁芯极面积范围为7000mm2至8000mm2。
3.根据权利要求1所述的永磁电磁复合主被动隔振系统，其特征在于，所述永磁体的截面积与所述电磁铁的铁芯极面积相同。
4.根据权利要求1所述的永磁电磁复合主被动隔振系统，其特征在于，所述永磁体的厚度范围为9.5mm至10.5mm。
5.根据权利要求1所述的永磁电磁复合主被动隔振系统，其特征在于，所述永磁体的材料为钕铁硼。
6.根据权利要求1所述的永磁电磁复合主被动隔振系统，其特征在于，所述电磁铁的材料为矽钢片碟片。
7.根据权利要求1所述的永磁电磁复合主被动隔振系统，其特征在于，所述电磁铁的线圈包括漆包铜圆导线，绕制匝数范围为375至400，线圈绕制的宽度范围为29mm至30mm。
8.根据权利要求1所述的永磁电磁复合主被动隔振系统，其特征在于，所述弹簧的数量为四个，且所述弹簧选用等节距圆柱螺旋弹簧。
9.根据权利要求8所述的永磁电磁复合主被动隔振系统，其特征在于，所述弹簧的高度范围为170mm至180mm。
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