CN114754095A - 一种负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于低频隔振技术领域,特别涉及一种负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,包括基底、负载平台以及位于基底与负载平台之间的负刚度模块,所述负刚度模块包括对称布置的两组负刚度单元,每组所述负刚度单元包括并联的五磁吸式结构和三磁斥式结构。本发明利用三磁式磁斥的负刚度值随着位移呈“凹”形态,五磁式磁吸的负刚度值随着位移呈“凸”形态,然后通过五磁式和三磁式并联,获得的负刚度在相对较大的位移范围内变化较小,因此相较于以往简单的负刚度结构来说大大改善负刚度的非线性程度,提高整体的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于低频隔振技术领域,特别涉及一种负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构。
背景技术
振动对于机器加工和设备测量等都是难以避免的因素,影响仪器设备功能,降低机械设备的工作精度。随着科学技术的快速发展,在精密加工和测量的领域,如光刻机的加工、大规模集成芯片的生产等仪器的加工和测量对于环境的振动具有更加及其严格的要求,尤其是低频振动对于精密和超精密设备的影响较为突出。
对于低频振动,为了尽可能减小对其精密或超精密设备的影响,一般的线性器难以满足在低频和超低频下具备良好的隔振性能以及较宽的隔振频率,目前的应对办法是正负刚度并联结构进行隔振,该结构实现了高静刚度、低动刚度的特性,从而提高低频以及超低频隔振性能。而正负刚度并联的关键是负刚度结构,也是较难设计的部分,现在广泛用三磁体负刚度机构作为负刚度部分。
而这类负刚度结构存在较大的非线性问题,虽然简单三磁体可以构成负刚度结构,从而实现高静低动刚度特性,这样能获得较宽的隔振频率范围,但是中间磁体位移的变化和受力并不是线性关系,而且非线性关系较大,从而使得该结构的负刚度不能保证良好的线性特征。尤其非线性问题会特别显现在微小的位移波动可能会导致其负刚度绝对值波动较大,影响了实际的使用。因此,提出一种负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的首要目的在于提供一种负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构。
通过以下制备工艺来实现上述目的:
本发明提供了一种负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,包括基底、负载平台以及位于基底与负载平台之间的负刚度模块,
所述负刚度模块包括对称布置的两组负刚度单元,每组所述负刚度单元包括并联的五磁吸式结构和三磁斥式结构。
作为上述技术方案的进一步改进,所述两组负刚度单元中的两个三磁斥式结构相邻。
作为上述技术方案的进一步改进,所述五磁吸式结构包括五组磁体,其中四组磁体构成矩形,另一组磁体位于矩形对角线交点上,所述五磁吸式结构中位于矩形对角线交点磁体的上下磁极分别与上下各两组磁体的磁极相反。
作为上述技术方案的进一步改进,位于矩形对角线交点的磁体的中心与其余四组磁体中任意一组磁体中心的水平距离L和竖直距离H相等。
作为上述技术方案的进一步改进,所述三磁斥式结构包括静态时位于同一条横线上且等距分布的三组磁体,所述三组磁体中的中间磁体的左右磁极与相邻磁体的磁极相反。
作为上述技术方案的进一步改进,所述负刚度模块还包括用于固定五磁吸式结构中位于矩形四角的磁体的若干第一支撑座、用于固定三磁斥式结构中位于两侧的磁体的若干第二支撑座、用于固定五磁吸式结构中位于矩形对角线交点磁体和三磁斥式结构中的中间磁体的若干支撑杆以及一组支撑板。
作为上述技术方案的进一步改进,所述第一支撑座、第二支撑座和支撑杆的数量均为四组,所述第一支撑座和第二支撑座的底端均位于基底上端,所述支撑杆的上端位于负载平台下端,所述一组支撑板位于四组第一支撑座的上端。
作为上述技术方案的进一步改进,所述负刚度模块还包括限方向模块,所述限方向模块包括套设在支撑杆上的直线运动轴承和位于直线运动轴承外侧的轴承固定件,所述直线运动轴承位于支撑板的上方。
作为上述技术方案的进一步改进,所述基底和负载平台之间还设有两组螺旋弹簧,位于负刚度模块的两侧。
作为上述技术方案的进一步改进,所述磁体为钕铁硼材料制成。
本发明的有益效果在于:
1、本发明结构简单,安装和使用较为简单。
2、本发明采用五磁吸式结构比一般简单三磁式能提供更为稳定的负刚度,且整体为对称结构,为系统稳定提供基础。
3、本发明利用三磁式磁斥的负刚度值随着位移呈“凹”形态,五磁式磁吸的负刚度值随着位移呈“凸”形态,然后通过五磁式和三磁式并联,获得的负刚度在相对较大的位移范围内变化较小,因此相较于以往简单的负刚度结构来说大大改善负刚度的非线性程度,提高整体的稳定性。
4、本发明说明优化一个方向的非线性弱的负刚度特性,可以通过将本发明结构布置在其他方向上达到非线性弱的负刚度特性。
附图说明
图1为本发明结构与正刚度结构并联整体结构示意图;
图2为整体结构的负载平台向上波动结构示意图;
图3为直线运动轴承结构示意图;
图4为本发明的五磁斥式部分示意图;
图5为本发明的三磁斥式部分示意图;
图6为不同负刚度结构的负刚度值曲线图(由上至下分别为三磁体负刚度结构、五磁体负刚度结构以及本发明中三磁体和五磁体并联负刚度结构)。
图示:1、基底;2、负载平台;3、磁体;4、第一支撑座;5、第二支撑座;6、支撑杆;7、支撑板;8、直线运动轴承;9、轴承固定件;10、螺旋弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述,有必要在此指出的是,以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明,不能理解为对本申请保护范围的限制,该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请做出一些非本质的改进和调整。
如图1所示,本实施例中的一种负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,包括基底1、负载平台2以及位于基底1与负载平台2之间的负刚度模块,基底1和负载平台2之间还设有两组螺旋弹簧10,位于负刚度模块的两侧,负刚度模块包括对称布置的两组负刚度单元,每组负刚度单元包括并联的五磁吸式结构和三磁斥式结构,两组负刚度单元中的两个三磁斥式结构相邻。
五磁吸式结构包括五组磁体3,其中四组磁体3构成矩形,另一组磁体3静态时位于矩形对角线交点上,位于矩形对角线交点的磁体3的中心与其余四组磁体3中任意一组磁体3中心的水平距离L和竖直距离H相等,五磁吸式结构中位于矩形对角线交点磁体3的上下磁极分别与上下各两组磁体3的磁极相反。
三磁斥式结构包括静态时位于同一条横线上且等距分布的三组磁体3,三组磁体3中的中间磁体3的左右磁极与相邻磁体3的磁极相反。
负刚度模块还包括用于固定五磁吸式结构中位于矩形四角的磁体3的四组第一支撑座4、用于固定三磁斥式结构中位于两侧的磁体3的四组第二支撑座5、用于固定五磁吸式结构中位于矩形对角线交点磁体3和三磁斥式结构中的中间磁体3的四组支撑杆6、一组支撑板7以及限方向模块,第一支撑座4和第二支撑座5的底端均位于基底1上端,支撑杆6的上端位于负载平台2下端,一组支撑板7位于四组第一支撑座4的上端,限方向模块包括套设在支撑杆6上的直线运动轴承8和位于直线运动轴承8外侧的轴承固定件9,直线运动轴承8位于支撑板7的上方。
如图1-2所示(下文中的磁体不再用标号3表示,磁体5-1至磁体5-5为五磁吸式结构中五组磁体的命名,磁体3-1至磁体3-3为三磁斥式结构中三组磁体的命名),本发明的负刚度结构目标是针对于正负刚度并联的结构来说,所以在实际使用时是需要并联正刚度结构,因此正常完整系统中正刚度结构提供了支持力,然后与本实施例的磁致负刚度结构并联达到静平衡,此时该负刚度结构中的磁体5-1和磁体3-1位于上述的位置。当负载平台2上下微小波动时,就会带动磁体5-1上下波动,本来磁体5-2、磁体5-1、磁体5-3、磁体5-4和磁体5-5由于磁力处于静平衡,而磁体5-1上下波动打破了平衡。磁体5-1向上,磁体5-3和磁体5-4对磁体5-1的吸力变大,反而磁体5-2和磁体5-5对磁体5-1吸力越来越小,这样就使得磁体5-1就越来越向上波动,由此五磁吸式部分造成的负刚度绝对值就越来越大。磁体5-1向下波动同理。负载平台2上下微小波动时,也会带动磁体3-1上下波动,本来磁体3-2、磁体3-1和磁体3-3由于磁力处于静平衡,而磁体3-1上下波动打破了平衡。磁体3-1向上波动,磁体3-2和磁体3-3就会对磁体3-1产生磁斥力的竖直向上分量,使得磁体3-1就越来越向上波动,由此三磁斥式部分造成的负刚度绝对值就越来越小。磁体3-1向下波动同理。由于五磁吸负刚度曲线呈“凸”型,三磁斥负刚度曲线呈“凹”型,然后两者并联使得负刚度曲线平缓,即整体负刚度在相对较大位移的范围内变化较小。该结构主要在竖直方向上表现负刚度特性,所以用直线运动轴承8限制其他方向上波动。由于各个磁体均固连支撑座和磁体之间的吸斥力比重力大几个数量级,因此磁体5-1和磁体3-1的重力忽略不计。上下波动如图2所示。
由于整体结构要保持稳定性,且在实际运用时需要并联正刚度结构,因此设置对称正负刚度并联结构如图1所示。
五磁吸式结构如图4所示,L为磁体5-1到磁体5-3的水平距离,H为磁体5-1到磁体5-3的竖直距离。由于静平衡时,磁体5-1位于磁体5-2、磁体5、磁体5-4和磁体5-5所构成矩形对角线的交点处,所以磁体5-1到磁体5-2、磁体5-3、磁体5-4和磁体5-5的水平距离和竖直距离均相等。磁体5-3相当于磁体5-1的位置坐标为(0,-L,H)。磁体5-1尺寸为长a1、宽b1、高c1,剩下的磁体尺寸为长a2、宽b2、高c2。磁体5-1与磁体5-3间在z方向上的作用力表达式:
其中,J1、J2为磁极强化强度矢量,μ0为真空磁导率。
根据刚度的定义,刚度为力对位移的负导数。磁体5、磁体5-4和磁体5-2、磁体5-5对磁体5-1所产生的总负刚度为:
三磁斥式结构如图5所示,h为磁体3-2到磁体3-1的水平距离。由于静平衡时,磁体3-2、磁体3-1和磁体3-3水平平齐,且两两间距相等。磁体3-2尺寸为长A1、宽B1、高C1,剩下的磁体尺寸为长A2、宽B2、高C2,磁体3-2与磁体3-1间在z方向上的作用力表达式即磁力表达式与公式(1)相同。
磁体3-2和磁体3-3对磁体3-1所产生的总负刚度为:
五磁吸式部分磁体的尺寸,取长a1=60mm、宽b1=60mm、高c1=50mm,剩下的磁体尺寸为长a2=60mm、宽b2=60mm、高c2=50mm,H=70mm,L=40mm,由于此结构应用于紧密和超紧密设备的隔振中,主要考虑磁体5-1位移波动5mm内,经理论计算在位移为0时,负刚度值约为-31114N/m,当位移为5mm时,负刚度值约为-33026N/m。
三磁斥式部分磁体的尺寸,取长A1=60mm、宽B1=60mm、高C1=50mm,剩下的磁体尺寸为长A2=60mm、宽B2=60mm、高C2=50mm,h=58mm。经理论计算在位移为0时,负刚度值约为-61974N/m,当位移为5mm时,负刚度值约为-54245N/m。
以上的五磁吸式和三磁斥式的负刚度结果是单独作用时的值。
五磁吸式和三磁斥式并联,各个磁体尺寸和间距不变,如图6所示,经理论计算在位移为0时,负刚度值约为-124204N/m,当位移为5mm时,负刚度值约为-120332N/m。
为了更好说明非线性程度,引入非线性度n和负刚度相对波动值Δk,
Δk=|kt-k0| (5)
其中,k0为位移是0时的负刚度。
将上述数据代入此公式计算非线性程度,即单独五磁吸式结构非线性度n1=6.15%,单独三磁吸式结构非线性度n2=12.47%,本发明新型斥致负刚度结构的负刚度单元非线性度n3=3.12%,由此可看到该结构的非线性程度比以往的简单的三磁式负刚度结构小,在一定程度上保证良好的线性特征。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干改进,这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,包括基底、负载平台以及位于基底与负载平台之间的负刚度模块,其特征在于:
所述负刚度模块包括对称布置的两组负刚度单元,每组所述负刚度单元包括并联的五磁吸式结构和三磁斥式结构。
2.根据权利要求1所述的负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,其特征在于,所述两组负刚度单元中的两个三磁斥式结构相邻。
3.根据权利要求1所述的负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,其特征在于,所述五磁吸式结构包括五组磁体,其中四组磁体构成矩形,另一组磁体位于矩形对角线交点上,所述五磁吸式结构中位于矩形对角线交点磁体的上下磁极分别与上下各两组磁体的磁极相反。
4.根据权利要求3所述的负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,其特征在于,位于矩形对角线交点的磁体的中心与其余四组磁体中任意一组磁体中心的水平距离L和竖直距离H相等。
5.根据权利要求3所述的负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,其特征在于,所述三磁斥式结构包括静态时位于同一条横线上且等距分布的三组磁体,所述三组磁体中的中间磁体的左右磁极与相邻磁体的磁极相反。
6.根据权利要求5所述的负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,其特征在于,所述负刚度模块还包括用于固定五磁吸式结构中位于矩形四角的磁体的若干第一支撑座、用于固定三磁斥式结构中位于两侧的磁体的若干第二支撑座、用于固定五磁吸式结构中位于矩形对角线交点磁体和三磁斥式结构中的中间磁体的若干支撑杆以及一组支撑板。
7.根据权利要求6所述的负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,其特征在于,所述第一支撑座、第二支撑座和支撑杆的数量均为四组,所述第一支撑座和第二支撑座的底端均位于基底上端,所述支撑杆的上端位于负载平台下端,所述一组支撑板位于四组第一支撑座的上端。
8.根据权利要求7所述的负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,其特征在于,所述负刚度模块还包括限方向模块,所述限方向模块包括套设在支撑杆上的直线运动轴承和位于直线运动轴承外侧的轴承固定件,所述直线运动轴承位于支撑板的上方。
9.根据权利要求1-8任一所述的负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,其特征在于,所述基底和负载平台之间还设有两组螺旋弹簧,位于负刚度模块的两侧。
10.根据权利要求3-8任一所述的负刚度非线性弱的新型磁致负刚度结构,其特征在于,所述磁体为钕铁硼材料制成。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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