CN114857194A - 一种电磁式负刚度装置 - Google Patents
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Abstract
本申请属于振动控制设备技术领域，尤其涉及一种电磁式负刚度装置。包括底部支撑座、凸轮驱动结构、顶部连接座、电磁驱动结构；底部支撑座包括支撑板；顶部连接座包括吊臂；凸轮驱动结构包括限位凸轮、接触杆；电磁驱动结构包括电磁铁、衔铁。本申请的电磁式负刚度装置可根据承载重量的变化，通过调整通入电流的大小和气隙参数，从而使系统在平衡位置处的刚度为零，在被隔振物体在平衡位置附近做小幅振动时降低系统的固有频率，实现大范围低起始频率隔振，具有良好的低频隔振能力，该装置整体结构紧凑、易于控制控制。
Description
技术领域
本申请属于振动控制设备技术领域，尤其涉及一种电磁式负刚度装置。
背景技术
准零刚度隔振器因其优异的高静态刚度、低动态刚度特性，被广泛应用于应用于精密仪器隔振、房屋桥梁抗震、空间微重力模拟、高速车辆减振、航空航天器振动控制、船舶机械降噪等工程领域。国内外学者针对理论研究、动力学特性分析及负刚度装置设计等方面均进行了卓有成效的工作。但目前众多学者所研究的高静低动刚度隔振器主要是针对特定工况来设计其结构参数，而实际工程中由于承载载荷发生变化或者弹性元件的老化，使得系统的隔振性能急剧下降。目前，国内外对于负刚度装置的典型的实现方式有：线性弹簧式、欧拉压杆式、橡胶式、空气弹簧式、碟形弹簧式、磁铁式等，但都面临着一个重要的问题：如何实现负刚度可控可调，未解决此问题，前述系统难以适应不同工况的准零刚度隔振器，在载荷发生变化的情况下，系统的低频隔振性能无法保证。
发明内容
本申请的目的在于，提出一种基于变电流磁场的可调负刚度装置，利用电磁结构以及凸轮驱动机构构成负刚度装置，实现负刚度可调可控，用于升级改善现有各类减振降噪装置的性能。
为实现上述目的，本申请采用如下技术方案。
一种电磁式负刚度装置，包括底部支撑座1、凸轮驱动结构2、顶部连接座3、电磁驱动结构4；
底部支撑座1包括平行设置的支撑板10，支撑板10的上侧设置有轴孔10a；
顶部连接座3包括设置在支撑板10外侧的吊臂30；
凸轮驱动结构2固定在两个吊臂30下端；
凸轮驱动结构2包括：固定在吊臂30下端的限位凸轮21、水平设置的接触杆22，接触杆22可左右滑动地插入轴孔10a中，接触杆22朝向限位凸轮21的一端可滑动的抵在限位凸轮21的弧面上；
电磁驱动结构4固定在支撑板10上；
电磁驱动结构4包括：固定设置在支撑板10上的电磁铁40、与电磁铁40相互作用并与接触杆22连接的衔铁41。
对前述电磁式负刚度装置的进一步改进或者优选实施方案，所述底部支撑座1、顶部连接座3、凸轮驱动结构2、电磁驱动结构4各有两个，且呈左右对称设置。
对前述电磁式负刚度装置的进一步改进或者优选实施方案，两个底部支撑座1上的支撑板10沿竖向平行正对设置，两个顶部连接座3上的吊臂30分别设置于两个支撑板10的外侧斜上方；
两个电磁驱动结构4中的电磁铁40设置于两个支撑板10之间，衔铁41设置于两个电磁铁40之间。
对前述电磁式负刚度装置的进一步改进或者优选实施方案，所述接触杆22朝向限位凸轮21的一侧设置有滚轮或球形头；所述限位凸轮21朝向接触杆22一侧的弧面上设置有滑动槽21a。
对前述电磁式负刚度装置的进一步改进或者优选实施方案，所述限位凸轮21为半圆形板结构；
凸轮驱动结构2还包括设置在限位凸轮21和吊臂30之间的匚形架23，所述限位凸轮21卡入匚形架23凹槽中，匚形架23的两臂从限位凸轮21上下侧伸出以形成可抵住接触杆22端部的限位防脱部23a。
对前述电磁式负刚度装置的进一步改进或者优选实施方案，还包括设置在支撑板10上的滑动导向结构5；
滑动导向结构5包括：设置在支撑板10上导向件，可在导向件上沿水平方向滑动的滑动件；所述滑动件与接触杆22连接。
对前述电磁式负刚度装置的进一步改进或者优选实施方案，所述导向件是指水平设置在支撑板10上的导向轴50，滑动件是指设置在导向轴50上的轴套51；所述滑动件包括固定在轴套51上并随之移动的连接板52，连接板52上设置有用于与接触杆22连接的连接孔52a；所述衔铁41固定连接在连接板52上。
对前述电磁式负刚度装置的进一步改进或者优选实施方案，所述导向轴50有两个且在水平面上平行设置，轴套51有两个且分别设置在导向轴50上，连接板52分别与两个轴套51连接。
对前述电磁式负刚度装置的进一步改进或者优选实施方案，还包括与吊臂10连接的上安装板60以及与支撑板10连接的下安装板61。
其有益效果在于：
本申请的电磁式负刚度装置可根据承载重量的变化，通过调整通入电流的大小和气隙(电磁铁与衔铁间距)参数，从而使系统在平衡位置处的刚度为零，在被隔振物体在平衡位置附近做小幅振动时降低系统的固有频率，实现大范围低起始频率隔振，具有良好的低频隔振能力，该装置整体结构紧凑、易于控制控制。
附图说明
图1是电磁式负刚度装置的正视图；
图2是电磁式负刚度装置的主视图；
图3是电磁式负刚度装置的装配图；
图4是凸轮驱动结构的夹角示意图；
其中附图标记包括：
底部支撑座1、支撑板10、轴孔10a、凸轮驱动结构2、限位凸轮21、滑动槽21a、接触杆22、匚形架23、限位防脱部23a、顶部连接座3、吊臂30、电磁驱动结构4、电磁铁40、衔铁41、滑动导向结构5、导向轴50、轴套51、连接板52、连接孔52a、上安装板60、下安装板61。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本申请作详细说明。
本申请的一种电磁式负刚度装置，主要用于准零刚度隔振器和高静低动刚度隔振器设计中。该负刚度装置通过控制线圈通入电流的大小来控制电磁力的大小，产生水平方向的力通过凸轮驱动结构2传递到竖直方向，进而降低竖直方向上的系统刚度。本申请的电磁负刚度装置，可以实现对负刚度大小的精准控制，使系统更加稳定，增加系统承载能力，提升系统低频隔振性能。
如图1所示，本申请的电磁式负刚度装置主要包括底部支撑座1、凸轮驱动结构2、顶部连接座3、电磁驱动结构4；
底部支撑座1包括平行设置的支撑板10，支撑板10的上侧设置有轴孔10a；
其中支撑板10主要用于作为隔振结构的连接定位基础。为保证结构稳定性，支撑板10一般设计为倒T型支架结构，以便于与下侧结构连接，具体连接时根据需要一般通过螺栓组或者焊接等方式，在使用螺栓组连接时，还应当在支撑板10上挖出用于连接的孔结构，
特别的，为了避免基础结构在长时间在磁场被磁化，导致结构稳定性改变或者影响电磁结构的正常运行，除电磁驱动结构之外，其他结构优先采用非铁磁或者受磁场影响较小的材料加工制作。
其中顶部连接座3包括设置在支撑板10外侧的吊臂30；吊臂30用于连接隔振结构的上层主体，需要指出的是，本装置仅用于作为改善隔振系统的低频隔振性能，用于控制隔振系统以及整体结构的刚度，而非作为隔振结构中的主要支撑体，一般情况下，其需要配合其他支撑结构或者其他隔振装置来协同使用。
其中凸轮驱动结构2固定在两个吊臂30下端；
凸轮驱动结构2包括：固定在吊臂30下端的限位凸轮21、水平设置的接触杆22，接触杆22可左右滑动地插入轴孔10a中，接触杆22朝向限位凸轮21的一端可滑动的抵在限位凸轮21的弧面上；
其中凸轮驱动结构主要用于配合装置中的电磁驱动结构，将下侧水平驱动转换为上侧的竖向驱动，其中接触杆作为传导驱动力的结构，为便于力的传导，同时避免结构之间的过度摩擦损坏，在接触杆22朝向限位凸轮21的一侧设置有滚轮或球形头；出于简化结构设计的需求，限位凸轮21为半圆形板结构，其半圆形弧面朝向接触杆22一侧作为滚轮或球形头的导向面；为避免错位，限位凸轮21朝向接触杆22一侧的弧面上设置有用于限制滚轮和球形头滑动区域的滑动槽21a。
电磁驱动结构4固定在支撑板10上；电磁驱动结构4包括：固定设置在支撑板10上的电磁铁40、与电磁铁40相互作用并与接触杆22连接的衔铁41。
其中电磁铁通过通电产生磁场，使衔铁上获得水平方向的驱动力，两者在水平方向上正对，衔铁受磁场作用左右移动并带动接触杆22左右移动。
在本实施例中，为提高电磁式负刚度装置的调节强度，同时便于装配设置，提高系统的稳定性，在具体实施时，底部支撑座1、顶部连接座3、凸轮驱动结构2、电磁驱动结构4各有两个，且呈左右对称设置。
其中，两个底部支撑座1上的支撑板10沿竖向平行正对设置，两个顶部连接座3上的吊臂30分别设置于两个支撑板10的外侧斜上方；
两个电磁驱动结构4中的电磁铁40设置于两个支撑板10之间，衔铁41设置于两个电磁铁40之间。
在保证运动凸轮驱动结构过程中不至于错位或者脱离，还包括设置在限位凸轮21和吊臂30之间的匚形架23，限位凸轮21卡入匚形架23凹槽中，匚形架23的两臂从限位凸轮21上下侧伸出以形成可抵住接触杆22端部的限位防脱部23a。
进一步的，为保证装置运行稳定，使得接触杆能够顺畅移动且不一致卡死，本实施例中还包括设置在支撑板10上的滑动导向结构5；
滑动导向结构5包括：设置在支撑板10上导向件，可在导向件上沿水平方向滑动的滑动件；滑动件与接触杆22连接。
其中导向件和滑动件相互配合以使接触杆能够沿水平方向顺利移动，其可以使常规的直线导向机构，例如导轨滑块等。
本实施例中导向件是指水平设置在支撑板10上的导向轴50，滑动件是指可滑动地设置在导向轴50上的轴套51；在必要时，在导向轴和轴套之间还可以设置直线轴承等基础导向辅助结构。
为便于结构的安装固定，本实施例中还包括固定在轴套51上并随之移动的连接板52，连接板52上设置有用于与接触杆22连接的连接孔52a；衔铁41固定连接在连接板52上。
为便于固定衔铁41，保证衔铁水平运动过程中保持平稳，维持电磁铁对衔铁的稳定控制，本实施例中，导向轴50有两个且在水平面上平行设置，轴套51有两个且分别设置在导向轴50上，连接板52分别与两个轴套51连接。
在具体使用时，为便于连接减震系统结构，还包括与吊臂10连接的上安装板60以及与支撑板10连接的下安装板61。
具体实施过程中，凸轮驱动结构中接触杆22的端部与凸轮相切，当电磁驱动结构中的衔铁在电磁铁作用下运动时，接触杆22随之运动，滚轮可沿凸轮运动，设所形成夹角为θ，电磁力F电由水平方向传递到竖直方向的力F竖的大小可表示为F竖＝2F电tanθ。
其中，基于常规结构设计，衔铁可采用硅钢片叠加合成，必要时在背面涂覆隔磁层；电磁铁采用E型硅钢片叠加，通电线圈用漆包线缠绕制成；其他结构可采用不导磁的铝合金材料制成；负刚度装置气隙大小与竖直方向位移关系满足：
其中，z为从静平衡位置开始凸轮在竖直方向上的位移，向下为正，r1为凸轮半径，r2为滚轮(或者接触杆端部球头)半径，θ为凸轮运动后与中心线产生的夹角，δ0为初始气隙值，Δδ为滚轮(接触杆端部)始末位置的水平距离，δ为气隙长度。
负刚度装置电磁力计算理论公式：
μ0为真空磁导率，其值为4π×10-7Wb/A·m。
电磁吸力主要与安匝数NI、磁路截面积S和气隙δ有关。当结构参数已定，则线圈匝数N和磁路截面积S就已确定，则负刚度装置刚度K可由前式求导得出：
基于以上计算过程，在已知现有隔振系统和的安装结构和参数情况下，可通过应用本申请的电磁式负刚度装置，并通过调节电磁式负刚度装置的相应参数来改变整体刚度，实现对负刚度大小的精准控制，使系统更加稳定，增加系统承载能力，提升系统低频隔振性能。
最后应当说明的是施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种电磁式负刚度装置，其特征在于，包括底部支撑座(1)、凸轮驱动结构(2)、顶部连接座(3)、电磁驱动结构(4)；
底部支撑座(1)包括平行设置的支撑板(10)，支撑板(10)的上侧设置有轴孔(10a)；
顶部连接座(3)包括设置在支撑板(10)外侧的吊臂(30)；
凸轮驱动结构(2)固定在两个吊臂(30)下端；
凸轮驱动结构(2)包括：固定在吊臂(30)下端的限位凸轮(21)、水平设置的接触杆(22)，接触杆(22)可左右滑动地插入轴孔(10a)中，接触杆(22)朝向限位凸轮(21)的一端可滑动的抵在限位凸轮(21)的弧面上；
电磁驱动结构(4)固定在支撑板(10)上；
电磁驱动结构(4)包括：固定设置在支撑板(10)上的电磁铁(40)、与电磁铁(40)相互作用并与接触杆(22)连接的衔铁(41)。
2.根据权利要求1所述的一种电磁式负刚度装置，其特征在于，所述底部支撑座(1)、顶部连接座(3)、凸轮驱动结构(2)、电磁驱动结构(4)各有两个，且呈左右对称设置。
3.根据权利要求2所述的一种电磁式负刚度装置，其特征在于，两个底部支撑座(1)上的支撑板(10)沿竖向平行正对设置，两个顶部连接座(3)上的吊臂(30)分别设置于两个支撑板(10)的外侧斜上方；
两个电磁驱动结构(4)中的电磁铁(40)设置于两个支撑板(10)之间，衔铁(41)设置于两个电磁铁(40)之间。
4.根据权利要求1所述的一种电磁式负刚度装置，其特征在于，所述接触杆(22)朝向限位凸轮(21)的一侧设置有滚轮或球形头；所述限位凸轮(21)朝向接触杆(22)一侧的弧面上设置有滑动槽(21a)。
5.根据权利要求1所述的一种电磁式负刚度装置，其特征在于，所述限位凸轮(21)为半圆形板结构；
凸轮驱动结构(2)还包括设置在限位凸轮(21)和吊臂(30)之间的匚形架(23)，所述限位凸轮(21)卡入匚形架(23)凹槽中，匚形架(23)的两臂从限位凸轮(21)上下侧伸出以形成可抵住接触杆(22)端部的限位防脱部(23a)。
6.根据权利要求1所述的一种电磁式负刚度装置，其特征在于，还包括设置在支撑板(10)上的滑动导向结构(5)；
滑动导向结构(5)包括：设置在支撑板(10)上导向件，可在导向件上沿水平方向滑动的滑动件；所述滑动件与接触杆(22)连接。
7.根据权利要求6所述的一种电磁式负刚度装置，其特征在于，所述导向件是指水平设置在支撑板(10)上的导向轴(50)，滑动件是指设置在导向轴(50)上的轴套(51)；所述滑动件包括固定在轴套(51)上并随之移动的连接板(52)，连接板(52)上设置有用于与接触杆(22)连接的连接孔(52a)；所述衔铁(41)固定连接在连接板(52)上。
8.根据权利要求1所述的一种电磁式负刚度装置，其特征在于，所述导向轴(50)有两个且在水平面上平行设置，轴套(51)有两个且分别设置在导向轴(50)上，连接板(52)分别与两个轴套(51)连接。
9.根据权利要求1所述的一种电磁式负刚度装置，其特征在于，还包括与吊臂(10)连接的上安装板(60)以及与支撑板(10)连接的下安装板(61)。
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