WO2015120683A1 - 单自由度磁力隔振装置 - Google Patents

Abstract

单自由度磁力隔振装置，属于隔振装置，解决现有主动和被动结合减振系统结构复杂、需要供给能源且可靠性不高的问题。该单自由度磁力隔振装置包括金属导体筒（1）、底座（2）、上环形永磁体（3a）、下环形永磁体（3b），连接杆（5）和中心永磁体（6）；上、下环形永磁体相向面磁极的极性相反，分别连接于金属导体筒（1）内壁的上端和下端；中心永磁体（6）同心套于连接杆（5）并固接，中心永磁体（6）位于上、下环形永磁体之间，能够连同连接杆（5）在上、下环形永磁体之间轴向运动；中心永磁体（6）和上、下环形永磁体相向面磁极的极性相反。该单自由度磁力隔振装置结构简单、不需供给能源且可靠性高，可产生静磁力和动磁力，将该单自由度磁力隔振装置与被动隔振系统并联可以有效的改善原系统的被动隔振性能。

Description

单自由度磁力隔振装置

【技术领域】

本发明属于隔振装置， 特别涉及单自由度磁力隔振装置， 能够用于改 善被动隔振系统的性能。

【背景技术】

随着科学技术的不断发展， 以 IC制造装备、 高分辨率电子显微镜、 表 面粗糙度测试仪和精密光学设备等为代表的精密制造设备、 精密测量设备 得到了越来越广泛的应用， 其对精度的要求越来越高。 作为实现高精度的 重要基础设备， 隔振装置能隔离地基和环境振动对精密设备的影响， 给振 动敏感的设备提供 "安静" 的工作环境， 保证精密设备的正常运行。

传统的被动隔振结构一般为刚性螺旋弹簧或者空气弹簧， 它们作为刚 性元件， 不能衰减隔振系统固有频率处的振动， 在外界激励频率等于隔振 系统固有频率的情况下， 隔振系统发生共振， 使得负载的振动幅值被放大， 造成设备不能正常工作甚至损坏的不利影响。 通过附加阻尼器可以减小隔 振系统固有频率处的幅值放大， 但却会恶化隔振系统的高频衰减性能。 因 此， 一般的被动隔振器只能通过选择最佳阻尼值， 来兼顾固有频率处的传 递率和高频传递率。 被动隔振系统的性能往往不能达到精密隔振的要求。

采用主动和被动结合的方式， 可以解决被动隔振性能不足的问题。 美 国专利 US5844664 (公开号） 公开了一种减振系统， 该减振系统包括空气 弹簧、 摆机构和音圈电机， 减振系统中的传感器将振动信号检测并发送给 控制器， 由控制器计算出控制指令并发送给音圈电机， 音圈电机根据控制 指令输出力。 因为是通过控制算法实现的输出力， 因此该输出力只针对固 有频率附近的振动进行衰减， 并不影响高频的衰减性能。 虽然该减振系统 的主动隔振性能满足要求， 但结构复杂， 需要供给能源， 可靠性不如被动 隔振系统， 且成本巨大。

永磁材料具有宽磁滞回线、 高娇顽力、 高剩磁， 一经磁化即能保持恒 定磁性的材料， 又称硬磁材料。 永磁材料具有高的最大磁能积、 高的娇顽 力， 高的剩余磁通密度和高的剩余磁化强度及高的稳定性， 广泛应用在各 种执行机构如电机、 阀、 喇叭、 舵机、 航空设备等场合。 在磁力机构中， 永磁材料与电磁铁相比， 存在以下优点： 永磁材料不需要供给能源， 结构 十分精简， 维护简便， 成本低廉， 更容易被用户接受。 永磁材料具有很高 的剩余磁通密度， 小体积下便可产生较大的磁力， 而电磁铁受限于驱动器 功率限制， 且在大电流下， 电磁铁发热较大， 因此在需要长时间输出力的 磁力机构中不宜选用电磁铁。 因此， 永磁材料在精密机械中有着巨大的应 用潜力。

【发明内容】

本发明提供一类单自由度磁力隔振装置， 解决现有主动和被动结合减 振系统结构复杂、 需要供给能源且可靠性不高的问题， 通过其与传统被动 隔振系统并联， 可以有效提高被动隔振系统的性能。 本发明所提供的一种单自由度磁力隔振装置， 包括底座、 上环形永磁 体、 下环形永磁体， 连接杆和中心永磁体， 其特征在于：

所述底座上表面连接金属导体筒， 所述金属导体筒为空心金属圆筒， 所述底座将金属导体筒的下端面封闭；

所述上环形永磁体和下环形永磁体形状相同， 各自均为空心圆环； 所 述上环形永磁体和下环形永磁体分别嵌于上环形衬套和下环形衬套内， 上 环形衬套和下环形衬套分别连接于所述金属导体筒内壁的上端和下端， 使 得所述上环形永磁体、 下环形永磁体和所述金属导体筒在轴向同心， 且所 述上环形永磁体和下环形永磁体相向面磁极的极性相反；

所述连接杆的轴线与所述金属导体筒的中轴线同轴， 所述中心永磁体 为空心圆环， 同心套于连接杆并固接； 所述连接杆的上端穿过所述上环形 永磁体的中心孔， 所述中心永磁体位于所述上环形永磁体和下环形永磁体 之间， 能够连同所述连接杆在上环形永磁体和下环形永磁体之间轴向运动； 中心永磁体和上环形永磁体相向面磁极的极性相反， 中心永磁体和下环形 永磁体相向面磁极的极性相反。 所述的单自由度磁力隔振装置， 其特征在于：

所述金属导体筒的内壁具有内螺纹， 所述上环形衬套的外侧面和下环 形衬套的外侧面分别具有外螺纹， 以便上环形衬套和下环形衬套分别螺纹 连接于所述金属导体筒 1内壁的上端和下端。 所述的单自由度磁力隔振装置， 其特征在于：

所述底座、 连接杆、 上环形衬套和下环形衬套采用非导磁材料制成； 所述金属导体筒采用电导率高的金属材料制成。 本发明所提供的第二种单自由度磁力隔振装置， 包括底座、 上环形永 磁体、 下环形永磁体， 连接杆和中心永磁体， 其特征在于：

所述底座上表面连接安装筒， 所述安装筒为空心圆筒， 所述底座将安 装筒的下端面封闭；

所述上环形永磁体和下环形永磁体形状相同， 各自均为空心圆环； 所 述上环形永磁体和下环形永磁体分别嵌于上环形衬套和下环形衬套内， 上 环形衬套和下环形衬套分别连接于所述安装筒内壁的上端和下端， 使得所 述上环形永磁体、 下环形永磁体和所述安装筒在轴向同心， 且所述上环形 永磁体和下环形永磁体相向面磁极的极性相反；

所述上导体板和下导体板形状相同， 均为具有中心螺纹孔的圆板， 圆 板外径小于所述安装筒的内径， 以便在安装筒的内孔滑动；

所述连接杆的轴线与所述安装筒的中轴线同轴， 所述中心永磁体为空 心圆环， 同心套于连接杆的杆身并固接； 所述连接杆的上端和下端分别穿 过所述上环形永磁体和下环形永磁体的中心孔， 穿过所述上环形永磁体中 心孔的连接杆上端具有外螺纹， 并与上导体板的中心螺纹孔螺纹连接； 穿 过所述下环形永磁体中心孔的连接杆下端具有外螺纹， 并与下导体板的中 心螺纹孔螺纹连接；

所述中心永磁体位于所述上环形永磁体和下环形永磁体之间， 能够连 同所述连接杆在上环形永磁体和下环形永磁体之间轴向运动； 中心永磁体 和上环形永磁体相向面磁极的极性相反， 中心永磁体和下环形永磁体相向 面磁极的极性相反。 所述的单自由度磁力隔振装置， 其特征在于：

所述安装筒的内壁具有内螺纹， 所述上环形衬套的外侧面和下环形衬 套的外侧面分别具有外螺纹， 以便上环形衬套和下环形衬套分别螺纹连接 于所述安装筒内壁的上端和下端。 所述的单自由度磁力隔振装置， 其特征在于：

所述底座、 连接杆、 上环形衬套和下环形衬套采用非导磁材料制成； 所述安装筒采用非金属材料制成； 所述上导体板和下导体板采用电导率高 的金属材料制成。 本发明结构简单、 不需供给能源且可靠性高， 可产生静磁力和动磁力， 静磁力通过永磁体异极相吸实现， 动磁力通过金属导体筒与永磁体相对运 动产生涡流阻尼实现； 由于静磁力大小只与位移相关， 当本发明的装置静 止时磁力也存在， 可以看成是一种刚度力， 涡流阻尼只与相对运动速度相 关， 只在磁力机构发生运动时存在， 可以看成是一种粘性阻尼力。 将本发 明与被动隔振系统如刚性螺旋弹簧、 空气弹簧等并联， 在不影响隔振系统 高频衰减性能的同时减小固有频率处的幅值放大， 可以有效的改善原系统 的被动隔振性能。

【附图说明】

图 1为本发明实施例一的结构示意图；

图 2为实施例一的应用原理图；

图 3为图 2所示系统的效果示意图；

图 4为本发明实施例三的结构示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图和实施例对本发明进一歩说明。

如图 1所示， 本发明的实施例一， 包括金属导体筒 1、 底座 2、 上环形 永磁体 3a、 下环形永磁体 3b， 连接杆 5和中心永磁体 6;

所述底座 2上表面连接金属导体筒 1，所述金属导体筒 1为空心金属圆 筒， 所述底座 2将金属导体筒 1的下端面封闭；

所述上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b形状相同， 各自均为空心圆 环； 所述上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b分别嵌于上环形衬套 4a和下 环形衬套 4b内， 上环形衬套 4a和下环形衬套 4b分别连接于所述金属导体 筒 1 内壁的上端和下端， 使得所述上环形永磁体 3a、 下环形永磁体 3b和 所述金属导体筒 1在轴向同心，且所述上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b 相向面磁极的极性相反， 分别为 N极和 S极 ·'

所述连接杆 5的轴线与所述金属导体筒 1的中轴线同轴， 所述中心永 磁体 6为空心圆环， 同心套于连接杆 5并固接； 所述连接杆 5的上端穿过 所述上环形永磁体 3a的中心孔， 所述中心永磁体 6位于所述上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b之间， 能够连同所述连接杆 5在上环形永磁体 3a和 下环形永磁体 3b之间轴向运动； 中心永磁体 6和上环形永磁体 3a相向面 磁极的极性相反， 分别为 S极和 N极； 中心永磁体 6和下环形永磁体 3b 相向面磁极的极性相反， 分别为 N极和 S极。

为了不影响永磁体的磁场分布， 所述底座 2、 连接杆 5、 上环形衬套 4a 和下环形衬套 4b采用高分子复合材料如聚氨酯、 有机玻璃制成； 所述金属 导体筒 1采用电导率高的金属铜制成。

中心永磁体 6同时受到上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b的磁力吸 引。 当中心永磁体 6正好位于上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b的正中 间时， 上下磁吸引力大小相同， 方向相反， 此时中心永磁体 6受力平衡。 当中心永磁体 6偏向一侧的上环形永磁体 3a或下环形永磁体 3b时， 这一 侧的上环形永磁体 3a或下环形永磁体 3b会将中心永磁体 6吸引过来。 这 种与位移相关的静磁力可以看成为一种负刚度。 中心永磁体 6与金属导体 筒 1发生相对运动时， 会在金属导体筒 1 中产生涡电流， 涡电流受到中心 永磁体 6激发的磁场的安培力， 这种与速度相关的动磁力可以看成一种粘 性阻尼， 该阻尼力始终与相对运动方向相反。

图 2为实施例一的应用原理图。 负载 10由被动弹簧元件 9支撑， 用以 隔离地基 11 的振动传递到负载 10上。 实施例一的单自由度磁力隔振装置 12与被动弹簧元件 9并联， 其中， 实施例一的连接杆 5与负载 10相连， 底 座 2与地基 11相连。 为了不影响被动隔振系统的静态变形量， 当单自由度 磁力隔振装置 12与被动弹簧元件 9并联时， 中心永磁体 6正好位于上环形 永磁体 3a和下环形永磁体 3b的中间位置， 此时中心永磁体 6受力为零， 不会改变被动隔振系统的平衡位置。 当负载 10位于平衡位置上方时， 被动 弹簧元件 9处于拉伸状态， 产生向下的弹簧力， 此时在本发明的单自由度 磁力隔振装置 12中， 中间永磁体 6会靠近上环形永磁体 3a， 受到上环形永 磁体 3a和下环形永磁体 3b的合力向上， 抵消掉一部分被动弹簧元件 9产 生向下的弹簧力。 当负载 10位于平衡位置下方时， 被动弹簧元件 9处于压 缩状态，产生向上的弹簧力，此时在本发明的单自由度磁力隔振装置 12中， 中间永磁体 6会靠近下环形永磁体 3b，受到上环形永磁体 3a和下环形永磁 体 3b的合力向下， 抵消掉一部分被动弹簧元件 9产生向上的弹簧力。 总体 上来看负载 10受到的弹簧力减小了， 即隔振系统的刚度变小。

图 3为图 2所示系统的效果示意图。 图 3中纵轴为系统的传递率， 横 轴为频率。 传统的被动隔振系统在高频率段可以有效隔离地基振动， 但是 在固有频率处存在较大的振幅放大。 而通过被动隔振系统与实施例一并联， 可以看出， 固有频率处传递率大大减小， 且高频性能也没有恶化。 在本发 明实际应用时， 需要根据实际的隔振系统来设计本发明中的参数来与之匹 配， 静磁力由上环形永磁体 3a、下环形永磁体 3b及中心永磁体 6的磁场强 度和尺寸决定， 静磁力的大小主要影响系统峰值频率， 过大的静磁力会使 系统的峰值频率过小甚至接近 OHz, 使系统失去稳定性。 动磁力由中间永 磁体 6的磁场强度和尺寸以及金属导体筒 1 的尺寸及电导率决定， 主要影 响系统峰值的幅值大小， 动磁力越大， 系统峰值的幅值越小， 使用者需要 根据对共振峰值的要求来设计动磁力的大小。

本发明的实施例二， 结构组成和实施例一相同， 如图 1 所示， 区别仅 在于： 所述金属导体筒 1的内壁具有内螺纹， 所述上环形衬套 4a的外侧面 和下环形衬套 4b的外侧面分别具有外螺纹， 以便上环形衬套 4a和下环形 衬套 4b分别螺纹连接于所述金属导体筒 1 内壁的上端和下端。

上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b之间的距离越小， 中心永磁体 6 受到的静磁力越强， 其负刚度数值越大。 反之， 上环形永磁体 3a和下环形 永磁体 3b之间的距离越大， 中心永磁体 6受到的静磁力越弱， 其负刚度数 值越小。 与第一实施例相比， 第二实施例的优点在于能够通过改变上环形 衬套 4a和下环形衬套 4b在金属导体筒 1 内壁上端和下端的配合位置， 从 而调整上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b之间的距离， 改变负刚度数值， 避免因为负刚度数值超过了被动隔振系统的正刚度数值， 使系统失去稳定 性。

如图 4所示， 本发明的实施例三， 包括底座 2、 上环形永磁体 3a、 下 环形永磁体 3b， 连接杆 5和中心永磁体 6;

所述底座 2上表面连接安装筒 8， 所述安装筒 8为空心圆筒， 所述底座 2将安装筒 8的下端面封闭；

所述上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b形状相同， 各自均为空心圆 环； 所述上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b分别嵌于上环形衬套 4a和下 环形衬套 4b内，上环形衬套 4a和下环形衬套 4b分别连接于所述安装筒 8 内 壁的上端和下端， 使得所述上环形永磁体 3a、下环形永磁体 3b和所述安装 筒 8在轴向同心， 且所述上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b相向面磁极 的极性相反；

所述安装筒 8的内壁具有内螺纹， 所述上环形衬套 4a的外侧面和下环 形衬套 4b的外侧面分别具有外螺纹， 以便上环形衬套 4a和下环形衬套 4b 分别螺纹连接于所述安装筒 8内壁的上端和下端；

所述上导体板 7a和下导体板 7b形状相同， 均为具有中心螺纹孔的圆 板， 圆板外径小于所述安装筒 8的内径， 以便在安装筒 8的内孔滑动； 所述连接杆 5的轴线与所述安装筒 8的中轴线同轴，所述中心永磁体 6 为空心圆环， 同心套于连接杆 5的杆身并固接； 所述连接杆 5的上端和下 端分别穿过所述上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b的中心孔， 穿过所述 上环形永磁体 3a中心孔的连接杆 5上端具有外螺纹，并与上导体板 7a的中 心螺纹孔螺纹连接； 穿过所述下环形永磁体 3b中心孔的连接杆 5下端具有 外螺纹， 并与下导体板 7b的中心螺纹孔螺纹连接；

所述中心永磁体 6位于所述上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b之间， 能够连同所述连接杆 5在上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b之间轴向运 动； 中心永磁体 6和上环形永磁体 3a相向面磁极的极性相反， 中心永磁体 6和下环形永磁体 3b相向面磁极的极性相反。 为了不影响永磁体的磁场分布， 底座 2、 连接杆 5、 上环形衬套 4a和 下环形衬套 4b采用高分子复合材料如聚氨酯、 有机玻璃制成； 为了不影响 涡流阻尼的大小， 安装筒 8采用高分子复合材料如聚氨酯、 有机玻璃制成； 上导体板 7a和下导体板 7b采用电导率高的金属铜制成。 与实施例一、 实施例二相比， 实施例三的优点是：

中心永磁体与金属导体筒间的相对运动改变为上环形永磁体 3a和下环 形永磁体 3b与上导体板 7a和下导体板 7b间的相对运动。 中心永磁体 6的 运动带动上导体板 7a和下导体板 7b的运动，使上导体板 7a和下导体板 7b 与上环形永磁体 3a和下环形永磁体 3b发生相对运动产生涡流阻尼。

可以在连接杆 5上改变上导体板 7a和下导体板 7b与上环形永磁体 3a 和下环形永磁体 3b之间的距离， 可以根据不同的应用场合调整动磁力的大 小， 增加了磁力机构的适用性。

Claims

1.一种单自由度磁力隔振装置， 包括底座 （2)、 上环形永磁体 （3a)、 下环形永磁体 （3b)， 连接杆 （5) 和中心永磁体 （6)， 其特征在于：

所述底座 （2) 上表面连接金属导体筒 （1)， 所述金属导体筒 （1) 为 空心金属圆筒， 所述底座 （2) 将金属导体筒 （1) 的下端面封闭；

所述上环形永磁体 （3a) 和下环形永磁体 （3b) 形状相同， 各自均为 空心圆环； 所述上环形永磁体 （3a) 和下环形永磁体 （3b) 分别嵌于上环 形衬套（4a)和下环形衬套（4b) 内， 上环形衬套（4a)和下环形衬套（4b) 分别连接于所述金属导体筒 （1) 内壁的上端和下端， 使得所述上环形永 磁体 （3a)、 下环形永磁体 3b和所述金属导体筒 （1) 在轴向同心， 且所述 上环形永磁体 （3a) 和下环形永磁体 （3b) 相向面磁极的极性相反；

所述连接杆 （5) 的轴线与所述金属导体筒 （1) 的中轴线同轴， 所述 中心永磁体 （6) 为空心圆环， 同心套于连接杆 （5) 并固接； 所述连接杆 (5) 的上端穿过所述上环形永磁体 （3a) 的中心孔， 所述中心永磁体 （6) 位于所述上环形永磁体 （3a) 和下环形永磁体 （3b) 之间， 能够连同所述 连接杆 （5) 在上环形永磁体 （3a) 和下环形永磁体 （3b) 之间轴向运动； 中心永磁体 （6) 和上环形永磁体 （3a) 相向面磁极的极性相反， 中心永磁 体 （6) 和下环形永磁体 （3b) 相向面磁极的极性相反。

2.如权利要求 1所述的单自由度磁力隔振装置， 其特征在于：

所述金属导体筒 （1) 的内壁具有内螺纹， 所述上环形衬套 （4a) 的外 侧面和下环形衬套 （4b) 的外侧面分别具有外螺纹， 以便上环形衬套 （4a) 和下环形衬套 （4b) 分别螺纹连接于所述金属导体筒 （1) 内壁的上端和下

3. 如权利要求 1或 2所述的单自由度磁力隔振装置， 其特征在于： 所述底座 （2)、 连接杆 （5)、 上环形衬套 （4a) 和下环形衬套 （4b) 采用非导磁材料制成； 所述金属导体筒（1)采用电导率高的金属材料制成。

4. 一种单自由度磁力隔振装置， 包括底座 （2)、 上环形永磁体 （3a)、 下环形永磁体 （3b)， 连接杆 （5) 和中心永磁体 （6)， 其特征在于：

所述底座 （2) 上表面连接安装筒 （8)， 所述安装筒 （8) 为空心圆筒， 所述底座 （2) 将安装筒 （8) 的下端面封闭；

所述上环形永磁体 （3a) 和下环形永磁体 （3b) 形状相同， 各自均为 空心圆环； 所述上环形永磁体 （3a) 和下环形永磁体 （3b) 分别嵌于上环 形衬套（4a)和下环形衬套（4b) 内， 上环形衬套（4a)和下环形衬套（4b) 分别连接于所述安装筒 （8) 内壁的上端和下端， 使得所述上环形永磁体 (3a), 下环形永磁体 （3b) 和所述安装筒 （8) 在轴向同心， 且所述上环 形永磁体 （3a) 和下环形永磁体 （3b) 相向面磁极的极性相反；

所述上导体板 （7a) 和下导体板 （7b) 形状相同， 均为具有中心螺纹 孔的圆板， 圆板外径小于所述安装筒 （8) 的内径， 以便在安装筒 （8) 的 内孔滑动；

所述连接杆 （5) 的轴线与所述安装筒 （8) 的中轴线同轴， 所述中心 永磁体 （6) 为空心圆环， 同心套于连接杆 （5) 的杆身并固接； 所述连接 杆（5)的上端和下端分别穿过所述上环形永磁体（3a)和下环形永磁体（3b) 的中心孔， 穿过所述上环形永磁体 （3a) 中心孔的连接杆 （5) 上端具有外 螺纹， 并与上导体板 （7a) 的中心螺纹孔螺纹连接； 穿过所述下环形永磁 体 （3b) 中心孔的连接杆 （5) 下端具有外螺纹， 并与下导体板 （7b) 的中 心螺纹孔螺纹连接；

所述中心永磁体（6)位于所述上环形永磁体（3a)和下环形永磁体（3b) 之间，能够连同所述连接杆（5)在上环形永磁体（3a)和下环形永磁体（3b) 之间轴向运动； 中心永磁体 （6) 和上环形永磁体 （3a) 相向面磁极的极性 相反， 中心永磁体 （6 ) 和下环形永磁体 （3b) 相向面磁极的极性相反。

5. 如权利要求 4所述的单自由度磁力隔振装置， 其特征在于： 所述安装筒 （8 ) 的内壁具有内螺纹， 所述上环形衬套 （4a) 的外侧面 和下环形衬套 （4b ) 的外侧面分别具有外螺纹， 以便上环形衬套 （4a) 和 下环形衬套 （4b) 分别螺纹连接于所述安装筒 （8 ) 内壁的上端和下端。

6. 如权利要求 4或 5所述的单自由度磁力隔振装置， 其特征在于： 所述底座 （2)、 连接杆 （5 )、 上环形衬套 （4a) 和下环形衬套 （4b ) 采用非导磁材料制成； 所述安装筒 （8 ) 采用非金属材料制成； 所述上导体 板 （7a) 和下导体板 （7b) 采用电导率高的金属材料制成。