基于可调电磁负刚度的垂向正负刚度并联隔振器及方法

技术领域

本发明涉及振动隔离技术领域，特别是指一种基于可调电磁负刚度的垂向正负刚度并联隔振器及隔振方法。

背景技术

具有刚度可控的振动隔离技术对一些加载质量和固有频率可变，大激励幅值振动隔离有需求的工业行业的发展有着至关重要的促进作用，例如：军事工业、汽车 行业和超精密机械加工行业。这些行业对振动隔离技术有着特殊的需求，它们涉及振动线谱的降低和改造，振动耦合冲击信号的削弱和隔离，超低频振动的隔离等。为了减小设备受到冲击时的最大振幅，需要隔振系统有更大的静态刚度；而为了增大隔振域，降低系统的自然频率，又对系统提出了低动态刚度的要求。

根据线性隔振理论，要实现较低频率的隔振，只能通过减小刚度或者增大质量的方法来实现。但是，减小系统的刚度会减弱隔振系统的承载能力或者增大弹性单元的体积，而增大系统的质量会迅速增加隔振器的成本。

纯负刚度结构在实际工作中是不稳定的，起不到隔振的效果，只有建立正负刚度的并联隔振系统才能发挥可控负刚度在隔振系统中的作用。通过正刚度机构与负刚度机构的并联，可以较好的解决这个冲突。机械式和永磁式负刚度结构承载能力大，隔振质量单一，一旦机构的形式和结构确定之后，机构的刚度是个定值，并不会随着振动负载的变化而变化，从而，只能在特定的条件下具有较好的隔振性能。设计一个基于电流控制的可调负刚度机构应用于正负刚度并联的隔振器，实现隔振器的高静态刚度低动态刚度，对于解决这个问题十分必要。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种基于可调电磁负刚度的垂向正负刚度并联隔振器，解决了现有技术中刚度是个定值，并不会随着振动负载的变化而变化，只能在特定的条件下具有较好的隔振性能的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于可调电磁负刚度的垂向正负刚度并联隔振器，包括磁轭，磁轭的中部连接有支撑组件，支撑组件上设有竖轴，竖轴的上部连接有被隔振质量块，竖轴的下部设有与磁轭相配合的正刚度组件；所述竖轴的中部连接有永磁体，磁轭的左右两侧设有与永磁体相对应的可调负刚度组件，且左右两个可调负刚度组件形成的磁极与永磁体的磁极相斥。

优选的，所述可调负刚度组件包括铁芯和励磁线圈，励磁线圈设置在铁芯的中部，且励磁线圈与可调直流电源电连接，铁芯的一端连接在磁轭上，铁芯的另一端设有与永磁体相对应的工作部。

进一步的，所述工作部为长方体型结构，左右两个长方体型结构分别与永磁体的磁极相对应。

优选的，所述励磁线圈采用漆包铜线，漆包铜线上绕设在工字型线圈架上，工字型线圈架的一端与铁芯上的挡环相贴合、另一端通过螺母锁紧在铁芯上。

优选的，所述正刚度组件为弹簧，弹簧套设在竖轴、且位于磁轭和竖轴上的挡圆环之间。

优选的，所述竖轴的上部设有上滑动轴承，上部的滑动轴承固定在支撑组件的上部；竖轴的下部设有下滑动轴承，下滑动轴承设置在活动腔内，且弹簧的下部抵紧在下滑动轴承上。

优选的，所述磁轭为U型结构，磁轭的中部设有与下滑动轴承（17）配合的活动通孔。磁轭为硅钢磁轭，铁芯为硅钢铁芯。

优选的，所述支撑组件包括前板与后板，前板与后板对称设置且分别连接在磁轭前后两侧的中部，前板与后板的上部连接有与竖轴配合的支撑板。

一种基于可调电磁负刚度的垂向正负刚度并联隔振器的隔振方法，使用初始状态为：设置在竖轴下部的弹簧为竖轴提供正刚度，左右两侧的励磁线圈均通入直流电流，励磁线圈磁化磁芯，使左侧铁芯的工作部为N极并与永磁体的N极相对应，右侧铁芯的工作部为S极并与永磁体的S极相对应，且工作部与永磁体相对应的面积相等，为竖轴提供负刚度；

当磁轭不发生垂向振动时，永磁体的磁极与铁芯工作部的磁极重合，达到静态平衡，产生的磁斥力合力为零，只有弹簧对竖轴起支撑作用，被隔振质量块保持静态平衡，维持高静态刚度；

当磁轭发生垂向振动时，永磁体的磁极与铁芯工作面的磁极不完全重合，产生的磁斥力合力指向远离平衡位置的方向，与弹簧的支撑力共同作用于竖轴，实现低动态刚度。

本发明的有益效果为：本发明竖轴设置的磁轭与支撑组件之间，正刚度组件为竖轴提供正刚度，磁轭两侧设置的可调负刚度组件与竖轴上的永磁体相对应，可调负刚度组件为竖轴提供负刚度，系统的可移植性好，可应用于载荷多变条件下对隔振系统的需求；可调负刚度组件通过改变电磁斥力，从而实现负刚度的实时调节，实现了隔振工作域与负刚度作用范围的解耦，更便于根据隔振域的大小设计合理的负刚度工作范围。本发明结构紧凑，负刚度在线调节，经过隔振器结构的拓展和改造，可以广泛的应用于超低频隔振、冲击耦合振动、线谱改造等需要隔离振动的领域。调节永磁体两侧励磁线圈的通入的电流改变电磁斥力，磁力线圈与铁芯配合，可以通过调整线圈的电流和铁芯的体积实现负刚度的改变，从而实现负刚度的实时调节。磁轭在约束磁场和传导磁力线的同时起到了隔振器机架的作用，使机架和磁轭融合为一体，结构更为简洁。弹簧具有速度损失小的优势，既能适应低频低速的运行环境又能适应高频高速的运行环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的主视半剖图。

图3为本发明的左视全剖图。

图4为可调负刚度组件的爆炸示意图。

图5为竖轴的装配示意图。

图中：1、磁轭，2、铁芯，2-1、工作部，3、螺母，4、工字型线圈架，5、励磁线圈，6、永磁体，7、固定螺母，8、被隔振质量块，9、竖轴，10、上滑动轴承，11、支撑板，12、后板，13、前板，14、挡环，15、挡圆环，16、弹簧，17、下滑动轴承。

具体实施方式

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付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。

如图1和图2所示，实施例1，一种基于可调电磁负刚度的垂向正负刚度并联隔振器，包括磁轭1，磁轭1为U型结构，U形的磁轭1在约束磁场和可调负刚度组件的同时起到了隔振器机架的作用，使机架和磁轭1融合为一体，结构更为简洁；磁轭1的中部连接有支撑组件，支撑组件上转动连接有竖轴9，竖轴9的上部连接有被隔振质量块8，竖轴9为阶梯轴，被隔振质量块8通过固定螺母7固定在竖轴9的上端部直径较小处并跟随竖轴9转动。竖轴9的下部设有与磁轭1相配合的正刚度组件；所述竖轴9的中部连接有永磁体6，永磁体6为矩形块结构，永磁体6镶嵌在竖轴9的中部，且永磁体6的左侧的磁极为N极、永磁体6的右侧磁极为S极，磁轭1的左右两侧设有与永磁体6相对应的可调负刚度组件，且左右两个可调负刚度组件形成的磁极与永磁体6的磁极相斥，即左侧的可调负刚度组件的磁极贴紧永磁体6的一侧为N极，右侧的可调负刚度组件的磁极贴紧永磁体6的一侧为S极。

竖轴9设置在磁轭1与支撑组件上，永磁体6位于磁轭与支撑组件之间，正刚度组件为竖轴9提供正刚度，磁轭1两侧设置与永磁体6相对应的可调负刚度组件为竖轴9提供负刚度。可调负刚度组件通过改变电磁斥力，从而实现负刚度的实时调节，实现了隔振工作域与负刚度作用范围的解耦，更便于根据隔振域的大小设计合理的负刚度工作范围；系统的可移植性好，可应用于载荷多变条件下对隔振系统的需求。且本装置结构紧凑，负刚度在线调节，经过隔振器结构的拓展和改造，可以广泛的应用于超低频隔振、冲击耦合振动、线谱改造等需要隔离振动的领域。

如图2、图3和图4所示，实施例2，一种基于可调电磁负刚度的垂向正负刚度并联隔振器，可调负刚度组件包括铁芯2和励磁线圈5，励磁线圈5设置在铁芯2的中部，且励磁线圈5与可调直流电源电连接，励磁线圈5将两个铁芯2磁化，铁芯2的体积和励磁线圈5的电流决定了磁场的大小，只要保正永磁体与两个铁芯2相对应的两个矩形的形状和尺寸，即永磁体相对铁芯的工作面上的矩形重合面积不发生改变，可以通过调整励磁线圈5的电流和铁芯2的体积实现负刚度的改变。铁芯2的一端螺纹连接在磁轭1上，磁轭1的两端分别连接两个作为磁极的铁芯2，在不改变负刚度结构的情况下可以产生更大的磁场，从而在不改变负刚度基本结构的情况下，实现磁负刚度的较大增加。铁芯2的另一端设有与永磁体6相对应的工作部，工作部为长方体型结构，左右两个长方体型结构分别与永磁体6的磁极相对应，永磁体为矩形六面体结构，垂向运动，横向充磁。长方体型结构与永磁体相对应的面积相同，磁轭1两侧连接的两个铁芯2为对称设置的铁芯2，两个长方体型结构相较于永磁体对称设置，且左右两个长方体型结构经过励磁线圈5磁化，在保正两个铁芯2相对应的两个矩形的形状不发生改变，形成的磁场可通过与励磁线圈5连接的可调电流改变，可以通过调整励磁线圈5的电流实现负刚度的改变。

如图4和图5所示，在本实施例中，励磁线圈5优选采用漆包铜线。励磁线上绕设在工字型线圈架4上，左右两个可调负刚度组件上的励磁线圈5的线圈绕设方向以及绕设长度均相同，且通入的电流方向也相同，工字型线圈架4的一端与铁芯2上的挡环14相贴合、另一端通过螺母3锁紧在铁芯2上。当铁芯2磁化不饱和的情况下可以通过电流改变电磁负刚度的大小；铁芯2磁化饱和的情况下，电流的变化对负刚度的改变减弱。在磁饱和的情况下，若需要增加负刚度，在不改变两个铁芯2相对矩形端面的情况下通过改变铁芯2的体积实现。由于矩形面积的没发生变化，在改变铁芯2体积的情况下，负刚度的作用范围不发生改变，隔振器的工作域保持不变。

其他结构均与实施例1相同。

如图2和图5所示，实施例3，一种基于可调电磁负刚度的垂向正负刚度并联隔振器，正刚度组件为弹簧16，弹簧16为螺旋弹簧16，弹簧16套设在竖轴9、且位于磁轭1和竖轴9上的挡圆环15之间，竖轴9向下滑动时，挡圆环15抵紧弹簧16使弹簧16压缩，弹簧16能够为竖轴9提供正刚度。竖轴9的上部设有上滑动轴承10，上部的滑动轴承固定在支撑组件的上部；竖轴9的下部设有下滑动轴承17，下滑动轴承17设置在活动腔内，且弹簧16的下部抵紧在下滑动轴承17上。上滑动轴承10与下滑动轴承17为配合在滑动摩擦下工作的轴承。滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。螺旋弹簧16的刚度为线性刚度，与非线性刚度的电磁负刚度结构并联作为减振器工作时，理论模型结构精简，便于实现理论动静刚度的计算，从而较容易实现隔振器刚度的主动和半主动控制。并且螺旋弹簧16在长时间工作时具有刚度稳定、不发热的优势；螺旋弹簧16还具有速度损失小的优势，既能适应低频低速的运行环境又能适应高频高速的运行环境。

如图2和图3所示，在本实施例中，磁轭为U型结构，磁轭1的中部设有与下滑动轴承17配合的活动通孔，下滑动轴承17设置在活动通孔内，竖轴的下部延伸至活动通孔内，且下滑动轴承17通过螺钉连接固定在磁轭1上。磁轭1为硅钢磁轭，铁芯2为硅钢铁芯。支撑组件包括前板13与后板12，前板13与后板12对称设置且分别连接在磁轭1前后两侧的中部，且前板13与后板12位于活动通孔的前后两侧，前板13与后板12的上部连接有与竖轴9配合的支撑板11。支撑板11的下部分别与前板13和后板12连接，且支撑板11与前板13、后板12连接成U型架，U型架用于支撑竖轴9。上滑动轴承10通过螺钉固定连接在支撑板11的上部，且支撑板11上设有与竖轴9配合的通孔，方便竖轴9穿过支撑板11与下滑动轴承17连接。

其他结构均与实施例2相同。

实施例4，一种基于可调电磁负刚度的垂向正负刚度并联隔振器的隔振方法，使用初始状态为：设置在竖轴下部的弹簧为竖轴提供正刚度，左右两侧的励磁线圈均通入直流电流，励磁线圈磁化磁芯，使左侧铁芯的工作部为N极、与永磁体的N极相对应，右侧铁芯的工作部为S极、与永磁体的S极相对应，且工作部与永磁体相对应的面积相等，为竖轴提供负刚度；

当磁轭不发生垂向振动时，永磁体的磁极与铁芯工作部的磁极重合，此时左侧铁芯工作部的N极与永磁体的N极相对应，右侧铁芯工作部的S极与永磁体的S极相对应，即工作部与磁极两者的矩形面积相对应，达到静态平衡，产生的磁斥力合力为零，只有弹簧对竖轴起支撑作用，被隔振质量块保持静态平衡，维持较高的静态刚度；

当磁轭发生垂向振动时，永磁体的磁极与铁芯工作面的磁极不完全重合，即此时永磁体的N极相对于左侧铁芯工作部的N极、永磁体的S极相对于右侧铁芯工作部的S极均发生偏移，即工作部与磁极两者的矩形面积相偏移，产生的磁斥力合力指向远离平衡位置的方向，与弹簧的支撑力共同作用于竖轴，实现较低的动态刚度。

其他结构均与实施例3相同。

如图1~图5所示，实施例5，一种基于可调电磁负刚度的垂向正负刚度并联隔振器，包括永磁体、左右两个通入直流的励磁线圈、左右两个铁芯及螺旋弹簧，左励磁线圈缠绕在左线圈架的凹槽内，线圈架为工字型线圈架，左线圈架的右侧端面与左铁芯的凸台左侧相连，左锁紧螺母与左线圈架的右侧相连，左铁芯左侧外螺纹与磁轭左端支撑的螺纹孔相连；右励磁线圈缠绕在右线圈架的凹槽内，右线圈架的右侧端面与右铁芯的凸台右侧相连，右锁紧螺母与右线圈架的右侧相连，右铁芯右侧外螺纹与磁轭右端支撑的螺纹孔相连；被隔振质量块与竖轴相连，被隔振质量块被锁紧螺母固定在竖轴上端；矩形永磁体与竖轴的矩形孔相连；螺旋弹簧的上端与竖轴上的凸起下端面相连，螺旋弹簧的下端与下滑动轴承的上端相连，下滑动轴承内圆柱面与竖轴下端外圆柱面相连，下滑动轴承外圆柱面与磁轭的下部中孔相连；上滑动轴承内圆柱面与竖轴上端外圆柱面相连，上滑动轴承下端面与横支撑板上端面相连；前支撑柱上端与横支撑板下端面相连，前支撑柱下端与磁轭下端前侧面相连；后支撑柱与横支撑板下端面相连，后支撑柱下端与磁轭下端后侧面相连。

上滑动轴承与横支撑板通过4个螺栓连接固定，横支撑板与前支撑柱通过2个螺钉连接固定，横支撑板与后支撑柱通过2个螺钉连接固定，前支撑柱下端与磁轭的前侧面通过4个螺钉固定，后支撑柱下端与磁轭的后侧面通过4个螺钉固定；下滑动轴承与磁轭通过4个螺钉固定。竖轴与上滑动轴承、下滑动轴承、磁轭底部中孔、横支撑板中孔的轴线重合，固定在竖轴上的隔振质量块和锁紧螺母随竖轴一起沿垂直方向自由移动，螺旋弹簧支撑竖轴提供正刚度。左励磁线圈和右励磁线圈通入同向电流，左铁芯和右铁芯被磁化，左铁芯右侧端面为矩形呈现N极，右铁芯左侧端面为矩形呈现S极，左铁芯右侧端面和右铁芯左侧端面的矩形尺寸相等。

矩形永磁体的磁极N极对应左铁芯的右侧矩形端面，矩形永磁体的磁极S极对应右铁芯的左侧矩形端面，左铁芯和右铁芯与矩形永磁体之间呈现斥力，对竖轴提供负刚度。被隔振质量块采用金属材料；竖轴、横支撑板、前支撑柱、后支撑柱采用非导磁材料，矩形永磁体采用永磁材料，左铁芯、右铁芯和磁轭采用硅钢材料；左线圈和右线圈采用漆包铜线绕制，铜线长度相等。

具体的工作过程为：当磁轭不发生垂向振动时，矩形永磁体的矩形侧面分别与左铁芯和右铁芯的矩形端面重合，达到静态平衡，产生的磁斥力合力为零，只有螺旋弹簧对竖轴起支撑作用，被隔振质量块保持静态平衡，维持较高的静态刚度。当磁轭发生垂向振动时，矩形永磁体的矩形侧面分别与左铁芯和右铁芯的矩形端面不完全重合，产生的磁斥力合力指向远离平衡位置的方向，与螺旋弹簧的支撑力共同作用于竖轴，实现较低的动态刚度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。