一种磁极减振俘能振动消除装置

技术领域

本发明涉及减振技术领域，特别是涉及一种磁极减振俘能振动消除装置。

背景技术

随着技术的发展，特别是隔振器在精密设备应用领域的发展，一些探测设备处于恶劣的勘测环境中，外界振动使得探测设备测量不够精准，特别是望远镜、相机镜头等设备呈现的图像随着振动越大，清晰度越低。

面对极端复杂的环境，如太空环境，探测设备在兼顾减振需求同时，往往还需要极高的能量利用率，采用一次性电池难以实现设备的长期工作运行。因此，研制能够从工作环境中俘获能量并对电池进行连续充电的能量采集器具有重要意义。一般来说，能量的获取是通过各种传输机制实现的，例如压电、静电、电磁和混合，它们将动能转换为电能。然而，压电式能量采集器在低频率和静电式能量采集器对加工技术要求很高的情况下，存在着发电效率低的缺点。而现有的隔振设备都无法收集振动过程中产生的能量，造成了能量的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁极减振俘能振动消除装置，以解决上述现有技术存在的问题，利用振动过程中产生的能量消除振动。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种磁极减振俘能振动消除装置，包括主动减振单元和能量收集单元；

所述主动减振单元包括压电致动器、减振弹簧、套筒和活塞，所述压电致动器固设在所述活塞上方，所述减振弹簧套设在所述压电致动器上，所述减振弹簧的底端与所述活塞固连、顶端与负载固连，所述压电致动器通电后能够与所述负载的底端接触；所述套筒竖直设置，所述活塞轴向滑动设置在所述套筒内；

所述能量收集单元包括磁环叠层、能量收集器和缠绕在所述套筒上的线圈，所述磁环叠层包括至少两个由上至下间隔设置在所述套筒内的磁体，且任意两个相邻的所述磁体相斥；所述磁体悬浮在所述套筒内；所述活塞带有磁性，最上方的所述磁体与所述活塞相斥，所述套筒的底端固设有磁块，最下方的所述磁体与所述磁块相斥；

所述压电致动器和所述线圈分别与所述能量收集器电连接；所述能量收集器用于收集所述线圈中产生的电能；当所述磁环叠层中的所述磁体发生高度变化时，所述线圈能够切割高度变化的所述磁体的磁感线而产生电能并储存在所述能量收集器中，所述能量收集器能够用于为所述压电致动器供电；所述套筒采用不导磁且绝缘的材料制成。

优选的，所述磁体呈环状；所述磁体包括N极磁环和S极磁环，所述N极磁环与所述S极磁环相吸。

优选的，每个所述磁环的直径都相等。

优选的，共有六个所述磁环；共有三个所述线圈，且三个所述线圈由上至下间隔分布。

优选的，所述活塞将所述套筒内的腔体分隔为上腔体和下腔体，所述活塞上设置有的通气孔；所述上腔体通过所述通气孔与所述下腔体连通。

优选的，所述活塞通过滑动轴承与所述套筒滑动配合。

本发明的磁极减振俘能振动消除装置能够利用将振动过程中产生的能量转化为电能并用于消除负载的振动。具体而言，包括下述步骤：

磁极振动消除步骤：

活塞在减振弹簧的压迫力作用下产生位移，但是由于套筒内磁环叠层中的互斥磁弹簧的作用将会产生反向作用力抵消减振弹簧压迫力，达到振动抑制效果。

磁极电圈俘能步骤：

如步骤1所述，负载振动时带动活塞相对套筒上下振动，由于磁力作用将导致套筒内部悬浮的磁环产生高度的变化，而磁环的高度变化时相对线圈位移，线圈切割高度变化的磁环的磁感线而产生感应电流，生成的电能在能量收集器中通过整流器等方式给内部电容充电，将稳压后的电能供给压电制动器。

压电振动控制步骤：

如步骤2所述，磁极电圈俘能并供压电致动器通过逆压电效应产生机械位移，压电制动器与负载发生接触，抑制振动传递，从而对负载进行二次减振，以消除负载的振动。压电制动器主动控制方案可通过采集负载端加速度信号，通过比例-积分控制器将负载加速度作为抵消目标，来输出实际的控制信号给压电驱动器。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的磁极减振俘能振动消除装置能够利用将振动过程中产生的能量转化为电能并用于消除负载的振动。本发明的磁极减振俘能振动消除装置利用减振弹簧对负载进行初次减振，负载振动时带动活塞相对套筒上下振动，活塞振动时带动磁环叠层中的磁环产生高度的变化，而磁环的高度变化时相对线圈位移，线圈切割高度变化的磁环的磁感线而产生感应电流，生成的电能存储于能量收集器中，并供压电致动器产生机械位移，与负载发生接触，从而对负载进行二次减振，以消除负载的振动。

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为本发明磁极减振俘能振动消除装置的结构示意图；

图2为本发明磁极减振俘能振动消除装置的剖视图；

图3为本发明磁极减振俘能振动消除装置的剖视图；

图4为本发明磁极减振俘能振动消除装置的部分结构示意图；

图5为本发明磁极减振俘能振动消除装置的部分结构示意图；

图6为本发明磁极减振俘能振动消除装置的部分结构示意图；

图7为本发明磁极减振俘能振动消除装置的部分结构示意图；

图8为本发明磁极减振俘能振动消除装置的部分结构示意图；

图9为本发明磁极减振俘能振动消除装置的部分结构示意图；

图10为本发明磁极减振俘能振动消除装置的部分结构示意图；

图11为本发明磁极减振俘能振动消除装置的简化等效原理图；

图12为传递率曲线对比图；

其中：1、相机；2、减振弹簧；3、压电致动器；4、活塞；5、套筒；6、第一N极磁环；7、第一S极磁环；8、第一线圈；9、第二S极磁环；10、第二N极磁环；11、第二线圈；12、第三N极磁环；13、第三S极磁环；14、线圈；15、第四S极磁环；16、第四N极磁环；17、下腔体；18、圆柱型N极磁块；19、第三线圈。

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的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。

本发明的目的是提供一种磁极减振俘能振动消除装置，以解决上述现有技术存在的问题，利用振动过程中产生的能量消除振动。

本发明提供了一种磁极减振俘能振动消除装置，包括主动减振单元和能量收集单元；

所述主动减振单元包括压电致动器、减振弹簧、套筒和活塞，所述压电致动器固设在所述活塞上方，所述减振弹簧套设在所述压电致动器上，所述减振弹簧的底端与所述活塞固连、顶端与负载固连，所述压电致动器通电后能够与所述负载的底端接触；所述套筒竖直设置，所述活塞轴向滑动设置在所述套筒内；

所述能量收集单元包括磁环叠层、能量收集器和缠绕在所述套筒上的线圈，所述磁环叠层包括至少两个由上至下间隔设置在所述套筒内的磁体，且任意两个相邻的所述磁体相斥；所述磁体悬浮在所述套筒内；所述活塞带有磁性，最上方的所述磁体与所述活塞相斥，所述套筒的底端固设有磁块，最下方的所述磁体与所述磁块相斥；

所述压电致动器和所述线圈分别与所述能量收集器电连接；当所述磁环叠层中的所述磁体发生高度变化时，所述线圈能够切割高度变化的所述磁体的磁感线而产生电能并储存在所述能量收集器中，所述能量收集器能够用于为所述压电致动器供电；所述套筒采用不导磁且绝缘的材料制成。

本发明的磁极减振俘能振动消除装置能够利用将振动过程中产生的能量转化为电能并用于消除负载的振动。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图12所示：本实施例提供了一种磁极减振俘能振动消除装置，包括主动减振单元和能量收集单元。

其中，主动减振单元包括压电致动器3、减振弹簧2、套筒5和活塞4，压电致动器3固设在活塞4上方，减振弹簧2套设在压电致动器3上，减振弹簧2的底端与活塞4固连、顶端与负载固连，圆柱型压电致动器3通过胶水黏附于活塞4的上表面，压电致动器3通电后能够与负载的底端接触，压电致动器3用于消除负载的振动；本实施例中的负载具体为相机1。

套筒5竖直设置，活塞4轴向滑动设置在套筒5内，活塞4能够套筒5内上下滑动；活塞4通过滑动轴承与套筒5滑动配合；活塞4将套筒5内的腔体分隔为上腔体和下腔体17，活塞4上设置有的通气孔；上腔体通过通气孔与下腔体17连通，使得下腔体17为非密闭状态，以避免密闭的下腔体17由于气压的作用而妨碍活塞4的滑动。

磁环叠层包括四个由上至下间隔设置在下腔体17内的磁体，且任意两个相邻的磁体相斥，所有的磁体同轴设置；所述磁体悬浮在所述套筒5内；所述活塞4带有磁性，最上方的所述磁体与所述活塞4相斥，所述套筒5的底端固设有磁块，最下方的所述磁体与所述磁块相斥；于本实施例活塞4采用圆柱型N极磁极制成，套筒5底端的磁块为圆柱型N极磁块18。

本实施例磁环叠层中的四个磁体由上至下分别为第一磁体、第二磁体、第二磁体和第三磁体；每个磁体都呈环状，每个磁体都包括N极磁环和S极磁环；第一N极磁环6与第一S极磁环7同轴且相吸组成第一磁体，第二S极磁环9与第二N极磁环10同轴且相吸组成第二磁体，第三N极磁环12与第三S极磁环13同轴且相吸组成第三磁体，第四S极磁环15与第四N极磁环16同轴且相吸组成第四磁体；每个磁环的直径都相等。

能量收集单元包括能量收集器和缠绕在套筒5上的三个线圈14，且三个线圈14由上至下间隔分布，三个线圈14由上至下依次为第一线圈8、第二线圈11和第三线圈19。压电致动器3和线圈14分别与能量收集器电连接；当磁环叠层中的磁体发生高度变化时，线圈14能够切割高度变化的磁体的磁感线而产生电能。

于本实施例中，为了避免套筒5对发电过程造成干扰，使得套筒5采用不导磁且绝缘的材料制成。

本实施例磁极减振俘能振动消除装置的具体工作原理如下：

当相机1即负载产生振动时，由于压电致动器3的顶端与相机1的底端之间具有间隔，故相机1会通过减振弹簧2进行初次减振，同时会带动活塞4相对套筒5上下振动，活塞4振动时带动磁环叠层中的磁环产生高度的变化，而磁环的高度变化时相对线圈14位移，线圈14切割高度变化的磁环的磁感线而产生感应电流，生成的电能存储于能量收集器中，能量收集器收集电能后会为压电致动器3供电，压电致动器3产生机械位移，与负载发生接触，从而对负载进行二次减振，以消除负载的振动。

对于所述的磁极减振俘能振动消除装置所实现的功能，具体分为三个步骤：利用磁极振动消减、磁极电圈俘能以及压电振动控制。包括下述步骤：

A.磁极振动消减步骤：

活塞4和磁块与磁环叠层产生的斥力，使得磁环叠层悬浮在套筒5的轴向中心。这样由活塞4、磁块以及磁环叠层组成磁弹簧。当拍摄镜头放置在减振弹簧2上时，实现一定的振动消减；当外部振动使得弹簧对活塞4有一个压迫力，活塞4向下运动，套筒5内的磁环叠层以及下腔体17产生的阻力使得活塞4反向运动，达到进一步的振动消减。

B.磁极电圈俘能步骤：

当外部振动使得减振弹簧2对活塞4有一个压迫力，活塞4向下运动时，磁环叠层在套筒5内上下移动，套筒5外的三组线圈14切割运动的磁环叠层中的每对磁环产生的磁感应线，从而产生电能，产生的电能将被能量收集器收集。根据电磁感应定律，产生的电压U可表示为：

其中，n为该发明中三组线圈14总匝数，

C.压电振动控制步骤：

图11为磁极减振俘能振动消除装置简化等效原理图，其中X

套筒5顶端到被控对象的传递函数为：

套筒5底端到被控对象的传递函数为：

其中c＝c

图12进一步展示了传统减振装置、本实施例的磁极减振俘能振动消除装置和实施例的磁极减振俘能振动消除装置传递率对比曲线。从图12中可以看出，本实施例的磁极减振俘能振动消除装置被动结构虽然会在低频处出现一个小峰值，但是中高频处的传递率曲线相比传统减振装置得到了较好的改善。当采用本发明的主动式减振时，相比本发明的被动结构，主动式在中低频取得更好的减振效果，虽然高频处略有抬升，但是与传统减振装置相比的高频处仍然得到抑制。由此可见，本实施例的磁极减振俘能振动消除装置无论是被动式还是主动式均具有较大的改善。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。