一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器

本发明属于电磁隔振领域，具体涉及到一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器。

背景技术：

1、在隔振领域，低频隔振始终是需要突破的难题。传统的线性隔振器由于刚度与承载力之间的矛盾，并不能有效隔离低频振动，而准零刚度隔振器，由于其具有“高静低动”的特性，可以在不牺牲承载能力的同时降低固有频率，有效隔绝低频振动。然而目前的准零刚度结构存在很多弊端，绝大部分的准零刚度结构是针对于某一个特定负载下才能具有准零刚度特性，即有效负载不可调，少部分可调负载隔振器调节比较复杂，需要改变结构参数才能实现可调。相比与其他大部分准零刚度隔振器，电磁隔振器的突出特点就是非接触，可以避免由于摩擦对隔振引起的不利影响。此外，电磁隔振器可以通过控制电流来改变电磁力的大小，进而实现负载可调，充分展现出可调的优势。现有的可调负载电磁隔振器，通过调制非线性的正负刚度获得准零刚度区间，这种方式的准零刚度平台期较窄，且刚度较大，无法隔绝较大振幅下的低频振动。因此需要进一步对准零刚度隔振器进行探索，使得隔振器准零刚度平台更宽、刚度更小，能够隔绝幅值较大的低频振动，据此，本发明提出一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器，具有较大范围的准零刚度区域且负载可调，通电的线圈对永磁铁产生电磁力，即正负刚度，为了获得刚度较小的准零刚度区间，采用正、负刚度均为线性可调的组合方式，实现了刚度较小且范围较大的准零刚度平台，在线圈安全载流范围内，可以改变通电线圈的电流大小调节负载大小。

2、技术方案

3、一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器，包括一个电磁结构核心已经用于安装所述电磁结构核心的外壳结构，所述电磁结构核心包括上下设置的第一线圈与第二线圈，所述第一线圈中间设置有环装的第一永磁铁，所述第二线圈内设置有环装的第二永磁铁，所述第一永磁铁与所述第二永磁铁之间设置有一个第三线圈，所述第一线圈与所述第二线圈的电流方向相同，所述第三线圈与所述第二线圈的电流方向相反，所述第一永磁铁与所述第二永磁铁按极化方向相对设置。

4、进一步的，永磁环与线圈的组合方式共两种：一种为所述第一永磁铁、所述第二永磁铁与所述第一线圈、所述第二线圈的相对运动，为“内嵌式”；另一种为所述第一永磁铁、所述第二永磁铁与所述第三线圈的相对运动，为“对面式”；

5、为了获得高线性度的正刚度结构，将位于上方的所述第一永磁铁和所述第一线圈、所述第二线圈以及位于中间的所述第三线圈进行组合排列，此时，“内嵌式”组合在永磁环下移过程中的力位移曲线呈现出“凸式”非线性正刚度，“对面式”组合在所述第一永磁铁下移过程中的力位移曲线呈现出“凹式”的非线性正刚度，二者共同为所述电磁结构核心提供正刚度。

6、为了获得高线性度的负刚度结构，将位于下方的所述第二永磁铁和所述第一线圈、所述第二线圈以及位于中间的所述第三线圈进行组合排列，此时，“内嵌式”组合在所述第二永磁铁下移过程中的力位移曲线呈现出“凸式”非线性负刚度，“对面式”组合在所述第二永磁铁下移过程中的力位移曲线呈现出“凹式”的非线性负刚度，二者共同为所述电磁结构核心提供负刚度。

7、进一步的，所述第一线圈与所述第二线圈的内径为φ5、外径为φ6、高度为h3，所述第一永磁铁与所述第二永磁铁的内径为φ1、外径为φ2、高度为h1，所述第三线圈的内径为φ3、外径为φ4、高度为h2，所述第一永磁铁与所述第二永磁铁的间距为l2，所述第一线圈与所述第三线圈之间的间距、所述第二线圈与所述第三线圈之间的间距为l1，通过约束参数φ1、φ2、φ3、φ4、h1、h2、h3设计大线圈的尺寸参数φ5、φ6和线圈的位置参数l1以及永磁环的位置参数l2，从而确定具有准零刚度特性的结构参数。

8、进一步的，通过参数设计获得高线性度的正刚度：改变所述第一线圈、所述第二线圈的内外径φ5、φ6，根据电磁力公式求出不同线圈匝数对应的非线性正刚度曲线，利用matlab中的fmincon函数优化正刚度线性度，求解所述第一线圈、所述第二线圈与所述第三线圈之间的距离l1，此时，同时改变三个线圈内电流的大小可以获得不同大小的线性正刚度。

9、进一步的，通过结构设计获得高线性度的负刚度：将所述第一线圈、所述第二线圈与所述第三线圈的距离设为l1，此时所述第一线圈、所述第二线圈对称分布于所述第三线圈上下两侧，根据正刚度的行程设定所述第一永磁铁、所述第二永磁铁之间的距离l2，获得与正刚度曲线关于行程中间位置对称的负刚度曲线，进而获得高线性度的负刚度，此时，同时改变三个线圈内电流的大小可以获得不同大小的线性负刚度。

10、进一步的，将高线性度正负刚度进行组合，可得到刚度较小、范围较大的准零刚度平台，使其能够隔绝幅值较大的低频振动，改变线圈内电流的大小，可以获得不同高度的准零刚度平台。

11、进一步的，所述外壳结构包括底座，所述底座从下至上依次设置有下外框、中外框、上外框，所述上外框的上端设置有上盖，所述上盖与所述下外框之间通过法兰直线轴承贯穿并转动连接有支撑轴，所述支撑轴的上端连接有负载，所述上盖上固定设置有所述第一线圈，所述第一线圈的下侧设置有固设于所述支撑轴的且位于所述上外框上的第一永磁铁，所述上外框的下侧固设有第三线圈，所述下外框的上侧设置有固设于所述支撑轴的所述第二永磁铁，所述中外框内固设有所述第二线圈，所述下外框、所述中外框、所述上外框之间通过螺栓连接，所述中外框、所述上外框、所述上盖上设置有散热口，所述第一永磁铁、所述第二永磁铁通过六角头螺母固设于所述支撑轴。

12、本发明的有益效果：

13、1、本发明的负载调节方便可行，利用电流调节负载的方式相比于其他负载可调隔振器改变结构参数的方式更加直接有效，且负载调节范围可观；

14、2、本发明的准零刚度区域刚度较小，可以隔绝更低频的振动；

15、3、本发明的准零刚度区域范围较大，可以对较大振幅的低频振动进行隔绝。

技术特征：

1.一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器，其特征在于：包括一个电磁结构核心(102)已经用于安装所述电磁结构核心的外壳结构(101)，所述电磁结构核心(102)包括上下设置的第一线圈(14)与第二线圈(8)，所述第一线圈(14)中间设置有环装的第一永磁铁(15)，所述第二线圈(8)内设置有环装的第二永磁铁(7)，所述第一永磁铁(15)与所述第二永磁铁(7)之间设置有一个第三线圈(9)，所述第一线圈(14)与所述第二线圈(8)的电流方向相同，所述第三线圈(9)与所述第二线圈(8)的电流方向相反，所述第一永磁铁(15)与所述第二永磁铁(7)按极化方向相对设置。

2.根据权利要求1所述的一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器，其特征在于：永磁环与线圈的组合方式共两种：一种为所述第一永磁铁(15)、所述第二永磁铁(7)与所述第一线圈(14)、所述第二线圈(8)的相对运动，为“内嵌式”；另一种为所述第一永磁铁(15)、所述第二永磁铁(7)与所述第三线圈(9)的相对运动，为“对面式”；为了获得高线性度的正刚度结构，将位于上方的所述第一永磁铁(15)和所述第一线圈(14)、所述第二线圈(8)以及位于中间的所述第三线圈(9)进行组合排列，此时，“内嵌式”组合在永磁环下移过程中的力位移曲线呈现出“凸式”非线性正刚度，“对面式”组合在所述第一永磁铁(15)下移过程中的力位移曲线呈现出“凹式”的非线性正刚度，二者共同为所述电磁结构核心(102)提供正刚度；为了获得高线性度的负刚度结构，将位于下方的所述第二永磁铁(7)和所述第一线圈(14)、所述第二线圈(8)以及位于中间的所述第三线圈(9)进行组合排列，此时，“内嵌式”组合在所述第二永磁铁(7)下移过程中的力位移曲线呈现出“凸式”非线性负刚度，“对面式”组合在所述第二永磁铁(7)下移过程中的力位移曲线呈现出“凹式”的非线性负刚度，二者共同为所述电磁结构核心(102)提供负刚度。

3.根据权利要求2所述的一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器，其特征在于：所述第一线圈(14)与所述第二线圈(8)的内径为φ5、外径为φ6、高度为h3，所述第一永磁铁(15)与所述第二永磁铁(7)的内径为φ1、外径为φ2、高度为h1，所述第三线圈(9)的内径为φ3、外径为φ4、高度为h2，所述第一永磁铁(15)与所述第二永磁铁(7)的间距为l2，所述第一线圈(14)与所述第三线圈(9)之间的间距、所述第二线圈(8)与所述第三线圈(9)之间的间距为l1，通过约束参数φ1、φ2、φ3、φ4、h1、h2、h3设计大线圈的尺寸参数φ5、φ6和线圈的位置参数l1以及永磁环的位置参数l2，从而确定具有准零刚度特性的结构参数。

4.根据权利要求3所述的一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器，其特征在于：通过参数设计获得高线性度的正刚度：改变所述第一线圈(14)、所述第二线圈(8)的内外径φ5、φ6，根据电磁力公式求出不同线圈匝数对应的非线性正刚度曲线，利用matlab中的fmincon函数优化正刚度线性度，求解所述第一线圈(14)、所述第二线圈(8)与所述第三线圈(9)之间的距离l1，此时，同时改变三个线圈内电流的大小可以获得不同大小的线性正刚度。

5.根据权利要求4所述的一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器，其特征在于：通过结构设计获得高线性度的负刚度：将所述第一线圈(14)、所述第二线圈(8)与所述第三线圈(9)的距离设为l(1)，此时所述第一线圈(14)、所述第二线圈(8)对称分布于所述第三线圈(9)上下两侧，根据正刚度的行程设定所述第一永磁铁(15)、所述第二永磁铁(7)之间的距离l(2)，获得与正刚度曲线关于行程中间位置对称的负刚度曲线，进而获得高线性度的负刚度，此时，同时改变三个线圈内电流的大小可以获得不同大小的线性负刚度。

6.根据权利要求5所述的一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器，其特征在于：将高线性度正负刚度进行组合，可得到刚度较小、范围较大的准零刚度平台，使其能够隔绝幅值较大的低频振动，改变线圈内电流的大小，可以获得不同高度的准零刚度平台。

7.根据权利要求6所述的一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器，其特征在于：所述外壳结构(101)包括底座(6)，所述底座(6)从下至上依次设置有下外框(5)、中外框(4)、上外框(3)，所述上外框(3)的上端设置有上盖(2)，所述上盖(2)与所述下外框(5)之间通过法兰直线轴承(12)贯穿并转动连接有支撑轴(11)，所述支撑轴(11)的上端连接有负载(1)，所述上盖(2)上固定设置有所述第一线圈(14)，所述第一线圈(14)的下侧设置有固设于所述支撑轴(11)的且位于所述上外框(3)上的第一永磁铁(15)，所述上外框(3)的下侧固设有第三线圈(9)，所述下外框(5)的上侧设置有固设于所述支撑轴(11)的所述第二永磁铁(7)，所述中外框(4)内固设有所述第二线圈(8)，所述下外框(5)、所述中外框(4)、所述上外框(3)之间通过螺栓连接，所述中外框(4)、所述上外框(3)、所述上盖(2)上设置有散热口(13)，所述第一永磁铁(15)、所述第二永磁铁(7)通过六角头螺母(10)固设于所述支撑轴(11)。

技术总结本发明公开了一种具有双线性可调刚度的准零刚度电磁隔振器，包括一个电磁结构核心已经用于安装所述电磁结构核心的外壳结构，所述电磁结构核心包括上下设置的第一线圈与第二线圈，所述第一线圈中间设置有环装的第一永磁铁，所述第二线圈内设置有环装的第二永磁铁，所述第一永磁铁与所述第二永磁铁之间设置有一个第三线圈，所述第一线圈与所述第二线圈的电流方向相同，所述第三线圈与所述第二线圈的电流方向相反，所述第一永磁铁与所述第二永磁铁按极化方向相对设置，采用正、负刚度均为“线性可调”的组合方式，实现了刚度较小且范围较大的准零刚度平台，使其能够隔绝幅值较大的低频振动，在线圈安全载流范围内，可以改变通电线圈的电流大小调节负载大小。技术研发人员：诸骏,吴昌超,陈达明,王铮铮,王笑颜,王振涛受保护的技术使用者：浙江工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1