基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置及隔振方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，包括外殼，位于外殼上方的負(fù)載平臺(tái)，所述外殼內(nèi)設(shè)有徑向磁場(chǎng)產(chǎn)生單元，以及置于徑向磁場(chǎng)中的電磁阻尼產(chǎn)生單元和支撐所述負(fù)載平臺(tái)的彈簧隔振單元；還包括處理單元和感測(cè)負(fù)載平臺(tái)所受外部激振力的檢測(cè)單元；所述的處理單元，根據(jù)檢測(cè)單元感測(cè)的外部激振力信號(hào)，控制電磁阻尼產(chǎn)生單元的啟動(dòng)狀態(tài)，以及生成作用于彈簧隔振單元的電磁阻尼力的方向和大小。本發(fā)明還公開了基于上述裝置的隔振方法。本發(fā)明通過(guò)給彈簧隔振單元提供自適應(yīng)電磁阻尼力，在保持彈簧隔振裝置較低固有頻率情況下，使隔振器滿足不同工況下(不同激振頻率)的隔振要求。
【專利說(shuō)明】基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置及隔振方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境振動(dòng)及噪聲控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧 隔振裝置及隔振方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 振動(dòng)及其引起的二次結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響，主要是通過(guò)振動(dòng)傳遞來(lái)完成 的。隔離振動(dòng)的傳遞或增加振動(dòng)的傳遞損失可以有效地控制振動(dòng)及其產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲 影響。目前，在設(shè)備和軌道交通等振動(dòng)控制工程中，應(yīng)用最廣泛的振動(dòng)控制措施即在振動(dòng)設(shè) 備下安裝隔振器，合理設(shè)計(jì)的隔振器隔振效果可達(dá)85%?90%以上。
[0003] 影響隔振器隔振性能的主要指標(biāo)包括頻率比和阻尼比。根據(jù)振動(dòng)力傳遞率與頻率 t匕、阻尼比的關(guān)系圖（圖1)可知，當(dāng)頻率比大于時(shí)，力傳遞率小于1，系統(tǒng)起隔振作用， 且頻率比比值越大，隔振效果越佳。由此，要提高系統(tǒng)的隔振效果，關(guān)鍵在于提高頻率比，即 要求系統(tǒng)有盡可能低的固有頻率。同時(shí)，阻尼比對(duì)隔振效果也會(huì)產(chǎn)生很大影響，在隔振區(qū) (激振頻率與系統(tǒng)固有頻率之比大于士區(qū)）隔振效果與阻尼比成反比，這就要求在隔振區(qū) 選擇小阻尼的隔振器。然而，實(shí)際隔振技術(shù)中必須考慮機(jī)器設(shè)備、車輛等在起動(dòng)或止動(dòng)過(guò)程 中激振力從無(wú)到有、從有到無(wú)的變化過(guò)程，激勵(lì)頻率變化會(huì)越過(guò)共振頻率，如果阻尼過(guò)小， 越過(guò)共振頻率時(shí)，傳遞給基礎(chǔ)的力（力傳遞率）顯著增大，可導(dǎo)致與基礎(chǔ)相連的建筑（含橋 梁）產(chǎn)生嚴(yán)重的二次結(jié)構(gòu)噪聲污染，同時(shí)由于越過(guò)共振頻率時(shí)隔振對(duì)象的振動(dòng)速度和振幅 過(guò)大，可能導(dǎo)致設(shè)備和基礎(chǔ)受損甚至機(jī)車脫軌等嚴(yán)重后果。因此，一個(gè)理想的隔振系統(tǒng)，應(yīng) 在較寬的激振頻率（含隔振區(qū)和非隔振區(qū)）上均能有效控制力傳遞率，同時(shí)有效控制隔振 對(duì)象的振幅，對(duì)此技術(shù)上可通過(guò)降低隔振系統(tǒng)固有頻率（提高頻率比）和為隔振系統(tǒng)提供 自適應(yīng)阻尼實(shí)現(xiàn)。
[0004] 在隔振設(shè)計(jì)中，當(dāng)采用彈簧隔振器不能滿足阻尼要求而采用橡膠隔振器又不能滿 足低固有頻率要求時(shí)，一般會(huì)采用彈簧與橡膠組合隔振器。專利CN102207164A提出了一 種電磁阻尼減振器，有激振力時(shí)，先通過(guò)橡膠減振筒和彈簧產(chǎn)生彈性力緩解外界激勵(lì)力，繼 而隨著永磁鐵間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使感應(yīng)線圈產(chǎn)生感生磁場(chǎng)，該感生磁場(chǎng)總是阻礙磁通密度的變 化，從而減緩永磁鐵間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，起到減振作用。然而，該減振器存在以下缺點(diǎn)：（1)該感 應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小有限，即其所能提供的電磁阻尼力有限；（2)該減振器設(shè)計(jì)通 過(guò)橡膠減振筒、永磁鐵以及感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)增加系統(tǒng)的阻尼，但阻尼力不隨外界激振 頻率的變化而變化，犧牲了系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)（激振頻率與系統(tǒng)固有頻率之比大于) 下的隔振效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置及隔振方法，該隔 振裝置既具有較低的固有頻率，又能實(shí)現(xiàn)阻尼自適應(yīng)調(diào)整。根據(jù)被隔振對(duì)象的振動(dòng)參數(shù)信 號(hào)，當(dāng)激振頻率小于裝置固有頻率的ν?倍且振動(dòng)位移超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，裝置內(nèi)線圈通電， 通過(guò)控制線圈內(nèi)電流的大小和方向，使線圈在徑向磁場(chǎng)中始終受到一個(gè)與振動(dòng)速度方向相 反的電磁阻尼力，且該電磁阻尼力大小不超過(guò)外界激振力大小，大大降低隔振裝置在固有 頻率附近的力傳遞率；當(dāng)激振頻率大于裝置固有頻率的倍時(shí)，裝置內(nèi)線圈斷電，外加阻 尼力消失，使裝置具有較高的隔振效率。這種基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置在對(duì)隔 振效率要求較高，同時(shí)對(duì)隔振對(duì)象振幅要求嚴(yán)格的振動(dòng)（特別是低頻振動(dòng)）控制領(lǐng)域可發(fā) 揮重要作用。
[0006] 本發(fā)明具體的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，包括：徑向磁場(chǎng)產(chǎn)生單元，彈簧隔振單 元，電磁阻尼產(chǎn)生單元，控制單元以及抗磁外殼。
[0008] 所述徑向磁場(chǎng)產(chǎn)生單元包括：兩個(gè)圓柱形空心永磁鐵。所述兩個(gè)圓柱形空心永磁 鐵的充磁方式均為輻射充磁，內(nèi)側(cè)為S極，外側(cè)為N極，同軸放置，下端面與底座固定連接， 上端面與負(fù)載平臺(tái)保持一定空隙。在兩圓柱形空心永磁鐵間形成水平向外的徑向磁場(chǎng)（也 可通過(guò)改變充磁方向形成水平向內(nèi)的徑向磁場(chǎng)）。
[0009] 所述彈簧隔振單元包括：負(fù)載平臺(tái)、螺旋彈簧和底座。所述螺旋彈簧具有較低的固 有頻率，并置于兩圓柱形空心永磁鐵產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)中，上端面與負(fù)載平臺(tái)固定連接，下端 面與底座固定連接，這與傳統(tǒng)彈簧隔振器類似。
[0010] 所述電磁阻尼產(chǎn)生單元包括：線圈、直流電源、可變電阻和電流流向轉(zhuǎn)換器。所述 線圈呈與螺旋彈簧類似的旋繞狀，沿著螺旋彈簧的旋繞方向固定在彈簧上，即處于兩圓柱 形空心永磁鐵產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)中，線圈與螺旋彈簧間絕緣。所述直流電源用于為線圈供電。 所述可變電阻、電流流向轉(zhuǎn)換器均受控制單元控制，所述可變電阻用于調(diào)整線圈中電流的 大小，所述電流流向轉(zhuǎn)換器用于控制線圈的通電與否以及改變線圈中的電流方向。圖4給 出了一種所述電流流向轉(zhuǎn)換器的原理示意圖，其主要由4個(gè)三極管通過(guò)"Η橋"式電路連接 而成。當(dāng)4個(gè)三極管均處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，線圈中沒有電流通過(guò)；當(dāng)三極管Q1、三極管Q4導(dǎo) 通而三極管Q2、三極管Q3截止時(shí)，電流從左至右流過(guò)線圈；當(dāng)三極管Q2、三極管Q3導(dǎo)通而 三極管Ql、三極管Q4截止時(shí)，電流從右至左流過(guò)線圈。因而，通過(guò)控制4個(gè)三極管的導(dǎo)通方 式即可控制線圈中的電流流向。
[0011] 所述控制單元包括：位移傳感器和微處理器。所述微處理器又包括運(yùn)算器和控制 器。所述位移傳感器設(shè)置在負(fù)載平臺(tái)下端面。所述微處理器與位移傳感器、電流流向轉(zhuǎn)換 器、可變電阻等部件連接，通過(guò)接收、分析位移傳感器感測(cè)到的被隔振對(duì)象振動(dòng)參數(shù)信號(hào)控 制電流流向轉(zhuǎn)換器和可變電阻。
[0012] 所述抗磁外殼包括：兩端開口的金屬抗磁套筒。所述金屬抗磁套筒下端固定在底 座上，上端與負(fù)載平臺(tái)保持一定空隙。
[0013] 上述彈簧隔振裝置的工作原理如下：
[0014] 微處理器接收負(fù)載平臺(tái)下端面上位移傳感器感測(cè)到的外部激振力信號(hào)，并由運(yùn)算 器分析得到被隔振對(duì)象的振動(dòng)參數(shù)信號(hào)，包括位移、速度、頻率等。當(dāng)激振頻率小于裝置固 有頻率的λ/?倍且振動(dòng)位移超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，控制器控制電流流向轉(zhuǎn)換器中對(duì)角線上一對(duì) 三極管導(dǎo)通使線圈通電。同時(shí)，根據(jù)判斷安培力方向的左手定則，控制器通過(guò)控制電流流向 轉(zhuǎn)換器中的三極管導(dǎo)通方式（Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止；Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4截止）以及可變 電阻的電阻值大小控制線圈中的電流方向和大小，使線圈在徑向磁場(chǎng)中始終受到一個(gè)與振 動(dòng)速度方向相反的電磁阻尼力，且該電磁阻尼力大小不超過(guò)外界激振力大小，即當(dāng)外界激 振力較小時(shí)，控制器控制可變電阻的電阻值增大以減小線圈中通過(guò)的電流大小，從而減小 電磁阻尼力。當(dāng)激振頻率大于裝置固有頻率的VI倍時(shí)，控制器控制電流流向轉(zhuǎn)換器中所有 三極管截止使線圈斷電，電磁阻尼力消失。
[0015] 本發(fā)明實(shí)施后的有益效果是，通過(guò)給彈簧隔振器提供自適應(yīng)電磁阻尼力，在保持 彈簧隔振器較低固有頻率情況下，使隔振器滿足不同工況下（不同激振頻率）的隔振要求。 當(dāng)被隔振對(duì)象在起動(dòng)或止動(dòng)過(guò)程中激勵(lì)頻率變化越過(guò)共振頻率時(shí)，增加隔振器阻尼以減小 彈簧隔振器的振動(dòng)傳遞率，同時(shí)有效減小被隔振對(duì)象的振幅；當(dāng)被隔振對(duì)象穩(wěn)定工作時(shí)，減 小隔振器阻尼以提高隔振裝置的隔振效率。同時(shí)，可通過(guò)增加線圈的匝數(shù)、采用超導(dǎo)材料提 高線圈中電流的大小等方式獲得一個(gè)較大的電磁阻尼力，以滿足不同場(chǎng)合的減振要求，特 別是需要較大阻尼力的振動(dòng)控制場(chǎng)合。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為隔振系統(tǒng)典型的振動(dòng)力傳遞率與頻率比、阻尼比關(guān)系圖；
[0017] 圖2為一種基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置的剖面示意圖；
[0018] 圖3為一種基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置的俯視圖（不包括控制器、電流 流向轉(zhuǎn)換器、可變電阻、直流電源等部件）；
[0019] 圖4為電流流向轉(zhuǎn)換器的原理示意圖。
[0020] 圖中：1、金屬抗磁套筒；2、外圓柱形空心永磁鐵；3、負(fù)載平臺(tái)；4、內(nèi)圓柱形空心永 磁鐵；5、螺旋彈簧；6、線圈；7、位移傳感器；8、微處理器（包括8. 1、運(yùn)算器；8. 2、控制器）； 9、電流流向轉(zhuǎn)換器；10、可變電阻；11、直流電源；12、底座；Q1、Q2、Q3、Q4為4個(gè)三極管。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0022] 如圖2和圖3所示，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)施的一種基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈 簧隔振裝置包括：金屬抗磁套筒1、外圓柱形空心永磁鐵2、負(fù)載平臺(tái)3、內(nèi)圓柱形空心永磁 鐵4、螺旋彈簧5、線圈6、位移傳感器7、微處理器8、電流流向轉(zhuǎn)換器9、可變電阻10、直流電 源11、底座12等部件。其中，金屬抗磁套筒1兩端開口，下端固定在底座12上，上端與負(fù)載 平臺(tái)3保持一定空隙，用于防止內(nèi)、外圓柱形空心永磁鐵4、2磁性對(duì)外界的影響。內(nèi)、外圓 柱形空心永磁鐵4、2用于產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)，兩者同軸放置，下端面與底座12固定連接，上端面 與負(fù)載平臺(tái)3保持一定空隙，并且都經(jīng)過(guò)輻射充磁，內(nèi)側(cè)為S極，外側(cè)為N極，從而在兩圓柱 形空心永磁鐵2、4間形成水平向外的徑向磁場(chǎng)。螺旋彈簧5置于兩圓柱形空心永磁鐵2、4 產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)中，上端面與負(fù)載平臺(tái)3固定連接，下端面與底座12固定連接，線圈6呈與 螺旋彈簧5類似的旋繞狀，沿著螺旋彈簧5的旋繞方向固定在螺旋彈簧5上，并與螺旋彈簧 5間保持絕緣。位移傳感器7固定在負(fù)載平臺(tái)3下端面上，用于感測(cè)外部激振力信號(hào)，并將 信號(hào)傳給微處理器8,由運(yùn)算器8. 1分析得到被隔振對(duì)象的振動(dòng)參數(shù)信號(hào)，包括位移、速度、 頻率等參數(shù)，然后由控制器8. 2根據(jù)被隔振對(duì)象振動(dòng)參數(shù)信號(hào)控制電流流向轉(zhuǎn)換器9和可 變電阻10。
[0023] 本發(fā)明的具體工作過(guò)程為：當(dāng)有外部激振力作用時(shí)，微處理器8接收負(fù)載平臺(tái)3下 端面上位移傳感器7感測(cè)到的外部激振力信號(hào)，并由運(yùn)算器8. 1分析得到被隔振對(duì)象的振 動(dòng)參數(shù)信號(hào)，包括位移、速度、頻率等參數(shù)。當(dāng)激振頻率小于裝置固有頻率的倍且振動(dòng)位 移超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，控制器8. 2控制電流流向轉(zhuǎn)換器9中對(duì)角線上一對(duì)三極管導(dǎo)通使線圈 通電。同時(shí)，根據(jù)判斷安培力方向的左手定則，控制器8. 2通過(guò)控制電流流向轉(zhuǎn)換器9中的 三極管導(dǎo)通方式（Qp Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止；Q2、Q3導(dǎo)通，Qp Q4截止）以及可變電阻10的電阻 值大小控制線圈6中的電流方向和大小，使線圈6在徑向磁場(chǎng)中始終受到一個(gè)與振動(dòng)速度 方向相反的電磁阻尼力，且該電磁阻尼力大小不超過(guò)外界激振力大小，即當(dāng)外界激振力較 小時(shí)，控制器8. 2控制可變電阻10的電阻值增大以減小線圈6中通過(guò)的電流大小，從而減 小電磁阻尼力。當(dāng)激振頻率大于裝置固有頻率的λ/?倍時(shí)，控制器8. 2控制電流流向轉(zhuǎn)換器 9中所有三極管截止使線圈6斷電，電磁阻尼力消失。由此，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了彈簧隔振裝置電 磁阻尼大小的自適應(yīng)調(diào)整，總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)激振頻率小于裝置固有頻率的VI倍時(shí)，隔振器通 過(guò)外加電磁阻尼以減小振動(dòng)傳遞率；當(dāng)激振頻率大于裝置固有頻率的倍時(shí)，隔振器外加 電磁阻尼消失以提高隔振器的隔振效率。
[0024] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，包括外殼，位于外殼上方的負(fù)載平臺(tái)，其 特征在于，所述外殼內(nèi)設(shè)有徑向磁場(chǎng)產(chǎn)生單元，以及置于徑向磁場(chǎng)中的電磁阻尼產(chǎn)生單元 和支撐所述負(fù)載平臺(tái)的彈簧隔振單元； 還包括處理單元和感測(cè)負(fù)載平臺(tái)所受外部激振力的檢測(cè)單元； 所述的處理單元，根據(jù)所述檢測(cè)單元感測(cè)的外部激振力信號(hào)，控制電磁阻尼產(chǎn)生單元 的啟動(dòng)狀態(tài)，以及生成作用于彈簧隔振單元的電磁阻尼力的方向和大小。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，其特征在于，所述的徑 向磁場(chǎng)產(chǎn)生單元為同軸布置的內(nèi)環(huán)形永磁鐵和外環(huán)形永磁鐵，該內(nèi)環(huán)形永磁鐵的外側(cè)與外 環(huán)形永磁鐵的內(nèi)側(cè)互為異極，兩個(gè)環(huán)形永磁鐵之間的區(qū)域分布有徑向磁場(chǎng)。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，其特征在于，所述兩個(gè) 環(huán)形永磁鐵的充磁方式均為輻射充磁，內(nèi)側(cè)為S極，外側(cè)為N極。
4. 如權(quán)利要求2所述的基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，其特征在于，所述的彈 簧隔振單元為套設(shè)在所述內(nèi)環(huán)形永磁鐵外的螺旋彈簧。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，其特征在于，所述的電 磁阻尼產(chǎn)生單元包括直流電源，接入直流電源的線圈，以及分別控制線圈中電流大小和方 向的可變電阻和電流流向轉(zhuǎn)換器。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，其特征在于，所述的電 流流向轉(zhuǎn)換器為由四個(gè)三極管組成的H橋流向控制電路。
7. 如權(quán)利要求5所述的基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，其特征在于，所述的線 圈為沿螺旋彈簧盤旋固定的螺旋線圈，并與螺旋彈簧保持絕緣。
8. 如權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，其特征在于，所述的檢 測(cè)單元為安裝在負(fù)載平臺(tái)上的位移傳感器。
9. 如權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)電磁阻尼的彈簧隔振裝置，其特征在于，所述的外 殼為套筒狀且兩端開口的抗磁外殼，該抗磁外殼下端固定在一底座上，上端與所述的負(fù)載 平臺(tái)具有間隙。
10. -種基于權(quán)利要求1?9任一項(xiàng)彈簧隔振裝置的隔振方法，其特征在于，通過(guò)感測(cè) 負(fù)載平臺(tái)的外部激振力信號(hào)，當(dāng)外部激振力信號(hào)中的激振頻率小于裝置固有頻率的七倍 時(shí)，控制徑向磁場(chǎng)中的電磁阻尼產(chǎn)生單元生成作用于彈簧隔振單元的電磁阻尼力，該電磁 阻尼力與振動(dòng)速度方向相反，并依據(jù)外部激振力的大小，調(diào)整電磁阻尼力的大小。
【文檔編號(hào)】F16F6/00GK104455139SQ201410625110
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】翟國(guó)慶, 伍思霞 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)