直流電磁負剛度裝置的制造方法
【專利說明】
(一)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種精密減振裝置，具體地說是一種直流電磁負剛度裝置。
(二)
【背景技術】
[0002]動態(tài)荷載可以造成很多危害，小至車輛的舒適度，大至地震造成的結構損壞坍塌。針對如何保護主體結構抵抗動態(tài)荷載所引起的強振動，各種振動控制技術應運而生。振動控制技術可以大致分為被動模式，半主動模式和主動模式三大類。依據(jù)這三大類的振動控制技術，人們已經發(fā)明出各種用于減輕主體結構振動的阻尼器，例如粘性流體阻尼器、粘彈性阻尼器、金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、調諧質量阻尼器、磁流變(magnetorheology，MR)阻尼器、可變孔阻尼器、可變摩擦阻尼器和主動質量驅動器等。各式的阻尼器已經廣泛應用在土木、機械和航空航天領域。相比于被動控制技術，半主動和主動控制技術往往可以取得更好的振動控制效果。在主動控制技術中，線性二次調節(jié)器(LQR)算法作為一種普遍采用的最優(yōu)控制理論，可以產生一種具有顯著負剛度特性的阻尼力-變形關系。這一結論激發(fā)了研宄人員尋求一種能夠與主動阻尼器一樣產生相同的滯回特性并達到相同控制性能的被動式負剛度裝置(negative-stiffness device，NSD)。
[0003]負剛度裝置的優(yōu)點已經在實際應用領域中得到了驗證，例如土木工程領域中，受到地面運動作用的建筑物和橋梁，機械工程領域中的車輛座椅、懸架，和敏感設備的減振臺等。盡管負剛度裝置在振動控制領域的優(yōu)越性已經得到了驗證，但仍未廣泛應用的原因如下:
[0004]1、半主動模式的負剛度裝置需要包括傳感器、控制器在內的自身調節(jié)的反饋系統(tǒng)，設計半主動模式的負剛度裝置則需要專門的控制算法和規(guī)則。安裝難度大，設計難度高阻礙了這項技術的推廣。
[0005]2、被動式的負剛度裝置主要利用預應力彈簧，或者利用屈曲梁的突彈跳變特性。由此制成的被動式負剛度裝置往往尺寸較大，結構復雜，在實際應用中難以得到實施。
[0006]3、負剛度的安裝會導致系統(tǒng)靜態(tài)剛度下降，在靜態(tài)荷載作用下，會導致系統(tǒng)靜態(tài)位移的增大，穩(wěn)定性的降低。
(三)

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的技術任務是針對現(xiàn)有技術的負剛度裝置設計難度高、結構復雜、安裝難度大的不足，提供一種結構緊湊而且簡單，無需專門設計控制算法的直流電磁負剛度裝置，使系統(tǒng)在安裝本裝置后，并不影響系統(tǒng)的靜態(tài)剛度，而且能獲得近似主動控制的減振效果。
[0008]為解決上述問題，本發(fā)明提供了如下兩種技術方案:
[0009]技術方案一:
[0010]直流電磁負剛度裝置，包括鐵芯、作為磁源的永磁體或電磁體、導線板、電壓板、安裝軸和滑動軸承，所述永磁體或電磁體的磁化方向需要相同或左右對稱，所散發(fā)的磁感線由鐵芯束縛并在鐵芯間的氣隙形成勻強磁場；導線板由一股股并聯(lián)的導線組成，放置在勻強磁場之中；電壓板安裝在鐵芯上且加載有直流電壓。
[0011]導線板的每股導線兩端均連接有可作為滑動接觸件的電刷，當電刷與電壓板相接觸時，導線通電，產生安培力，當電刷不與電壓板接觸時，導線斷電，不產生安培力。
[0012]所述導線板固定在安裝軸上，振動可由安裝軸傳送到導線板上，從而引起導線板中每股導線與電壓板的接觸與斷開。安裝軸通過設置在其上的滑動軸承與鐵芯相連接。
[0013]當導線板處于零位移時，沒有導線與電壓板接觸，產生的安培力為零；當振動通過安裝軸傳到導線板上時，與電壓板所接觸的導線股數(shù)與位移成正比例關系；根據(jù)安培力公式，產生的安培力大小也與位移成正比例關系。
[0014]帶電導線在勻強磁場之中，會受到安培力的作用，使電流方向與磁場方向垂直，所受安培力的大小可用以下公式計算:
[0015]F = N_1 N_2 BIL
[0016]其中，F(xiàn)(N)為通電導線所受安培力的大??；B(T)為勻強磁場的磁感應強度；I(A)為導線中電流的大??；L(m)為導線所置于磁場中的長度；N1為每股通電導線的數(shù)量；N2為導線板中與電壓板接觸的導線股數(shù)。
[0017]安培力的方向受導線中和電流方向以及磁場方向的控制，可以產生與位移方向相同的安培力，其反作用力方向與位移方向相反，也就是負剛度。
[0018]安培力的方向也可以與位移方向相反，其反作用力與位移方向相同，也就是常見的正剛度。
[0019]所述電壓板的位置可以調節(jié)，與導線板之間的間隙，可施加一個是否工作閾值的裝置，實現(xiàn)位移觸發(fā)機制。
[0020]所述導線板中每股導線的數(shù)量可以調節(jié)，當每股導線中數(shù)量一致時，位移與安培力成線性正比例關系；當每股導線數(shù)量由兩端到中央數(shù)量逐漸增加時，位移與安培力成增強型性正比例關系；當每股導線數(shù)量由兩端到中央數(shù)量逐漸減少時，位移與安培力成減弱型性正比例關系。
[0021]技術方案二:
[0022]直流電磁負剛度裝置，其電壓板也可用位移感應器和電流控制器代替。具體包括鐵芯、作為磁源的永磁體或電磁體、導線板、安裝軸、滑動軸承、位移感應器和電流控制器。
[0023]所述永磁體或電磁體的磁化方向需要相同或左右對稱，所散發(fā)的磁感線由鐵芯束縛并在鐵芯間的氣隙形成勻強磁場；在技術方案二中，導線板由一股股串連的導線組成，放置在勻強磁場之中；導線板與電流控制器相連接；電流控制器主要包含一個模擬電路，可以接受位移感應器產生的信號，并輸出與位移感應器的信號成比例關系的電流。
[0024]所述導線板固定在安裝軸上，安裝軸通過設置在其上的滑動軸承與鐵芯相連接，位移可以由位移感應器測量。
[0025]位移觸發(fā)機制，與增強型或者減弱型的位移與安培力關系，均可由調整電流控制器中的模擬電路參數(shù)來實現(xiàn)。
[0026]所述電流控制器輸出的電流與位移感應器提供的位移信號之間的關系為線性正比例關系、增強型正比例關系或減弱型正比例關系。
[0027]所述位移感應器的信號大于某一特定值時，電流控制器才開始輸出電流，從而形成一個是否工作的閾值，實現(xiàn)位移觸發(fā)機制。
[0028]優(yōu)選地，所述鐵芯為板型或圓筒形，當鐵芯為圓筒形時，鐵芯中磁鐵需要徑向磁化。
[0029]優(yōu)選地，所述永磁體或電磁體的上下面磁化。
[0030]優(yōu)選地，所述永磁體或電磁體的左右兩端磁化。
[0031]優(yōu)選地，所述永磁體或電磁體的徑向兩端磁化。
[0032]優(yōu)選地，所述鐵芯和永磁體或電磁體之間形成的勻強磁場氣隙為單縫、雙縫或環(huán)形縫隙。
[0033]本發(fā)明的直流電磁負剛度裝置與現(xiàn)有技術相比，所產生的有益效果是:
[0034]本發(fā)明結構緊湊而且簡單，無需專門設計控制算法。針對負剛度會降低系統(tǒng)靜態(tài)剛度的特點，提出一種位移觸發(fā)的機制，使系統(tǒng)在安裝本裝置后，并不影響系統(tǒng)的靜態(tài)剛度。
(四)
【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明的第一實施例的主視剖面結構示意圖。
[0036]圖2為圖1的A-A剖面示意圖。
[0037]圖3為圖1的B-B剖面示意圖。
[0038]圖4為圖1的C-C剖面示意圖。
[0039]圖5為本發(fā)明的第一實施例的磁路。
[0040]圖中，1、板型鐵芯，2、永磁體，3、導線板，4、電壓板，5、安裝軸，6、滑動軸承，7、連接板。
[0041]圖6為本發(fā)明的第二實施例的主視剖面結構示意圖。
[0042]圖7為圖6的D-D剖面示意圖。
[0043]圖8為本發(fā)明的第二實施例的磁路。
[0044]圖中，1、圓柱形鐵芯，2、環(huán)形永磁體，3、導線板，4、電壓板，5、安裝軸，6、滑動軸承。
[0045]圖9為本發(fā)明的第一實施例與第二實施例中導線板與電壓板的接觸結構示意圖。
[0046]圖10為本發(fā)明的第一實施例與第二實施例的線性受力示意圖。
[0047]圖11為本發(fā)明的第一實施例與第二實施例的增強型受力示意圖。
[0048]圖12為本發(fā)明的第一實施例與第二實施例的減弱型受力示意圖。
[0049]圖13為本發(fā)明的第三實施例的主視剖面結構示意圖。
[0050]圖中，1、板型鐵芯，2、永磁體，3、導線板，4、電壓板，5、安裝軸，6、滑動軸承，d、縫隙。
[0051]圖14為本發(fā)明的第四實施例的主視剖面結構示意圖。