直流電磁負(fù)剛度裝置的制造方法
【專利說明】
(一)
技術(shù)領(lǐng)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(fù)剛度裝置。
(二)
【背景技術(shù)】
[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(jié)構(gòu)損壞坍塌。針對如何保護(hù)主體結(jié)構(gòu)抵抗動態(tài)荷載所引起的強(qiáng)振動，各種振動控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。振動控制技術(shù)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(shù)，人們已經(jīng)發(fā)明出各種用于減輕主體結(jié)構(gòu)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(diào)諧質(zhì)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(zhì)量驅(qū)動器等。各式的阻尼器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在土木、機(jī)械和航空航天領(lǐng)域。相比于被動控制技術(shù)，半主動和主動控制技術(shù)往往可以取得更好的振動控制效果。在主動控制技術(shù)中，線性二次調(diào)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(chǎn)生一種具有顯著負(fù)剛度特性的阻尼力-變形關(guān)系。這一結(jié)論激發(fā)了研宄人員尋求一種能夠與主動阻尼器一樣產(chǎn)生相同的滯回特性并達(dá)到相同控制性能的被動式負(fù)剛度裝置(negative-stiffness device，NSD)。
[0003]負(fù)剛度裝置的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中得到了驗(yàn)證，例如土木工程領(lǐng)域中，受到地面運(yùn)動作用的建筑物和橋梁，機(jī)械工程領(lǐng)域中的車輛座椅、懸架，和敏感設(shè)備的減振臺等。盡管負(fù)剛度裝置在振動控制領(lǐng)域的優(yōu)越性已經(jīng)得到了驗(yàn)證，但仍未廣泛應(yīng)用的原因如下:
[0004]1、半主動模式的負(fù)剛度裝置需要包括傳感器、控制器在內(nèi)的自身調(diào)節(jié)的反饋系統(tǒng)，設(shè)計(jì)半主動模式的負(fù)剛度裝置則需要專門的控制算法和規(guī)則。安裝難度大，設(shè)計(jì)難度高阻礙了這項(xiàng)技術(shù)的推廣。
[0005]2、被動式的負(fù)剛度裝置主要利用預(yù)應(yīng)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(fù)剛度裝置往往尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中難以得到實(shí)施。
[0006]3、負(fù)剛度的安裝會導(dǎo)致系統(tǒng)靜態(tài)剛度下降，在靜態(tài)荷載作用下，會導(dǎo)致系統(tǒng)靜態(tài)位移的增大，穩(wěn)定性的降低。
(三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對現(xiàn)有技術(shù)的負(fù)剛度裝置設(shè)計(jì)難度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝難度大的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊而且簡單，無需專門設(shè)計(jì)控制算法的直流電磁負(fù)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(shù)方案:
[0009]技術(shù)方案一:
[0010]直流電磁負(fù)剛度裝置，包括鐵芯、作為磁源的永磁體或電磁體、導(dǎo)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(qiáng)磁場；導(dǎo)線板由一股股并聯(lián)的導(dǎo)線組成，放置在勻強(qiáng)磁場之中；電壓板安裝在鐵芯上且加載有直流電壓。
[0011]導(dǎo)線板的每股導(dǎo)線兩端均連接有可作為滑動接觸件的電刷，當(dāng)電刷與電壓板相接觸時(shí)，導(dǎo)線通電，產(chǎn)生安培力，當(dāng)電刷不與電壓板接觸時(shí)，導(dǎo)線斷電，不產(chǎn)生安培力。
[0012]所述導(dǎo)線板固定在安裝軸上，振動可由安裝軸傳送到導(dǎo)線板上，從而引起導(dǎo)線板中每股導(dǎo)線與電壓板的接觸與斷開。安裝軸通過設(shè)置在其上的滑動軸承與鐵芯相連接。
[0013]當(dāng)導(dǎo)線板處于零位移時(shí)，沒有導(dǎo)線與電壓板接觸，產(chǎn)生的安培力為零；當(dāng)振動通過安裝軸傳到導(dǎo)線板上時(shí)，與電壓板所接觸的導(dǎo)線股數(shù)與位移成正比例關(guān)系；根據(jù)安培力公式，產(chǎn)生的安培力大小也與位移成正比例關(guān)系。
[0014]帶電導(dǎo)線在勻強(qiáng)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(jì)算:
[0015]F = N_1 N_2 BIL
[0016]其中，F(xiàn)(N)為通電導(dǎo)線所受安培力的大??；B(T)為勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；I(A)為導(dǎo)線中電流的大?。籐(m)為導(dǎo)線所置于磁場中的長度；N1為每股通電導(dǎo)線的數(shù)量；N2為導(dǎo)線板中與電壓板接觸的導(dǎo)線股數(shù)。
[0017]安培力的方向受導(dǎo)線中和電流方向以及磁場方向的控制，可以產(chǎn)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(fù)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(diào)節(jié)，與導(dǎo)線板之間的間隙，可施加一個(gè)是否工作閾值的裝置，實(shí)現(xiàn)位移觸發(fā)機(jī)制。
[0020]所述導(dǎo)線板中每股導(dǎo)線的數(shù)量可以調(diào)節(jié)，當(dāng)每股導(dǎo)線中數(shù)量一致時(shí)，位移與安培力成線性正比例關(guān)系；當(dāng)每股導(dǎo)線數(shù)量由兩端到中央數(shù)量逐漸增加時(shí)，位移與安培力成增強(qiáng)型性正比例關(guān)系；當(dāng)每股導(dǎo)線數(shù)量由兩端到中央數(shù)量逐漸減少時(shí)，位移與安培力成減弱型性正比例關(guān)系。
[0021]技術(shù)方案二:
[0022]直流電磁負(fù)剛度裝置，其電壓板也可用位移感應(yīng)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(dǎo)線板、安裝軸、滑動軸承、位移感應(yīng)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(qiáng)磁場；在技術(shù)方案二中，導(dǎo)線板由一股股串連的導(dǎo)線組成，放置在勻強(qiáng)磁場之中；導(dǎo)線板與電流控制器相連接；電流控制器主要包含一個(gè)模擬電路，可以接受位移感應(yīng)器產(chǎn)生的信號，并輸出與位移感應(yīng)器的信號成比例關(guān)系的電流。
[0024]所述導(dǎo)線板固定在安裝軸上，安裝軸通過設(shè)置在其上的滑動軸承與鐵芯相連接，位移可以由位移感應(yīng)器測量。
[0025]位移觸發(fā)機(jī)制，與增強(qiáng)型或者減弱型的位移與安培力關(guān)系，均可由調(diào)整電流控制器中的模擬電路參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
[0026]所述電流控制器輸出的電流與位移感應(yīng)器提供的位移信號之間的關(guān)系為線性正比例關(guān)系、增強(qiáng)型正比例關(guān)系或減弱型正比例關(guān)系。
[0027]所述位移感應(yīng)器的信號大于某一特定值時(shí)，電流控制器才開始輸出電流，從而形成一個(gè)是否工作的閾值，實(shí)現(xiàn)位移觸發(fā)機(jī)制。
[0028]優(yōu)選地，所述鐵芯為板型或圓筒形，當(dāng)鐵芯為圓筒形時(shí)，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(qiáng)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(fù)剛度裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，所產(chǎn)生的有益效果是:
[0034]本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊而且簡單，無需專門設(shè)計(jì)控制算法。針對負(fù)剛度會降低系統(tǒng)靜態(tài)剛度的特點(diǎn)，提出一種位移觸發(fā)的機(jī)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(shí)施例的主視剖面結(jié)構(gòu)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(shí)施例的磁路。
[0040]圖中，1、板型鐵芯，2、永磁體，3、導(dǎo)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(shí)施例的主視剖面結(jié)構(gòu)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(shí)施例的磁路。
[0044]圖中，1、圓柱形鐵芯，2、環(huán)形永磁體，3、導(dǎo)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(shí)施例與第二實(shí)施例中導(dǎo)線板與電壓板的接觸結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]圖10為本發(fā)明的第一實(shí)施例與第二實(shí)施例的線性受力示意圖。
[0047]圖11為本發(fā)明的第一實(shí)施例與第二實(shí)施例的增強(qiáng)型受力示意圖。
[0048]圖12為本發(fā)明的第一實(shí)施例與第二實(shí)施例的減弱型受力示意圖。
[0049]圖13為本發(fā)明的第三實(shí)施例的主視剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0050]圖中，1、板型鐵芯，2、永磁體，3、導(dǎo)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(shí)施例的主視剖面結(jié)構(gòu)示意圖。