直流电磁负刚度装置的制造方法
【专利说明】
(一)
技术领域
[0001]本发明涉及一种精密减振装置，具体地说是一种直流电磁负刚度装置。
(二)
【背景技术】
[0002]动态荷载可以造成很多危害，小至车辆的舒适度，大至地震造成的结构损坏坍塌。针对如何保护主体结构抵抗动态荷载所引起的强振动，各种振动控制技术应运而生。振动控制技术可以大致分为被动模式，半主动模式和主动模式三大类。依据这三大类的振动控制技术，人们已经发明出各种用于减轻主体结构振动的阻尼器，例如粘性流体阻尼器、粘弹性阻尼器、金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、调谐质量阻尼器、磁流变(magnetorheology，MR)阻尼器、可变孔阻尼器、可变摩擦阻尼器和主动质量驱动器等。各式的阻尼器已经广泛应用在土木、机械和航空航天领域。相比于被动控制技术，半主动和主动控制技术往往可以取得更好的振动控制效果。在主动控制技术中，线性二次调节器(LQR)算法作为一种普遍采用的最优控制理论，可以产生一种具有显著负刚度特性的阻尼力-变形关系。这一结论激发了研宄人员寻求一种能够与主动阻尼器一样产生相同的滞回特性并达到相同控制性能的被动式负刚度装置(negative-stiffness device，NSD)。
[0003]负刚度装置的优点已经在实际应用领域中得到了验证，例如土木工程领域中，受到地面运动作用的建筑物和桥梁，机械工程领域中的车辆座椅、悬架，和敏感设备的减振台等。尽管负刚度装置在振动控制领域的优越性已经得到了验证，但仍未广泛应用的原因如下:
[0004]1、半主动模式的负刚度装置需要包括传感器、控制器在内的自身调节的反馈系统，设计半主动模式的负刚度装置则需要专门的控制算法和规则。安装难度大，设计难度高阻碍了这项技术的推广。
[0005]2、被动式的负刚度装置主要利用预应力弹簧，或者利用屈曲梁的突弹跳变特性。由此制成的被动式负刚度装置往往尺寸较大，结构复杂，在实际应用中难以得到实施。
[0006]3、负刚度的安装会导致系统静态刚度下降，在静态荷载作用下，会导致系统静态位移的增大，稳定性的降低。
(三)
【发明内容】
[0007]本发明的技术任务是针对现有技术的负刚度装置设计难度高、结构复杂、安装难度大的不足，提供一种结构紧凑而且简单，无需专门设计控制算法的直流电磁负刚度装置，使系统在安装本装置后，并不影响系统的静态刚度，而且能获得近似主动控制的减振效果。
[0008]为解决上述问题，本发明提供了如下两种技术方案:
[0009]技术方案一:
[0010]直流电磁负刚度装置，包括铁芯、作为磁源的永磁体或电磁体、导线板、电压板、安装轴和滑动轴承，所述永磁体或电磁体的磁化方向需要相同或左右对称，所散发的磁感线由铁芯束缚并在铁芯间的气隙形成匀强磁场；导线板由一股股并联的导线组成，放置在匀强磁场之中；电压板安装在铁芯上且加载有直流电压。
[0011]导线板的每股导线两端均连接有可作为滑动接触件的电刷，当电刷与电压板相接触时，导线通电，产生安培力，当电刷不与电压板接触时，导线断电，不产生安培力。
[0012]所述导线板固定在安装轴上，振动可由安装轴传送到导线板上，从而引起导线板中每股导线与电压板的接触与断开。安装轴通过设置在其上的滑动轴承与铁芯相连接。
[0013]当导线板处于零位移时，没有导线与电压板接触，产生的安培力为零；当振动通过安装轴传到导线板上时，与电压板所接触的导线股数与位移成正比例关系；根据安培力公式，产生的安培力大小也与位移成正比例关系。
[0014]带电导线在匀强磁场之中，会受到安培力的作用，使电流方向与磁场方向垂直，所受安培力的大小可用以下公式计算:
[0015]F = N_1 N_2 BIL
[0016]其中，F(N)为通电导线所受安培力的大小；B(T)为匀强磁场的磁感应强度；I(A)为导线中电流的大小；L(m)为导线所置于磁场中的长度；N1为每股通电导线的数量；N2为导线板中与电压板接触的导线股数。
[0017]安培力的方向受导线中和电流方向以及磁场方向的控制，可以产生与位移方向相同的安培力，其反作用力方向与位移方向相反，也就是负刚度。
[0018]安培力的方向也可以与位移方向相反，其反作用力与位移方向相同，也就是常见的正刚度。
[0019]所述电压板的位置可以调节，与导线板之间的间隙，可施加一个是否工作阈值的装置，实现位移触发机制。
[0020]所述导线板中每股导线的数量可以调节，当每股导线中数量一致时，位移与安培力成线性正比例关系；当每股导线数量由两端到中央数量逐渐增加时，位移与安培力成增强型性正比例关系；当每股导线数量由两端到中央数量逐渐减少时，位移与安培力成减弱型性正比例关系。
[0021]技术方案二:
[0022]直流电磁负刚度装置，其电压板也可用位移感应器和电流控制器代替。具体包括铁芯、作为磁源的永磁体或电磁体、导线板、安装轴、滑动轴承、位移感应器和电流控制器。
[0023]所述永磁体或电磁体的磁化方向需要相同或左右对称，所散发的磁感线由铁芯束缚并在铁芯间的气隙形成匀强磁场；在技术方案二中，导线板由一股股串连的导线组成，放置在匀强磁场之中；导线板与电流控制器相连接；电流控制器主要包含一个模拟电路，可以接受位移感应器产生的信号，并输出与位移感应器的信号成比例关系的电流。
[0024]所述导线板固定在安装轴上，安装轴通过设置在其上的滑动轴承与铁芯相连接，位移可以由位移感应器测量。
[0025]位移触发机制，与增强型或者减弱型的位移与安培力关系，均可由调整电流控制器中的模拟电路参数来实现。
[0026]所述电流控制器输出的电流与位移感应器提供的位移信号之间的关系为线性正比例关系、增强型正比例关系或减弱型正比例关系。
[0027]所述位移感应器的信号大于某一特定值时，电流控制器才开始输出电流，从而形成一个是否工作的阈值，实现位移触发机制。
[0028]优选地，所述铁芯为板型或圆筒形，当铁芯为圆筒形时，铁芯中磁铁需要径向磁化。
[0029]优选地，所述永磁体或电磁体的上下面磁化。
[0030]优选地，所述永磁体或电磁体的左右两端磁化。
[0031]优选地，所述永磁体或电磁体的径向两端磁化。
[0032]优选地，所述铁芯和永磁体或电磁体之间形成的匀强磁场气隙为单缝、双缝或环形缝隙。
[0033]本发明的直流电磁负刚度装置与现有技术相比，所产生的有益效果是:
[0034]本发明结构紧凑而且简单，无需专门设计控制算法。针对负刚度会降低系统静态刚度的特点，提出一种位移触发的机制，使系统在安装本装置后，并不影响系统的静态刚度。
(四)
【附图说明】
[0035]图1为本发明的第一实施例的主视剖面结构示意图。
[0036]图2为图1的A-A剖面示意图。
[0037]图3为图1的B-B剖面示意图。
[0038]图4为图1的C-C剖面示意图。
[0039]图5为本发明的第一实施例的磁路。
[0040]图中，1、板型铁芯，2、永磁体，3、导线板，4、电压板，5、安装轴，6、滑动轴承，7、连接板。
[0041]图6为本发明的第二实施例的主视剖面结构示意图。
[0042]图7为图6的D-D剖面示意图。
[0043]图8为本发明的第二实施例的磁路。
[0044]图中，1、圆柱形铁芯，2、环形永磁体，3、导线板，4、电压板，5、安装轴，6、滑动轴承。
[0045]图9为本发明的第一实施例与第二实施例中导线板与电压板的接触结构示意图。
[0046]图10为本发明的第一实施例与第二实施例的线性受力示意图。
[0047]图11为本发明的第一实施例与第二实施例的增强型受力示意图。
[0048]图12为本发明的第一实施例与第二实施例的减弱型受力示意图。
[0049]图13为本发明的第三实施例的主视剖面结构示意图。
[0050]图中，1、板型铁芯，2、永磁体，3、导线板，4、电压板，5、安装轴，6、滑动轴承，d、缝隙。
[0051]图14为本发明的第四实施例的主视剖面结构示意图。