一种仅具有线性刚度特性的电磁弹簧的制作方法

本实用新型涉及的是一种振动控制装置，具体地说是电磁弹簧。

背景技术：

在振动控制领域尤其是吸振器领域，频率的在线实时调节是一个长期令人困扰的问题。鉴于质量调节的复杂性，刚度的在线调节得到了越来越多的关注与研究。电磁弹簧可通过改变励磁线圈中的电流而实现刚度连续可调，利用这一特性实现系统固有频率的在线实时调节，从而达到振动控制的目的。

磁齿式电磁弹簧结构因其结构紧凑、刚度大、磁能利用率高的特点更适宜应用于电磁弹簧设计之中，其原理是利用磁齿错位时所产生的电磁恢复力来提供弹簧力。([1]冯肖肖.电磁式半主动吸振器设计及实验研究[M].哈尔滨工程大学，2013)然而，磁齿式电磁弹簧结构所产生的电磁刚度仅在平衡位置两侧的很小一段范围内为线性特性，当磁齿错位稍大时，会产生很强的非线性，这一点使其实际应用受到很大的局限性。

公开号为CN 1042974 A的专利提供了一种电磁式弹簧刚度连续可调消振器，它利用定子与动子工作表面上分布的齿宽齿距和齿数相同的矩形齿圈来提供电磁弹簧。然而，该种电磁弹簧结构在磁齿错位稍大时便会引入很强的非线性，从而导致振动控制效果变差甚至恶化。

公开号为CN 103291828 A的专利在公开号为CN 1042974 A的磁齿式电磁弹簧的基础上改进了设计，提出了一种非对称齿距电磁弹簧。该专利采用0.2的齿宽与齿距比值，其电磁弹簧所提供的电磁力较以往提高了1倍以上。然而由于该实用新型并未考虑动子磁齿与定子磁齿齿宽的复杂对应关系，同等条件下其电磁刚度的线性区域依旧很窄，在磁齿错位稍大时其非线性依旧很强，这在一定程度上限制了实用新型的应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供在一定程度上消除了电磁刚度非线性特性的一种仅具有线性刚度特性的电磁弹簧。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型一种仅具有线性刚度特性的电磁弹簧，其特征是：包括定子、动子，定子设置在动子的外部，动子上缠绕有线圈，动子和定子的工作表面设置矩形齿圈，动子矩形齿圈与定子矩形齿圈的位置相对应且两者之间存在气隙，定子矩形齿圈的齿宽大于动子矩形齿圈的齿宽，线圈未通电时，定子矩形齿圈每个齿的位置分别对应动子矩形齿圈的一个齿。

本实用新型一种仅具有线性刚度特性的电磁弹簧，其特征是：包括定子、动子，定子设置在动子的内部，定子上缠绕有线圈，动子和定子的工作表面设置矩形齿圈，动子矩形齿圈与定子矩形齿圈的位置相对应且两者之间存在气隙，定子矩形齿圈的齿宽大于动子矩形齿圈的齿宽，线圈未通电时，定子矩形齿圈每个齿的位置分别对应动子矩形齿圈的一个齿。

本实用新型的优势在于：

1、磁齿为非等宽磁齿，通过适当调节定子磁齿与动子磁齿的齿宽比，其可以实现线性电磁刚度特性，一定程度上消除了电磁刚度非线性特性；

2、由于考虑到了动子磁齿与定子磁齿齿宽的复杂对应关系，合理地利用了磁齿结构，同等条件下，本实用新型所实现的线性频带较现有技术更宽。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的静态磁场分布图；

图3为电磁弹簧结构不同齿宽比下的力-位移曲线图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：

结合图1～3，本实用新型一种具有线性刚度特性的电磁弹簧结构，不同于传统电磁弹簧，电磁弹簧结构动子与定子采用非等宽磁齿结构，其比值大小取决于具体磁齿尺寸。

电磁弹簧结构主要包括三部分：动子、线圈和定子。需要说明的是，动子与定子仅表示磁齿结构的相对性，实际应用时，两者可根据实际应用情况互换。线圈可固定于动子或者定子上，动子与定子的工作表面上分布有满足某一比例关系的非等宽矩形齿圈，两者之间存在很小的气隙。

图1为本实用新型电磁弹簧结构二维轴对称示意图。电磁弹簧结构主要包括三个构件：动子3、线圈2以及定子1。线圈2固定于动子3之上，动子3与定子1的工作表面上加工有满足某一比例关系的矩形齿圈，两者之间留有一定气隙。线圈2通电时，所产生的磁场会先后沿着动子3、气隙4、定子1、气隙4、动子3形成闭合磁路。工作时，动子3磁齿与定子1磁齿错位，产生电磁恢复力。电磁弹簧结构采用齿对齿的磁齿结构设计方案，但定子1齿宽较动子3齿宽更大，采用该种设计可消除电磁刚度的非线性特性，以获得仅具有线性刚度特性的电磁弹簧。详细设计原理以及技术方案陈述如下：

磁齿式电磁弹簧发生轴向错位时电磁拉力为：

F_em＝αx+βx³

式中，x为磁齿错位量，α、β代表x不同次幂项的系数。研究发现，β的符号(sgn(β))与定子1齿宽(WS)和动子3齿宽(WA)的比值(γ＝WS/WA)有关，存在某一临界值γc，使得sgn(β)满足：

可以看出，在γ＝γc的情况下，电磁拉力与磁齿错位量之间为线性变化关系，可满足具有线性电磁刚度特性的电磁弹簧的设计需要。考虑到结构的复杂性，γc的确定可借助于商业化有限元磁场计算软件来实现，例如COMSOL、ANSOFT、ANSYS。

具有线性刚度特性的电磁弹簧结构设计实例：

1、设计内容

利用有限元电磁场计算软件完成具有线性刚度特性的电磁弹簧结构设计。

2、仿真参数

本实用新型电磁弹簧结构选取COMSOL作为有限元电磁场仿真软件，仿真参数详见表1。仿真过程中，动子齿宽为4mm，定子齿宽变化范围为4～8mm。有两点需要说明：1)为保证齿与齿的对称性，动子齿距亦需要随定子齿宽同步变化；2)由于实际仿真时数据量过大，表1中仅展示了三种特殊情况。

3、仿真结果

图2为本实用新型电磁弹簧结构静态磁场分布图。通过该图可确定磁路设计的合理与否，为后续分析提供合理性依据。可以看出，在表1所示的设计参数下，所设计电磁弹簧结构磁路合理。

表1电磁弹簧结构仿真参数

图3为本实用新型电磁弹簧结构不同齿宽比下的力-位移曲线图。在动子齿宽为4mm的情况下，研究不同齿宽比下电磁弹簧结构的力-位移曲线变化趋势。等齿宽情况下，γ＝1.000，α>0、β<0，此时可获得渐软刚度曲线；在γ增大到1.363时，此时α>0、β≈0，此时可获得近似线性刚度曲线；γ继续增大时，α>0、β>0，此时可获得渐硬刚度曲线。在充分的仿真计算基础上，可确定γc＝1.363，从而选择定子齿宽5.45mm作为最佳设计尺寸，最终可获得仅具有线性刚度特性的电磁弹簧。