一种串联扩展式惯性作动器及其作动方法与流程

本发明涉及一种振动与噪声控制领域，特别是一种串联扩展式惯性作动器及其作动方法。

背景技术：

随着工业化进程的加快，机械装备正朝着高速化、连续化、精密化、集成化、智能化发展，随之而来的振动与噪声问题也日益突出。强振动环境会造成机械结构的磨损、疲劳和松动，进而引起零部件的偏心、断裂和脱落，严重情况将会导致动静摩擦、叶片断裂和机体击穿等极端后果，因此，进行振动与噪声的治理意义重大。传统治理振动与噪声的方法为被动耗散或物理阻隔的被动控制法。例如结构改进或调整、被动隔振系统、吸声材料或声屏障等。尽管被动控制获得了广泛的应用，却也面临诸如灵活性差、低频振动与噪声治理能力差、体积和质量大等诸多问题，因此人们一直在探索新的振动与噪声治理方式。振动主动控制方法是20世纪50年代发展起来的振动与噪声治理方法，它通过动态调整结构的固有参数(刚度或阻尼)或直接增加次级振源来减缓或抵消原有的振动与噪声。由于主动控制具有低频控制效果好、灵活性强、附加质量小等潜在的优越性，正越来越广泛的得到运用。

作动器是实施主动控制的关键部件，是主动控制系统的重要环节。目前应用于主动控制领域的作动器类型有压电陶瓷、形状记忆合金、磁致伸缩合金、电流变液体、液体作动、气体作动等，但它们或是存在响应慢，或是需要强电场、强磁场等缺点且均有各自特定的应用场合；而电磁作动器因其响应快，位移、力较大，驱动电流小，体积、重量小并且在多种场合具有通用性的特点，使其得到了快速发展。惯性式电磁作动器是电磁作动器的一种，除了拥有电磁作动器的优点外。因其附加在结构上，通过底壳激励的方式给被控结构输出作动力，且无需独立支撑的特点(普通电磁作动器通过固定在地面或悬挂起来再通过作动杆对被控结构输出作动力，占用了额外空间)，使其在诸如汽车发动机减振、浮筏隔振等结构紧凑、安装空间有限的环境下具有比普通电磁作动器更广阔的应用前景。目前的惯性式作动器主要都是单个紧固装置，无法进行组装和拆卸以大幅度改变作动力，不能适应振动力大幅度变化时振动控制的需求。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，特别是为了现有惯性式作动器不具备大幅度改变作动力的能力，本发明提供一种串联扩展式惯性作动器及其作动方法，保证作动力范围大幅可调和作动器同步工作。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一个方面，一种串联扩展式惯性作动器包括至少两个镜面对称的串联的惯性作动主体，

所述惯性作动主体包括固定部分和运动部分，其中，

所述固定部分包括大致密封的外壳和设在外壳内的线圈架，线圈设在所述线圈架上，

所述运动部分包括设在外壳内的闭合磁路和质量弹性系统，其中，导磁筒、永磁体和导磁体形成两个上下对称的闭合磁路，每个磁路均存在环形气隙，导杆和固定在外壳上的片状弹簧组成质量弹性系统，当线圈位于环形气隙中且通有交变电流时，经由导杆固定的导磁筒、永磁体、导磁体在电磁反力的作用下沿轴向作往复运动使得质量弹性系统作动，其中，惯性作动主体的导杆之间经由连接套筒连接使得惯性作动主体同步作动。

在所述的串联扩展式惯性作动器中，所述导磁筒中间厚度大于导磁筒侧壁的厚度以及大于导磁体的厚度。

在所述的串联扩展式惯性作动器中，所述线圈上设有导线和可插入电源的插头。

在所述的串联扩展式惯性作动器中，所述外壳包括上端盖、下端盖和布置在上下端盖之间的侧壁，所述上端盖和下端盖设有通过导杆的通孔。

在所述的串联扩展式惯性作动器中，每个惯性作动主体产生的作动力传递到与上下端盖相连的结构，作动力在惯性作动主体依次叠加使得传递到被控对象的作动力为各惯性作动主体产生的惯性力叠加。

在所述的串联扩展式惯性作动器中，在每个惯性作动主体的外壳上均设有一正一负两个接口，线圈之间串联，相邻两个惯性作动主体的不同接口导线连接，剩余一正一负接口与电源正负极连接以保证多个惯性作动主体的同步性。

在所述的串联扩展式惯性作动器中，所述外壳为方形。

在所述的串联扩展式惯性作动器中，所述运动部分沿轴向按片状弹簧、导磁体、永磁体、导磁筒、永磁体、导磁体、片状弹簧依次布置且成对称分布。

在所述的串联扩展式惯性作动器中，用于支撑线圈缠绕的所述线圈架一端固定在外壳上，一端位于闭合磁路的气隙中。

根据本发明的另一方面，一种利用所述的串联扩展式惯性作动器的作动方法步骤包括：

第一步骤中：至少两个镜面对称的惯性作动主体通过端盖螺栓连接以形成串联结构。

第二步骤中：每个线圈之间串联，相邻两个惯性作动主体的不同接口导线串联连接，剩余一正一负接口与电源正负极连接。

第三步骤中：当线圈位于环形气隙中且通有交变电流时，经由导杆固定的导磁筒、永磁体、导磁体在电磁反力的作用下沿轴向作往复运动使得质量弹性系统作动，其中，惯性作动主体的导杆之间经由连接套筒连接使得惯性作动主体的作动同步。

本发明利用惯性作动主体的组装与拆卸大幅度改变作动器的作动力输出范围，惯性式作动器设计成为镜面对称型，并将两个或两个以上惯性作动系统的惯性运动部件通过连接套筒固定，串联在一起，同时利用串联同步方法使惯性作动系统同步工作，将各个惯性作动系统产生的作动力累加，则向被控对象提供的最大作动力数值为所有惯性系统能够产生的最大作动力数值之和，且操作简单、易于实现。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的串联扩展式惯性作动器的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的串联扩展式惯性作动器的线圈的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的使用串联扩展式惯性作动器的作动方法的步骤示意图；

图4是根据本发明一个实施例的串联扩展式惯性作动器的频响函数示意图。以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的串联扩展式惯性作动器的结构示意图，如图1所示，一种串联扩展式惯性作动器包括至少两个镜面对称的串联的惯性作动主体7，所述惯性作动主体7包括固定部分和运动部分，其中，所述固定部分包括大致密封的外壳和设在外壳内的线圈架9，线圈10设在所述线圈架9上，所述运动部分包括设在外壳内的闭合磁路和质量弹性系统，其中，导磁筒1、永磁体2和导磁体3形成两个上下对称的闭合磁路，每个磁路均存在环形气隙，导杆4和固定在外壳上的片状弹簧5组成质量弹性系统，当线圈10位于环形气隙中且通有交变电流时，经由导杆4固定的导磁筒1、永磁体2、导磁体3在电磁反力的作用下沿轴向作往复运动使得质量弹性系统作动，其中，惯性作动主体1的导杆4之间经由连接套筒8连接使得惯性作动主体1同步作动。

本发明在结构强度允许范围内，串联扩展式惯性作动器可以串联任意个惯性作动系统，大幅度改变该作动器输出的作动力，惯性作动系统均为镜面对称，有利于多个惯性系统进行串联，惯性作动系统结构为动铁式，在总质量相同的情况下惯性质量更高，输出的作动力更大，串联扩展式惯性作动器利用串联同步方法使惯性作动系统同步工作，将各个惯性作动系统产生的作动力累加，则向被控对象提供的最大作动力数值为所有惯性系统能够产生的最大作动力数值之和。

在一个实施例中，本发明的串联扩展式惯性作动器的每一个惯性作动主体7均包含导磁筒1、永磁体2、导磁体3、导杆4、片状弹簧5、端盖6、连接套筒8、线圈架9、线圈10。惯性作动主体7的外壳用于保护、支撑内部结构和传递作动力。运动部分沿轴向按片状弹簧5——导磁体3——永磁体2——导磁筒1——永磁体2——导磁体3——片状弹簧5布置，且成对称分布。所有运动部分通过导杆4连接固定，片状弹簧5固定在外壳上，用于支撑导磁筒1、永磁体2、导磁体3等运动部件作往复运动。线圈架9一端固定在壳体7上，一端位于导磁筒1、永磁体2、导磁体3形成的闭合磁路的气隙中，用于支撑线圈10缠绕。线圈10缠绕在线圈架9上，当内部通有交变电流时，线圈10与导磁筒1、导磁体3之间产生电磁力，惯性作动系统开始工作。

在本发明的所述的串联扩展式惯性作动器的优选实施例中，所述导磁筒1中间厚度大于导磁筒1侧壁的厚度以及大于导磁体3的厚度。

在本发明的所述的串联扩展式惯性作动器的优选实施例中，所述线圈10上设有导线11和可插入电源的插头。

在本发明的所述的串联扩展式惯性作动器的优选实施例中，所述外壳包括上端盖6、下端盖和布置在上下端盖之间的侧壁，所述上端盖6和下端盖设有通过导杆4的通孔。

在本发明的所述的串联扩展式惯性作动器的优选实施例中，每个惯性作动主体7产生的作动力传递到与上下端盖相连的结构，作动力在惯性作动主体7依次叠加使得传递到被控对象的作动力为各惯性作动主体7产生的惯性力叠加。

在本发明的所述的串联扩展式惯性作动器的优选实施例中，在每个惯性作动主体7的外壳上均设有一正一负两个接口，线圈10之间串联，相邻两个惯性作动主体7的不同接口导线连接，剩余一正一负接口与电源正负极连接以保证多个惯性作动主体7的同步性。

在本发明的所述的串联扩展式惯性作动器的优选实施例中，所述外壳为方形。这有利于惯性作动系统壳体内部布线和壳体上插头安装。

在本发明的所述的串联扩展式惯性作动器的优选实施例中，所述运动部分沿轴向按片状弹簧5、导磁体3、永磁体2、导磁筒1、永磁体2、导磁体3、片状弹簧5依次布置且成对称分布。

在一个实施例中，惯性作动主体7的上端盖6处留有四个均匀分布的螺栓孔，两个惯性作动系统之间通过螺栓连接，保证相临两个惯性作动系统间力的传递。连接套筒8用于连接相邻两个惯性作动系统的导杆4，使导杆运动方向和位移大小一致，通过机械连接保证相邻惯性作动系统的同步性。为保证上、下两个线圈同步振动，惯性作动系统工作效果最好，惯性作动系统内部线圈通过电流大小应相同，即线圈间连接方式应为串联。如图2所示，将惯性作动系统内部两个线圈串联后，每个惯性系统均有两个接线头连接到壳体7上的插头，通过导线11将上、下两个惯性作动系统的插头相反的两极相连，剩余两个接线头连接电源正负极，保证所有线圈振动的同步性，即串联扩展式惯性作动器的工作同步性。

图3为本发明的一个实施例的利用所述的串联扩展式惯性作动器的作动方法的步骤示意图。

如图3所示，利用所述的串联扩展式惯性作动器的作动方法包括：

第一步骤s1中：至少两个镜面对称的惯性作动主体7通过端盖螺栓形成串联结构。

第二步骤s2中：每个线圈10之间串联，相邻两个惯性作动主体7的不同接口导线串联连接，剩余一正一负接口与电源正负极连接。

第三步骤s3中：当线圈10位于环形气隙中且通有交变电流时，经由导杆4固定的导磁筒1、永磁体2、导磁体3在电磁反力的作用下沿轴向作往复运动使得质量弹性系统作动，其中，惯性作动主体7的导杆4之间经由连接套筒8连接使得惯性作动主体7的作动同步。

本发明的作动方法中，每个惯性作动主体内部振动结构包括导磁筒1、永磁体2、导磁体3、导杆4、片状弹簧5、连接套筒8，其振子质量约为7kg。而作动主体有上下两片弹簧，其弹簧刚度约为43500n/m，图4是根据本发明一个实施例的串联扩展式惯性作动器的频响函数示意图。实线为单惯性作动系统时作动器的频响函数图，虚线为双惯性作动系统时作动器的频响函数图。当两个惯性作动系统进行串联时，惯性质量增加一倍，作出其频响函数图，与单个惯性作动系统时的频响函数图进行对比。如图4所示，将两个惯性作动系统进行串联后，相位与单个惯性作动系统变化相同，而幅值比单惯性作动系统增加了约1倍，即作动器输出的作动力增加了约1倍。

本发明将惯性式作动器设计成为镜面对称型，并将两个或两个以上惯性作动主体的惯性运动部件通过连接套筒固定，串联在一起，同时利用串联同步方法使惯性作动主体同步工作，将各个惯性作动主体产生的作动力累加，则向被控对象提供的最大作动力数值为所有惯性主体能够产生的最大作动力数值之和。

惯性作动主体为镜面对称，有利于多个惯性作动主体进行串联，完成作动器同步工作。两个或两个以上惯性作动主体串联时，每个惯性主体产生的作动力会传递到与其端盖6相连的结构上，作动力在惯性作动主体上依次叠加，所以传递到被控对象的作动力为各惯性系统产生的惯性力叠加。而当各惯性作动系统同步工作时，传递到被控对象的作动力最大，即为各惯性作动主体产生的作动力数值之和。因此，通过增减惯性作动系统数目，可以大幅度改变该串联扩展式惯性作动器产生的作动力。

串联扩展式惯性作动器同步方式有两种，一种是机械方式，一种是电流方式。机械方式，利用连接套筒8将相邻两个惯性作动主体的导杆连接在一起，惯性作动主体的运动部件刚性连接，通过机械方法保证惯性作动主体的同步性。电流方法，对于每一个惯性作动主体，在壳体上均有一正一负两个接口。当使用单一惯性作动主体时，将正负两个接口与电源正负极相连，串联扩展式惯性作动器正常工作。当使用两个及两个以上惯性作动主体时，将相邻两个惯性主体的不同接口分别用导线相连，剩余一正一负接口与电源正负极连接，即可保证多个惯性主体工作的同步性。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。