一种二维磁负刚度机构以及应用

本发明属于减振、隔振领域，更具体地，涉及一种二维磁负刚度机构。

背景技术：

1、在高端ic芯片制造领域和超精密检测领域，振动一直是难以解决的问题，尤其是随着各种高端装备向着高速、高精、高稳定性发展，振动带来的影响越来越严重。需利用减振器组成的隔振系统对机械振动进行隔离，以阻止振动向相关设备传递，影响设备正常工作。

2、减振器的性能主要包括承载能力和减振性能。传统的如金属弹簧、橡胶结构、空气弹簧等减振形式组成的减振系统，在减小系统刚度时，可以提高系统的减振性能，但是会降低系统的承载能力，存在减振性能和承载能力相互矛盾的问题。通过在被动隔振系统中加入主动控制，可有效解决减振器承载能力和减振性能的矛盾，但成本太高，系统过于复杂。目前较好的解决方案是在减振系统中引入磁负刚度机构，其主要有以下优点：(1)在保证减振系统承载能力不变的情况下提升减振性能；(2)磁负刚度中的磁场力为非接触力，不会引入摩擦力及其带来的非线性问题。

3、但是，目前，磁负刚度机构的应用存在一些技术难点，如难以实现稳定线性的负刚度，难以实现较大的负刚度，难以实现多维度的负刚度等，这限制了磁负刚度技术在减振系统中的应用。

4、在公开号为cn113915282a的中国专利申请中公开了一种一维磁负刚度机构，包括定子永磁体、动子永磁体，该发明同时利用上下永磁体相吸和左右永磁体相斥的作用力在相对宽裕的行程内实现了较高线性度的负刚度。但是，其只能实现一个方向的负刚度特性，对于多维的负刚度则需要并联多个一维磁负刚度机构，使得结构复杂，不够紧凑。

5、因此，需要开发一种高性能二维磁负刚度机构，要求其结构紧凑，负刚度线性度较高，能同时实现两个相互正交方向的负刚度，以最终能提升系统多个维度的减振性能。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种二维磁负刚度机构，针对现有技术缺陷或改进需求，本发明提出了一种高性能二维磁负刚度机构，其将多个永磁体按照特定的磁化方向和位置沿着三个相互正交的方向进行三维阵列布置，通过相应的连接结构将相邻永磁体分别固定于定子框架和动子框架上，定子框架和动子框架发生相对位移时永磁体之间的排斥力和吸引力使得整个机构在第三阵列方向呈现正刚度特性，在第一和第二阵列方向呈现负刚度特性，其能同时实现两个相互正交方向的负刚度，最终能提升系统多个维度的减振性能。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种二维磁负刚度机构，其包括定子永磁体、动子永磁体、定子框架、动子框架、定子连接架和动子连接架，设定数量的定子永磁体和动子永磁体在三个相互正交的方向按照n×n×n的形式交替阵列布置或者设定数量的定子永磁体和动子永磁体在三个相互正交的方向按照a×b×c的形式交替阵列布置，其中，a、b、c和n均为正整数，且大于等于2，三个阵列方向分别为第一、第二和第三阵列方向，分别用x向、y向和z向表示，所有的定子永磁体通过定子连接架连接在一起并最终固定在定子框架上，所有的动子永磁体通过动子连接架连接在一起并最终并固定到动子框架上。

3、其中，第一、第二和第三阵列方向上，所有定子永磁体的励磁方向均与z向平行，所有定子永磁体的励磁方向与所有动子永磁体的励磁方向相反，通过设定的阵列排布，对定子永磁和动子永磁体体间吸引力和排斥力进行组合，使得定子永磁体与动子永磁体在x向、y向上的作用力呈现负刚度特性，在z向上呈现正刚度特性。

4、整个二维磁负刚度机构在x向、y向、z向三个方向的刚度kx、ky、kz满足如下关系：

5、kx+ky+kz＝0。

6、进一步的，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均为长方体或圆柱体，所述永磁体的棱边处为直角、圆角或者倒角。

7、进一步的，定子永磁体和动子永磁体尺寸规格相同，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体在同一阵列方向上的尺寸一致，所有永磁体在垂直于第三阵列方向上的横截面为长方形或圆形。

8、进一步的，永磁体在x、y方向上的间距相等，为永磁体宽度尺寸的0.5倍～0.75倍，永磁体在z向的间距为永磁体高度尺寸的0.3倍～0.5倍。可通过改变x、y、z三个方向的间距得到不同的负刚度值以匹配不同刚度的减振器。

9、进一步的，定子永磁体至少为12个，动子永磁体至少为14个。

10、进一步的，永磁体可在三维方向进行阵列布置时，在z向上阵列的层数为(2q+1)，在x向和y向上阵列的行数和列数分别为(2m+1)和(2n+1)，其中m、n、q为自然数。

11、进一步的，定子框架与动子框架之间沿第一阵列方向和第二阵列方向设置无摩擦或近零摩擦的直线导向件，以用于约束其在其他方向上的运动，使动子框架相对于定子框架沿第一阵列方向和第二阵列方向只能做直线运动，从而保证磁负刚度特性更为稳定。所述的直线导向件为气浮直线导轨、液压直线导轨或精密滚珠直线导轨。

12、按照本发明的第二个方面，这种高性能二维磁负刚度机构通过柔性转接件在第一阵列方向和第二阵列方向分别与正刚度弹簧并联，组成在两个方向具有超低刚度的减振器，可实现二维超低频减振。使用时，二维磁负刚度机构的定子框架通过柔性转接件与减振器定框架固定连接，或者动子框架通过柔性转接件与减振器动框架固定连接，这种柔性转接件在一个方向的刚度相对较高，而在其余方向的刚度则相对较低，使得减振器在并联这种磁负刚度机构之后在第一阵列方向和第二阵列方向的刚度被大幅降低，而其他自由度的刚度仅有少量增加。这种连接方式，使减振器在提升x向和y向减振性能的同时，对其他方向的减振性能不造成影响。所述的柔性转接件可以是柔性拉杆、柔性铰链等。

13、总而言之，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下益效果：

14、本发明中，定子永磁体和动子永磁体沿着三个相互正交的方向进行交替等间距阵列布置，构成结构紧凑的三维阵列形式，对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，每一块动子磁体同时作为斥力型磁负刚度机构磁体和吸力型磁负刚度机构磁体，负刚度线性度高，磁体利用率较高。

15、本发明实现了二维度的负刚度特性，能同时在两个维度上降低减振系统刚度，提升系统多维度的减振性能，并且能够保证系统的承载能力不变，能适应多种减振环境。

16、本发明的二维磁负刚度机构，其负刚度通过非接触的磁场力实现，无摩擦，避免了因摩擦力而引起的非线性问题，简单方便，能满足各类实际工程需要，易于在传统减振器上应用。

17、此外，在不改变磁负刚度机构作用范围和线性度的情况下，在定子框架和动子框架之间设置了近零摩擦的直线导向件，能限制定子永磁体和动子永磁体在x、y向的相对运动，使得本发明提出的二维磁负刚度机构特性更为稳定。

技术特征：

1.一种二维磁负刚度机构，其特征在于，其包括定子永磁体、动子永磁体、定子框架、动子框架、定子连接架和动子连接架，

2.如权利要求1所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，其在x向、y向、z向三个方向的刚度kx、ky、kz满足如下关系：

3.如权利要求2所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均为长方体或圆柱体，所述永磁体的棱边处为直角、圆角或者倒角。

4.如权利要求3所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，定子永磁体和动子永磁体尺寸规格相同，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体在同一阵列方向上的尺寸一致，所有永磁体在垂直于z向上的横截面为长方形或圆形。

5.如权利要求4所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，永磁体在x向、y向上的间距相等，为永磁体宽度尺寸的0.5倍～0.75倍，永磁体在z向的间距为永磁体高度尺寸的0.3倍～0.5倍，通过改变x、y、z三个方向的间距得到不同的负刚度值。

6.如权利要求5所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，定子永磁体数量至少为12，动子永磁体数量至少为14。

7.如权利要求6所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，永磁体在三维方向进行阵列布置时，在z向上阵列的层数为(2q+1)，在x向和y向上阵列的行数和列数分别为(2m+1)和(2n+1)，其中m、n、q为自然数。

8.如权利要求7所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，定子框架与动子框架之间沿x向和y向设置无摩擦或近零摩擦的直线导向件，以用于约束其在其他方向上的运动，使动子框架相对于定子框架沿x向和y向只能做直线运动，从而保证磁负刚度特性更为稳定，

9.如权利要求1-8任一所述的一种二维磁负刚度机构的应用，其特征在于，

技术总结
本发明提出了一种高性能二维磁负刚度机构，属于减振领域，包括定子永磁体组、动子永磁体组、定子框架和动子框架，设定数量的定子永磁体和动子永磁体沿着x、y、z三个相互正交的方向进行三维阵列且交错布置，所有永磁体的励磁方向与z向平行，所有定子永磁体励磁方向相同且与所有动子永磁体励磁方向相反。z向相邻永磁体在x向和y向的排斥力表现为负刚度特性，且其绝对值随着位移的增大而减小，x向或y向相邻永磁体分别在x向或y向的吸引力表现为负刚度特性，且其绝对值随着位移的增大而增大。通过将这两种具有相反特性的负刚度并联，使得本发明提出的二维磁负刚度机构负刚度线性度高，结构紧凑，能同时实现两个维度的负刚度。

技术研发人员：陈学东,刘荣兴,张富翔,吴九林,曾理湛,姜伟
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15