一種具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈簧的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型的目的在于提供一種具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈簧，包括定子、動子，定子設(shè)置在動子的外部，動子上纏繞有線圈，動子和定子的工作表面設(shè)置矩形齒圈，動子矩形齒圈與定子矩形齒圈的位置相對應(yīng)且兩者之間存在氣隙，定子矩形齒圈的齒距大于動子矩形齒圈的齒寬，線圈未通電時，定子矩形齒圈每個齒槽的位置分別對應(yīng)動子矩形齒圈的一個磁齒。本實(shí)用新型通過定子齒槽與動子磁齒相對應(yīng)以及確定兩者寬度的最優(yōu)比值，電磁彈簧在工作行程內(nèi)僅具有線性負(fù)剛度特性，其非線性負(fù)剛度特性消失，這一點(diǎn)是現(xiàn)有負(fù)剛度結(jié)構(gòu)做不到的。
【專利說明】
-種具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈黃
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及的是一種振動控制裝置，具體地說是電磁彈黃。
【背景技術(shù)】
[0002] 準(zhǔn)零剛度隔振器因其優(yōu)異的高靜態(tài)剛度、低動態(tài)剛度特性近些年得到越來越多的 研究，負(fù)剛度結(jié)構(gòu)作為準(zhǔn)零剛度隔振器的核屯、構(gòu)件，其好壞直接影響到所設(shè)計隔振器的隔 振性能。
[0003] 到目前為止，科研人員已能通過多種途徑實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度，其中典型的方法有:機(jī)械彈 黃式、磁鐵式、橡膠式W及電磁鐵式。（[1]R.A.化r址im. "Recent advances in nonlinear passive v;Lbration isolators."J.Sound V;Lb,2008)然而，所有運(yùn)些方案所實(shí)現(xiàn)的負(fù)剛度 特性存在一個必須面對的問題:非線性剛度特性的出現(xiàn)。
[0004] 公開號為CN 103398139B的專利利用蝶形橡膠材料作為負(fù)剛度彈性元件，提出了 一種碟形橡膠準(zhǔn)零剛度隔振器。該專利與已有準(zhǔn)零剛度隔振器相比，具有承載量大、體積 小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但其在實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度的同時亦會引入非線性，運(yùn)一情況會導(dǎo)致所設(shè)計隔振 器在實(shí)際工作時會產(chǎn)生跳躍現(xiàn)象甚至更復(fù)雜的動力學(xué)行為。
[0005] 綜上所述，非線性的存在不但會對系統(tǒng)的動力學(xué)特性產(chǎn)生非常大的影響，并且可 W想到其在主動控制領(lǐng)域亦非常難于控制。為此，設(shè)計一款僅具有線性負(fù)剛度特性的機(jī)構(gòu) 十分必要，然而，查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，并未發(fā)現(xiàn)相關(guān)方面的研究工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈黃。
[0007] 本實(shí)用新型的目的是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[000引本實(shí)用新型一種具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈黃，其特征是:包括定子、動子，定 子設(shè)置在動子的外部，動子上纏繞有線圈，動子和定子的工作表面設(shè)置矩形齒圈，動子矩形 齒圈與定子矩形齒圈的位置相對應(yīng)且兩者之間存在氣隙，定子矩形齒圈的齒距大于動子矩 形齒圈的齒寬，線圈未通電時，定子矩形齒圈每個齒槽的位置分別對應(yīng)動子矩形齒圈的一 個磁齒。
[0009] 本實(shí)用新型一種具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈黃，其特征是:包括定子、動子，定 子設(shè)置在動子的內(nèi)部，定子上纏繞有線圈，動子和定子的工作表面設(shè)置矩形齒圈，動子矩形 齒圈與定子矩形齒圈的位置相對應(yīng)且兩者之間存在氣隙，定子矩形齒圈的齒距大于動子矩 形齒圈的齒寬，線圈未通電時，定子矩形齒圈每個齒槽的位置分別對應(yīng)動子矩形齒圈的一 個磁齒。
[0010] 本實(shí)用新型的優(yōu)勢在于:通過定子齒槽與動子磁齒相對應(yīng)W及確定兩者寬度的最 優(yōu)比值，電磁彈黃在工作行程內(nèi)僅具有線性負(fù)剛度特性，其非線性負(fù)剛度特性消失，運(yùn)一點(diǎn) 是現(xiàn)有負(fù)剛度結(jié)構(gòu)做不到的。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖2為本實(shí)用新型的靜態(tài)磁場分布圖；
[0013] 圖3為電磁彈黃結(jié)構(gòu)不同齒寬比下的力-位移曲線圖；
[0014] 圖4為電磁彈黃結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖舉例對本實(shí)用新型做更詳細(xì)地描述：
[0016] 結(jié)合圖1~4,本實(shí)用新型一種具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈黃，不同于傳統(tǒng)的電 磁彈黃的磁齒與磁齒對應(yīng)，其動子磁齒與定子齒槽相對應(yīng)。
[0017] 電磁彈黃結(jié)構(gòu)主要包括=部分:動子、線圈和定子。需要說明的是，動子與定子僅 表示磁齒結(jié)構(gòu)的相對性，實(shí)際應(yīng)用時，兩者可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況互換。線圈固定于動子上， 動子與定子的工作表面上加工有等寬但呈錯位分布矩形齒圈，兩者之間存在很小的氣隙。 需要說明的是，為實(shí)現(xiàn)線性負(fù)剛度，本實(shí)用新型中定子磁齒的齒距與動子磁齒的齒寬并不 相等，兩者比值的大小取決于具體設(shè)計尺寸。
[0018] 圖1為本實(shí)用新型電磁彈黃結(jié)構(gòu)二維軸對稱示意圖。電磁彈黃結(jié)構(gòu)主要包括=個 構(gòu)件:動子1、線圈2W及定子3。線圈2固定于動子1上，動子1與定子3的工作表面上加工有等 寬但呈錯位分布矩形齒圈，兩者之間存在留有一定氣隙4。安裝時，動子1的磁齒與定子3的 齒槽相對應(yīng)。線圈2通電時，所產(chǎn)生的磁場會先后沿著動子1、氣隙4、定子3、氣隙4、動子1形 成閉合磁路。工作時，動子1磁齒與定子3齒槽錯位，產(chǎn)生具有線性負(fù)剛度特性的電磁力。
[0019] 電磁彈黃結(jié)構(gòu)采用磁齒對齒槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，但定子3齒距較動子1齒寬更大， 采用該種設(shè)計可消除電磁負(fù)剛度的非線性特性，W獲得僅具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈 黃。詳細(xì)設(shè)計原理W及技術(shù)方案陳述如下：
[0020] 磁齒式電磁彈黃發(fā)生軸向錯位時電磁力為：
[0021] Fem =時+化3
[0022] 式中，X為軸向位移，a、e代表X不同次幕項(xiàng)的系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，0的符號（sgn(e))與 定子3齒距(DS)和動子1齒寬(WA)的比值（丫=DS/WA)有關(guān)，存在某一臨界值丫 C，使得Sgn (e)滿足：
[0023]
[0024] 可W看出，在丫 = 丫 C的情況下，電磁力與軸向位移之間為線性變化關(guān)系，可滿足 僅具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈黃的設(shè)計需要。考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，T C的確定可借助于 商業(yè)化有限元磁場計算軟件來實(shí)現(xiàn)，例如C0MS0L、ANS0FT、ANSYS。
[0025] 具有線性剛度特性的電磁彈黃結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)例：
[0026] 1、設(shè)計內(nèi)容
[0027] 利用有限元電磁場計算軟件完成具有線性剛度特性的電磁彈黃結(jié)構(gòu)設(shè)計。
[002引2、仿真參數(shù)
[0029] 本實(shí)用新型電磁彈黃結(jié)構(gòu)選取COMSOL作為有限元電磁場仿真軟件，仿真參數(shù)詳見 圖4。仿真過程中，動子齒寬為4mm，定子齒距變化范圍為4~8mm。有兩點(diǎn)需要說明：1)為保證 動子磁齒與定子齒槽的對稱性，動子齒距亦需要隨定子齒距同步變化;2)由于實(shí)際仿真時 數(shù)據(jù)量過大，圖4中僅展示了四種特殊情況。
[0030] 3、仿真結(jié)果
[0031] 圖2為本實(shí)用新型電磁彈黃結(jié)構(gòu)靜態(tài)磁場分布圖。通過該圖可確定磁路設(shè)計的合 理與否，為后續(xù)分析提供合理性依據(jù)?？蒞看出，在圖4所示的設(shè)計參數(shù)下，所設(shè)計電磁彈黃 結(jié)構(gòu)磁路合理。
[0032] 圖3為本實(shí)用新型電磁彈黃結(jié)構(gòu)不同齒寬比下的力-位移曲線圖。在動子齒寬為 4mm的情況下，研究定子齒距與動子齒寬不同比值下電磁彈黃結(jié)構(gòu)的力-位移曲線變化趨 勢。定子齒距與動子齒寬相等時，丫 =1.000,〇<0、於0,此時可獲得漸軟剛度曲線;在丫增大 到l.375時，此時曰<〇、於0,此時雖獲得更大的一次項(xiàng)剛度，然而所獲得剛度曲線仍為漸軟曲 線;在丫增大到1.688時，此時a<〇、P S 0,此時可獲得近似線性剛度曲線；丫繼續(xù)增大時，a< 〇、0<〇,此時可獲得漸硬剛度曲線。在充分的仿真計算基礎(chǔ)上，可確定丫 C = I.688,從而選擇 定子齒距6.75mm作為最佳設(shè)計尺寸，最終可獲得僅具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈黃。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈簧，其特征是:包括定子、動子，定子設(shè)置在動子 的外部，動子上纏繞有線圈，動子和定子的工作表面設(shè)置矩形齒圈，動子矩形齒圈與定子矩 形齒圈的位置相對應(yīng)且兩者之間存在氣隙，定子矩形齒圈的齒距大于動子矩形齒圈的齒 寬，線圈未通電時，定子矩形齒圈每個齒槽的位置分別對應(yīng)動子矩形齒圈的一個磁齒。2. -種具有線性負(fù)剛度特性的電磁彈簧，其特征是:包括定子、動子，定子設(shè)置在動子 的內(nèi)部，定子上纏繞有線圈，動子和定子的工作表面設(shè)置矩形齒圈，動子矩形齒圈與定子矩 形齒圈的位置相對應(yīng)且兩者之間存在氣隙，定子矩形齒圈的齒距大于動子矩形齒圈的齒 寬，線圈未通電時，定子矩形齒圈每個齒槽的位置分別對應(yīng)動子矩形齒圈的一個磁齒。
【文檔編號】F16F6/00GK205423657SQ201620198824
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】劉學(xué)廣, 韓超, 范朝陽, 張佳琪, 呂紹平, 黃迪, 葉天貴, 宿柱
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)