一种采用环形永磁铁的电磁分支电路阻尼吸振器

技术领域

本发明属于机械振动减振技术领域，具体涉及一种采用环形永磁铁的电磁分支电路阻尼吸振器。

背景技术

机械振动会产生各种危害，它常常是造成机械结构恶性破坏和失效的直接原因。结构的振动控制问题，长期以来一直是科研工作者们研究对象，在实际工程应用中，如何有效地抑制结构的振动，同样是机械工程、航天航空、车辆工程等各个领域所关切的问题。

电磁分支电路阻尼技术作为一种新出现的减振技术，由于其具有响应速度快、作动力大、结构简单等特点，很快成为科研工作者的关注热点。电磁分支电路阻尼吸振器利用了电磁学基本原理，首先，利用了闭合电路的导线在磁场中作切割磁感线运动导线中就会产生电流的现象，然后，通过使用通电导线在磁场中产生的安培力来提高结构的阻尼力，从而抑制结构的振动，同时，合理地设计分支电路，能使振动能量以焦耳热的形式耗散在电路中，从而实现结构的振动控制。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用环形永磁铁的电磁分支电路阻尼吸振器，主要利用同轴布置的永磁铁和闭合线圈间的相对运动产生阻尼力，抑制结构原本的振动，并通过负电阻负电感分支电路增强吸振的效果；具有响应速度快、作动力大、结构简单的特点；能够对梁、板、壳等结构进行吸振控制，并且可以同时对多阶振动模态进行吸振控制。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用环形永磁铁的电磁分支电路阻尼吸振器，由电磁阻尼吸振器和分支电路两部分组成，所述电磁阻尼吸振器包括中轴杆1，套入中轴杆1上并固定在中轴杆1上的套筒2，缠绕在套筒2外壁上的线圈9；磁轭5通过其中心孔洞中固定的滑动轴承3套入中轴杆1上，环形永磁铁4附着于磁轭5的内壁上，所述套筒2套入磁轭5，使线圈9位置处于磁轭5中央，磁轭5的上端通过上弹簧10与套筒2连接，磁轭5的下端通过下弹簧8与固定在中轴杆1上的底盖6连接；所述中轴杆1的上端通过螺母固定于吸振对象，则套筒2及其外壁上缠绕的线圈9也固定于吸振对象，磁轭5及附着于其内壁上的环形永磁铁4沿中轴杆1上下振动，即环形永磁铁4与线圈9相对运动；

所述分支电路采用负电阻负电感分支电路，将电磁阻尼吸振器的线圈9两端接入成为一个完整的回路，线圈9在回路中相当于一个由线圈电阻R_e和线圈电感L_e组成的正阻抗Z+，负电阻负电感分支电路主要由一个运算放大器A和两个等值电阻R₁、一个电阻R_shunt和一个电感L_shunt构成，具体连接关系为：线圈9一端接地，另一端与运算放大器A的反相输入端相连，两个等值电阻R₁一个接在运算放大器A的反相输入端与输出端之间，另一个接在正相输入端与输出端之间，电阻R_shunt和电感L_shunt串联，一端接地，另一端与正相输入端相连；在电路中，两个等值电阻R₁相互抵消，电阻R_shunt和电感L_shunt串联接入运算放大器的正相输入端产生负电阻负电感的效果，整个负电阻负电感分支电路相当于一个负阻抗Z-，正阻抗Z+接入运算放大器的反相输入端-，负阻抗Z-的作用是抵消正阻抗Z+，使整体阻抗减小，从而增加电路耗散能量的能力，最终增强吸振器的能力。

所述环形永磁铁4的材料选择磁性强的汝铁硼，采用辐射充磁，使其磁化方向为径向。

所述磁轭5采用导磁率高的材料。

其他零部件的材料优选非导磁性或弱导磁性的材料。

所述环形永磁铁4的高度在20mm-30mm之间，厚度在4mm-6mm之间，外径在20mm-25mm之间；所述磁轭比永磁体高5mm-8mm，其最大外径在52mm-57mm之间；所述分支电路中的电阻R_shunt和电感L_shunt的绝对值分别为线圈圈电阻R_e和线圈电感L_e绝对值的80％-90％。

所述滑动轴承3在磁轭5上的固定方式为粘接。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、传统的动力吸振器是通过使吸振器的固有频率与吸振对象某一阶固有频率相同而产生控制来进行吸振，因此只能对单模态(某一阶固有频率)进行吸振控制，而本发明设计的电磁分支电路阻尼吸振器可以同时对多模态(几阶固有频率)进行吸振控制。这是由于，对于多阶振动而言，感应电动势亦满足叠加原理，即总感应电动势为各个模态感应电动势的叠加，则在电路中多阶模态相应的电流都会被耗散，负电阻负电感分支电路都能起到作用，从而实现多模态吸振。

2、可通过设计永磁铁4的高度、厚度以及磁轭5的几何参数，以及分支电路中负阻抗Z-的参数使得该电磁分支电路阻尼吸振器在吸振对象振动时产生很大的阻尼力。因此，该电磁分支电路阻尼吸振器对于梁板壳等较大的结构的振动有良好的吸振控制效果，且非线性效应较小。

3、相对其他采用智能材料与智能结构的振动控制方式，本发明的结构简单，效果佳，作用力大

4、现有设计的电磁阻尼吸振器在线圈位置产生的磁感应强度不够大或者分布不均匀，本发明设计的沿径向充磁的永磁铁4与磁轭5的组合，使电磁阻尼吸振器在线圈位置产生的磁感应强度足够大且分布均匀。

5、利用滑动轴承3与中轴杆1配合，限制了永磁体4与磁轭5构成的整体的径向运动；同时，相对运动过程中的摩擦阻尼很小.

6、本发明可以通过调节上弹簧10和下弹簧8的弹性系数来调整控制振动频率的大体范围，增强控制效果。

总之，本发明所提出的电磁分支电路阻尼吸振器，对较大幅值的梁板壳等结构的多模态振动都具有很好的吸振效果。而且，本发明提出的隔振器结构简单，装拆方便，可靠性高。

附图说明

图1为本发明电磁分支电路阻尼吸振器模型示意图。

图2为本发明电磁分支电路阻尼吸振器的装配示意图。

图3为本发明电磁分支电路阻尼吸振器的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：

本发明一种采用环形永磁铁的电磁分支电路阻尼吸振器，由电磁阻尼吸振器和分支电路两部分组成，其中电磁阻尼吸振器的线圈9两端延伸出来，与负电阻负电感分支电路形成回路。如图1和图2所示，将套筒2、上弹簧10、磁轭5、底盖6、下弹簧8依次套入中轴杆1中，并用上螺母11和下螺母7分别固定套筒2的上端和底盖6的下端，此时，上弹簧10顶在套筒2与磁轭5之间，下弹簧8顶在磁轭5与底盖6之间，需要调整套筒2、磁轭5与底盖6之间的间距，使弹簧具有一定的压缩量，并且套筒2是伸入磁轭5与永磁铁4的间隙中间的，由于没有接触，这里避免了摩擦力的产生。对于线圈9，是缠绕在套筒2外壁上的，具体缠绕匝数在间隙空间允许范围内越多越好，缠绕后的线圈9两端延伸出来，与分支电路相连。对于永磁铁4，是附着于磁轭5内壁上的，由于磁力吸引，可以很好地与磁轭5附着，而滑动轴承3需要通过粘接等方式牢固地附着于磁轭5中央，通过使用滑动轴承3可以很好地减小与中轴杆1之间的摩擦力。装配成型后，通过中轴杆1的上端，用螺母固定于吸振对象。

如图3所示，所述分支电路采用负电阻负电感分支电路，将电磁阻尼吸振器的线圈9两端接入成为一个完整的回路，线圈9在回路中相当于一个由线圈电阻R_e和线圈电感L_e组成的正阻抗Z+，负电阻负电感分支电路主要由一个运算放大器A和两个等值电阻R₁、一个电阻R_shunt和一个电感L_shunt构成，具体连接关系为：线圈9一端接地，另一端与运算放大器A的反相输入端相连，两个等值电阻R₁一个接在运算放大器A的反相输入端与输出端之间，另一个接在正相输入端与输出端之间，电阻R_shunt和电感L_shunt串联，一端接地，另一端与正相输入端相连。在电路中，两个等值电阻R₁相互抵消，电阻R_shunt和电感L_shunt串联接入运算放大器的正相输入端产生负电阻负电感的效果，整个负电阻负电感分支电路相当于一个负阻抗Z-，正阻抗Z+接入运算放大器的反相输入端，负阻抗Z-的作用是抵消正阻抗Z+，使整体阻抗减小，从而增加电路耗散能量的能力，最终增强吸振器的能力。

作为本发明的优选实施方式，所述环形永磁铁4的材料选择磁性强的汝铁硼，采用辐射充磁，使其磁化方向为径向。所述磁轭5采用导磁率高的材料。其他零部件的材料优选非导磁性或弱导磁性的材料。

作为本发明的优选实施方式，所述环形永磁铁4的高度在20mm-30mm之间，厚度在4mm-6mm之间，外径在20mm-25mm之间；所述磁轭比永磁体高5mm-8mm，其最大外径在52mm-57mm之间；所述分支电路中的电阻R_shunt和电感L_shunt的绝对值分别为线圈圈电阻R_e和线圈电感L_e绝对值的80％-90％。

作为本发明的优选实施方式，所述滑动轴承3在磁轭5上的固定方式为粘接。

本发明的工作原理如下：电磁阻尼吸振器固定于吸振对象，当吸振对象以单模态或多模态形式产生振动时，吸振器会随之振动，产生振动后，由于上弹簧10和下弹簧8的支撑与滑动轴承3的径向约束，电磁阻尼吸振器中的线圈9与永磁铁4会产生垂直方向上的相对运动，线圈9产生感应电动势，在线圈9与分支电路组成的回路中产生电流，通电线圈9在磁场中产生安培力即电磁阻尼力，这个力会抑制被控对象的振动，达到抑制振动的效果，而负电阻负电感分支电路使总电阻总电感减小，从而使所吸收的振动能量尽可能转换为电能，在电路中以焦耳热的形式耗散，增强吸振的效果。综上，该电磁分支电路阻尼吸振器具有响应速度快、作用力大、结构简单的特点，对于梁板壳等结构的多模态振动有良好的吸振效果。