可串联非对称齿距电磁式半主动吸振器

摘要

本发明的目的在于提供可串联非对称齿距电磁式半主动吸振器，包括吸振器单元，所述的吸振器单元包括上端盖、下端盖、定子套筒，定子套筒分别与上端盖和下端盖相连从而构成框架，框架里安装动子，动子中间穿过动子轴，动子轴上端位于上端盖之上，动子轴下端位于下端盖处，动子轴与动子过盈配合，动子中部外表面设置环形槽，环形槽里安装有励磁线圈，定子套筒上开有孔，引线连接励磁线圈并从孔中穿出。本发明针对以往的不足，提供一种能够振动不同被控对象的质量实现多个吸振器串联功能的吸振器。采用能发挥吸振器的最佳性能的最优齿宽比，电磁力比以往的电磁式半主动吸振器提高了1倍以上；添加了吸振器失效保护措施。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种减振装置。 

背景技术

有害振动不仅影响设备寿命，还降低仪器仪表的测量精度，同时影响操作人员的正常工作，为了抑制有害振动，人们开展了大量研究。在振动控制工程领域中，常用动力吸振器对被控对象的振动进行抑制。动力吸振器的工作原理是在被控对象上附加一个具有质量和刚度的结构，通过该附加结构的振动实现被控主振系振动能量的转移，从而达到吸振的目的。对于通常可简化为单自由度质量弹簧系统的动力吸振器而言，当吸振器的固有频率与目标频率一致时，吸振器发生共振，能够最大程度上转移被控对象的振动能量。 

被动的动力吸振器是质量和刚度参数固定的机械结构，其固有频率不可调节，因而只能控制单一频率的振动，适用范围很窄。为了对变工况运行的被控对象进行振动控制，出现了很多固有频率可调的半主动吸振器，也称为自调谐吸振器，大部分半主动吸振器通过改变刚度来改变其固有频率。中国专利CN102364156A和ZL201010209160.9提出的封闭结构线圈内置式半主动吸振器就是一种这样的电磁式半主动吸振器，其原理就是通过调节励磁线圈电流改变电磁刚度，进而达到调节吸振器固有频率的目的。但上述专利主要有三点不足：第一，因为吸振器与被控对象的质量比只有满足某一特点范围时，吸振效果才明显。所以该研究和大多数其他相关研究一样，只能适用于特定质量范围的被控对象，当针对不同质量的被控主振系时，需要重新设计制造吸振器；第二，电磁式吸振器中“电磁弹簧”的力——位移特性与齿圈结构的尺寸有很大关系，现有的电磁式吸振器其齿圈结构尺寸采用的都是0.5的齿宽比，经发明者研究发现这种齿宽比对吸振器的性能发挥是不利的；第三，缺少执行器故障保护措施。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种固有频率可随励磁电流连续变化、吸振质量可 通过结构串联进行调节的可串联非对称齿距电磁式半主动吸振器。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明可串联非对称齿距电磁式半主动吸振器，包括吸振器单元，所述的吸振器单元包括上端盖、下端盖、定子套筒，定子套筒分别与上端盖和下端盖相连从而构成框架，框架里安装动子，动子中间穿过动子轴，动子轴上端位于上端盖之上，动子轴下端位于下端盖处，动子轴与动子过盈配合，动子中部外表面设置环形槽，环形槽里安装有励磁线圈，定子套筒上开有孔，引线连接励磁线圈并从孔中穿出。 

本发明还可以包括： 

1、动子与上端盖之间安装有第一机械弹簧，动子与下端盖之间安装有第二机械弹簧。 

2、所述的动子轴上在与上端盖配合的地方加工有键槽，上端盖上在与动子轴配合的地方加工有键，键槽与键配合，使动子轴只能相对端盖轴向位移。 

3、包括两个或两个以上的吸振器单元，动子轴上端为带外螺纹的凸起，动子轴下端为带内螺纹的凹槽，吸振器单元之间以上下排列的方式串联，相邻两个吸振器单元之间通过各自的凸起和凹槽相连。 

4、所述的定子套筒内表面、动子外表面均加工有环形齿圈，齿圈的齿宽、齿距和齿数相等。 

5、所述的齿圈的齿宽比为0.2。 

6、所述的定子套筒和动子之间存在气隙。 

7、上端盖上设置制动孔。 

本发明的优势在于：本发明针对以往的不足，提供一种能够振动不同被控对象的质量实现多个吸振器串联功能的吸振器。 

（1）多个同样的该型吸振器可通过端盖与动子轴的分别刚性连接实现上下串联，串联后的多个吸振器可概括为一个具有更大吸振质量的吸振器，从而可以通过改变吸振器的串联个数来改变吸振质量，以使其适用于各种质量的被控对象。 

（2）齿宽比更加合理，齿宽比对吸振器性能的影响非常大，0.2的齿宽比能使吸振器的工作频率带宽和电磁刚度的线性度达到最好，传统电磁式吸振器 的齿宽比采用的是0.5，这对吸振器的性能是不利的。 

（3）上端盖加工有制动孔，当遇到被控对象等吸振器不能控制的情况时，为避免吸振器因动子的剧烈撞击而损害，可通过制动孔使用长螺栓将动子锁死。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为两个吸振器单元串联结构示意图； 

图3为吸振器制动原理图； 

图4为齿宽比对吸振器性能影响图。 

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： 

结合图1～4，本发明包括动子6，定子套筒8，励磁线圈7，动子轴2，上端盖4，下端盖10，机械弹簧5，轴盖1，制动孔盖3，直线轴承9等部分。定子套筒8、上端盖4、下端盖10构成了吸振器的固定部分。励磁线圈7安装在动子6的切槽中，动子6固定安装在动子轴2上，构成了吸振器的运动部分。动子上下部分的机械弹簧5套在动子轴2上，一端安放在动子上下表面的槽中，另一端抵在上下端盖上。机械弹簧5的主要作用是对动子进行定位，两机械弹簧刚度相同，长度不同，通过其压缩长度差产生的合力来抵消吸振质量的自重，实现动子齿圈与定子齿圈在初始状态时处于正对位置，安装时对齐误差可通过加减垫片来调整。 

本发明动子6中央外壁加工环形槽，励磁线圈7安装在环形槽内，动子轴2与动子6过盈配合，两个机械弹簧5安装在端盖与动子6之间用于对动子6进行支撑定位，上下端盖4、10安装在定子套筒8上下两端，动子6相对端盖沿轴向上下移动。动子轴2上端加工有带外螺纹的凸起，动子轴下端加工有带内螺纹的凹槽，凸起和凹槽可通过螺纹紧密配合。动子轴2在与上端盖4配合的地方加工有键槽，上端盖4在与动子轴2配合的地方加工有键，使动子轴2只能相对端盖轴向位移。定子套筒8内表面、动子6外表面均加工有环形齿圈，齿圈的齿宽、齿距和齿数相等。齿圈的齿宽比（齿宽与齿距之比）为0.2。定子套筒8和动子6之间存在微小气隙。上端盖4加工有制动孔3。 

动子轴2上端加工有带外螺纹的凸起，动子轴2下端加工有带内螺纹的凹 槽。凸起和凹槽可通过螺纹紧密配合，可实现两个相同本发明吸振器的动子轴固定连接。上下端盖四周加工有大小和位置相同的螺孔，可以实现两个相同本发明吸振器的定子套筒固定连接，两个吸振器的串联图如图2所示。 

定子套筒13和动子10的材料选用软磁材料电工纯铁，动子轴6采用的是40Cr，并经热处理以使其具有良好的表面硬度，其它部分采用的是铝合金Ly14。线圈导线11采用的是漆包圆铜线，标称直径为1mm，最大通入安全电流为2.75A，本发明设计的最大工作电流为2.5A，在最大安全电流范围内，可保证本发明可以长久安全地运行。 

定子套筒8、定子齿圈、气隙、动子齿圈和动子6构成封闭磁路，励磁线圈7通入直流电后，在封闭磁路内形成磁场。当动子6与定子套筒8没有相对位移时，动子齿圈与定子齿圈出于正对位置，齿间只存在垂直于齿面方向的电磁吸引力。当动子6与定子套筒8产生轴向位移后，动、定子小齿间气隙磁场随之偏移，产生了轴向的电磁回复力。在一定轴向位移范围内，该回复力与轴向位移成线性关系，回复力与位移的比值即电磁刚度，这一轴向位移范围即动子的有效行程，与小齿的齿宽比有关。 

当通入励磁线圈7的电流值改变时，磁路内磁场也发生改变，电磁刚度随之改变。 

吸振器的总刚度为电磁刚度和机械弹簧刚度之和，当没有通入电流时，吸振器的刚度为机械弹簧刚度，对应的是吸振器的最小固有频率；当通入2.5A时，吸振器的刚度为电磁刚度和弹簧刚度总和，对应的是吸振器的最大固有频率。通过仿真软件计算和实验，可以测出0～2.5A范围内每个电流值对应的固有频率。工作时，可以通过调节电流值来改变本发明的固有频率，从而追踪被控目标频率进行吸振。 

当单个吸振器工作时，吸振器通过下端盖四周的螺孔与被控主振系固定连接，使用轴盖与制动孔盖将吸振器上端盖密封，通过引线孔伸出的引线连接外界的电源和控制系统，进行工作，如图1所示。 

当两个相同的本发明吸振器串联工作时，上吸振器的下端盖与下吸振器的上端盖通过端盖四周的螺孔固定连接，上吸振器的动子轴下端与下吸振器的动子轴上端通过凸起和凹槽的螺纹固定连接，上下吸振器的引线通过连接变成一 根引线，从而使两个吸振器串联成一个新的“大吸振器”。依此类推，可以使n个吸振器串联成为一个新的“大吸振器”。由于n个吸振器串联后的轴向电磁力和吸振质量同时增大n倍，所以“大吸振器”与单个本发明吸振器在同样电流下对应的固有频率相同。需要说明的是，上下吸振器的凸起和凹槽螺纹配合亦宽松，串联时需通电使得电磁弹簧工作后才进行连接，这样能起到固定凸起和凹槽不在各自的小吸振器中转动的作用。 

单个本发明吸振器的吸振质量为m_a，n个本发明吸振器串联成为一个“大吸振器”后，则该“大吸振器”的吸振质量为nm_a。设被控主振系质量为m_z，根据振动控制理论可知，当质量比时，吸振效果才明显，另外考虑成本和实际应用的因素，质量比μ也不能过大，一般取0.1≤μ≤0.3。在实际应用中，可以根据被控主振系的质量，计算出需要串联的吸振器个数n，从而使串联后的“大吸振器”在质量比上符合要求。 

上端盖4加工有制动孔，直径为M10，当吸振器工作异常时，可使用M1O的长螺栓通过制动孔对动子进行锁死制动，防止动子异常撞击上下端盖造成损害。 

动子齿圈与定子套筒齿圈间的气隙非常小，所以在上下端盖外缘与定子套筒接触处加工切槽，用于对定子套筒进行定位，避免其发生径向微小偏移与动子齿圈发生摩擦。 

励磁线圈7导线的端部采用安装软线，可适应动子的高频反复运动。