电磁力与重力复合驱动的全主动吸振系统及其使用方法

1.本发明属于振动抑制领域，特别提供一种电磁力与重力复合驱动的全主动吸振系统。


背景技术：

2.动力吸振器最早出现于1909年，与隔振器相比，动力吸振器的优点在于其可以实现小型轻量化设计、对被控对象原结构破坏小、而同时又具有杰出的制振性能，其在机械振动抑制、建筑制振等领域具有广阔的应用范围。动力吸振器是广泛应用于工程实践中的一种减振技术。其通过在被控主振系的特定部位附加一个具有质量和刚度的子系统即动力吸振器，通过合理地选择动力吸振器的动力参数、结构形式及与主振系的耦合关系，从而改变主振系的振动状态，使能量重新分配，即将主振系上的振动能量转移到动力吸振器上，从而减少或消除主振系的振动。对于通常可以简化为单自由度质量弹簧系统的动力吸振器而言，就是要将附加子系统的质量和刚度调谐至其固有频率与主振系激励频率相同，从而引起动力吸振器发生反共振，使被控主振系的振动能量最大程度地输入到动力吸振器上，达到对被控主振系减振的目的。由于动力吸振器结构简单、减振效果明显、易于实施，因此在工程实践中得到了广泛应用。
3.动力吸振器最早的工程应用见于1909年frahm在德国邮船上安装的防振水箱，但是当时并没有明确它的基本构造和原理。1928年j.ormondroyd和den hartog通过对单自由度振动系统的研究，提出了利用动力吸振器的阻尼作用降低主振动系统振幅的动力吸振器设计思想，确定了最优阻尼的存在，建立了动力调谐原理。在此基础上，hahnkamm利用振幅曲线上存在两个不受阻尼大小影响的定点现象，推导出了动力吸振器的最优同调频率。随后，brock于1946年推导出了最优阻尼的关系，形成了完整的关于传统的动力吸振器的理论体系。从上世纪中后期开始，人们的研究重点主要是在传统吸振器的基础上，通过改变结构特点、利用特殊材料等来不断寻求适合当今技术发展要求的动力吸振技术。比如，多重动力吸振器、利用记忆合金和磁流变体等智能材料设计的新型吸振器。
4.从技术特点上来看，可以将动力吸振器分为被动吸振器，半主动吸振器和主动吸振器。传统来讲，我们用来抑制振动的方法主要是被动式吸振器，被动吸振器的各项参数设定后就不再改变，因此主要适用于对单一激励频率进行振动抑制，其结构简单、性能稳定，但控制频率范围太窄。主动吸振器的最大特点是根据被控对象的实际振动情况，对被控对象产生一个反相作动力，抵消原振动，实现减振目标，其控制精度和减振效果最好，但结构复杂且能耗较高，而且对控制系统的要求非常高，因此主要被应用于光学设计或精密加工等对减振效果要求很高的领域。半主动吸振器也称为自调谐吸振器，它的某些参数（频率、阻尼和质量）可在线改变，因此其能够针对变化的激励频率进行减振，宽频减振效果较被动吸振器有很大提高。半主动吸振器介于前两者之间，其减振效果接近主动吸振器，而且结构相对简单、控制方便、耗能较少，但控制效果和灵活性不及主动吸振器。
5.现有技术中已有的主动吸振器均是在整个控制周期内对主动惯性力进行实时控
制，所需控制能耗较大。本发明只需要在动子与定子吸合过程中产生电磁力，而在动子与定子彼此松开过程中仅需重力作用即可产生惯性力，相当于电磁力只在半个周期内作用，可以节省主动控制系统所需能耗。


技术实现要素：

6.针对上述情况，本发明提供一种电磁力与重力复合驱动的全主动吸振系统及其使用方法，吸振器的定子为不锈钢材质，在线圈通电后可与其产生磁吸力，在电磁力与重力的共同驱动下，定子与动子产生相对运动，通过改变线圈电流的大小可以控制动子运动产生的惯性力；通过传感器实时采集被控振动系统的振动数据，包括振动频率、幅值、相位等，将数据反馈到吸振器控制系统中，驱动吸振器产生与振动激励力同频率同幅值但相位相反的作用力，从而抵消激励力对减振对象的作用，实现主动抑振。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电磁力与重力复合驱动的全主动吸振系统，电磁力与重力复合驱动的吸振系统，所述电磁力与重力复合驱动的吸振系统电连接有耦合动力学主动控制系统；所述耦合动力学主动控制系统用于接收减振对象的振动信号，然后控制电磁力与重力复合驱动的吸振系统电路各时间点通入电流的大小产生抵消激励力抑制减振对象的振动；电磁力与重力复合驱动的吸振系统产生电磁力与重力相互配合协调工作，在沿着重力方向可以实时产生惯性力抑制减振对象的振动；当在电磁力与重力复合驱动的吸振系统中通入控制电流时，产生方向向上、幅值大于重力的电磁力，惯性力向上，以抵抗向下的激励力；当在电磁力与重力复合驱动的吸振系统中断开控制电流时，电磁力消失，在重力作用下产生向下的惯性力，以抵抗向上的激励力；这样通过输入电磁力与重力复合驱动的吸振系统的电流，即控制惯性力对抑制减振对象的振动；其中，所述电磁力与重力复合驱动的吸振系统包含外框架定子，外框架定子内安装有动子铁芯；动子铁芯的顶部和/或底部通过机械弹簧元件与外框架定子相连；动子铁芯上缠绕有动子控制线圈；动子控制线圈通电与断电时，动子铁芯处于不同的位置。
8.进一步的改进，所述耦合动力学主动控制系统包含信息采集模块、振动特征识别模块和耦合动力学模块；所述信息采集模块用于采集减振对象的振动信号；振动特征识别模块用于对采集的振动信号进行处理得到振动特征频率、幅值及相位；耦合动力学模块用于根据振动信号的振动特征频率、幅值及相位控制动子控制线圈各时间点通入电流的大小，产生抵消激励力抑制减振对象的的振动。
9.进一步的改进，所述动子铁芯外圆圆周上设置有凸起的动子齿，所述外框架定子内部圆周上也设计有凸起的定子齿； 当动子控制线圈断电时，动子齿与定子齿处于不同的高度，当动子控制线圈通电时，动子齿和定子齿之间相互吸引，使得动子铁芯位置出现变化。
10.进一步的改进，所述电磁力与重力复合驱动的吸振系统安装于被控振动系统的外围。
11.进一步的改进，所述被控振动系统包括安装台，安装台与地面或基础之间连接有弹簧和阻尼器。
12.一种电磁力与重力复合驱动的全主动吸振系统的使用方法，包括如下步骤：
步骤一、通过耦合动力学主动控制系统中的信息采集模块将减振对象的振动信号采集进入系统，振动特征识别模块和耦合动力学模块对振动信号进行处理，计算出对应的动子控制线圈的控制电流，实现对吸振器的实时控制；步骤二、根据计算得到的控制电流控制动子控制线圈中是否通入电流，以及各时间点通入电流的大小，控制外框架定子与动子铁芯出现相对运动，产生与减振对象的振动相反的抵消激励力。
13.进一步的改进，所述步骤二中，通过控制在各个时间点是否对动子控制线圈通入电流产生与减振对象的振动相反的抵消激励力：根据动子控制线圈中是否通入电流，所述电磁力与重力复合驱动的吸振系统产生状态1和状态2；状态1：在动子控制线圈中通入电流，电磁力克服重力，所述外框架定子上的定子齿与所述动子铁芯上的动子齿彼此吸合，且一一对应；状态2：断开动子控制线圈中的电流，重力克服机械弹簧元件回复力做功，所述外框架定子上的定子齿与所述动子铁芯上的动子齿不再吸合，所述动子铁芯和动子控制线圈产生静变形；通过控制动子控制线圈中的电流通断，使所述电磁力与重力复合驱动的吸振系统在状态1和状态2中反复切换，产生主动惯性力对被控振动系统1进行主动振动控制。
14.本发明的有益效果为：1、本发明定子使用的并不是永磁材料，避免了线圈子不通电情况下所述定子吸附在一起，防止动子中心在磁吸力的作用下发生偏移，安装方便，确保吸振器达到最佳吸振状态；2、本发明采用的是重力驱动的方式，即依靠重力于电磁力的相互作用，使得动子与定子相互运动，产生惯性力来抵消振动激励对减振对象的影响；与传统的吸振器相比，重力方向上无永磁体非线性力作用，重力为恒定力，故运动性能更加稳定，控制系统更加简单。
15.3、本发明只需要在动子与定子吸合过程中产生电磁力，而在动子与定子彼此松开过程中仅需重力作用即可产生惯性力，相当于电磁力只在半个周期内作用，可以节省主动控制系统所需能耗。
附图说明
16.图1为本发明提供的一种电磁力与重力复合驱动的全主动吸振系统结构及原理简图；图2为电磁力与重力复合驱动的吸振系统工作状态1的示意图；图3为电磁力与重力复合驱动的吸振系统工作状态1的原理图图4为电磁力与重力复合驱动的吸振系统工作状态2的示意图；图5为电磁力与重力复合驱动的吸振系统工作状态2的原理图图6为耦合动力学主动控制系统原理示意图；图中标号：1、被控振动系统；11、安装台；12、弹簧；13、阻尼器；2、电磁力与重力复合驱动的吸振系统；3、耦合动力学主动控制系统；4、动子铁芯；5、动子控制线圈；6、外框架
定子；7、信息采集模块；8、振动特征识别模块；9、耦合动力学模块。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
18.现有技术中已有的主动吸振器动子采用的是永磁材料，收磁力影响安装困难，磁力呈非线性状，控制难度较大。
19.如图1所示，本发明提供如下技术方案：一种电磁力与重力复合驱动的全主动吸振系统，根据工作原理本发明可以分为被控振动系统1、电磁力与重力复合驱动的吸振系统2和耦合动力学主动控制系统3；电磁力与重力复合驱动的吸振系统2包括动子铁芯4、动子控制线圈5、外框架定子6、机械弹簧元件7；耦合动力学主动控制系统3包括信息采集模块8、振动特征识别模块9和耦合动力学模块10；如图1所示，电磁力与重力复合驱动的吸振系统2安装在被控振动系统1的外表面，通过耦合动力学主动控制系统3中的信息采集模块8将振动信号采集进入系统，耦合动力学主动控制系统3根据振动信号输出控制电流，实现对吸振器的实时控制；动子铁芯4外圆圆周上设置有两对凸起的动子齿，外框架定子6内部圆周上亦设置有两对凸起的定子齿，外框架定子6上的定子齿与动子上的动子齿相对，并且二者之间留有一定的间隙，即动子齿外圈直径小于定子齿内圈直径，保证外框架定子6与动子铁芯4之间的相对运动，动子齿与定子齿中心线位于同一水平面上，根据动子控制线圈5中是否通入电流，电磁力与重力复合驱动的吸振系统2会产生两种状态；状态1：如图2和图3所示，在动子控制线圈5中通入电流，电磁力克服重力，外框架定子6上的定子齿与动子铁芯4上的动子齿彼此吸合，且一一对应；状态2：如图图4和图5所示，断开动子控制线圈5中的电流，重力克服机械弹簧元件7回复力做功，外框架定子6上的定子齿与动子铁芯4上的动子齿不再吸合，动子铁芯4和动子控制线圈5产生静变形；如图6所示，耦合动力学主动控制系统3使用信息采集模块8采集被控振动初级系统的振动信号，经过振动特征识别模块9从混杂了本底噪声的振动信号中提取出振动特征频率、幅值及其相位，然后通过耦合动力学模块10控制动子控制线圈5中的电流，可以使电磁力与重力复合驱动的吸振系统2在状态1和状态2中反复切换，产生主动惯性力抵消激励力对减振对象的作用，达到主动抑制振动的效果。
20.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。