一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统
阅读说明：本技术 一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统 (Near-zero stiffness vibration isolation system comprising combined magnetic negative stiffness mechanism ) 是由 姜伟 吴九林 陈学东 周一帆 吴明凯 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统,涉及隔振领域,其包括底座、负载平台、正刚度单元和组合型磁负刚度单元,正刚度单元和组合型磁负刚度单元位于底座和负载平台之间,正刚度单元和组合型磁负刚度单元并联,正刚度单元包括正刚度特性的弹性元件,弹性元件设置在底座和负载平台之间,组合型磁负刚度单元包括至少一个斥力型磁负刚度机构和至少一个吸力型磁负刚度机构,斥力型磁负刚度机构和吸力型磁负刚度机构并联。本发明为组合型的结构设计,可方便调节和匹配斥力型与吸力型磁负刚度机构的参数,能大幅提升隔振系统有效工作范围和刚度线性度,在宽的工作区域内实现综合刚度近零且工作稳定的隔振效果。(The invention discloses a near-zero stiffness vibration isolation system comprising a combined magnetic negative stiffness mechanism, which relates to the field of vibration isolation and comprises a base, a load platform, a positive stiffness unit and a combined magnetic negative stiffness unit, wherein the positive stiffness unit and the combined magnetic negative stiffness unit are positioned between the base and the load platform, the positive stiffness unit and the combined magnetic negative stiffness unit are connected in parallel, the positive stiffness unit comprises an elastic element with positive stiffness characteristics, the elastic element is arranged between the base and the load platform, the combined magnetic negative stiffness unit comprises at least one repulsion magnetic negative stiffness mechanism and at least one suction magnetic negative stiffness mechanism, and the repulsion magnetic negative stiffness mechanism and the suction magnetic negative stiffness mechanism are connected in parallel. The invention is a combined structural design, can conveniently adjust and match parameters of the repulsion type and suction type magnetic negative stiffness mechanisms, can greatly improve the effective working range and stiffness linearity of the vibration isolation system, and realizes the vibration isolation effect with near-zero comprehensive stiffness and stable work in a wide working area.)
技术领域
本发明涉及隔振领域，具体涉及一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统。
背景技术
振动问题普遍地存在于工业生产和工程的各个领域，随着各种机械设备向着高速、高精、高稳定性发展，它们对振动的要求越来越严格。需要利用隔振器隔离设备振动激励向其安装基础的传递，或者隔离安装基础的振动向设备的传递。
低隔振刚度和高承载能力是隔振器设计不断追求的目标，在常规线性刚度隔振系统中，二者通常相互矛盾，而采用正刚度和负刚度并联的方式是解决该矛盾的有效途径。磁体结构具有“同性相斥-异性相吸”的特性：同性磁体对在最大斥力方向的法向上具有负刚度特性，且负刚度幅值随磁体对的相对位移增大而减小；异性磁体对在最大吸力方向也具有负刚度特性，且负刚度幅值随磁体对的相对位移增大而增大。上述斥力型磁负刚度机构和吸力型磁负刚度机构均可用来与具有正刚度特性的弹性元件并联，形成“高静态刚度-低动态刚度”特性，以在保证承载能力的前提下实现较低的综合隔振刚度，解决隔振和承载的矛盾。
但是，上述两种磁负刚度机构的负刚度非线性特征明显，隔振器综合刚度难以在相对较宽的工作行程内近零且保持稳定，即隔振器综合刚度难以近零且稳定区域狭小；此外，由于这类机构狭小的负刚度稳定域，其装调往往特别困难，导致隔振系统实际工作区域往往会偏离所设计的低刚度区域，进一步造成实际隔振性能劣化。
因此，迫切需要发明线性度高、稳定域宽的负刚度机构，以与正刚度机构并联形成高稳定性的近零刚度隔振系统。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统，将斥力型磁负刚度机构和吸力型磁负刚度机构并联构成组合型磁负刚度机构，组合型的结构设计，可方便调节和匹配斥力型与吸力型磁负刚度机构的参数，能大幅提升隔振系统有效工作范围和刚度线性度，在宽的工作区域内实现综合刚度近零且工作稳定的隔振效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统，其包括底座、负载平台、正刚度单元和组合型磁负刚度单元，其中，正刚度单元和组合型磁负刚度单元位于底座和负载平台之间，正刚度单元和组合型磁负刚度单元并联，正刚度单元包括正刚度特性的弹性元件，弹性元件设置在底座和负载平台之间，用于提供平衡所述负载重力所需的支撑力，并提供基本的隔振功能，组合型磁负刚度单元包括至少一个斥力型磁负刚度机构和至少一个吸力型磁负刚度机构，斥力型磁负刚度机构和吸力型磁负刚度机构并联。
优选的，所述的斥力型磁负刚度机构包括至少一个定子磁体和至少一个动子磁体，定子磁体与动子磁体沿励磁方向配置成一行多列的形式，且其励磁方向配置为与隔振方向垂直，在同一行中的定子磁体与动子磁体交错排列，所有定子磁体的励磁方向相同，所有动子磁体的励磁方向相同，相邻的定子磁体与动子磁体的励磁方向相反，使得定子磁体与动子磁体在与励磁方向相垂直的法向上具有斥力型磁负刚度特性，该方向作为起负刚度作用的隔振方向。
优选地，在同一行内定子磁体的数量与动子磁体的数量相差一个，以使得相邻的定子磁体与动子磁体在励磁方向的间距相等时，定子磁体与动子磁体在励磁方向的作用力基本为零，利于隔振系统的平衡和稳定。
优选地，可以在隔振方向配置多层(多层也即多行的形式)的定子磁体和动子磁体，以提高磁负刚度值。优选地，同一列相邻层的定子磁体励磁方向设置为相反，相应地，同一列相邻层的动子磁体励磁方向也设置为相反，以便于同一列内多层的定子磁体或动子磁体可分别自然地装配成一体，而不需要在隔振方向上施加过大的外部压力用来进行紧固装配。
吸力型磁负刚度机构包括至少一个吸力型磁负刚度机构动磁体和至少一个吸力型磁负刚度机构定磁体，吸力型磁负刚度机构定磁体与吸力型磁负刚度机构动磁体沿励磁方向排布成一列多行的形式，且将励磁方向设置为与隔振方向相同，在同一列中的吸力型磁负刚度机构定磁体与吸力型磁负刚度机构动磁体交错排列，所有的吸力型磁负刚度机构定磁体和吸力型磁负刚度机构动磁体的励磁方向全部相同。上述构型使得定磁体与动磁体在励磁方向上具有吸力型磁负刚度特性，该励磁方向作为起负刚度作用的隔振方向。
优选地，所述的吸力型磁负刚度机构中，同一列内定磁体的数量与动磁体的数量相差一个，以使得相邻的定磁体与动子磁体在励磁方向的间距相等时，定磁体与动磁体在励磁方向的作用力基本为零，利于隔振系统的平衡和稳定。
优选的，吸力型磁负刚度机构动磁体和斥力型磁负刚度机构动磁体均通过动磁体连接件悬置于负载平台的底面处，吸力型磁负刚度机构定磁体通过吸力型磁组连接件固定在底座上，斥力型磁负刚度机构定磁体均通过斥力型磁组连接件固定在底座上。
优选的，正刚度单元选自螺旋弹簧、板簧、空气弹簧、橡胶元件、正刚度磁机构中的一种或者多种。
优选的，吸力型磁负刚度机构由上下两块呈圆环形的吸力型磁负刚度机构定磁体和一块呈圆环形的吸力型磁负刚度机构动磁体同轴叠加构成，且吸力型磁负刚度机构动磁体设置在两块吸力型磁负刚度机构定磁体之间，三块磁体沿Z向布置，三块磁体的充磁方向均为沿Z向。
优选的，斥力型磁负刚度机构由同轴布置的圆环形的斥力型磁负刚度机构定磁体和呈圆环形的斥力型磁负刚度机构动磁体构成，斥力型磁负刚度机构定磁体设置在斥力型磁负刚度机构动磁体外围，两块圆环形磁体的充磁方向均为径向充磁，且充磁方向相反。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明中，利用斥力型磁负刚度机构和吸力型磁负刚度机构的负刚度随相对位移变化趋势的互补性，将斥力型磁负刚度机构和吸力型磁负刚度机构并联构成组合型磁负刚度机构，由于其为组合型的磁负刚度机构，能够灵活选择磁体的大小，磁体和磁体之间间隙和距离，通过调整以上参数，可以实现不同范围和不同大小的线性负刚度，从而适应不同的隔振系统和实际需求。而且，组合型线性磁负刚度机构具有较大的负刚度体积密度，实际运用中能以更小的空间成本实现更大的负刚度。此外，本发明的组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统能较好提高隔振系统的稳定性、承载能力和抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明实施例中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统示意图；
图2是本发明中组合型磁负刚度机构的线性刚度原理图；
图3是本发明实施例1中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统的正视图；
图4是本发明施例1中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统的俯视图；
图5是本发明施例2中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统的正视图。
图6是本发明实施例3中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统的正视图。
图7是本发明实施例4中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统的正视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-底座；2-正刚度单元；3-吸力型磁组连接件；5-斥力型磁组连接件；7-动磁体连接件；8-导向机构；9-负载平台；41-吸力型磁负刚度机构动磁体；42-吸力型磁负刚度机构定磁体；61-斥力型磁负刚度机构动磁体；62-斥力型磁负刚度机构定磁体。
具体实施方式
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统，其结构设计十分合理而巧妙，下面结合说明书附图，具体阐述其设计原理：
图1是本发明实施例中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统示意图，图2是本发明中组合型磁负刚度机构的线性刚度原理图，结合图1和图2可知，本发明所述的组合型磁负刚度单元，其负刚度kne由图1所示的吸力型负刚度k1和斥力型负刚度k2叠加构成。如图2所示，对于吸力型磁负刚度机构，其刚度特性k1表现为平衡位置(即位移为0的位置)负刚度幅值最小，偏离平衡位置越远，则负刚度幅值越大，呈现“凸”形特性。而对于斥力型磁负刚度机构而言，其刚度特性k2表现为平衡位置负刚度值幅值最大，偏离平衡位置越远，则负刚度幅值越小，呈现“凹”形特征。吸力型负刚度机构和斥力型负刚度机构并联，因此总的负刚度kne为二者之和，即：
kne＝k1+k2
通过对吸力型磁负刚度机构和斥力型磁负刚度机构的结构参数进行优化匹配，“凸”形和“凹”刚度特征将会相互抵消，从而获得如图2中所示的组合型磁负刚度特性曲线kne，使磁负刚度的有效工作范围和该范围内的线性度得到大幅提升，以尽可能逼近正刚度单元的刚度，也即，使隔振系统的综合刚度尽可能接近零，由此提升隔振性能，并可增强隔振系统的稳定性，降低系统装调难度。
图3是本发明实施例1中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统的正视图，图4是本发明施例1中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统的俯视图，参照图3和图4可知，该隔振系统包括底座1、正刚度单元2、吸力型磁组连接件3、吸力型磁负刚度机构动磁体41、两块吸力型磁负刚度机构定磁体42、斥力型磁组连接件5、斥力型磁负刚度机构动磁体61、两块斥力型磁负刚度机构定磁体62、动磁体连接件7、导向机构8和负载平台9。
具体的，底座1可以是隔振系统的底座，也可以是地基。正刚度单元2为传统的正刚度弹性元件，可以是螺旋弹簧、板簧、空气弹簧、橡胶元件、正刚度磁机构等，用于对被隔振体进行支撑，实现基本的隔振功能。
吸力型磁负刚度机构由上下两块吸力型磁负刚度机构定磁体42和一块吸力型磁负刚度机构动磁体41构成，一块吸力型磁负刚度机构动磁体41位于两块吸力型磁负刚度机构定磁体42之间，三块磁体沿Z向布置，三块磁体的充磁方向均相同，都沿着Z向充磁。其中，两块吸力型磁负刚度机构定磁体42通过各自单独的吸力型磁组连接件3与底座1固定连接。
斥力型磁负刚度机构由左右两块斥力型磁负刚度机构定磁体62和一块斥力型磁负刚度机构动磁体61构成，三块磁体沿X向布置，一块斥力型磁负刚度机构动磁体61位于两块斥力型磁负刚度机构定磁体62。其中，两块斥力型磁负刚度机构定磁体62的充磁方向相同，均沿着X方向，并且通过各自单独的斥力型磁组连接件5与底座固定连接1。斥力型磁负刚度机构动磁体61的充磁方向也沿着X方向，但和两块斥力型磁负刚度机构定磁体62的充磁方向相反。
负载平台9为支撑被隔振对象的负载平台，或者是支撑被隔振对象，所述动磁体连接件7一端固定在负载平台9下方，一端将吸力型磁负刚度机构动磁体41和斥力型磁负刚度机构动磁体61分别悬挂住，实现吸力型磁负刚度机构动磁体41和斥力型磁负刚度机构动磁体61与负载平台9固定连接。
导向机构为直线导轨8，其包括导杆和滑块，导杆与底座1固定连接，滑块与负载平台9固定连接，在滑块沿导杆滑动时，带动负载平台9相对于底座1只能沿导轨在Z向运动。
图5是本发明施例2中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统的正视图，参照图5，是一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统实施例2的主视图，与实施例1不同的是，实施例2采用两组吸力型磁负刚度机构和一组斥力型磁负刚度机构并联构成组合型线性磁负刚度单元。两组吸力型磁负刚度机构分别位于一组斥力型磁负刚度机构的两侧，结构相同，并且是关于斥力型磁负刚度机构对称。每一组吸力型磁负刚度由上下两块吸力型磁负刚度机构定磁体42和一块吸力型磁负刚度机构动磁体41构成，其中一块吸力型磁负刚度机构动磁体41位于两块吸力型磁负刚度机构定磁体42之间，每一组的吸力型磁负刚度机构中的三块磁体沿Z向布置，三块磁体的充磁方向均相同，都沿着Z向充磁，其中，每一组的吸力型磁负刚度机构中两块吸力型磁负刚度机构定磁体42通过各自单独的吸力型磁组连接件3与底座1固定连接。一组斥力型磁负刚度机构由左右两块斥力型磁负刚度机构定磁体62和一块斥力型磁负刚度机构动磁体61构成，三块磁体沿X向布置，一块斥力型磁负刚度机构动磁体61位于两块斥力型磁负刚度机构定磁体62。其中，两块斥力型磁负刚度机构定磁体62的充磁方向相同，均沿着X方向，并且通过各自单独的斥力型磁组连接件5与底座固定连接1。斥力型磁负刚度机构动磁体61的充磁方向也沿着X方向，但和两块斥力型磁负刚度机构定磁体62的充磁方向相反。
图6是本发明实施例3中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统的正视图，参照图6可知，与实施例1不同的是，实施例3采用一组阵列式吸力型磁负刚度机构和一组阵列式斥力型磁负刚度机构并联构成组合型线性磁负刚度单元。所述阵列式吸力型磁负刚度机构由三列吸力型磁负刚度机构并排构成，相邻列之间的磁组充磁方向相反。所述阵列式斥力型磁负刚度机构由三排吸力型磁负刚度机构并排构成，相邻排之间的磁组充磁方向相反。
图7是本发明实施例4中一种包含组合型磁负刚度机构的近零刚度隔振系统的正视图，参照图7，磁体部分采用剖面图，与实施例1所不同的是，实施例7采用环形磁体构建斥力型磁负刚度机构，其中，吸力型磁负刚度机构由上下两块呈圆环形的吸力型磁负刚度机构定磁体42和一块呈圆环形的吸力型磁负刚度机构动磁体41构成，三块磁体沿Z向布置，它们的充磁方向均相同，都沿着Z向充磁。其中，两块吸力型磁负刚度机构定磁体42通过吸力型磁组连接件3与底座1固定连接，而吸力型磁负刚度机构动磁体41通过动磁体连接件7与负载平台9固定连接。
斥力型磁负刚度机构6由同轴布置的内外两块圆环形磁体构成，分别是呈圆环形的斥力型磁负刚度机构定磁体62和呈圆环形的斥力型磁负刚度机构动磁体61构成。两块圆环形磁体的充磁方向均为径向充磁，但是充磁方向相反。斥力型磁负刚度机构定磁体62通过斥力型磁组连接件5与底座1固定连接。斥力型磁负刚度机构动磁体61通过动磁体连接件7与负载平台9固定连接。
本发明中，利用斥力型磁负刚度机构和吸力型磁负刚度机构的负刚度随相对位移变化趋势的互补性，将斥力型磁负刚度机构和吸力型磁负刚度机构并联构成组合型磁负刚度机构，通过斥力型与吸力型磁负刚度机构的参数合理匹配，能显著拓宽磁负刚度的有效工作范围，并提升该工作范围内磁负刚度的线性度，从而尽可能逼近正刚度单元的刚度值，实现综合刚度近零且工作稳定的隔振效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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