本技术涉及一种自适应刚度三自由度低频电磁减震器,属于精密减震技术领域。该减震器由三组刚度自适应电磁阵列与螺旋弹簧并联构成,螺旋弹簧被动支撑负载,确保稳定性。
背景技术
环境中的低频微幅振动已成为制约精密仪器设备的装配调试、测试及实验精度提升的关键因素之一。针对此问题,为精密设备配置低频隔振器已成为超精密工程领域内抑制外界微小振动干扰的主导技术方案。隔振器因其固有的“低通滤波”特性,仅能有效衰减大于1.414倍固有频率的振动。对于频率低于此阈值的振动,隔振器非但无法发挥衰减作用,反而会起到放大作用。为拓展隔振带宽,降低固有频率是关键。降低刚度是降低固有频率的有些途径,可将原本处于放大区的低频振动纳入衰减区,从而显著提升隔振器对低频振动的衰减效果。
电磁负刚度装置因无机械摩擦、结构紧凑、刚度可调可动态匹配负载与激励频率变化的优势,被应用于与隔振器并联构建低频隔振系统。然而,受磁阵列结构平行磁化(同向或反向)的限制,其磁场利用率不高,导致提供的负刚度值有限,难以完全地抵消隔振器的承载刚度,阻碍了固有频率的大幅降低,限制了隔振带宽的扩展。因此,当微振动干扰的频率低于1.414倍的固有频率时,系统处于或接近共振状态,对振动干扰的响应显著增强,振幅急剧增大,进而可能引发包括系统稳定性受损、结构疲劳、损坏以及整体性能下降在内的一系列问题。这些问题在超精密加工、测量及精密实验等多个领域都可能造成严重后果。
此外,当前的研究重心多集中在单自由度的低频隔振问题上,单自由度系统相对简单,便于理论分析和实验验证。然而,在更贴近实际应用的多自由度隔振领域,尤其是三自由度隔振,相关研究仍显不足。三自由度系统能够更真实地反映实际工程中的复杂振动情况,包括不同方向的振动耦合、非线性效应等。因此,深入研究三自由度隔振系统中的刚度调控机制,并探索创新的可变刚度技术以适应三自由度隔振的需求,对于提升精密仪器设备隔振性能的高标准具有至关重要的意义
专利号201811101215.7公开了一种由上板、基板和六个电磁隔振单元构成的电磁式六自由度可变刚度隔振系统。电磁隔振单元包括永磁体与永磁体外侧布置的电磁线圈,通过改变永磁体及线圈的层数、调节供电电流的大小改变电磁线圈产生的磁场强度大小和磁感应线分布,进而产生可调负刚度特性,调节螺旋弹簧的刚度,降低固有频率、拓展隔振带宽。该技术方案的特征在于:1)采用永磁体与线圈组合的方式实现可调负刚度特性,工作过程中需要持续地给线圈输入能量以产生与运动位移方向相同的电磁力,系统能耗高;2)永磁体均匀磁化的方式,导致其产生的励磁磁场仅靠近电磁线圈的一侧被利用,另一侧处于闲置状态,磁场利用率低,产生的负刚度值有限,对降低重载或高频隔振系统固有频率的效果不佳。
专利号202011189262.9公开了一种基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器。主动电磁负刚度结构利用同轴嵌套双磁环结构在垂向产生刚度不可调整的负刚度特性,并利用与双磁环负刚度结构同轴嵌套的通电线圈产生精密可控的励磁磁通,改变动磁环周围的偏置磁场,进而实现负刚度值的调整,适应隔振负载质量及激励频率的变化。该技术方案的特征在于:1)偏置磁场由定磁环提供,线圈中只需较小的电流产生励磁磁通对偏置磁场进行调节,而无需持续的高能量输入,系统能耗较低。2)同轴嵌套双磁环采用沿轴向同向磁化方式在磁环的内、外两侧形成对称励磁磁场。然而,仅内磁环外侧的磁场得到利用,而内侧磁场则处于闲置状态。此设计的磁场利用率低,产生的负刚度值有限;当面向大承载与高固有频率的隔振系统时,其刚度调控效果甚微,无法或难以实现低频、超低频乃至近零频的隔振效果。
综上所述,创新隔振结构与原理,研发一种具备自适应调控隔振刚度的三自由度隔微振器,能够即时感知负载质量的变化与外部激励频率的波动,并据此动态调整负刚度值,以精准匹配三自由度近全频带隔振的需求,从而将外部低频微振动激励由放大区纳入衰减区,对于有效屏蔽环境微振动对精密仪器设备的负面影响至关重要。此创新将为高精度装配调试、测试及实验工作营造一个更加稳定可靠的环境,显著提升精密仪器设备的精度水平。
实现思路