一種僅具有線性剛度特性的電磁彈簧的制作方法

本實用新型涉及的是一種振動控制裝置，具體地說是電磁彈簧。

背景技術(shù)：

在振動控制領(lǐng)域尤其是吸振器領(lǐng)域，頻率的在線實時調(diào)節(jié)是一個長期令人困擾的問題。鑒于質(zhì)量調(diào)節(jié)的復雜性，剛度的在線調(diào)節(jié)得到了越來越多的關(guān)注與研究。電磁彈簧可通過改變勵磁線圈中的電流而實現(xiàn)剛度連續(xù)可調(diào)，利用這一特性實現(xiàn)系統(tǒng)固有頻率的在線實時調(diào)節(jié)，從而達到振動控制的目的。

磁齒式電磁彈簧結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、磁能利用率高的特點更適宜應(yīng)用于電磁彈簧設(shè)計之中，其原理是利用磁齒錯位時所產(chǎn)生的電磁恢復力來提供彈簧力。([1]馮肖肖.電磁式半主動吸振器設(shè)計及實驗研究[M].哈爾濱工程大學，2013)然而，磁齒式電磁彈簧結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的電磁剛度僅在平衡位置兩側(cè)的很小一段范圍內(nèi)為線性特性，當磁齒錯位稍大時，會產(chǎn)生很強的非線性，這一點使其實際應(yīng)用受到很大的局限性。

公開號為CN 1042974 A的專利提供了一種電磁式彈簧剛度連續(xù)可調(diào)消振器，它利用定子與動子工作表面上分布的齒寬齒距和齒數(shù)相同的矩形齒圈來提供電磁彈簧。然而，該種電磁彈簧結(jié)構(gòu)在磁齒錯位稍大時便會引入很強的非線性，從而導致振動控制效果變差甚至惡化。

公開號為CN 103291828 A的專利在公開號為CN 1042974 A的磁齒式電磁彈簧的基礎(chǔ)上改進了設(shè)計，提出了一種非對稱齒距電磁彈簧。該專利采用0.2的齒寬與齒距比值，其電磁彈簧所提供的電磁力較以往提高了1倍以上。然而由于該實用新型并未考慮動子磁齒與定子磁齒齒寬的復雜對應(yīng)關(guān)系，同等條件下其電磁剛度的線性區(qū)域依舊很窄，在磁齒錯位稍大時其非線性依舊很強，這在一定程度上限制了實用新型的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供在一定程度上消除了電磁剛度非線性特性的一種僅具有線性剛度特性的電磁彈簧。

本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：

本實用新型一種僅具有線性剛度特性的電磁彈簧，其特征是：包括定子、動子，定子設(shè)置在動子的外部，動子上纏繞有線圈，動子和定子的工作表面設(shè)置矩形齒圈，動子矩形齒圈與定子矩形齒圈的位置相對應(yīng)且兩者之間存在氣隙，定子矩形齒圈的齒寬大于動子矩形齒圈的齒寬，線圈未通電時，定子矩形齒圈每個齒的位置分別對應(yīng)動子矩形齒圈的一個齒。

本實用新型一種僅具有線性剛度特性的電磁彈簧，其特征是：包括定子、動子，定子設(shè)置在動子的內(nèi)部，定子上纏繞有線圈，動子和定子的工作表面設(shè)置矩形齒圈，動子矩形齒圈與定子矩形齒圈的位置相對應(yīng)且兩者之間存在氣隙，定子矩形齒圈的齒寬大于動子矩形齒圈的齒寬，線圈未通電時，定子矩形齒圈每個齒的位置分別對應(yīng)動子矩形齒圈的一個齒。

本實用新型的優(yōu)勢在于：

1、磁齒為非等寬磁齒，通過適當調(diào)節(jié)定子磁齒與動子磁齒的齒寬比，其可以實現(xiàn)線性電磁剛度特性，一定程度上消除了電磁剛度非線性特性；

2、由于考慮到了動子磁齒與定子磁齒齒寬的復雜對應(yīng)關(guān)系，合理地利用了磁齒結(jié)構(gòu)，同等條件下，本實用新型所實現(xiàn)的線性頻帶較現(xiàn)有技術(shù)更寬。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型的靜態(tài)磁場分布圖；

圖3為電磁彈簧結(jié)構(gòu)不同齒寬比下的力-位移曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本實用新型做更詳細地描述：

結(jié)合圖1～3，本實用新型一種具有線性剛度特性的電磁彈簧結(jié)構(gòu)，不同于傳統(tǒng)電磁彈簧，電磁彈簧結(jié)構(gòu)動子與定子采用非等寬磁齒結(jié)構(gòu)，其比值大小取決于具體磁齒尺寸。

電磁彈簧結(jié)構(gòu)主要包括三部分：動子、線圈和定子。需要說明的是，動子與定子僅表示磁齒結(jié)構(gòu)的相對性，實際應(yīng)用時，兩者可根據(jù)實際應(yīng)用情況互換。線圈可固定于動子或者定子上，動子與定子的工作表面上分布有滿足某一比例關(guān)系的非等寬矩形齒圈，兩者之間存在很小的氣隙。

圖1為本實用新型電磁彈簧結(jié)構(gòu)二維軸對稱示意圖。電磁彈簧結(jié)構(gòu)主要包括三個構(gòu)件：動子3、線圈2以及定子1。線圈2固定于動子3之上，動子3與定子1的工作表面上加工有滿足某一比例關(guān)系的矩形齒圈，兩者之間留有一定氣隙。線圈2通電時，所產(chǎn)生的磁場會先后沿著動子3、氣隙4、定子1、氣隙4、動子3形成閉合磁路。工作時，動子3磁齒與定子1磁齒錯位，產(chǎn)生電磁恢復力。電磁彈簧結(jié)構(gòu)采用齒對齒的磁齒結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，但定子1齒寬較動子3齒寬更大，采用該種設(shè)計可消除電磁剛度的非線性特性，以獲得僅具有線性剛度特性的電磁彈簧。詳細設(shè)計原理以及技術(shù)方案陳述如下：

磁齒式電磁彈簧發(fā)生軸向錯位時電磁拉力為：

F_em＝αx+βx³

式中，x為磁齒錯位量，α、β代表x不同次冪項的系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，β的符號(sgn(β))與定子1齒寬(WS)和動子3齒寬(WA)的比值(γ＝WS/WA)有關(guān)，存在某一臨界值γc，使得sgn(β)滿足：

可以看出，在γ＝γc的情況下，電磁拉力與磁齒錯位量之間為線性變化關(guān)系，可滿足具有線性電磁剛度特性的電磁彈簧的設(shè)計需要?？紤]到結(jié)構(gòu)的復雜性，γc的確定可借助于商業(yè)化有限元磁場計算軟件來實現(xiàn)，例如COMSOL、ANSOFT、ANSYS。

具有線性剛度特性的電磁彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計實例：

1、設(shè)計內(nèi)容

利用有限元電磁場計算軟件完成具有線性剛度特性的電磁彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2、仿真參數(shù)

本實用新型電磁彈簧結(jié)構(gòu)選取COMSOL作為有限元電磁場仿真軟件，仿真參數(shù)詳見表1。仿真過程中，動子齒寬為4mm，定子齒寬變化范圍為4～8mm。有兩點需要說明：1)為保證齒與齒的對稱性，動子齒距亦需要隨定子齒寬同步變化；2)由于實際仿真時數(shù)據(jù)量過大，表1中僅展示了三種特殊情況。

3、仿真結(jié)果

圖2為本實用新型電磁彈簧結(jié)構(gòu)靜態(tài)磁場分布圖。通過該圖可確定磁路設(shè)計的合理與否，為后續(xù)分析提供合理性依據(jù)?？梢钥闯?，在表1所示的設(shè)計參數(shù)下，所設(shè)計電磁彈簧結(jié)構(gòu)磁路合理。

表1電磁彈簧結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)

圖3為本實用新型電磁彈簧結(jié)構(gòu)不同齒寬比下的力-位移曲線圖。在動子齒寬為4mm的情況下，研究不同齒寬比下電磁彈簧結(jié)構(gòu)的力-位移曲線變化趨勢。等齒寬情況下，γ＝1.000，α>0、β<0，此時可獲得漸軟剛度曲線；在γ增大到1.363時，此時α>0、β≈0，此時可獲得近似線性剛度曲線；γ繼續(xù)增大時，α>0、β>0，此時可獲得漸硬剛度曲線。在充分的仿真計算基礎(chǔ)上，可確定γc＝1.363，從而選擇定子齒寬5.45mm作為最佳設(shè)計尺寸，最終可獲得僅具有線性剛度特性的電磁彈簧。