一種多模態電磁吸振器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多模態電磁吸振器。本發明結合星載大型柔性可展開天線的研制 需求，提高了大型柔性可展開天線抵抗振動擾動的能力。
【背景技術】
[0002] 為了適應衛星發射時整流罩的包絡要求，大型天線一般采用可展開形式，在衛星 發射時天線鎖緊收納在衛星平臺上，入軌后天線展開至工作狀態。該類型天線除了滿足既 定的任務要求以外，還需要具有收攏和展開的功能。由于大型可展開天線的口徑大，其展開 狀態會對衛星產生嚴重的遮擋，同時如果距離衛星本體過近，還可能產生天線網面與衛星 的鉤掛干涉問題。因此，該類型天線一般都采用大型可展開反射器+展開臂的形式，在展 開階段，先通過展開臂的展開動作，將天線反射器展開至遠離星體位置，再通過反射器的展 開，最終到達預定的型面位置。
[0003] 由于大型可展開天線的高度柔性，大型可展開天線在軌工作過程中，天線的彈性 振動與衛星載體的姿態振蕩是相互作用的，星體的大范圍剛體運動與天線彈性變形運動間 的耦合作用將會直接影響衛星運行的精度和姿態穩定性，同時導致天線的指向偏差。因此， 需要對天線的振動進行嚴格的控制。
[0004] 電磁結構具有較好的機電耦合特性，由電磁結構構成的各種阻尼器、吸振器已經 廣泛的應用于吸振工程中。主動式電磁吸振器可以通過設計控制算法實現多模態吸振，但 其結構復雜，能耗高，需要設計相應的控制系統。然而，如何實現使用一個吸振器來完成結 構的多模態吸振，而不使用傳感系統和反饋系統顯得較為困難。結構的多模態吸振，亟需一 種高效可行的多模態阻尼吸振方法。
【發明內容】
[0005] 本發明解決的技術問題是：克服傳統主被動電磁吸振器的不足，提供一種多模態 電磁吸振器，在電磁吸振器電磁線圈兩端連接一負電阻負電感外置電路來增大吸振器阻尼 系數，該負電阻負電感外置電路能消除線圈電感影響，提高系統多模態阻尼系數，從而實現 多模態吸振特性。
[0006] 本發明的技術解決方案是：一種多模態電磁吸振器，主要包括：彈性框體、吸振器 質量、永磁體、電磁線圈套筒、電磁線圈和外置電路；
[0007] 所述永磁體與被控結構固定連接，所述吸振器質量固定安裝在彈性框體頂部，電 磁線圈套筒固定安裝在彈性框體內壁的頂部，且電磁線圈套筒的底部與彈性框體的內壁不 接觸。
[0008] 電磁線圈纏繞在電磁線圈套筒上，且兩端分別與外置電路相連，組成閉合電路。
[0009] 所述永磁體的剩磁強度為1. 1T~1. 3T。
[0010] 所述電磁線圈的數為500~1000 0L
[0011] 所述永磁體包括兩塊同極正對緊壓在一起的磁鐵。
[0012] 所述兩個磁鐵的軸向間距為2~4mm，電磁線圈和永磁體的徑向間距為2~4mm。
[0013] 所述多模態電磁吸振器通過增加永磁體的剩磁強度和/或電磁線圈的匝數來提 高電磁結構的機電耦合系數。
[0014] 所述外置電路包括串聯在一起的負電阻和負電感。
[0015] 所述外置電路中的電感的取值為-40mH~-100mH。
[0016] 所述外置電路中的電阻的取值為-200 Ω~-450 Ω。
[0017] 外置電路為被動狀態、NR型電路狀態或NINR型電路狀態。其中，被動狀態為電路 開環狀態，NR型電路狀態為負電阻狀態，NINR型電路狀態為負電阻-負電感狀態。
[0018] 本發明與現有技術相比的有益效果：
[0019] 本發明中的電磁吸振器無需測量系統、反饋系統以及控制算法，因此，同主動式電 磁吸振器相比，本發明具有結構簡單、易于構造、成本低等特點；同被動式電磁吸振器相比， 本發明所提出的電磁吸振器能顯著的提高系統阻尼比，其適應性更大，控制力更好。
【附圖說明】
[0020] 圖1為多模態電磁吸振器基本原理圖；
[0021] 圖2為單個永磁體模型；
[0022] 圖3為同極相對永磁體型；
[0023] 圖4為懸臂梁-多模態電磁吸振器系統仿真模型圖；
[0024] 圖5為實現負電阻負電感的外置電流控制電壓源電路；
[0025] 圖6為懸臂梁-多模態電磁吸振器系統吸振仿真結果；
[0026] 圖7為懸臂梁-多模態電磁吸振器系統吸振試驗配置圖；
[0027] 圖8為懸臂梁-多模態電磁吸振器系統吸振試驗結果，其中a)為負電阻型吸振試 驗結果，b)為負電阻-負電感型吸振試驗結果。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0029] 1、電磁吸振器機電耦合分析
[0030] 對于圖1所示的電磁吸振器，主要包括：彈性框體1、吸振器質量2、永磁體3、電磁 線圈套筒4、電磁線圈5和外置電路6 ;
[0031] 所述永磁體3與被控結構7固定連接，所述吸振器質量2固定安裝在彈性框體1 頂部，電磁線圈套筒4固定安裝在彈性框體1內壁的頂部，且電磁線圈套筒4的底部與彈性 框體1的內壁不接觸。所述永磁體3在本發明中的剩磁強度為1. 1T~1. 3T，包括兩塊同極 正對緊壓在一起的磁鐵，兩個磁鐵的軸向間距為2~4mm，電磁線圈和永磁體的徑向間距為 2~4_，永磁體3需要在電磁線圈套筒4內上下活動，形狀優選為圓柱形。所述被控結構 7為可展開天線上與天線固連的機構或天線本體機構。
[0032] 電磁線圈5纏繞在電磁線圈套筒4上，且兩端分別與外置電路6相連，組成閉 合電路。所述電磁線圈5的匝數為500~1000匝。所述外置電路包括串聯在一起的負 電阻和負電感，外置電路中的電感的取值為-40mH~-100mH，外置電路中的電阻的取值 為-200 Ω ~-450 Ω。
[0033] 根據具體應用需求不同，外置電路可能為被動狀態、NR型電路狀態或NINR型電路 狀態；其中，被動狀態為電路開環狀態，NR型電路狀態為負電阻狀態，NINR型電路狀態為負 電阻-負電感狀態。
[0034] 當被控結構振動時，吸振器彈性框體1會隨之發生變形導致永磁體3與電磁線圈5 產生相對位移，從而在電磁線圈中產生感應電流。通過將結構的振動能量轉化為電路電阻 電感的熱能，可以實現對結構振動能量的耗散。
[0035] 下面對本發明的工作原理進行詳細的說明：
[0036] 1)磁特性分析
[0037] 根據分子電流假設，單個環形永磁體可以簡化為等效體電流密度和面電流密度。 對于均勾磁化的永磁體，其體電流密度為零，僅包含面電流密度Js。根據Biot-Savart定 理，在圓柱坐標系下，如圖2所不的單個永磁體外任意一點P處的磁感應強度分量為：
[0038] B (r, Φ , z) = Br (r, Φ , z) r+B φ (r, Φ , z) Φ +BZ (r, Φ , z) z (1)
[0039] 其中，Bjr, Φ, z)、Βφ (r, Φ, z)和Bz(r, Φ, z)分別表示磁感應強度沿圓柱坐標系 的徑向、切向和軸向分量，r、Φ和z分別表示圓柱坐標系徑向、切向和軸向的單位矢量。
[0040] 對于圖3所示的為一對同極相對的永磁體模型，此時，磁體外任意一點P處的磁感 應強度應當為：
[0041] Bp(r, Φ,ζ) =Bpl(r, Φ,ζ)+Βρ2(γ, Φ , ζ) (2)
[0042] 其中，Βρ1 (r, Φ , ζ)和Βρ2 (r, Φ , ζ)分別為永磁體1和2在Ρ點處產生的磁場強度。
[0043] 2)機電、力電耦合特性分析
[0044] 當結構發生振動時，閉合線圈在同極相對永磁體所形成的磁場中切割磁力線，將 會在線圈中產生感應電動勢，感應電動勢可以由經典Maxell方程表示為：
[0045] dE = N(vXB) · dl (3)
[0046] 其中，E表示感應電動勢，N為電磁線圈的匝數，v表示線圈切割磁力線的速度，B 表示磁感應強度，1表示單圈線圈的長度。
[0047] 將磁感應強度的表達式代入上式并進行簡化可得：
[0048] E = νΝ / !ΒρΓ(11Φ = νΟβΦ (4)
[0049] 其中，Ε表示感應電動勢，ν表示線圈切割磁力線的速度，Φ為圓柱坐標系切向單 位矢量，（；定義為吸振器的機電耦合系數，其體現了阻尼器的機電轉換特性。Cj?大，表明 吸振器能夠將更多的振動能量轉化為電路的感應電動勢。其具體表達式為：
[0051] 其中，N為電磁線圈的01數，1^為任一點P在圓柱坐標系下的徑向坐標，B ρ為任一 點P在圓柱坐標系下沿徑向的磁感應強度。
[0052] 由于感應電動勢的存在，閉合線圈回路中會產生感應電流，其在磁場中會相應的 產生與線圈相對運動相反的電磁阻尼力，由安培定理可知：
[0053] dF = NIdlXBp (6)
[0054] 其中，F為電磁阻尼力，N為電磁線圈的匝數，I為感應電流，1表示單圈線圈的長 度，BPS P點處的磁感應強度。
[0055] 將磁感應強度的表達式代入上式并進行簡化可得：
[0056] F = -CmIz (7)
[0057] 其中，z為圓柱坐標系軸向單位矢量，（；定義為吸振器的力電耦合系數，其體現了 吸振器的力電轉換特性。