[發明專利]用于產生負剛度的電磁設備和振動控制的方法

有效

• 申請號: 201710113005.9
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN107795631B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 朱松曄;石翔
• 申請（專利權）人: 香港理工大學
• 主分類號: F16F15/03
• 分類號: F16F15/03
• 代理公司: 北京柏杉松知識產權代理事務所(普通合伙) 11413
• 代理人: 謝攀;劉繼富

本發明涉及一種用于負剛度的電磁設備，其包含用于產生磁場的一個或多個螺線管，以及可相對于該一個或多個螺線管而移動的可移動磁體。該一個或多個螺線管可被配置以在平衡位置周圍產生對稱的磁場，其磁場強度與距離平衡位置的距離成平方關系?？梢苿哟朋w在該平衡位置處受到的合力為零，根據相應的磁極方向和在設備中軸線方向產生的按二次方程分布的磁場強度，其所受合力與其位移成線性關系且合力方向與位移方向相同，即產生一種線性負剛度。本發明還涉及一種振動控制的方法。

技術領域

本發明涉及一種可應用于振動控制的具有負剛度特性的電磁設備。

背景技術

可將負剛度認為是其所受外力方向與其形變方向相反。這可具有將系統的總體剛度減小到零或至少接近于零的效應。將負剛度引入到隔振系統中將大大降低系統的外部振動的傳輸率。

隔振系統或設備可以使用負剛度與抑制振動的阻尼的組合，例如，粘性或電渦流阻尼器。這種電磁負剛度裝置適用于需要將目標物體隔離于振動源的多種應用中。舉例來說，負剛度阻尼器可用于多種土木及機械結構的振動控制中，例如斜拉橋的拉索、建筑物，用于保護精密設備的隔振臺等等。現有的負剛度裝置可分為被動、半主動或主動模式。由于被動模式的負剛度裝置并不需要復雜的反饋系統，因此其制造和安裝更簡單且更便宜，且相較于主動或半主動負剛度裝置有更好的魯棒性。然而，現有的其他形式的被動負剛度僅可實現非線性負剛度，其不利于在理論分析及現實生活中應用。處于被動模式下的負剛度裝置的實例公開于US 20130118098A1中，其描述了包括錨定框架及可相對于該錨定框架橫向移動的移動框架的裝置。該裝置還具有壓縮彈簧以及將該彈簧連接到移動框架以將負剛度引入到系統中的連接機構。在平衡位置處，壓縮彈簧并不將橫向力施加到移動框架。在接合狀態下，壓縮彈簧被配置以施加橫向力從而在地震荷載的橫向方向上使移動框架產生位移。

主動及半主動負剛度裝置使用外部電源、反饋系統中的傳感器及作動器以對振動做出反應及緩解振動。主動及半主動控制技術相較于被動技術通?？蓪崿F更好的控制性能。線性二次調節器算法(一種用于最優主動控制的控制理論)可在一些情形下產生有益于減振性能的具有明顯負剛度特征的滯洄(即力-變形)關系。然而，由于主動及半主動阻尼器對電源及反饋系統的要求且相對于被動阻尼器而言較高的復雜度，主動及半主動阻尼器相較于被動阻尼器而言可靠度較低且具有較高維護要求。這些現象引起了對被動負剛度裝置的探索，這種被動負剛度裝置可產生類似于主動阻尼器的滯洄特性，從而實現與主動阻尼器的性能相當的控制效果。

發明內容

本發明的目的為提供能夠實現具有線性負剛度的被動裝置。

根據本發明的第一方面，提供用于產生負剛度的電磁設備，其包括用于產生磁場的一個或多個螺線管和可移動磁體，該可移動磁體可沿著一個或多個螺線管的中心軸線做相對移動。該一個或多個螺線管可被配置以在平衡位置兩側產生對稱的磁場，從而使得在使用中，其磁場強度與距離平衡位置的距離成平方關系，因此該可移動磁體在該平衡位置處受到的合力為零。根據相應的磁極方向和在中心軸線方向上產生的按二次方程分布的磁場強度，該可移動磁體所受合力與其位移成線性關系且合力方向與位移方向相同，從而產生線性負剛度。

該設備可包括多個螺線管，其包含第一螺線管、布置于第一螺線管的一側的第二螺線管和布置于第二螺線管的相反側的第三螺線管，其中多個螺線管可相對于彼此對稱布置以使得其產生的磁場在平衡位置周圍對稱。

有利的是，包括多個螺線管的負剛度設備使得該設備能夠被配置以提供多種不同特性的剛度(可正可負)。舉例來說，該設備可被配置以通過將電流通過螺線管的方向反轉從而產生線性正剛度、通過在適當時選擇性地給一個或多個螺線管激磁以提供軟化(減小)的正或負剛度，或者硬化(增大)的正或負剛度。

第二螺線管和第三螺線管與第一螺線管是等距的。

該設備可包括布置于第二螺線管的一側的一個或多個附加螺線管和布置于第三螺線管的一側的一個或多個附加螺線管。多個螺線管大體上等距間隔開。