CN201401478Y - 一种主动控制型电动扭振减振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种主动控制型电动扭振减振器，涉及到旋转机械的减振技术领域。该减振器包括有固定模块，相对转动模块，导电线圈，以及磁场发生器件等。利用本实用新型，能够瞬时发出频率相同、相位相反、幅值对应的扭矩，从而达到抵消原轴系统扭振的效果。通过本实用新型，在取得显著消振效果的同时，能够大幅度减少对于设备本身需要采取的减振措施。

Description

一种主动控制型电动扭振减振器

技术领域

本实用新型涉及到旋转机械的减振技术领域。

背景技术

扭振现象是旋转机械装置中普遍存在的问题，它是由于扭矩载荷围绕其均值作周期性波动所引起的，而且在一般情况下扭矩及其扭振呈现复杂周期性的特征，即包含了一系列的谐波频率成分，诸如汽车和船舶内燃机，螺旋桨驱动系统，泵机构，等等。当这样的动态载荷中某个频率成分与结构固有扭转频率趋于一致时，机构可能会产生剧烈的扭转共振现象，这极易导致零部件的损坏和失效；即便是对于预期设备使用寿命没有负面效果的小幅度扭振——这应该是当前最普遍的情况，如果考虑机械设备对于周边环境辐射振动和噪声的有害影响，也将是不容忽视的问题。

总的来看，改善扭振问题的方法可以分为两大类：一类是涉及到设备结构本身的，其中的一个重要方面是通过振动特性设计将结构固有扭转频率与扭矩载荷频率错开；此外还有在功能设计方面的措施，如对于内燃机增加汽缸的数量，这样既熨平扭矩波动，又提高输出功率，但是对于设备的设计和制造要求更高了，并且设备的体积、重量和成本也随之显著增加。

另一类是设计一种专门的附加装置或附加功能，典型的如飞轮结合扭振减振器，此类方法相对而言成本较低，对于主机的变动有限。

目前普遍实用的扭振减振器是被动弹性阻尼式的，即利用弹性元件隔离振动，以橡胶、粘性液体阻碍振动，将运动机械能转化为摩擦热散发掉；在构造原理上，通常将飞轮分成两个部分，通过弹性元件联接，它们可以在一定的弹性范围内发生相对运动，在它们之间填充高阻尼材料。这种方案的最大缺陷在于：现代旋转机械设备所承受的扭振的频率和幅值会在很宽广的范围内快速地变化，系统特性相对固定的减振装置显然无法满足这种特点下比较高的要求。

除了上述被动式的结构，技术上还发展了半主动控制式，即可以在一定的范围内根据需要实时改变弹性元件和阻尼元件的特性参数，但是应用在扭振减振方面的实际效果有待观察。

与以上两种技术线路完全不同的是，本实用新型属于主动控制式消振的范畴，这类方法是运用一套控制系统动态跟踪扭振的多个谐波的频率、幅值和相位，并提供驱动电流给所述的电动扭振减振器，使其瞬时发出频率相同、相位相反、幅值对应的扭矩，从而达到抵消扭振的效果。该方法利用现代集成电路的先进技术和有效的控制理论，在取得显著消振效果的同时大大减少了对于设备本身需要采取的减振措施。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种主动控制型电动扭振减振器及其实现方法，用以通过电磁激励的方式产生一个与旋转机械轴系统扭振方向相反的扭矩，来抵消轴系统的扭振。

一种主动控制型电动扭振减振器，其特征在于该减震器包括有如下组成部分：

固定模块，它刚性固定在轴系统上；

相对转动模块，它通过弹簧弹性固定在轴系统上；

导电线圈，它设置在固定模块和相对转动模块两者其一上；

磁场发生器件，它设置在那个没有设置前述导电线圈的固定模块或相对转动模块上，用以产生能够穿过导线线圈的磁场。

进一步，所述的减震器还包括有如下技术特征：

在轴系统上设置有电刷，用以向所述的导电线圈通电。

所述的固定模块是通过两端分叉延伸的X型固定结构实现的，两相邻分叉之间设置有弧形的导电线圈架构，同时相对的另两个分叉之间设置有另一段弧形导电线圈架构。

在所述导电线圈的两侧至少其一处，设置有磁场发生器件。

没有设置导电线圈的相邻分叉，共包括两处位置，在这两处位置至少其一处，设置有用以限定相对转动模块转动范围的固定块。

相对转动模块上通过沿转轴系统对称的两个弹簧，固定在轴系统上。

针对前述的导电线圈，所设置在磁场发生器件，能够产生互斥磁场或者互吸磁场。

所述主动控制型电动扭振减振器的优点：

1，可以在很宽的频率范围内发挥减振效果。

2，在设计原理上仅提供纯扭矩，不会对轴系统产生不可忽略的附加径向力或轴向力。

3，输出扭矩大。

4，低阻尼性。金属弹簧具有较低的阻尼特性，这样可以尽量发挥该减振器的输出扭矩峰值。

5，稀土永磁材料容易获得、成本低。

6，性能可靠，对于环境要求低，耐油耐脏。其中，工作温度可以接近摄氏100°。

7，结构紧凑，可以与减振对象原有的飞轮结合安装，也可以独立安装。

8，可以在所述减振器的轴系统上(假如与飞轮结合安装，那就是飞轮的轴系统上)适当开通风孔，利用其随轴系统一起旋转时产生的气流进行冷却。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进行更详细的说明。

图1是本实用新型所述的主动控制型电动扭振减振器的结构示意图。

图2是本实用新型所述的主动控制型电动扭振减振器的侧向剖视图。

图3是本实用新型所述的主动控制型电动扭振减振器上的导电线圈的结构示意图。

图4是本实用新型所述的主动控制型电动扭振减振器的实现方法的流程图。

具体实施方式

结合各附图所示，本实用新型所述的主动控制型电动扭振减振器主要由相对转动模块I和固定模块II组成。

它们之间通过一对弹簧14连接，可以作相对弹性转动。本实施中的弹簧14为环形螺旋弹簧，这是典型的实施例而非限定。其中相对转动模块I包括心圈0，内圈1，中圈2，外圈3，以及环形的钕铁硼磁块4、5、6、7。其中心圈0、内圈1、中圈2和外圈3通过相隔180°圆心角的一对辐条梁8固定在一起。

其中环形的钕铁硼磁块4、5、6、7，属于永磁体，为本实用新型中的磁场发生器的一种实施例，其它还包括通过电磁效应实现的磁场，如利用导电线圈产生磁场，等等。

在辐条梁8之间，磁块4和5用粘合剂或其它适当的方式固定在内圈1的外侧，并呈对称布置状态。类似地，磁块6和7用粘合剂或其它适当的方式固定在外圈3的内侧，也在辐条梁8之间呈对称状，这样磁块4与6、磁块5与7分别隔着中圈2相对布置，而磁块的磁场方向沿着圆形的径向。

上述结构中，在所述导电线圈11和12的两侧均布置磁场发生器，此外，还可以单独在内侧或外侧布置磁场发生器。

固定模块II包括一对环形套圈9和10，缠绕并固定在套圈上的导电线圈11和12，以及X型固定支架13。套圈9和10分别套在中圈2上，在辐条梁8之间对称布置，套圈的内侧与中圈2完全不接触，因此可以相对于中圈2自由移动，这就是所述电动扭振减振器的相对转动模块I可以相对固定模块II转动的原因所在。

导电线圈11紧紧环绕并用粘合剂固定在套圈9上，导电线圈12紧紧环绕并用粘合剂固定在套圈10上。这样的构造使得每一组铜线圈的两侧均处于所述磁块与中圈2之间所形成的环形径向磁场气隙中，并且铜线圈的走向，也即电流的方向，与磁场方向是垂直的。所述套圈需采用铜、铝或塑料等非磁性材料。

为了让套圈10套在中圈2上，中圈2可以在辐条梁8处断开，先将套圈10套在中圈2的外面，然后把中圈2用螺栓固定在辐条梁8上。

除了上述构件以外，所述减振器其它部分还包括：固定块15，心轴16，滚动轴承17，电刷18，弹簧座19和弹簧座20。

X型固定支架13中，没有设置导电线圈12的相邻分叉之间，共包括两处位置，在这两处位置至少其一处，设置有用以限定相对转动模块I转动范围的固定块15。

固定块15固定在中圈2上靠近辐条梁8的位置，其作用是限制套圈的运动，防止过载情况下套圈冲击辐条梁8。

心轴16实际上就是需要减振的旋转机械轴系统的一部分，滚动轴承17将心圈0支撑在心轴16上，使得心圈0及其所在的上述相对转动模块I可以相对于轴系统转动。

电刷18固定在轴16上，保证在整个系统高速旋转的情况下给导电线圈11和12提供变化的交流电。

上述固定模块II，即套圈9和10，包括上面的线圈11和12，通过支架13固定在心轴16上，随轴系统一起旋转。

前述的一对弹簧14对称布置在外圈的外侧，每一个螺旋弹簧的一端通过弹簧座19固定在外圈上，另一端通过弹簧座20固定在与心轴刚性联接在一起的轴系统上，可以通过延伸的结构直接固定在心轴上。

这样，上述主要相对转动模块I可以借助滚动轴承17在弹簧14的作用下，相对于上述固定模块II以及所作用的旋转轴系统，围绕其稳态位置来回摆动。

进一步阐述所述扭振减振器的其它结构要点：

作为举例而非限定，上述磁块与中圈2所形成的气隙磁场方向为圆形的径向，在所述中圈2两侧相对布置的磁场发生器中，磁场方向之间的关系可以有两种选择方案：

第一种是两侧相对布置的磁块的磁场方向相反相斥，第二种是两者相同相吸。下面分别给予介绍：

首先说明第一种方案。此时磁块4与6隔着中圈2的磁场方向是相对互斥的(相反)，同样另一组隔着中圈2的磁块5与7的磁场方向也是相对互斥的(相反)；为增强中圈2与两侧磁块之间气隙的磁感应强度，磁块采用高性能的稀土永磁钕铁硼磁铁，中圈2采用高磁导率的软磁材料，中圈2与磁块之间的间隙在保持套圈内侧与中圈2、套圈外侧与磁块之间不接触的前提下尽可能地小；当套在中圈2外的套圈上的铜线圈通电时，在中圈2两侧磁场中的铜线圈内的电流方向是相反的，而两侧磁场的方向也是相反的，也就是说，导电线圈11或12在磁块4磁场中的导线电流与在磁块6磁场中的导线电流是反向的，而磁块4的磁场方向与磁块6的磁场方向也是相反的。这样根据描述磁感应强度、电流及安培力之间关系的安培定律，两侧磁场给予导电线圈的作用力恰好是沿着圆周方向并同向，作用力的幅值与电流强度成正比，方向随电流的方向变化而变化。

由于两组导电线圈11与12在圆周方向上完全对称布置，因此通过所述两组铜线圈端线之间的联接来控制电流的走向，使得磁场中两组导电线圈11和12产生的圆周力恰好大小相等、方向相反，且同为顺时针或同为逆时针，这样就形成了一个磁场力纯扭矩，它的数值应该等于一组线圈在两侧磁场中产生圆周力之和乘以中圈2中线的直径。

在上述磁场纯扭矩的作用下，上述相对转动模块I将相对于上述固定模块II及轴系统发生转动，这导致所述弹簧变形引起弹簧力。由于所述一对弹簧在圆周方向上对称布置，因此所述一对弹簧产生的力为大小相等、方向相反，且同为顺时针或同为逆时针，这样也形成了一个弹簧力纯扭矩。

现在简要说明第二种方案。此时磁块4与6隔着中圈2的磁场方向是相同相吸的，同样另一组隔着中圈2的磁块5与7的磁场方向也是相同相吸的，但由于线圈在磁块4(磁块5)磁场中的导线电流与磁块6(磁块7)磁场中的导线电流是反向的，所以，所述导电线圈在两侧磁场中产生的圆周力是反向的，这样每一组线圈产生的扭矩应该等于线圈一侧的圆周力乘以两侧线圈之间的宽度，而总的磁场力纯扭矩就是两组线圈产生的扭矩之和。

本实用新型中，该主动控制型电动扭振减振器的实现方法，结合前面的描述以及图4所示，该方法主要包括有如下步骤：

步骤1，在固定模块II和相对转动模块I两者其一上安装有导电线圈圈11或12，在另一个模块上安装有与导电线圈位置相配套的磁场发生器件；

步骤2，将固定模块II和相对转动模块I安装在旋转轴系统上，其中固定模块II被刚性固定在轴系统上，相对转动模块I通过弹簧弹性固定在轴系统上；

步骤3，控制系统通过传感器探测轴系统的扭振状况；

步骤4，控制系统向导电线圈通电，产生一个与轴系统扭振频率一致、振幅相当、相位相反的扭矩，用以抵消轴系统的扭振。

这儿所述的控制系统，包括能够对传感器所获得的探测信号进行运算处理并发出控制指令的运算处理器，并存储有用以实现本实用新型的程序。

该传感器，应当能够探测轴系统的振动状况，比如，可以采用扭振传感器来实现，当然，也不作任何限定，如增设扭矩传感器等。

结合着具体实施例，总结所述主动控制型电动扭振减振器的工作原理：

所述导电线圈11或12与磁场发生器中的磁块的相互作用，产生绕所述心轴16的磁场纯扭矩，且可以通过电流的大小和方向控制扭矩的大小与方向。变化的扭矩施加在上述相对转动模块I，引起该部分振动并导致所述弹簧产生变化的绕心轴16的纯扭矩。根据牛顿作用力与反作用力原理，上述磁场力扭矩与弹簧扭矩也作用到上述固定模块II，然后再传递到旋转机械轴系统上。

因此，配置一套控制系统，它可以实时检测到的旋转机械轴系统扭振中若干成分突出谐波的幅度、频率和相位，并据此提供频率相同、幅值和相位对应的电流信号，驱动所述扭振减振器发出相应的磁场扭矩和弹簧扭矩，作用到旋转轴系统上产生频率相同、但幅值相反的扭振以抵消轴系统原来的扭振。

输出扭矩的大小取决于磁场对于通电线圈的圆周向安培力的大小以及圆周力到心轴16轴线的距离；而安培力又正比于磁场感应强度、磁场内与磁场方向垂直的通电线圈长度和电流强度。在所述的装置中，减振器圆形的直径越大，则力矩的力臂也越大，同时磁块和套圈的弧线也可以越长，因而环绕的线圈在磁场中的长度就越长；另外，减振器圆形在旋转轴系统的轴线方向上越厚，则磁块、中圈2和套圈也可以相应地增厚，则线圈在磁场中的长度就越长，并且还可以通过多层线圈以成倍增加其长度；最后，适合的铜导线截面尺寸可以提供数安培的电流而不至于过热。这些特点使得我们可以在很大的范围内灵活设计减振器的输出扭矩，非常有利于从小型轴系统到大型轴系统的主动控制型减振或扭振试验需求。

以上是对本实用新型的描述，而非限制，基于本实用新型思想的其它实施方案，亦在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1，一种主动控制型电动扭振减振器，其特征在于该减震器包括有如下组成部分：

固定模块，它刚性固定在轴系统上；

相对转动模块，它通过弹簧弹性固定在轴系统上；

导电线圈，它设置在固定模块和相对转动模块两者其一上；

磁场发生器件，它设置在那个没有设置前述导电线圈的固定模块或相对转动模块上，用以产生能够穿过导线线圈的磁场。

2，根据权利要求1所述的一种主动控制型电动扭振减振器，其特征在于：在轴系统上设置有电刷，用以向所述的导电线圈通电。

3，根据权利要求1所述的一种主动控制型电动扭振减振器，其特征在于：所述的固定模块是通过两端分叉延伸的X型固定结构实现的，两相邻分叉之间设置有弧形的导电线圈架构，同时相对的另两个分叉之间设置有另一段弧形导电线圈架构。

4，根据权利要求1或3所述的一种主动控制型电动扭振减振器，其特征在于：在所述导电线圈的两侧至少其一处，设置有磁场发生器件。

5，根据权利要求3所述的一种主动控制型电动扭振减振器，其特征在于：没有设置导电线圈的相邻分叉，共包括两处位置，在这两处位置至少其一处，设置有用以限定相对转动模块转动范围的固定块。

6，根据权利要求1所述的一种主动控制型电动扭振减振器，其特征在于：相对转动模块上通过沿转轴系统对称的两个弹簧，固定在轴系统上。

7，根据权利要求1所述的一种主动控制型电动扭振减振器，其特征在于：针对前述的导电线圈，所设置在磁场发生器件，能够产生互斥磁场或者互吸磁场。

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