一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置

1.本发明属于减振领域，更具体地，涉及一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置。


背景技术：

2.在超精密制造和检测领域，对低频振动激励的隔离和抑制，一直是难以解决的问题，因为常规被动隔振无法适应低频隔振的要求。被动隔振中加入主动控制，可有效降低固有频率，提高隔振性能，但成本太高。对于传统的线性隔振系统，当外界干扰频率高于系统固有频率一定值时，才具有隔振效果。因此，在保证隔振系统负载质量不变的情况下，为了拓宽隔振频带，必须降低系统刚度，减小固有频率。
3.对于垂向低频隔振，目前效果最好的是空气弹簧，但需要提供气源，不能在真空中使用，且不能达到超低频隔振的效果。自platus提出负刚度原理后，国内外基于负刚度原理研究出的各种隔振器，对隔振性能有所提升。目前，较好的解决方案是在隔振系统中引入磁负刚度机构，其主要有以下优点：在保证隔振系统承载能力不变的情况下提升隔振性能；磁负刚度机构动定子之间无接触，避免摩擦问题。
4.但是，目前磁负刚度机构的应用尚且存在一些技术难点，例如难以实现较大的负刚度，难以实现宽域大行程范围负刚度，难以实现高线性度负刚度等。在公开号为cn102808883a中国专利申请中公开了一种磁负刚度机构，包括机架部分、负刚度调整部件、弹性导向部件和动子框架。该负刚度机构是利用磁铁反向布置的排斥作用形成负的刚度特性，其负刚度线性度较差，在宽域行程范围内负刚度值变动较大，不够稳定。
5.因此，需要开发出一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，要求其负刚度线性度较高，在宽域行程范围内负刚度值稳定。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构，通过巧妙的结构设计，将相邻的永磁体分别固定于定子框架和动子框架上，实现多个永磁体按照特定的磁化方向和位置进行阵列排布，使相邻永磁体之间沿振动方向的作用力(吸力或斥力)都能产生负刚度特性，进一步配合弹性调节部件和刚度调节部件，使得本发明的磁负刚度装置在相对较宽的振动行程内表现出高线性度、高幅值的负刚度特性。
7.为实现以上发明目的，按照本发明的一个方面，提供一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其包括定子框架、动子框架、磁负刚度部件、弹性导向部件和刚度调节部件，磁负刚度部件包括动子永磁体组件和定子永磁体组件，动子永磁体组件包括多个动子永磁体，定子永磁体组件包括多个动子永磁体，定子框架用于固定定子永磁体组件和弹性导向部件，动子框架用于固定动子永磁体组件，动子框架整体设置在定子框架包围的空间内，定子框架整体和动子框架整体均呈镂空状，镂空处嵌装动子永磁体和定子永磁体，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形
式布置，两个相互正交的阵列方向为第一阵列方向和第二阵列方向，所有定子永磁体的励磁方向均与第一阵列方向相同，且与所有动子永磁体的励磁方向相反，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等，通过阵列排布，对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，使得定子永磁体与动子永磁体在第二阵列方向上的作用力呈现负刚度特性，弹性导向部件固定在定子框架上，其包括多根簧片，其用于限制动子框架只做单维直线运动，并提供部分正刚度，同时与磁负刚度部件并联，刚度调节部件用于调节弹性导向部件中多根簧片的垂向正刚度，进而调节自身的综合刚度。
8.进一步的，动子永磁体组件包括规格和尺寸均相同的第一动子永磁体、第二动子永磁体、第三动子永磁体、第四动子永磁体、第五动子永磁体，动子框架呈镂空的矩形体状，在其中的相互平行的四个面上具有镂空部分，其正中心部分为镂空状，正中心部分具有两个相对的凸台，凸台上设置有凹槽，第三动子永磁体卡合或者胶黏在相对的凸台凹槽中，其余的第一动子永磁体、第二动子永磁体、第四动子永磁体、第五动子永磁体分别固定在相对的两个面的镂空处，每个面的镂空处设置两个动子永磁体，第一动子永磁体、第二动子永磁体、第三动子永磁体、第四动子永磁体、第五动子永磁体一共五个动子永磁体相互平行，且以第三动子永磁体为中心环绕布置。
9.进一步的，定子永磁体组件包括第一定子永磁体、第二定子永磁体、第三定子永磁体和第四定子永磁体，定子框架包括第一定子支撑架、第二定子支撑架、第三定子支撑架和第四定子支撑架，第一定子支撑架与第二定子支撑架相互平行且相对设置，第三定子支撑架和第四定子支撑架相互平行且相对设置，第一定子支撑架与第二定子支撑架同时位于第三定子支撑架和第四定子支撑架之间，且第一定子支撑架、第二定子支撑架分别与第三定子支撑架和第四定子支撑架相垂直，第一定子支撑架、第二定子支撑架、第三定子支撑架和第四定子支撑架包围形成的整体呈镂空状类矩形体，每一个定子永磁体对应设置在一个定子支撑架上，并且，所有定子永磁体均位于所有定子支撑架包围形成的空间内，所有定子永磁体相互平行且沿设定的阵列形式布置。
10.进一步的，第一定子支撑架、第二定子支撑架、第三定子支撑架、第四定子支撑架均贴近在动子框架相互平行的四个面，定子框架和动子框架紧密安装形成一体，以使所有的定子永磁体和所有的动子永磁体共同组成3
×
3的阵列布置。
11.进一步的，弹性导向部件包括第一簧片前端支撑架、第二簧片前端支撑架、第一簧片后端支撑架、第二簧片后端支撑架、第一簧片、第二簧片、第三簧片和第四簧片，其中，第一簧片、第二簧片、第三簧片、第四簧片的固定端同时和第一簧片前端支撑架、第二簧片前端支撑架连接，第一簧片、第二簧片、第三簧片、第四簧片的移动端同时和第一簧片后端支撑架、第二簧片后端支撑架连接，第一簧片、第二簧片、第三簧片、第四簧片均呈条带状，且相互平行，第一簧片前端支撑架和第二簧片前端支撑架相互平行且相隔间距，分别设置在定子框架一端的两侧，第一簧片后端支撑架、第二簧片后端支撑架相互平行设置，位于定子框架另一端的两侧，并且，第一簧片后端支撑架、第二簧片后端支撑架同时和动子框架两侧固定连接，工作时，由于第一簧片、第二簧片、第三簧片、第四簧片一共四根簧片平行布置而具有的导向作用，动子框架只能沿着垂向做单维直线运动。
12.进一步的，刚度调节部件包括第一滑块、第二滑块、第一横梁和第二横梁，第一滑块、第二滑块两者相对平行设置，第一滑块、第二滑块上开u型沉头孔，通过该u型沉头孔和
螺钉与第一簧片前端支承架的端部和第二簧片前端支承架端部固定，第一横梁、第二横梁均呈长条状，两者相互平行并相对设置，第一横梁的两个端部分别与第一滑块端部、第二滑块端部固定，并同时压紧第一簧片和第二簧片，第二横梁的两个端部分别与第一滑块另一端部、第二滑块另一端部固定，并同时压紧第三簧片和第四簧片，工作时，当刚度调节部件中所有螺钉处于松动状态时，第一滑块、第二滑块可沿着其上的u型沉头孔横向移动，当第一滑块、第二滑块在不同位置处锁紧时，可改变第一、第二、第三、第四簧片的可弯曲长度，从而调节第一、第二、第三、第四簧片的垂向刚度。
13.进一步的，刚度调节部件包括调节圆盘、前轴承支座、后轴承支座、端部传动轴、第一侧面传动丝杠、第二侧面传动丝杠、第一侧面轴承座、第二侧面轴承座、第一簧片支撑螺母、第二簧片支撑螺母、第一簧片压块、第二簧片压块、第一镜像簧片压块和第二镜像簧片压块，其中，前轴承支座、后轴承支座与第三定子支撑架、第四定子支撑架的端部固定，端部传动轴通过轴承与前轴承支座、后轴承支座连接，并受前轴承支座和后轴承支座支撑，端部传动轴的一个端部伸出前轴承支座之外，端部传动轴伸出的端部与调节圆盘之间通过过盈配合固定，第一侧面传动丝杠通过两轴承与第一簧片前端支撑架和第一侧面轴承座连接，第一簧片前端支撑架和第一侧面轴承座均呈块体状，分别固定在第三定子支撑架同一侧面的两端，第二侧面传动丝杠通过两轴承与第二簧片前端支撑架和第二侧面轴承座连接，第二簧片前端支撑架和第二侧面轴承座分别规定在第四定子支撑架的同一侧面的两端，端部传动轴分别与第一侧面传动丝杠、第二侧面传动丝杠之间通过各自对应的齿轮对传动，第一簧片支撑螺母、第二簧片支撑螺母分别与第一侧面传动丝杠、第二侧面传动丝杠之间通过丝杠螺母传动方式连接，第一簧片压块、第一镜像簧片压块通过肩轴螺栓分别与第一簧片支撑螺母的两侧连接，第一簧片压块和第一镜像簧片压块之间通过螺栓连接，第一簧片压块和第一镜像簧片压块相对设置，分别用于夹紧第一簧片、第三簧片，第二簧片压块、第二镜像簧片压块通过肩轴螺栓分别与第二簧片支撑螺母的两侧连接，第二簧片压块、第二镜像簧片压块之间通过螺栓连接，第二簧片压块、第二镜像簧片压块相对设置，分别用于夹紧第二簧片、第四簧片，工作时，通过旋转调节圆盘使得端部传动轴转动，端部传动轴的转动通过齿轮传动和丝杠螺母传动转变为第一簧片支撑螺母和第二簧片支撑螺母直线运动，进而改变第一、第二、第三、第四簧片的可弯曲长度，从而调节第一、第二、第三、第四簧片的垂向刚度。
14.进一步的，其还包括二维柔性转接机构，使用时，刚度可调的所述紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置位于外界的隔振器定框架和外界的隔振器动框架之间，在隔振器定框架和隔振器动框架之间的四个角落处各设置有一个正刚度弹簧，刚度可调的所述紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置通过设定于第三定子支撑架、第四定子支撑架上的机械接口与隔振器定框架固定连接，通过二维柔性转接机构与隔振器动框架固定连接。
15.进一步的，所述的二维柔性转接机构整体连接在动子框架上，其包括柔性杆前端支撑、柔性杆后端支撑和柔性杆，柔性杆后端支撑呈u型块体状，其上设置有多个螺孔，柔性杆后端支撑通过螺栓和动子框架固定连接，柔性杆前端支撑呈块体状，用于固定在在柔性杆后端支撑的开口端，柔性杆前端支撑和柔性杆后端支撑之间固定连接并将柔性杆夹紧固定，柔性杆与外部的隔振器动框架连接。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效
果：
17.本发明中，通过设置定子框架和动子框架，将动子永磁体和定子永磁体按照设定的方式排列，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形式布置，定子永磁体的励磁方向均与第一阵列方向相同，且与所有动子永磁体的励磁方向相反，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等，通过阵列排布，对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，构成特殊的二维阵列形式，实现宽域高线性度负刚度特性。通过设置弹性导向部件限定动子框架的移动并提供正刚度，通过设置刚度调节部件实现正刚度大小可调，从而实现对整个磁负刚度装置综合刚度可调。通过改变并联的弹性导向部件正刚度，可实现磁负刚度机构刚度大小可调，紧凑型宽域高线性度磁负刚度机构与正刚度弹簧并联，可实现具有大行程的超低频隔振机构，可实现宽域近零刚度，不光隔振性能优越，且稳定性较好。
附图说明
18.图1为本发明工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置实施例1动子永磁体安装示意图；
19.图2为本发明工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置实施例1定子永磁体安装示意图；
20.图3为本发明工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置实施例1磁极部分剖视图；
21.图4为本发明工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置实施例1三维结构图；
22.图5为本发明工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置实施例1移除部分组件的三维结构图；
23.图6为本发明工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置实施例1爆炸图；
24.图7为本发明工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置实施例2三维结构图；
25.图8为本发明工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置实施例2移除部分组件的三维结构图；
26.图9为本发明工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置实施例2爆炸图；
27.图10为本发明工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置并联正刚度弹簧示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.本发明提出一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其利用多个永磁体按照特定的磁化方向和位置进行阵列排布，将相邻的永磁体分别固定于定子框架和动子框架上，使相邻永磁体之间沿振动方向的作用力(吸力或斥力)都能产生负刚度特性，通过
合理配置各方向的永磁体间距，使整个磁负刚度机构在相对较宽的振动行程内表现出高线性度、高幅值的负刚度特性。其包括定子永磁体和动子永磁体，定子永磁体至少具有两个，动子永磁体至少为一个，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形式布置，两个相互正交的阵列方向为第一阵列方向和第二阵列方向，所有定子永磁体的励磁方向均与第一阵列方向相同，且与所有动子永磁体的励磁方向相反，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等，通过阵列排布，对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，使得定子永磁体与动子永磁体在第二阵列方向上的作用力呈现负刚度特性，该方向作为用于降低与外界所匹配的隔振器的刚度的方向。
30.本发明中，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均为长方体，所述长方体的棱边处为直角、圆角或者倒角。定子永磁体和动子永磁体尺寸规格相同，所有定子永磁体和所有的动子永磁体在相同方向的尺寸一致，且在第一阵列方向和第二阵列方向上的尺寸相等，所有定子永磁体的横截面为正方形。定子永磁体与定子框架固定连接，并通过设于定子框架上的机械接口与外界所匹配的隔振器定框架或与隔振器定框架固定连接的振源固定连接，动子永磁体与动子框架固定连接，并通过设于动子框架上的机械接口与外界所匹配的隔振器动框架或与外界隔振器动框架固定连接的被隔振设备固定连接，定子框架和动子框架结构和位置相互配合，以实现定子永磁体和动子永磁体按照设定位置形成二维排列。
31.图1为本发明实施例1工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置动子框架示意图，如图所示，第一动子永磁体2a、第二动子永磁体2b、第三动子永磁体2c、第四动子永磁体2d、第五动子永磁体2e构成动子永磁体组件，各动子永磁体通过高强度结构胶固定在动子框架4上。仔细观察图1可知，动子框架4呈镂空的矩形状，在其中的相互平行的四个面上均进行了镂空，其正中心部分也进行了镂空，正中心部分具有两个相对的凸台，凸台上设置有凹槽，第三动子永磁体卡合或者胶黏在相对的凸台凹槽中，其余的第一动子永磁体、第二动子永磁体、第四动子永磁体、第五动子永磁体固定在相对的两个镂空面处，每个镂空面设置两个，第一动子永磁体2a、第二动子永磁体2b、第三动子永磁体2c、第四动子永磁体2d、第五动子永磁体2e一共五个动子永磁体相互平行，且以第三动子永磁体2c为中心环绕布置。
32.图2为本发明实施例1中工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置定子框架示意图，如图2所示，第一定子永磁体1a、第二定子永磁体1b、第三定子永磁体1c、第四定子永磁体1d构成定子永磁体组件，分别通过高强度结构胶固定在第一定子支撑架3a、第三定子支撑架3c、第四定子支撑架3d上、第二定子支撑架3b。第一定子永磁体1a、第二定子永磁体1b、第三定子永磁体1c、第四定子永磁体1d相互平行且沿设定的阵列形式布置，沿着与第一定子永磁体1a、第二定子永磁体1b、第三定子永磁体1c、第四定子永磁体1d横截面的视角看，第一定子永磁体1a和第四定子永磁体1d相对设置，第二定子永磁体1b和第三定子永磁体1c相对设置，相应的，第一定子支撑架3a与第二定子支撑架3b相互平行且相对设置，第一定子支撑架3a与第二定子支撑架3b形状相同或者相近，第三定子支撑架3c和第四定子支撑架3d相互平行且相对设置，第三定子支撑架3c和第四定子支撑架3d形状相同或者相近，第一定子支撑架3a与第二定子支撑架3b位于第三定子支撑架3c和第四定子支撑架3d之间，且第一定子支撑架3a、第二定子支撑架3b分别与第三定子支撑架3c和第四定子支撑架3d相
垂直，第一定子永磁体1a、第二定子永磁体1b、第三定子永磁体1c、第四定子永磁体1d分别位于第一定子支撑架3a、第三定子支撑架3c、第四定子支撑架3d上、第二定子支撑架3b包围形成的空间内。
33.图3为本发明实施例1的工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置磁极部分剖视图，由图可知，其将定子永磁体组件和动子永磁体组件安装在一起，第一定子支撑架3a、第二定子支撑架3b、第三定子支撑架3c、第四定子支撑架3d以及动子框架4紧密安装形成一体。其中，所有的动子永磁体一共为五个，所有的定子永磁体一共为四个，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体共同组成3
×
3的阵列布置。具体的，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形式布置，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等，通过阵列排布，对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，使得定子永磁体与动子永磁体在第二阵列方向上的作用力呈现负刚度特性，该方向作为用于降低与外界所匹配的隔振器的刚度的方向。
34.图4为本发明实施例1工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置三维结构图，图5为本发明实施例1工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置移除部分组件的三维结构图，图6为本发明实施例1中程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置三维爆炸图，如图4、图5、图6所示，实施例1中紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置包括定子框架、动子框架、磁负刚度部件、弹性导向部件、刚度调节部件和二维柔性转接机构。
35.具体的，定子框架3用于固定定子永磁体组件和弹性导向部件，定子框架3由第一定子支撑架、第二定子支撑架、第三定子支撑架和第四定子支撑架组成。第三、第四定子支撑架3c、3d分别通过四个螺钉和第一、第二定子支撑架3a、3b连接。第二定子支撑架3b通过螺钉安装在外部基板上。动子框架4用于固定动子永磁体组件和二维柔性转接机构。动子框架4设置在第一定子支撑架、第二定子支撑架、第三定子支撑架和第四定子支撑架包围形成的空间内。第一定子支撑架、第二定子支撑架、第三定子支撑架和第四定子支撑架相互包围形成一个类矩形体状的结构，该结构内部为一个类矩形体状的空间。磁负刚度部件用于形成负刚度，由定子永磁体组件、动子永磁体组件组成，具体由第一、第二、第三、第四定子永磁体和第一、第二、第三、第四、第五动子永磁体构成。第一、第二、第三、第四、第五动子永磁体构成动子永磁体组件，并通过高强度结构胶与动子框架4固定。第一、第二、第三、第四定子永磁体构成定子永磁体组件，并通过高强度结构胶与定子框架3固定。
36.弹性导向部件用于限制动子框架只做单维直线运动，并提供部分正刚度，还和永磁体(包括所有动子永磁体和所有定子永磁体)形成的磁负刚度部件并联。弹性导向部件包括第一簧片前端支撑架5a、第二簧片前端支撑架5b、第一簧片后端支撑架5c、第二簧片后端支撑架5d、第一簧片5e、第二簧片5f、第三簧片5g和第四簧片5h。第一簧片5e、第二簧片5f、第三簧片5g、第四簧片5h的固定端分别通过两个螺钉和第一簧片前端支撑架5a、第二簧片前端支撑架5b连接，第一簧片5e、第二簧片5f、第三簧片5g、第四簧片5h的移动端分别通过一个螺钉和第一簧片后端支撑架5c、第二簧片后端支撑架5d连接。第一簧片5e、第二簧片5f、第三簧片5g、第四簧片5h均呈条带状，且相互平行。第一簧片后端支撑架5c和第二簧片后端支撑架5d设置在同一端，第一簧片前端支撑架5a和第二簧片前端支撑架5b设置同一端，第一簧片前端支撑架5a和第二簧片前端支撑架5b设置的一端与第一簧片后端支撑架5c和第二簧片后端支撑架5d所处的一端相对。第一簧片前端支撑架5a和第二簧片前端支撑架
5b相互平行且相隔间距，第一簧片前端支撑架5a和第二簧片前端支撑架5b两者形状类似，分别设置在定子框架一端的两侧。第一簧片后端支撑架5c、第二簧片后端支撑架5d两者形状类似或者相同，两者也是相互平行设置，位于定子框架另一端两侧。并且，第一簧片后端支撑架5c、第二簧片后端支撑架5d分别通过两个螺钉和动子框架4两侧固定连接。第一簧片前端支撑架5a、第二簧片前端支撑架5b分别通过两个螺钉和两个定位销分别与第三定子支撑架3c、第四定子支撑架3d固定连接。由于第一簧片5e、第二簧片5f、第三簧片5g、第四簧片5h一共四根簧片平行布置而具有的导向作用，动子框架4只能沿着垂向做单维直线运动。在动子框架4的移动方向上，第一簧片5e、第二簧片5f、第三簧片5g、第四簧片5h具有一定的正刚度，因而本发明所提供的工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置的整体刚度是由第一簧片5e、第二簧片5f、第三簧片5g、第四簧片5h提供的正刚度与磁负刚度部件提供的负刚度并联形成的综合刚度。
37.刚度调节部件用于调节弹性导向部件中四根簧片的垂向正刚度，进而调节磁负刚度机构的综合刚度。刚度调节部件由第一滑块6a、第二滑块6b、第一横梁6c和第二横梁6d组成。如图4所示，第一滑块6a、第二滑块6b形状相同或者类似，两者相对平行设置，第一滑块6a、第二滑块6b上开u型沉头孔，分别通过两个螺钉和第一簧片前端支承架5a的端部和第二簧片前端支承架5b端部固定。第一横梁6c、第二横梁6d形状相同或者相近，两者均呈长条状，两者相互平行并相对设置。第一横梁6c、第二横梁6d分别通过两个螺钉和第一滑块6a、第二滑块6b的两个相对的端部固定连接。当刚度调节部件中所有螺钉处于松动状态时，第一滑块6a、第二滑块6b可沿着其上的u型沉头孔横向移动，当第一滑块6a、第二滑块6b在不同位置处锁紧时，可改变第一簧片5e、第二簧片5f、第三簧片5g、第四簧片5h的可弯曲长度，从而调节第一簧片5e、第二簧片5f、第三簧片5g、第四簧片5h的垂向刚度。
38.二维柔性转接机构包括柔性杆前端支撑7a、柔性杆后端支撑7b和柔性杆7c。柔性杆后端支撑7b呈u型块体状，其上设置有多个螺孔，柔性杆后端支撑7b通过两螺栓和动子框架4固定连接，其固定在动子框架4一个侧面的中央处，柔性杆前端支撑7a呈块体状，用于固定在在柔性杆后端支撑7b的开口端，柔性杆前端支撑7a和柔性杆后端支撑7b之间通过两螺钉连接并将柔性杆夹紧固定，柔性杆与外部的隔振器动框架9连接。柔性杆为弹性细杆，起二维柔性连接的作用，确保工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置仅在图4所示垂直方向上提供负刚度，而在水平向具有很小的刚度。
39.图7为本发明实施例2工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置三维结构图，图8为本发明实施例2工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置移除部分组件的三维结构图，图9为本发明实施例2工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置三维爆炸图，如图7、图8、图9所示，本实施例所提供的工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置包括定子框架、动子框架、磁负刚度部件、弹性导向部件、刚度调节部件和二维柔性转接机构。与实施例1不同的是，实施例1的刚度调节通过移动滑块来实现，而实施例2的刚度调节由丝杠螺母来实现。由图7、图8、图9所示，实施例2的刚度调节部件包括调节圆盘6e、前轴承支座6f、后轴承支座6g、端部传动轴6h、第一侧面传动丝杠6i、第二侧面传动丝杠6j、第一侧面轴承座6k、第二侧面轴承座6l、第一簧片支撑螺母6m、第二簧片支撑螺母6n、第一簧片压块6o、第二簧片压块6p、第一镜像簧片压块6q和第二镜像簧片压块6r组成。前轴承支座6f、后轴承支座6g通过四个螺栓与第三定子支撑架3c、第四定子支撑架3d的端部固定。端部
传动轴6h通过两轴承与前轴承支座6f、后轴承支座6g连接，受前轴承支座6f和后轴承支座6g支撑，端部传动轴6h的一个端部伸出前轴承支座6f之外。端部传动轴6h伸出的端部与调节圆盘6e之间通过过盈配合固定。
40.第一侧面传动丝杠6i通过两轴承与第一簧片前端支撑架5a和第一侧面轴承座6k连接。第一簧片前端支撑架5a和第一侧面轴承座6k均呈块体状，分别固定在第三定子支撑架3c同一侧面的两端。第二侧面传动丝杠6j通过两轴承与第二簧片前端支撑架5b和第二侧面轴承座6l连接。第二簧片前端支撑架5b和第二侧面轴承座6l分别与第一簧片前端支撑架5a和第一侧面轴承座6k形状相近或者相同，第二簧片前端支撑架5b和第二侧面轴承座6l分别规定在第四定子支撑架3d的同一侧面的两端。端部传动轴6h分别与第一侧面传动丝杠6i、第二侧面传动丝杠6j之间通过各自对应的齿轮对传动。第一簧片支撑螺母6m、第二簧片支撑螺母6n分别与第一侧面传动丝杠6i、第二侧面传动丝杠6j之间通过丝杠螺母传动方式连接。第一簧片压块6o、第一镜像簧片压块6q通过肩轴螺栓分别与第一簧片支撑螺母6m的两侧连接，第一簧片压块6o和第一镜像簧片压块6q之间通过螺栓连接，第一簧片压块6o和第一镜像簧片压块6q相对设置，分别用于夹紧第一簧片5e、第三簧片5g。第二簧片压块6p、第二镜像簧片压块6r通过肩轴螺栓分别与第二簧片支撑螺母6n的两侧连接，第二簧片压块6p、第二镜像簧片压块6r之间通过螺栓连接，第二簧片压块6p、第二镜像簧片压块6r相对设置，分别用于夹紧第二簧片5f、第四簧片5h。通过旋转调节圆盘6e使得端部传动轴6h转动，端部传动轴6h的转动通过齿轮传动和丝杠螺母传动转变为第一簧片支撑螺母6m和第二簧片支撑螺母6n直线运动，进而改变第一、第二、第三、第四簧片5e、5f、5g、5h的可弯曲长度，从而调节第一、第二、第三、第四簧片5e、5f、5g、5h的垂向刚度。
41.图10为本发明实施例1工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置并联正刚度弹簧示意图，由图可知，实施例1工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置位于隔振器定框架8和隔振器动框架9之间，在隔振器定框架8和隔振器动框架9之间的四个角落处各设置有一个正刚度弹簧10。因为负刚度装置具有不稳定性，因此需要和正刚度弹簧并联使用，通过并联本发明所提供的工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置和线性正刚度弹簧，可构成具有大承载能力和大行程范围的低刚度弹簧，可有效降低减振器的固有频率，提升隔振性能。紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置通过设定于第三定子支撑架3c、第四定子支撑架3d上的机械接口与隔振器定框架8固定连接，通过柔性杆7c与隔振器动框架9固定连接。工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置与正刚度弹簧10并联，实现超低频隔振。正刚度弹簧10可以是空气弹簧、机械弹簧等。
42.本发明的工程应用中的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置可以与具有大承载力的正刚度机构并联，通过合理匹配负刚度机构和正刚度机构的刚度值，在保证大承载力的同时使综合刚度接近零，从而获得超低频隔振性能。
43.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其特征在于，其包括定子框架、动子框架、磁负刚度部件、弹性导向部件和刚度调节部件，磁负刚度部件包括动子永磁体组件和定子永磁体组件，动子永磁体组件包括多个动子永磁体，定子永磁体组件包括多个动子永磁体，定子框架(3)用于固定定子永磁体组件和弹性导向部件，动子框架(4)用于固定动子永磁体组件，动子框架整体设置在定子框架包围的空间内，定子框架整体和动子框架整体均呈镂空状，镂空处嵌装动子永磁体和定子永磁体，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形式布置，两个相互正交的阵列方向为第一阵列方向和第二阵列方向，所有定子永磁体的励磁方向均与第一阵列方向相同，且与所有动子永磁体的励磁方向相反，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置且间距相等，通过阵列排布，对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，使得定子永磁体与动子永磁体在第二阵列方向上的作用力呈现负刚度特性，弹性导向部件固定在定子框架上，其包括多根簧片，其用于限制动子框架只做单维直线运动，并提供部分正刚度，同时与磁负刚度部件并联，刚度调节部件用于调节弹性导向部件中多根簧片的垂向正刚度，进而调节自身的综合刚度。2.如权利要求1所述的一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其特征在于，动子永磁体组件包括规格和尺寸均相同的第一动子永磁体(2a)、第二动子永磁体(2b)、第三动子永磁体(2c)、第四动子永磁体(2d)、第五动子永磁体(2e)，动子框架(4)呈镂空的矩形体状，在其中的相互平行的四个面上具有镂空部分，其正中心部分为镂空状，正中心部分具有两个相对的凸台，凸台上设置有凹槽，第三动子永磁体卡合或者胶黏在相对的凸台凹槽中，其余的第一动子永磁体、第二动子永磁体、第四动子永磁体、第五动子永磁体分别固定在相对的两个面的镂空处，每个面的镂空处设置两个动子永磁体，第一动子永磁体(2a)、第二动子永磁体(2b)、第三动子永磁体(2c)、第四动子永磁体(2d)、第五动子永磁体(2e)一共五个动子永磁体相互平行，且以第三动子永磁体(2c)为中心环绕布置。3.如权利要求2所述的一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其特征在于，定子永磁体组件包括第一定子永磁体(1a)、第二定子永磁体(1b)、第三定子永磁体(1c)和第四定子永磁体(1d)，定子框架(3)包括第一定子支撑架、第二定子支撑架、第三定子支撑架和第四定子支撑架，第一定子支撑架(3a)与第二定子支撑架(3b)相互平行且相对设置，第三定子支撑架(3c)和第四定子支撑架(3d)相互平行且相对设置，第一定子支撑架(3a)与第二定子支撑架(3b)同时位于第三定子支撑架(3c)和第四定子支撑架(3d)之间，且第一定子支撑架(3a)、第二定子支撑架(3b)分别与第三定子支撑架(3c)和第四定子支撑架(3d)相垂直，第一定子支撑架、第二定子支撑架、第三定子支撑架和第四定子支撑架包围形成的整体呈镂空状类矩形体，每一个定子永磁体对应设置在一个定子支撑架上，并且，所有定子永磁体均位于所有定子支撑架包围形成的空间内，所有定子永磁体相互平行且沿设定的阵列形式布置。4.如权利要求3所述的一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其特征在于，第一定子支撑架(3a)、第二定子支撑架(3b)、第三定子支撑架(3c)、第四定子支撑架
(3d)均贴近在动子框架(4)相互平行的四个面，定子框架和动子框架紧密安装形成一体，以使所有的定子永磁体和所有的动子永磁体共同组成3
×
3的阵列布置。5.如权利要求4所述的一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其特征在于，弹性导向部件包括第一簧片前端支撑架(5a)、第二簧片前端支撑架(5b)、第一簧片后端支撑架(5c)、第二簧片后端支撑架(5d)、第一簧片(5e)、第二簧片(5f)、第三簧片(5g)和第四簧片(5h)，其中，第一簧片(5e)、第二簧片(5f)、第三簧片(5g)、第四簧片(5h)的固定端同时和第一簧片前端支撑架(5a)、第二簧片前端支撑架(5b)连接，第一簧片(5e)、第二簧片(5f)、第三簧片(5g)、第四簧片(5h)的移动端同时和第一簧片后端支撑架(5c)、第二簧片后端支撑架(5d)连接，第一簧片(5e)、第二簧片(5f)、第三簧片(5g)、第四簧片(5h)均呈条带状，且相互平行，第一簧片前端支撑架(5a)和第二簧片前端支撑架(5b)相互平行且相隔间距，分别设置在定子框架一端的两侧，第一簧片后端支撑架(5c)、第二簧片后端支撑架(5d)相互平行设置，位于定子框架另一端的两侧，并且，第一簧片后端支撑架(5c)、第二簧片后端支撑架(5d)同时和动子框架(4)两侧固定连接，工作时，由于第一簧片(5e)、第二簧片(5f)、第三簧片(5g)、第四簧片(5h)一共四根簧片平行布置而具有的导向作用，动子框架(4)只能沿着垂向做单维直线运动。6.如权利要求5所述的一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其特征在于，刚度调节部件包括第一滑块(6a)、第二滑块(6b)、第一横梁(6c)和第二横梁(6d)，第一滑块(6a)、第二滑块(6b)两者相对平行设置，第一滑块(6a)、第二滑块(6b)上开u型沉头孔，通过该u型沉头孔和螺钉与第一簧片前端支承架(5a)的端部和第二簧片前端支承架(5b)端部固定，第一横梁(6c)、第二横梁(6d)均呈长条状，两者相互平行并相对设置，第一横梁(6c)的两个端部分别与第一滑块(6a)端部、第二滑块(6b)端部固定，并同时压紧第一簧片(5e)和第二簧片(5f)，第二横梁(6d)的两个端部分别与第一滑块(6a)另一端部、第二滑块(6b)另一端部固定，并同时压紧第三簧片(5g)和第四簧片(5h)，工作时，当刚度调节部件中所有螺钉处于松动状态时，第一滑块(6a)、第二滑块(6b)可沿着其上的u型沉头孔横向移动，当第一滑块(6a)、第二滑块(6b)在不同位置处锁紧时，可改变第一簧片(5e)、第二簧片(5f)、第三簧片(5g)、第四簧片(5h)的可弯曲长度，从而调节第一簧片(5e)、第二簧片(5f)、第三簧片(5g)、第四簧片(5h)的垂向刚度。7.如权利要求6所述的一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其特征在于，刚度调节部件包括调节圆盘(6e)、前轴承支座(6f)、后轴承支座(6g)、端部传动轴(6h)、第一侧面传动丝杠(6i)、第二侧面传动丝杠(6j)、第一侧面轴承座(6k)、第二侧面轴承座(6l)、第一簧片支撑螺母(6m)、第二簧片支撑螺母(6n)、第一簧片压块(6o)、第二簧片压块(6p)、第一镜像簧片压块(6q)和第二镜像簧片压块(6r)，其中，前轴承支座(6f)、后轴承支座(6g)与第三定子支撑架(3c)、第四定子支撑架(3d)的端部固定，端部传动轴(6h)通过轴承与前轴承支座(6f)、后轴承支座(6g)连接，并受前轴承支座(6f)和后轴承支座(6g)支撑，端部传动轴(6h)的一个端部伸出前轴承支座(6f)之外，端部传动轴(6h)伸出的端部与调节圆盘(6e)之间通过过盈配合固定，第一侧面传动丝杠(6i)通过两轴承与第一簧片前端支撑架(5a)和第一侧面轴承座
(6k)连接，第一簧片前端支撑架(5a)和第一侧面轴承座(6k)均呈块体状，分别固定在第三定子支撑架(3c)同一侧面的两端，第二侧面传动丝杠(6j)通过两轴承与第二簧片前端支撑架(5b)和第二侧面轴承座(6l)连接，第二簧片前端支撑架(5b)和第二侧面轴承座(6l)分别规定在第四定子支撑架(3d)的同一侧面的两端，端部传动轴(6h)分别与第一侧面传动丝杠(6i)、第二侧面传动丝杠(6j)之间通过各自对应的齿轮对传动，第一簧片支撑螺母(6m)、第二簧片支撑螺母(6n)分别与第一侧面传动丝杠(6i)、第二侧面传动丝杠(6j)之间通过丝杠螺母传动方式连接，第一簧片压块(6o)、第一镜像簧片压块(6q)通过肩轴螺栓分别与第一簧片支撑螺母(6m)的两侧连接，第一簧片压块(6o)和第一镜像簧片压块(6q)之间通过螺栓连接，第一簧片压块(6o)和第一镜像簧片压块(6q)相对设置，分别用于夹紧第一簧片(5e)、第三簧片(5g)，第二簧片压块(6p)、第二镜像簧片压块(6r)通过肩轴螺栓分别与第二簧片支撑螺母(6n)的两侧连接，第二簧片压块(6p)、第二镜像簧片压块(6r)之间通过螺栓连接，第二簧片压块(6p)、第二镜像簧片压块(6r)相对设置，分别用于夹紧第二簧片(5f)、第四簧片(5h)，工作时，通过旋转调节圆盘(6e)使得端部传动轴(6h)转动，端部传动轴(6h)的转动通过齿轮传动和丝杠螺母传动转变为第一簧片支撑螺母(6m)和第二簧片支撑螺母(6n)直线运动，进而改变第一簧片(5e)、第二簧片(5f)、第三簧片(5g)、第四簧片(5h)的可弯曲长度，从而调节第一簧片(5e)、第二簧片(5f)、第三簧片(5g)、第四簧片(5h)的垂向刚度。8.如权利要求7所述的一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其特征在于，其还包括二维柔性转接机构，使用时，刚度可调的所述紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置位于外界的隔振器定框架(8)和外界的隔振器动框架(9)之间，在隔振器定框架(8)和隔振器动框架(9)之间的四个角落处各设置有一个正刚度弹簧(10)，刚度可调的所述紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置通过设定于第三定子支撑架(3c)、第四定子支撑架(3d)上的机械接口与隔振器定框架(8)固定连接，通过二维柔性转接机构与隔振器动框架(9)固定连接。9.如权利要求8所述的一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，其特征在于，所述的二维柔性转接机构整体连接在动子框架(4)上，其包括柔性杆前端支撑(7a)、柔性杆后端支撑(7b)和柔性杆(7c)，柔性杆后端支撑(7b)呈u型块体状，其上设置有多个螺孔，柔性杆后端支撑(7b)通过螺栓和动子框架(4)固定连接，柔性杆前端支撑(7a)呈块体状，用于固定在在柔性杆后端支撑(7b)的开口端，柔性杆前端支撑(7a)和柔性杆后端支撑(7b)之间固定连接并将柔性杆(7c)夹紧固定，柔性杆与外部的隔振器动框架(9)连接。

技术总结
本发明提供了一种刚度可调的紧凑型宽域高线性度磁负刚度装置，属于减振领域，其包括定子框架、动子框架、磁负刚度部件、弹性导向部件和刚度调节部件，磁负刚度部件包括动子永磁体组件和定子永磁体组件，动子永磁体组件包括多个动子永磁体，定子永磁体组件包括多个动子永磁体，定子框架用于固定定子永磁体组件和弹性导向部件，动子框架用于固定动子永磁体组件，动子框架整体设置在定子框架包围的空间内，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均沿着两个相互正交的阵列方向呈二维阵列形式布置，弹性导向部件固定在定子框架上，刚度调节部件用于调节综合刚度。本发明的磁负刚度装置在相对较宽的振动行程内表现出高线性度、高幅值的负刚度特性。值的负刚度特性。值的负刚度特性。


技术研发人员：陈学东 姜伟 车吉星 吴明凯 吴九林
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2022/3/8