一种二维磁负刚度机构以及应用

1.本发明属于减振、隔振领域，更具体地，涉及一种二维磁负刚度机构。


背景技术：

2.在高端ic芯片制造领域和超精密检测领域，振动一直是难以解决的问题，尤其是随着各种高端装备向着高速、高精、高稳定性发展，振动带来的影响越来越严重。需利用减振器组成的隔振系统对机械振动进行隔离，以阻止振动向相关设备传递，影响设备正常工作。
3.减振器的性能主要包括承载能力和减振性能。传统的如金属弹簧、橡胶结构、空气弹簧等减振形式组成的减振系统，在减小系统刚度时，可以提高系统的减振性能，但是会降低系统的承载能力，存在减振性能和承载能力相互矛盾的问题。通过在被动隔振系统中加入主动控制，可有效解决减振器承载能力和减振性能的矛盾，但成本太高，系统过于复杂。目前较好的解决方案是在减振系统中引入磁负刚度机构，其主要有以下优点：(1)在保证减振系统承载能力不变的情况下提升减振性能；(2)磁负刚度中的磁场力为非接触力，不会引入摩擦力及其带来的非线性问题。
4.但是，目前，磁负刚度机构的应用存在一些技术难点，如难以实现稳定线性的负刚度，难以实现较大的负刚度，难以实现多维度的负刚度等，这限制了磁负刚度技术在减振系统中的应用。
5.在公开号为cn113915282a的中国专利申请中公开了一种一维磁负刚度机构，包括定子永磁体、动子永磁体，该发明同时利用上下永磁体相吸和左右永磁体相斥的作用力在相对宽裕的行程内实现了较高线性度的负刚度。但是，其只能实现一个方向的负刚度特性，对于多维的负刚度则需要并联多个一维磁负刚度机构，使得结构复杂，不够紧凑。
6.因此，需要开发一种高性能二维磁负刚度机构，要求其结构紧凑，负刚度线性度较高，能同时实现两个相互正交方向的负刚度，以最终能提升系统多个维度的减振性能。


技术实现要素：

7.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种二维磁负刚度机构，针对现有技术缺陷或改进需求，本发明提出了一种高性能二维磁负刚度机构，其将多个永磁体按照特定的磁化方向和位置沿着三个相互正交的方向进行三维阵列布置，通过相应的连接结构将相邻永磁体分别固定于定子框架和动子框架上，定子框架和动子框架发生相对位移时永磁体之间的排斥力和吸引力使得整个机构在第三阵列方向呈现正刚度特性，在第一和第二阵列方向呈现负刚度特性，其能同时实现两个相互正交方向的负刚度，最终能提升系统多个维度的减振性能。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种二维磁负刚度机构，其包括定子永磁体、动子永磁体、定子框架、动子框架、定子连接架和动子连接架，设定数量的定子永磁体和动子永磁体在三个相互正交的方向按照n
×n×
n的形式交替阵列布置或者设定数量的定子永磁体
和动子永磁体在三个相互正交的方向按照a
×b×
c的形式交替阵列布置，其中，a、b、c和n均为正整数，且大于等于2，三个阵列方向分别为第一、第二和第三阵列方向，分别用x向、y向和z向表示，所有的定子永磁体通过定子连接架连接在一起并最终固定在定子框架上，所有的动子永磁体通过动子连接架连接在一起并最终并固定到动子框架上。
9.其中，第一、第二和第三阵列方向上，所有定子永磁体的励磁方向均与z向平行，所有定子永磁体的励磁方向与所有动子永磁体的励磁方向相反，通过设定的阵列排布，对定子永磁和动子永磁体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x向、y向上的作用力呈现负刚度特性，在z向上呈现正刚度特性。
10.整个二维磁负刚度机构在x向、y向、z向三个方向的刚度k
x
、ky、kz满足如下关系：
11.k
x
+ky+kz＝0。
12.进一步的，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均为长方体或圆柱体，所述永磁体的棱边处为直角、圆角或者倒角。
13.进一步的，定子永磁体和动子永磁体尺寸规格相同，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体在同一阵列方向上的尺寸一致，所有永磁体在垂直于第三阵列方向上的横截面为长方形或圆形。
14.进一步的，永磁体在x、y方向上的间距相等，为永磁体宽度尺寸的0.5倍～0.75倍，永磁体在z向的间距为永磁体高度尺寸的0.3倍～0.5倍。可通过改变x、y、z三个方向的间距得到不同的负刚度值以匹配不同刚度的减振器。
15.进一步的，定子永磁体至少为12个，动子永磁体至少为14个。
16.进一步的，永磁体可在三维方向进行阵列布置时，在z向上阵列的层数为(2q+1)，在x向和y向上阵列的行数和列数分别为(2m+1)和(2n+1)，其中m、n、q为自然数。
17.进一步的，定子框架与动子框架之间沿第一阵列方向和第二阵列方向设置无摩擦或近零摩擦的直线导向件，以用于约束其在其他方向上的运动，使动子框架相对于定子框架沿第一阵列方向和第二阵列方向只能做直线运动，从而保证磁负刚度特性更为稳定。所述的直线导向件为气浮直线导轨、液压直线导轨或精密滚珠直线导轨。
18.按照本发明的第二个方面，这种高性能二维磁负刚度机构通过柔性转接件在第一阵列方向和第二阵列方向分别与正刚度弹簧并联，组成在两个方向具有超低刚度的减振器，可实现二维超低频减振。使用时，二维磁负刚度机构的定子框架通过柔性转接件与减振器定框架固定连接，或者动子框架通过柔性转接件与减振器动框架固定连接，这种柔性转接件在一个方向的刚度相对较高，而在其余方向的刚度则相对较低，使得减振器在并联这种磁负刚度机构之后在第一阵列方向和第二阵列方向的刚度被大幅降低，而其他自由度的刚度仅有少量增加。这种连接方式，使减振器在提升x向和y向减振性能的同时，对其他方向的减振性能不造成影响。所述的柔性转接件可以是柔性拉杆、柔性铰链等。
19.总而言之，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下益效果：
20.本发明中，定子永磁体和动子永磁体沿着三个相互正交的方向进行交替等间距阵列布置，构成结构紧凑的三维阵列形式，对动子永磁体和定子永磁体间吸引力和排斥力进行组合，每一块动子磁体同时作为斥力型磁负刚度机构磁体和吸力型磁负刚度机构磁体，负刚度线性度高，磁体利用率较高。
21.本发明实现了二维度的负刚度特性，能同时在两个维度上降低减振系统刚度，提
升系统多维度的减振性能，并且能够保证系统的承载能力不变，能适应多种减振环境。
22.本发明的二维磁负刚度机构，其负刚度通过非接触的磁场力实现，无摩擦，避免了因摩擦力而引起的非线性问题，简单方便，能满足各类实际工程需要，易于在传统减振器上应用。
23.此外，在不改变磁负刚度机构作用范围和线性度的情况下，在定子框架和动子框架之间设置了近零摩擦的直线导向件，能限制定子永磁体和动子永磁体在x、y向的相对运动，使得本发明提出的二维磁负刚度机构特性更为稳定。
附图说明
24.图1为本发明实施例中水平面上相邻三个永磁体的受力图；
25.图2为图1中两磁体相互作用的刚度-位移曲线图；
26.图3为本发明实施例中z向上相邻三个永磁体的受力图；
27.图4为图3中两磁体相互作用的刚度-位移曲线图；
28.图5为本发明所提供的高性能二维磁负刚度机构实施例1原理图；
29.图6(a)为实施例1第一层和第三层俯视图；
30.图6(b)为实施例1第二层俯视图；
31.图7(a)为实施例1第一层和第三层主视图；
32.图7(b)为实施例1第二层主视图；
33.图8为实施例1实物三维结构图；
34.图9为图8三维结构的剖视图；
35.图10为本发明所提供的高性能二维磁负刚度机构实施例2原理图；
36.图11为本发明所提供的高性能二维磁负刚度机构实施例3原理图；
37.图12为本发明所提供的高性能二维磁负刚度机构实施例4原理图；
38.图13为本发明所提供的高性能二维磁负刚度机构实施例5原理图；
39.图14为本发明所提供的高性能二维磁负刚度机构实施例6原理图。
具体实施方式
40.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。
41.图1为本发明实施例中水平面上相邻三个永磁体的受力图，其中，具体是沿第一阵列方向和第二阵列方向相邻三个磁体在相应方向上的受力图，图3是本发明中沿第三阵列方向相邻三个磁体在相应方向上的受力图，第一、二、三阵列方向分别定义为x、y、z向。图1和图3中定子永磁体和动子永磁体的磁化方向均与z向平行且方向相反，水平向相邻的两个永磁体表现出吸力特性，垂向相邻的两个永磁体表现出斥力特性。图1和图3仅仅简单的示出了两个磁体相组合的情况，在工程实践中，可以通过多种三维阵列形式的组合，获得紧凑型高性能二维磁负刚度机构。
42.图2、图4分别为图1和图3中磁体间相互作用的刚度-位移曲线，此处的刚度应当理解为定子永磁体和动子永磁体产生相对位移时，因作用力改变而形成的刚度，因而该刚度
与相对位置有关而与绝对位置无关。从图2可以看出，当磁体间相互作用力为吸引力时，在相对位置零位具有最小负刚度，且在一定行程范围内偏离相对位置零位越远，负刚度越大。从图4可以看出，当两磁体间相互作用力为排斥力时，在相对位置零位具有最大负刚度，且在一定行程范围内偏离相对位置零位越远，负刚度越小。由此可见，图2、图4所示刚度曲线具有相反的刚度特性，将这两种负刚度并联，可实现高线性度的负刚度。本发明的提出的二维磁负刚度机构同时利用垂向相邻永磁体的排斥力和水平向相邻永磁体的吸引力，使得整体结构在x向和y向呈现高线性度的负刚度特性。
43.图5所示为本发明提供的紧凑型高性能二维磁负刚度机构实施例1的原理图，图中x向、y向、z向分别为第一阵列方向、第二阵列方向和第三阵列方向。如图5所示，其中包括定子框架1、定子永磁体组2、动子永磁体组3、定子连接架4、动子连接架5和动子框架6。定子永磁体和动子永磁体以3
×3×
3的魔方形式在三维空间交替阵列排布，且在每一个阵列方向上相邻永磁体间距相等。永磁体励磁方向与z向平行，所有定子永磁体励磁方向相同，且和所有动子永磁体励磁方向相反。定子永磁体为图5中白色永磁体，共计12个，分布在长方体阵列形状的12条边线的中点上。动子永磁体如图5中灰色永磁体，共计14个，分布在长方体阵列形状的8个顶点和6个面心上，魔方中心位置处为动子连接架以连接6个面心的动子永磁体。定子永磁体通过定子连接架4连接在一起并最终固定在定子框架1上，动子永磁体通过动子连接架5连接在一起并最终固定在动子框架6上，定子框架和动子框架可以在三个方向产生相对运动关系。
44.更具体的，该阵列在水平面上共分为三层，第一层和第三层的俯视图如图6(a)所示，第二层的俯视图如图6(b)，其中，定子永磁体和动子永磁体在x向和y向交替等间距布置，每一层中相邻的两个永磁体在x向和y向均表现为吸引力，由图1和图2可知，每一层中的动子永磁体与定子永磁体在xoy平面内发生相对位移时，表现出相吸型的负刚度特性，在平衡位置处具有最小的负刚度值。
45.该阵列在xoz平面上第一层和第三层的主视图如图7(a)，第二层主视图如图7(b)，定子永磁体和动子永磁体交在z向等间距交替布置，励磁方向相反，在z向上相邻永磁体表现为排斥力，在x向上相邻永磁体表现为吸引力，每一层中动子永磁体与定子永磁体在xoz平面发生相对位移时，在z向表现出正刚度特性，在x向表现出相吸型与相斥型并联的负刚度特性。
46.以上方式的三维阵列布置中，当定子框架与动子框架在z向发生相对位移时，上下相邻永磁体的排斥力会抵抗这种运动趋势，使机构在z向表现出正刚度特性。当定子框架与动子框架在x向或者y向发生相对位移时，上下相邻永磁体的排斥力和左右相邻永磁体的吸引力会加速这种相对运动趋势，使机构在x向和y向表现出负刚度特性。这种叠加永磁体之间的排斥力和吸引力所产生的负刚度特性，具有高线性度宽行程的特点。
47.图8所示是实施例1实施方式的事物三维结构图，图9为图8中三维结构的剖视图，其中包括定子框架1，定子框架1包括四个部分，分别为第一定子框架分体、第二定子框架分体、第三定子框架分体和第一定子框架分体1a、1b、1c、1d、动子框架6和定子永磁体2、动子永磁体3。定子永磁体和动子永磁体以3
×3×
3的魔方形式在三维空间交替阵列布置，在每一个阵列方向上永磁体的间距相等，永磁体的励磁方向和阵列形式均与实施例1相同。定子永磁体分布在长方体阵列形状的12条边的中点上，共计12个，并且通过胶水粘接到定子框
架上，如图9中的2a～2g，粘接有定子永磁体的定子框架1a、1b、1c和1d最终会通过特定的接口连接在一起，形成一个整体。动子永磁体分布在长方体阵列形状的8个顶点和6个面心上，共计14个，并且通过胶水粘接到动子框架6上，如图9中的3a～3h，其中3a～3h分别是九宫格磁铁阵列左前侧和右前侧的面心和顶点上的永磁体，一共具有八个可见，也即3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h分别是指第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八永磁体。需要注意的是，图9只是展示了一部分永磁体的连接关系，对于其余的永磁体的连接方式类似，不再赘述。定子框架与动子框架结构相互配合，在工作范围内发生相对位移时互不干涉，定子框架和动子框架发生相对位移时，上下相邻永磁体之间的排斥力和水平面相邻永磁体之间的吸引力使得整个机构在z向呈现正刚度特性，在x、y向呈现负刚度特性，并且这种负刚度特性叠加了斥力型负刚度和吸力型负刚度，线性度高，结构紧凑。
48.图10所示是本发明提供的二维磁负刚度机构实施例2的原理图，该实施例中采用长方体的永磁体，永磁体的励磁方向、阵列形式和连接关系均与实施例1相同，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体在同一阵列方向上的尺寸一致。通过匹配永磁体在x向和y向上的尺寸和间距，使得该实施例在x向和y向可产生不同大小的负刚度。
49.图11所示是本发明提供的二维磁负刚度机构实施例3的原理图，该实施例中采用圆柱体的永磁体，圆柱体的轴线方向与z平行，永磁体的励磁方向、阵列形式和连接关系均与实施例1相同，永磁体的横截面为圆形，在x向和y向产生的负刚度大小相等。
50.图12所示是本发明提供的高性能二维磁负刚度机构实施例4的原理图，由图可知，其动子永磁体和定子永磁体沿着x、y和z三个方向阵列布置，在同一个阵列方向上，定子永磁体与动子永磁体交替布置，永磁体在垂向上形成(2q+1)层，水平向上的行数和列数分别为(2m+1)和(2n+1)，其中，m、n、q均为自然数。所有定子永磁体磁体磁化方向相同且沿着第三阵列方向(也是z向)，所有动子永磁体磁体磁化方向与定子永磁体磁体磁化方向相反。在以上三维阵列排布中，上下相邻永磁体表现为排斥力，左右相邻永磁体表现为吸引力，动子永磁体与定子永磁体在x和y向发生相对位移时，上下相邻永磁体的排斥力和左右相邻永磁体的吸引力会加速这种位移趋势，使得整个机构表现为负刚度特性。第一阵列方向和第二阵列方向作为减振方向，当动子永磁体组相对位移为零时，因对称性其所受合力为零。
51.图13所示为本发明所提供的二维磁负刚度机构实施例5原理图，该实施例中永磁体的数量和阵列形式均与实施例1相同，在实施例1的基础上，在定子框架1和动子框架6之间设置了两个近零摩擦的第一、第二直线导轨装置7a和7b，分别用于约束动子框架和定子框架在x向和y向的相对运动，使得动子框架相对于定子框架在x向和y向只能做直线运动，从而保证二维磁负刚度特性更为稳定。
52.图14为本发明所提供的高性能二维磁负刚度机构实施例6原理图。该实施例中，二维磁负刚度机构在x和y向分别与正刚度弹簧并联，相较于实施例5，其中新增了第一、第二柔性转接件8a和8b、第一、第二正刚度弹簧9a和9b、减振器动框架10和减振器定框架11。二维磁负刚度机构通过第一、第二柔性转接件8a和8b分别在x向和y向并联线性正刚度弹簧，可在保证减振器x向和y向承载不变的情况下，有效降低减振器的固有频率，提升减振性能。
53.具体的并联方式如下：二维磁负刚度机构的定子框架1与减振器定框架11固定连接，动子框架6通过柔性转接件与减振器动框架10固定连接，这种柔性转接件在一个方向具有相对较高的刚度，而在其余方向的刚度则相对较低，这种连接方式使得减振器在并联二
维磁负刚度机构之后，减振器定框架和动框架在x向和y向的综合刚度大幅降低，而另外四个自由度的刚度则仅有少量增加。这样的连接方式，可以实现水平向的超低频隔振。正刚度弹簧9可以是空气弹簧、机械弹簧等。
54.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：
1.一种二维磁负刚度机构，其特征在于，其包括定子永磁体、动子永磁体、定子框架、动子框架、定子连接架和动子连接架，定子永磁体和动子永磁体沿着三个相互正交的方向进行交替等间距阵列布置，具体为，设定数量的定子永磁体和设定数量的动子永磁体在三个相互正交的方向按照n
×
n
×
n的形式交替阵列布置，或者设定数量的定子永磁体和设定数量的动子永磁体在三个相互正交的方向按照a
×
b
×
c的形式交替阵列布置，其中，a、b、c和n均为正整数，且大于等于2，三个阵列方向分别为第一、第二和第三阵列方向，记作x向、y向和z向，所有的定子永磁体通过定子连接架连接为一体并固定在定子框架上，所有的动子永磁体通过动子连接架连接为一体并固定在动子框架上，其中，所有定子永磁体的励磁方向均与z向平行，所有定子永磁体的励磁方向与所有动子永磁体的励磁方向相反，通过设定的阵列排布，对定子永磁和动子永磁体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x向、y向上的作用力呈现负刚度特性，在z向上呈现正刚度特性。2.如权利要求1所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，其在x向、y向、z向三个方向的刚度k
x
、k
y
、k
z
满足如下关系：k
x
+k
y
+k
z
＝0。3.如权利要求2所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体均为长方体或圆柱体，所述永磁体的棱边处为直角、圆角或者倒角。4.如权利要求3所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，定子永磁体和动子永磁体尺寸规格相同，所有的定子永磁体和所有的动子永磁体在同一阵列方向上的尺寸一致，所有永磁体在垂直于z向上的横截面为长方形或圆形。5.如权利要求4所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，永磁体在x向、y向上的间距相等，为永磁体宽度尺寸的0.5倍～0.75倍，永磁体在z向的间距为永磁体高度尺寸的0.3倍～0.5倍，通过改变x、y、z三个方向的间距得到不同的负刚度值。6.如权利要求5所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，定子永磁体数量至少为12，动子永磁体数量至少为14。7.如权利要求6所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，永磁体在三维方向进行阵列布置时，在z向上阵列的层数为(2q+1)，在x向和y向上阵列的行数和列数分别为(2m+1)和(2n+1)，其中m、n、q为自然数。8.如权利要求7所述的一种二维磁负刚度机构，其特征在于，定子框架与动子框架之间沿x向和y向设置无摩擦或近零摩擦的直线导向件，以用于约束其在其他方向上的运动，使动子框架相对于定子框架沿x向和y向只能做直线运动，从而保证磁负刚度特性更为稳定，所述的直线导向件为气浮直线导轨、液压直线导轨或精密滚珠直线导轨。9.如权利要求1-8任一所述的一种二维磁负刚度机构的应用，其特征在于，使用时，将二维磁负刚度机构通过柔性转接件在x向和y向分别与正刚度弹簧并联，组成在两个方向具有较低刚度的减振器，并且，二维磁负刚度机构的定子框架通过柔性转接件与减振器的定框架固定连接，或者动子框架通过柔性转接件与减振器动框架固定连接，所述柔性转接件在一个方向的刚度相对较高，而在其余方向的刚度则相对较低，以能
使得减振器在并联二维磁负刚度机构之后在x向和y向的刚度降低，而其他方向的刚度几乎保持不变。

技术总结
本发明提出了一种高性能二维磁负刚度机构，属于减振领域，包括定子永磁体组、动子永磁体组、定子框架和动子框架，设定数量的定子永磁体和动子永磁体沿着x、y、z三个相互正交的方向进行三维阵列且交错布置，所有永磁体的励磁方向与z向平行，所有定子永磁体励磁方向相同且与所有动子永磁体励磁方向相反。z向相邻永磁体在x向和y向的排斥力表现为负刚度特性，且其绝对值随着位移的增大而减小，x向或y向相邻永磁体分别在x向或y向的吸引力表现为负刚度特性，且其绝对值随着位移的增大而增大。通过将这两种具有相反特性的负刚度并联，使得本发明提出的二维磁负刚度机构负刚度线性度高，结构紧凑，能同时实现两个维度的负刚度。能同时实现两个维度的负刚度。能同时实现两个维度的负刚度。


技术研发人员：陈学东 刘荣兴 张富翔 吴九林 曾理湛 姜伟
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/9/6