[发明专利]用于产生负刚度的电磁设备和振动控制的方法

说明书

本发明涉及一种用于负刚度的电磁设备，其包含用于产生磁场的一个或多个螺线管，以及可相对于该一个或多个螺线管而移动的可移动磁体。该一个或多个螺线管可被配置以在平衡位置周围产生对称的磁场，其磁场强度与距离平衡位置的距离成平方关系。可移动磁体在该平衡位置处受到的合力为零，根据相应的磁极方向和在设备中轴线方向产生的按二次方程分布的磁场强度，其所受合力与其位移成线性关系且合力方向与位移方向相同，即产生一种线性负刚度。本发明还涉及一种振动控制的方法。

技术领域

本发明涉及一种可应用于振动控制的具有负刚度特性的电磁设备。

背景技术

可将负刚度认为是其所受外力方向与其形变方向相反。这可具有将系统的总体刚度减小到零或至少接近于零的效应。将负刚度引入到隔振系统中将大大降低系统的外部振动的传输率。

隔振系统或设备可以使用负刚度与抑制振动的阻尼的组合，例如，粘性或电涡流阻尼器。这种电磁负刚度装置适用于需要将目标物体隔离于振动源的多种应用中。举例来说，负刚度阻尼器可用于多种土木及机械结构的振动控制中，例如斜拉桥的拉索、建筑物，用于保护精密设备的隔振台等等。现有的负刚度装置可分为被动、半主动或主动模式。由于被动模式的负刚度装置并不需要复杂的反馈系统，因此其制造和安装更简单且更便宜，且相较于主动或半主动负刚度装置有更好的鲁棒性。然而，现有的其他形式的被动负刚度仅可实现非线性负刚度，其不利于在理论分析及现实生活中应用。处于被动模式下的负刚度装置的实例公开于US 20130118098A1中，其描述了包括锚定框架及可相对于该锚定框架横向移动的移动框架的装置。该装置还具有压缩弹簧以及将该弹簧连接到移动框架以将负刚度引入到系统中的连接机构。在平衡位置处，压缩弹簧并不将横向力施加到移动框架。在接合状态下，压缩弹簧被配置以施加横向力从而在地震荷载的横向方向上使移动框架产生位移。

主动及半主动负刚度装置使用外部电源、反馈系统中的传感器及作动器以对振动做出反应及缓解振动。主动及半主动控制技术相较于被动技术通常可实现更好的控制性能。线性二次调节器算法(一种用于最优主动控制的控制理论)可在一些情形下产生有益于减振性能的具有明显负刚度特征的滞洄(即力-变形)关系。然而，由于主动及半主动阻尼器对电源及反馈系统的要求且相对于被动阻尼器而言较高的复杂度，主动及半主动阻尼器相较于被动阻尼器而言可靠度较低且具有较高维护要求。这些现象引起了对被动负刚度装置的探索，这种被动负刚度装置可产生类似于主动阻尼器的滞洄特性，从而实现与主动阻尼器的性能相当的控制效果。

发明内容

本发明的目的为提供能够实现具有线性负刚度的被动装置。

根据本发明的第一方面，提供用于产生负刚度的电磁设备，其包括用于产生磁场的一个或多个螺线管和可移动磁体，该可移动磁体可沿着一个或多个螺线管的中心轴线做相对移动。该一个或多个螺线管可被配置以在平衡位置两侧产生对称的磁场，从而使得在使用中，其磁场强度与距离平衡位置的距离成平方关系，因此该可移动磁体在该平衡位置处受到的合力为零。根据相应的磁极方向和在中心轴线方向上产生的按二次方程分布的磁场强度，该可移动磁体所受合力与其位移成线性关系且合力方向与位移方向相同，从而产生线性负刚度。

该设备可包括多个螺线管，其包含第一螺线管、布置于第一螺线管的一侧的第二螺线管和布置于第二螺线管的相反侧的第三螺线管，其中多个螺线管可相对于彼此对称布置以使得其产生的磁场在平衡位置周围对称。

有利的是，包括多个螺线管的负刚度设备使得该设备能够被配置以提供多种不同特性的刚度(可正可负)。举例来说，该设备可被配置以通过将电流通过螺线管的方向反转从而产生线性正刚度、通过在适当时选择性地给一个或多个螺线管激磁以提供软化(减小)的正或负刚度，或者硬化(增大)的正或负刚度。

第二螺线管和第三螺线管与第一螺线管是等距的。

该设备可包括布置于第二螺线管的一侧的一个或多个附加螺线管和布置于第三螺线管的一侧的一个或多个附加螺线管。多个螺线管大体上等距间隔开。