[发明专利]一种超低频惯性式作动器

说明书

本发明公开了一种超低频惯性式作动器，包括动子组件和定子组件，所述动子组件包括衔铁和环形永磁体，所述环形永磁体安装在衔铁外壁上，所述定子组件包括端盖、线圈、壳体和底座，所述线圈安装在壳体内壁上，所述端盖和底座分别与壳体的顶部和底部连接，还包括被动支撑元件，所述被动支撑元件包括环形弹簧片和螺旋弹簧，环形弹簧片和螺旋弹簧安装于壳体和衔铁之间，所述环形弹簧片和螺旋弹簧水平且平行设置，所述螺旋弹簧始终处于预压缩状态。本发明入负刚度技术，在不影响系统的静刚度的前提下降低系统动刚度，从而使惯性式作动器同时具备高静态刚度与低动态刚度，最终实现稳定的超低频惯性力输出。

技术领域

本发明涉及主动减振领域，具体涉及一种超低频惯性式作动器。

背景技术

由于被动减振方式存在参数不可调的固有弊端，振动主动控制技术在低频减振领域得到了越来越多的关注。作为振动主动控制系统中至关重要的一个部分，作动器的作用是将功率放大器的输出信号转换成力输出，其输出性能的好坏直接影响系统减振效果。

在诸多类型的作动器中，惯性式作动器因结构简单、环境适应性好、工作稳定、输出线性度好等优点而得到了较多应用。当惯性式作动器的线圈中通以交流电时，线圈与永磁体之间会产生交变作用力，永磁体和质量块发生往复运动，线圈所受的洛伦兹力和弹簧力的合力等于往复运动质量块的惯性力，因此惯性式作动器输出力的大小等于运动质量块的惯性力。由于惯性式作动器在系统固有频率附近的频带内输出力最高，因此实际应用时往往将系统固有频率调整到需要的频率，进而以最小的能量消耗达到最大的控制力输出效果。

在振动主动控制领域，作动器被用来治理低频线谱振动，在某些情况下所需的输出频率较低，因此惯性式作动器的系统固有频率需要设计得非常低。较低的固有频率意味着较小的支撑刚度，这对于实际应用时的作动器稳定性有着较大的影响，在某些情况下甚至会出现作动器动子静态失稳现象。由于上述原因，现有惯性式作动器产品很难实现超低频作动力输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低频惯性式作动器，解决现有惯性式作动器在治理低频线谱振动时无法有效输出超低频作动力的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超低频惯性式作动器，包括动子组件和定子组件，所述动子组件包括衔铁和环形永磁体，所述环形永磁体安装在衔铁外壁上，所述定子组件包括端盖、线圈、壳体和底座，所述线圈安装在壳体内壁上，所述端盖和底座分别与壳体的顶部和底部连接，还包括被动支撑元件，所述被动支撑元件包括环形弹簧片和螺旋弹簧，环形弹簧片和螺旋弹簧安装于壳体和衔铁之间，所述环形弹簧片和螺旋弹簧水平且平行设置，所述螺旋弹簧始终处于预压缩状态。

本发明所述环形永磁体、衔铁和线圈构成主动作动机构，产生惯性力；弹簧片提供正刚度支撑，用以支撑惯性质量，提供静刚度；水平螺旋弹簧始终处于预压缩状态，用以提供负刚度，抵消系统正刚度，降低惯性作动系统整体动刚度。通过合理地调节系统正负刚度的大小，惯性作动系统的固有频率可以无限趋近于零，进而实现超低频惯性作动力输出的目的。

本发明被动支撑元件(主要包括弹簧片和螺旋弹簧)的设计流程为：首先，采用有限元软件对弹簧片轴向的力学特性进行计算，确定弹簧片刚度特性曲线，依据减振需求选择合适的弹簧片尺寸；其次，采用最小二乘法对弹簧片刚度特性曲线进行拟合，确定系统近似线性刚度；最后，对水平预压缩螺旋弹簧进行受力分析，依据所拟合的弹簧片近似线性刚度大小确定水平预压缩弹簧系统所需提供的负刚度大小，并基于该负刚度值反推水平螺旋弹簧的刚度数值和预压缩量，确定水平螺旋弹簧设计尺寸。

综上，本发明通过同时设置环形弹簧片和螺旋弹簧，弹簧片提供正刚度支撑提供静刚度，螺旋弹簧用以提供负刚度，抵消系统正刚度，引入负刚度技术，在不影响系统的静刚度的前提下降低系统动刚度，从而使惯性式作动器同时具备高静态刚度与低动态刚度，最终实现稳定的超低频惯性力输出。如此，本发明解决了现有惯性式作动器在治理低频线谱振动时无法有效输出超低频作动力的问题。