一種多模態(tài)電磁吸振器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多模態(tài)電磁吸振器。本發(fā)明結(jié)合星載大型柔性可展開(kāi)天線(xiàn)的研制 需求，提高了大型柔性可展開(kāi)天線(xiàn)抵抗振動(dòng)擾動(dòng)的能力。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了適應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射時(shí)整流罩的包絡(luò)要求，大型天線(xiàn)一般采用可展開(kāi)形式，在衛(wèi)星 發(fā)射時(shí)天線(xiàn)鎖緊收納在衛(wèi)星平臺(tái)上，入軌后天線(xiàn)展開(kāi)至工作狀態(tài)。該類(lèi)型天線(xiàn)除了滿(mǎn)足既 定的任務(wù)要求以外，還需要具有收攏和展開(kāi)的功能。由于大型可展開(kāi)天線(xiàn)的口徑大，其展開(kāi) 狀態(tài)會(huì)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生嚴(yán)重的遮擋，同時(shí)如果距離衛(wèi)星本體過(guò)近，還可能產(chǎn)生天線(xiàn)網(wǎng)面與衛(wèi)星 的鉤掛干涉問(wèn)題。因此，該類(lèi)型天線(xiàn)一般都采用大型可展開(kāi)反射器+展開(kāi)臂的形式，在展 開(kāi)階段，先通過(guò)展開(kāi)臂的展開(kāi)動(dòng)作，將天線(xiàn)反射器展開(kāi)至遠(yuǎn)離星體位置，再通過(guò)反射器的展 開(kāi)，最終到達(dá)預(yù)定的型面位置。
[0003] 由于大型可展開(kāi)天線(xiàn)的高度柔性，大型可展開(kāi)天線(xiàn)在軌工作過(guò)程中，天線(xiàn)的彈性 振動(dòng)與衛(wèi)星載體的姿態(tài)振蕩是相互作用的，星體的大范圍剛體運(yùn)動(dòng)與天線(xiàn)彈性變形運(yùn)動(dòng)間 的耦合作用將會(huì)直接影響衛(wèi)星運(yùn)行的精度和姿態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)導(dǎo)致天線(xiàn)的指向偏差。因此， 需要對(duì)天線(xiàn)的振動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。
[0004] 電磁結(jié)構(gòu)具有較好的機(jī)電耦合特性，由電磁結(jié)構(gòu)構(gòu)成的各種阻尼器、吸振器已經(jīng) 廣泛的應(yīng)用于吸振工程中。主動(dòng)式電磁吸振器可以通過(guò)設(shè)計(jì)控制算法實(shí)現(xiàn)多模態(tài)吸振，但 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能耗高，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。然而，如何實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)吸振器來(lái)完成結(jié) 構(gòu)的多模態(tài)吸振，而不使用傳感系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)顯得較為困難。結(jié)構(gòu)的多模態(tài)吸振，亟需一 種高效可行的多模態(tài)阻尼吸振方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服傳統(tǒng)主被動(dòng)電磁吸振器的不足，提供一種多模態(tài) 電磁吸振器，在電磁吸振器電磁線(xiàn)圈兩端連接一負(fù)電阻負(fù)電感外置電路來(lái)增大吸振器阻尼 系數(shù)，該負(fù)電阻負(fù)電感外置電路能消除線(xiàn)圈電感影響，提高系統(tǒng)多模態(tài)阻尼系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn) 多模態(tài)吸振特性。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種多模態(tài)電磁吸振器，主要包括：彈性框體、吸振器 質(zhì)量、永磁體、電磁線(xiàn)圈套筒、電磁線(xiàn)圈和外置電路；
[0007] 所述永磁體與被控結(jié)構(gòu)固定連接，所述吸振器質(zhì)量固定安裝在彈性框體頂部，電 磁線(xiàn)圈套筒固定安裝在彈性框體內(nèi)壁的頂部，且電磁線(xiàn)圈套筒的底部與彈性框體的內(nèi)壁不 接觸。
[0008] 電磁線(xiàn)圈纏繞在電磁線(xiàn)圈套筒上，且兩端分別與外置電路相連，組成閉合電路。
[0009] 所述永磁體的剩磁強(qiáng)度為1. 1T~1. 3T。
[0010] 所述電磁線(xiàn)圈的數(shù)為500~1000 0L
[0011] 所述永磁體包括兩塊同極正對(duì)緊壓在一起的磁鐵。
[0012] 所述兩個(gè)磁鐵的軸向間距為2~4mm，電磁線(xiàn)圈和永磁體的徑向間距為2~4mm。
[0013] 所述多模態(tài)電磁吸振器通過(guò)增加永磁體的剩磁強(qiáng)度和/或電磁線(xiàn)圈的匝數(shù)來(lái)提 高電磁結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合系數(shù)。
[0014] 所述外置電路包括串聯(lián)在一起的負(fù)電阻和負(fù)電感。
[0015] 所述外置電路中的電感的取值為-40mH~-100mH。
[0016] 所述外置電路中的電阻的取值為-200 Ω~-450 Ω。
[0017] 外置電路為被動(dòng)狀態(tài)、NR型電路狀態(tài)或NINR型電路狀態(tài)。其中，被動(dòng)狀態(tài)為電路 開(kāi)環(huán)狀態(tài)，NR型電路狀態(tài)為負(fù)電阻狀態(tài)，NINR型電路狀態(tài)為負(fù)電阻-負(fù)電感狀態(tài)。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果：
[0019] 本發(fā)明中的電磁吸振器無(wú)需測(cè)量系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)以及控制算法，因此，同主動(dòng)式電 磁吸振器相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于構(gòu)造、成本低等特點(diǎn)；同被動(dòng)式電磁吸振器相比， 本發(fā)明所提出的電磁吸振器能顯著的提高系統(tǒng)阻尼比，其適應(yīng)性更大，控制力更好。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為多模態(tài)電磁吸振器基本原理圖；
[0021] 圖2為單個(gè)永磁體模型；
[0022] 圖3為同極相對(duì)永磁體型；
[0023] 圖4為懸臂梁-多模態(tài)電磁吸振器系統(tǒng)仿真模型圖；
[0024] 圖5為實(shí)現(xiàn)負(fù)電阻負(fù)電感的外置電流控制電壓源電路；
[0025] 圖6為懸臂梁-多模態(tài)電磁吸振器系統(tǒng)吸振仿真結(jié)果；
[0026] 圖7為懸臂梁-多模態(tài)電磁吸振器系統(tǒng)吸振試驗(yàn)配置圖；
[0027] 圖8為懸臂梁-多模態(tài)電磁吸振器系統(tǒng)吸振試驗(yàn)結(jié)果，其中a)為負(fù)電阻型吸振試 驗(yàn)結(jié)果，b)為負(fù)電阻-負(fù)電感型吸振試驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0029] 1、電磁吸振器機(jī)電耦合分析
[0030] 對(duì)于圖1所示的電磁吸振器，主要包括：彈性框體1、吸振器質(zhì)量2、永磁體3、電磁 線(xiàn)圈套筒4、電磁線(xiàn)圈5和外置電路6 ;
[0031] 所述永磁體3與被控結(jié)構(gòu)7固定連接，所述吸振器質(zhì)量2固定安裝在彈性框體1 頂部，電磁線(xiàn)圈套筒4固定安裝在彈性框體1內(nèi)壁的頂部，且電磁線(xiàn)圈套筒4的底部與彈性 框體1的內(nèi)壁不接觸。所述永磁體3在本發(fā)明中的剩磁強(qiáng)度為1. 1T~1. 3T，包括兩塊同極 正對(duì)緊壓在一起的磁鐵，兩個(gè)磁鐵的軸向間距為2~4mm，電磁線(xiàn)圈和永磁體的徑向間距為 2~4_，永磁體3需要在電磁線(xiàn)圈套筒4內(nèi)上下活動(dòng)，形狀優(yōu)選為圓柱形。所述被控結(jié)構(gòu) 7為可展開(kāi)天線(xiàn)上與天線(xiàn)固連的機(jī)構(gòu)或天線(xiàn)本體機(jī)構(gòu)。
[0032] 電磁線(xiàn)圈5纏繞在電磁線(xiàn)圈套筒4上，且兩端分別與外置電路6相連，組成閉 合電路。所述電磁線(xiàn)圈5的匝數(shù)為500~1000匝。所述外置電路包括串聯(lián)在一起的負(fù) 電阻和負(fù)電感，外置電路中的電感的取值為-40mH~-100mH，外置電路中的電阻的取值 為-200 Ω ~-450 Ω。
[0033] 根據(jù)具體應(yīng)用需求不同，外置電路可能為被動(dòng)狀態(tài)、NR型電路狀態(tài)或NINR型電路 狀態(tài)；其中，被動(dòng)狀態(tài)為電路開(kāi)環(huán)狀態(tài)，NR型電路狀態(tài)為負(fù)電阻狀態(tài)，NINR型電路狀態(tài)為負(fù) 電阻-負(fù)電感狀態(tài)。
[0034] 當(dāng)被控結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，吸振器彈性框體1會(huì)隨之發(fā)生變形導(dǎo)致永磁體3與電磁線(xiàn)圈5 產(chǎn)生相對(duì)位移，從而在電磁線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。通過(guò)將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電路電阻 電感的熱能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量的耗散。
[0035] 下面對(duì)本發(fā)明的工作原理進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明：
[0036] 1)磁特性分析
[0037] 根據(jù)分子電流假設(shè)，單個(gè)環(huán)形永磁體可以簡(jiǎn)化為等效體電流密度和面電流密度。 對(duì)于均勾磁化的永磁體，其體電流密度為零，僅包含面電流密度Js。根據(jù)Biot-Savart定 理，在圓柱坐標(biāo)系下，如圖2所不的單個(gè)永磁體外任意一點(diǎn)P處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量為：
[0038] B (r, Φ , z) = Br (r, Φ , z) r+B φ (r, Φ , z) Φ +BZ (r, Φ , z) z (1)
[0039] 其中，Bjr, Φ, z)、Βφ (r, Φ, z)和Bz(r, Φ, z)分別表示磁感應(yīng)強(qiáng)度沿圓柱坐標(biāo)系 的徑向、切向和軸向分量，r、Φ和z分別表示圓柱坐標(biāo)系徑向、切向和軸向的單位矢量。
[0040] 對(duì)于圖3所示的為一對(duì)同極相對(duì)的永磁體模型，此時(shí)，磁體外任意一點(diǎn)P處的磁感 應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)為：
[0041] Bp(r, Φ,ζ) =Bpl(r, Φ,ζ)+Βρ2(γ, Φ , ζ) (2)
[0042] 其中，Βρ1 (r, Φ , ζ)和Βρ2 (r, Φ , ζ)分別為永磁體1和2在Ρ點(diǎn)處產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0043] 2)機(jī)電、力電耦合特性分析
[0044] 當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，閉合線(xiàn)圈在同極相對(duì)永磁體所形成的磁場(chǎng)中切割磁力線(xiàn)，將 會(huì)在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以由經(jīng)典Maxell方程表示為：
[0045] dE = N(vXB) · dl (3)
[0046] 其中，E表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，N為電磁線(xiàn)圈的匝數(shù)，v表示線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)的速度，B 表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，1表示單圈線(xiàn)圈的長(zhǎng)度。
[0047] 將磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式代入上式并進(jìn)行簡(jiǎn)化可得：
[0048] E = νΝ / !ΒρΓ(11Φ = νΟβΦ (4)
[0049] 其中，Ε表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，ν表示線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)的速度，Φ為圓柱坐標(biāo)系切向單 位矢量，（；定義為吸振器的機(jī)電耦合系數(shù)，其體現(xiàn)了阻尼器的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性。Cj?大，表明 吸振器能夠?qū)⒏嗟恼駝?dòng)能量轉(zhuǎn)化為電路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其具體表達(dá)式為：
[0051] 其中，N為電磁線(xiàn)圈的01數(shù)，1^為任一點(diǎn)P在圓柱坐標(biāo)系下的徑向坐標(biāo)，B ρ為任一 點(diǎn)P在圓柱坐標(biāo)系下沿徑向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
[0052] 由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在，閉合線(xiàn)圈回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，其在磁場(chǎng)中會(huì)相應(yīng)的 產(chǎn)生與線(xiàn)圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)相反的電磁阻尼力，由安培定理可知：
[0053] dF = NIdlXBp (6)
[0054] 其中，F(xiàn)為電磁阻尼力，N為電磁線(xiàn)圈的匝數(shù)，I為感應(yīng)電流，1表示單圈線(xiàn)圈的長(zhǎng) 度，BPS P點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
[0055] 將磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式代入上式并進(jìn)行簡(jiǎn)化可得：
[0056] F = -CmIz (7)
[0057] 其中，z為圓柱坐標(biāo)系軸向單位矢量，（；定義為吸振器的力電耦合系數(shù)，其體現(xiàn)了 吸振器的力電轉(zhuǎn)換特性。