CN103674455B - 一种角振动台动圈 - Google Patents

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Abstract

一种角振动台动圈，包括至少一个动圈单元，动圈单元包括圆片状的基体和固定于基体表面上的线圈组，一个线圈组包括由一根导线绕制而成的第一线圈和第二线圈；一个动圈单元上的各线圈组之间采用串联或者并联连接；第一线圈和第二线圈分别包括位于磁场内的有效导线组和位于磁场外的连接导线组，每个线圈具有两个有效导线组，连接导线组分别与两侧的有效导线组连接；连接导线组分别与基体同心，有效导线组中的导线均指向基体的圆心；在一个动圈单元中，相邻的两个有效导线组形成一个安培力发生部，每个安培力发生部对应一个磁场，相邻的两个安培力发生部中电流方向相反。本发明具有制备简单、布线均匀、体积小、转动惯量小、固有频率高的优点。

Description

一种角振动台动圈
技术领域
本发明涉及振动台的组件，特别是一种角振动台的动圈。
背景技术
电磁式振动台是振动标准装置或振动试验装置的重要组成部分，而运动组件是振动台的核心部件，如电磁式角振动台的运动组件直接影响角振动台的输出力矩、工作频率范围和输出波形质量，而动圈是运动组件的动力源，动圈形状、绕制方法等对运动组件的质量起到决定性的作用。
对于用于标定或校准角振动传感器的角振动台动圈有其特殊的要求：为了获得较小的输出波形失真度，动圈受力要均匀，不能存在脉动现象，且动圈形状要匀称、布线要均匀；为了获得高的角加速度，由动圈形状决定的运动组件转动惯量要低；为了获得较宽的工作频率范围，由动圈形状决定的运动组件要具有较高的固有频率。
中国专利201020232327.9披露了一种动圈组件，包括动圈骨架及固定设置于动圈骨架下部的驱动线圈，驱动线圈主要由四层线圈组绕制形成。这种动圈组件存在的缺点在于：绕线难度大、布线不均匀、体积大、转动惯量大。一般适用于直线运动振动台。
发明内容
为了克服现有振动台动圈存在的绕线难度大、布线不均匀、体积大、转动惯量大的缺点，本发明提供了一种制备简单、布线均匀、体积小、转动惯量小、固有频率高的角振动台动圈。
一种角振动台动圈，包括至少一个动圈单元，动圈单元包括圆片状的基体和固定于基体表面上的线圈组，一个线圈组包括由一根导线绕制而成的第一线圈和第二线圈；一个动圈单元上的各线圈组之间采用串联或者并联连接；第一线圈和第二线圈分别包括位于磁场内的有效导线组和位于磁场外的连接导线组，每个线圈具有两个有效导线组，连接导线组分别与两侧的有效导线组连接；连接导线组分别与基体同心，有效导线组中的导线均指向基体的圆心；在一个动圈单元中，相邻的两个有效导线组形成一个安培力发生部，每个安培力发生部对应一个磁场，而相邻的两个安培力发生部中电流方向相反。
当基体上只有一个线圈组时，一根导线绕制成两个形状、大小相同的第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈串联，第一线圈由导线从内向外逐渐由小到大绕圈而成，第二线圈由导线从外向内逐渐由大到小绕圈而成，所有导线均处于基体表面，第一线圈和第二线圈分别具有两个有效导线组，连接有效导线组的靠近圆心端的内侧连接导线组和连接有效导线组的靠近圆周端的外侧连接导线组；第一线圈的一个有效导线组和与其相邻的第二线圈的一个有效导线组组成一个安培力发生部，这样，第一线圈和第二线圈一共形成两个安培力发生部，每个安培力发生部与一个磁场对应；当向线圈内通入交变电流时，两个安培力发生部内的电流方向相反。线圈起始于第一线圈的内侧的连接导线，终止于第二线圈的内侧的连接导线。当基体上只有一个线圈组时，只需有两个磁场，每个磁场呈半圆环形，磁场由位于线圈的上方和下方的一对磁钢形成。动圈的最大角位移由安培力发生部可在同一个磁场中回转的最大角度决定，动圈的最大角位移决定了角振动台的最大输出角幅值，针对不同角振动台输出角幅值的要求，以及充分利用基体空间布置线圈的设计理念，可设计出不同线圈组数的动圈结构。
当基体上具有多个线圈组时，多个线圈组沿基体圆心阵列分布，相邻的两个有效导线组组成一个安培力发生部，线圈组之间串联或并联，线圈组之间通过跳线连接，线圈组的绕制方法与基体上只有一个线圈组的绕制方法相同。
比如，基体上具有两个线圈组时，由两根导线绕成4个线圈，一根导线绕成两个相邻的线圈，并构成一个线圈组。相邻的有效导线组形成一个安培力发生部。4个线圈形成4个安培力发生部，每个安培力发生部对应一个磁场，共4对磁钢。当安培力发生部的有效导线数量确定时，单个线圈所需绕制的圈数是该有效导线数的一半。因此，用两个有效导线组组成一个安培力发生部能够充分利用基体表面的空间，减小基体直径，降低动圈的转动惯量，使动圈输出的角运动量值更大。
当单个动圈单元不能提供足够的洛仑兹力激发动态扭矩时，可采用多个动圈单元来提供，各个动圈单元采用叠层形式粘结在一起，且所有动圈单元上的线圈组均相同，并在同一位置上叠加。假设每个动圈单元有效导线的条数为，则整个动圈中的有效导线数为：，其中为动圈单元的数量。
进一步，动圈单元的数量为多个时，多个动圈单元之间串联连接。具体来说，串联是指两个相邻的动圈单元中，一个动圈单元的线圈起点与另一个动圈单元的线圈终点连接。
或者，多个动圈单元之间并联连接。具体来说，并联是指两个相邻的动圈单元，线圈的起点与起点连接，线圈的终点与终点连接。
动圈的转动惯量与动圈的外径、内径、厚度和动圈密度的关系为：，其中：动圈的总厚度，为动圈单元的数量，为动圈单元的厚度。
动圈的最大角位移(峰峰值)与磁钢极对数、相邻磁钢隔离角、切割部导线跨角的关系为：，具体来说，通过测量对相邻磁钢进行周向定位时每块定位块所形成的隔离角得到；为每极磁钢对应的切割部在基体上所占的跨角。
动圈的负载扭矩由洛仑兹力激发动态扭矩来提供，则。洛仑兹力激发动态扭矩与有效导线的总条数、气隙磁场、动圈单元中的电流、有效导线的长度、每条有效导线中心到动圈圆心的距离的关系为：。
制造上述的角振动台动圈的方法包括以下步骤：
1）、制备动圈单元，其中动圈单元的基体由玻璃布、环氧和溶剂固化而成，基体表面通过粘结剂经热压的方式压上一层厚薄均匀的铜层；
2）、对基体表面的铜层进行刻蚀加工，刻去基体表面除导线圈外的铜层，剩余的铜层就形成了线圈；
3）、在导线的引线口处开设小孔，并将该小孔经清洗除油除杂、涂覆碳黑，然后化学镀铜形成连接孔焊盘；
4）、当有多个动圈单元时，相邻动圈单元的线圈位置平行且对齐，在加热加压条件下利用压层机把多个动圈单元通过半固化片胶接压制成一个动圈。
本发明具有以下优点：动圈单元是在圆片状的基体上设置线圈，使得动圈的体积变小，重量变轻，刚度变大，减小了动圈的转动惯量，提高了动圈的固有频率。另外，线圈通过刻蚀成型的方法，简化了绕线工艺，制作简单，布线均匀。
附图说明
图1是具有2个切割部的动圈单元的示意图。
图2是动圈的最大位移角右极限位置的示意图。
图3是动圈的最大位移角左极限位置的示意图。
图4是4个线圈4个切割部时动圈单元的示意图。
图5是6个线圈6个切割部时动圈单元的示意图。
具体实施方式
结合图1-5，进一步说明本发明：
一种角振动台动圈，包括至少一个动圈单元，动圈单元包括圆片状的基体2和固定于基体2表面上的线圈组，一个线圈组包括由一根导线绕制而成的第一线圈1A和第二线圈1B；一个动圈单元上的各线圈组之间采用串联或者并联连接；第一线圈1A和第二线圈1B分别包括位于磁场内的有效导线组13和位于磁场外的连接导线组11、12，每个线圈具有两个有效导线组13，连接导线组11、12分别与两侧的有效导线组13连接；连接导线组11、12与基体2同心，有效导线组13中的导线均指向基体2的圆心；在一个动圈单元中，相邻的两个有效导线组形成一个安培力发生部，每个安培力发生部对应一个磁场，而相邻的两个安培力发生部中电流方向相反。
如图1所示，当基体2上只有一个线圈组时，线圈1一根导线绕制成两个形状、大小相同的第一线圈1A和第二线圈1B，第一线圈1A和第二线圈1B串联，第一线圈1A由导线从内向外逐渐由小到大绕圈而成，第二线圈1B由导线从外向内逐渐由大到小绕圈而成，所有导线均处于基体2表面，第一线圈1A和第二线圈1B分别具有两个有效导线组13，连接有效导线组13的靠近圆心端的内侧连接导线组11和连接有效导线组13的靠近圆周端的外侧连接导线组12；第一线圈1A的一个有效导线组13和与其相邻的第二线圈1B的一个有效导线组13组成一个安培力发生部，这样，第一线圈1A和第二线圈1B一共形成两个安培力发生部，每个安培力发生部与一个磁场对应；当向线圈1内通入交变电流时，两个安培力发生部内的电流方向相反。线圈1起始于第一线圈1A的内侧的连接导线，终止于第二线圈1B的内侧的连接导线。如图1所示，线圈的起点为31，终点为32。
如图2、3所示，当基体2上只有一个线圈组时，只需有两个磁场，每个磁场呈半圆环形，由位于线圈1的上方和下方的一对磁钢形成，如图2、3中的磁钢对5和磁钢对6，图中位于动圈上方的磁钢省略未画出，两个磁场的指向相反。动圈的最大角位移由安培力发生部可在同一个磁场中回转的最大角度决定，动圈的最大角位移决定了角振动台的最大输出角幅值，针对不同角振动台输出角幅值的要求，以及充分利用基体空间布置线圈的设计理念，可设计出不同线圈组数的动圈结构。
如图4、5所示，当基体上具有多个线圈组I时，多个线圈组I沿基体圆心阵列分布，相邻的两个有效导线组组成一个安培力发生部，线圈组I之间串联或并联，线圈组I之间通过跳线连接，线圈组I的绕制方法与基体上只有一个线圈组的绕制方法相同。
如图4所示，基体上具有两个线圈组I时，由两根导线绕成4个线圈，一根导线绕成两个相邻的线圈，并构成一个线圈组。相邻的有效导线组形成一个安培力发生部。4个线圈形成4个安培力发生部，每个安培力发生部对应一个磁场，共4对磁钢。当安培力发生部的有效导线数量确定时，单个线圈所需绕制的圈数是该有效导线数的一半。因此，用两个有效导线组组成一个安培力发生部能够充分利用基体表面的空间，减小基体直径，降低动圈的转动惯量，使动圈输出的角运动量值更大。
如图5所示，基体上具有三个线圈组I时，由三根导线绕成6个线圈，一根导线绕成两个相邻的线圈，构成一个线圈组，三个线圈组I两两相邻。相邻的两个有效导线组形成一个安培力发生部。6个线圈形成6个安培力发生部，每个安培力发生部对应一个磁场，共6对磁钢。
当单个动圈单元不能提供足够的洛仑兹力激发动态扭矩时，可采用多个动圈单元来提供，各个动圈单元采用叠层形式粘结在一起，且所有动圈单元上的线圈组均相同，并在同一位置上叠加。假设每个动圈单元有效导线的条数为，则整个动圈中的有效导线数为：，其中为动圈单元的数量。
当动圈单元的数量为多个时，多个动圈单元之间串联或并联连接。串联是指两个相邻的动圈单元中，一个动圈单元的线圈起点与另一个动圈单元的线圈终点连接；并联是指两个相邻的动圈单元，线圈的起点与起点连接，线圈的终点与终点连接。
动圈的转动惯量与动圈的外径、内径、厚度和动圈密度的关系为：，其中：动圈的总厚度，为动圈单元的数量，为动圈单元的厚度。
动圈的最大角位移(峰峰值)与磁钢极对数、相邻磁钢隔离角、切割部导线跨角的关系为：，具体来说，通过测量对相邻磁钢进行周向定位时每块定位块所形成的隔离角得到；为每极磁钢对应的切割部在基体2上所占的跨角。
动圈的负载扭矩由洛仑兹力激发动态扭矩来提供，则。洛仑兹力激发动态扭矩与有效导线的总条数、气隙磁场、动圈单元中的电流、有效导线的长度、每条有效导线中心到动圈圆心的距离的关系为：。
制造上述的角振动台动圈的方法包括以下步骤：
1）、制备动圈单元，其中动圈单元的基体由玻璃布、环氧和溶剂固化而成，基体表面通过粘结剂经热压的方式压上一层厚薄均匀的铜层；
2）、对基体表面的铜层进行刻蚀加工，刻去基体表面除导线圈外的铜层，剩余的铜层就形成了线圈；
3）、在导线的引线口处开设小孔，并将该小孔经清洗除油除杂、涂覆碳黑，然后化学镀铜形成连接孔焊盘；
4）、当有多个动圈单元时，相邻动圈单元的线圈位置平行且对齐，在加热加压条件下利用压层机把多个动圈单元通过半固化片胶接压制成一个动圈。
本发明具有变量之间数学关系清晰，技术可行，实现方便。本发明具有以下优点：通过在圆片状的基体上设置线圈，使得动圈的体积变小，重量变轻，刚度变大，减小了动圈的转动惯量，提高了动圈的固有频率。另外，线圈通过刻蚀成型的方法，简化了绕线工艺，制作简单，布线均匀。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.一种角振动台动圈，包括至少一个动圈单元，其特征在于：动圈单元包括圆片状的基体和固定于基体表面上的线圈组，一个线圈组包括由一根导线绕制而成的第一线圈和第二线圈；一个动圈单元上的各线圈组之间采用串联或者并联连接；第一线圈和第二线圈分别包括位于磁场内的有效导线组和位于磁场外的连接导线组，每个线圈具有两个有效导线组，连接导线组分别与两侧的有效导线组连接；连接导线组分别与基体同心，有效导线组中的导线均指向基体的圆心；在一个动圈单元中，相邻的两个有效导线组形成一个安培力发生部，每个安培力发生部对应一个磁场，相邻的两个安培力发生部中电流方向相反。
2.如权利要求1所述的角振动台动圈，其特征在于：一根导线绕制成两个形状、大小相同的第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈串联，第一线圈由导线从内向外逐渐由小到大绕圈而成，第二线圈由导线从外向内逐渐由大到小绕圈而成，所有导线均处于基体表面，第一线圈和第二线圈分别具有两个有效导线组，连接有效导线组的靠近圆心端的内侧连接导线组和连接有效导线组的靠近圆周端的外侧连接导线组；第一线圈的一个有效导线组和与其相邻的第二线圈的一个有效导线组组成一个安培力发生部。
3.如权利要求1所述的角振动台动圈，其特征在于：多个线圈组沿基体圆心阵列分布，相邻的两个有效导线组组成一个安培力发生部，线圈组之间串联或并联。
4.如权利要求2或3所述的角振动台动圈，其特征在于：动圈的转动惯量J与动圈的外径r外、内径r内、厚度H和动圈密度ρ的关系为：其中：动圈的总厚度H＝nh，n为动圈单元的数量，h为动圈单元的厚度；
动圈的最大角位移θmax与磁钢极对数p、相邻磁钢隔离角θ磁、切割部导线跨角θ导的关系为：具体来说，θ磁通过测量对相邻磁钢进行周向定位时每块定位块所形成的隔离角得到；θ磁为每极磁钢对应的切割部在基体上所占的跨角；
动圈的负载扭矩由洛仑兹力激发动态扭矩T电来提供，则T负＝T电；
洛仑兹力激发动态扭矩T电与有效导线的总条数N、气隙磁场B、动圈单元中的电流I、有效导线的长度L、每条有效导线中心到动圈圆心的距离R的关系为：T电＝NBILR；当单个动圈单元不能提供足够的洛仑兹力激发动态扭矩时，采用多个动圈单元来提供，各个动圈单元采用叠层形式粘结在一起，且所有动圈单元上的线圈组均相同，并在同一位置上叠加；假设每个动圈单元有效导线的条数为a，则整个动圈中的有效导线数为：N＝na，其中n为动圈单元的数量。
5.如权利要求4所述的角振动台动圈，其特征在于：动圈单元的数量为多个时，多个动圈单元之间串联连接。
6.如权利要求4所述的角振动台动圈，其特征在于：动圈单元的数量为多个时，多个动圈单元之间并联连接。
7.制造如权利要求1所述的角振动台动圈的方法包括以下步骤：
1)、制备动圈单元，其中动圈单元的基体由玻璃布、环氧和溶剂固化而成基体表面通过粘结剂经热压的方式压上一层厚薄均匀的铜层；
2)、对基体表面的铜层进行刻蚀加工，刻去基体表面除导线圈外的铜层，剩余的铜层就形成了线圈；
3)、在导线的引线口处开设小孔，并将该小孔经清洗除油除杂、涂覆碳黑，然后化学镀铜形成连接孔焊盘；
4)、当有多个动圈单元时，相邻动圈单元的线圈位置平行且对齐，在加热加压条件下利
用压层机把多个动圈单元通过半固化片胶接压制成一个动圈。
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