CN105978200A - 一种多频复合振动模拟器及其实现多频复合振动的方法 - Google Patents

Abstract

一种多频复合振动模拟器，其包含：定子机构，其包含定子导磁环、线圈绕组以及定子铁芯，三者构建成电励磁磁路；动子机构，设置在定子机构内，动子机构包含动子铁芯以及与线圈绕组对应设置的永磁体；线圈绕组获得变换的电流输入，从而调节磁场强度，永磁体在磁力作用下实现动子机构在多频面内复合振动位移输出。其优点是：具有多频面内振动复合的特点，可以用于复杂振动工况的模拟，可实现范围广，具有很好的应用前景。

Description

一种多频复合振动模拟器及其实现多频复合振动的方法

技术领域

本发明涉及电磁激励原理和结构设计技术领域，具体涉及一种在建立大型柔性结构振动模拟系统过程中使用的能够提供面内多频复杂振动输出的多频复合振动模拟器及其实现多频复合振动的方法。

背景技术

随着空间技术的发展，大型柔性结构应用范围将越来越广，其结构振动的模拟，涉及到平面振动，扭转振动和多频振动复合叠加振动形式的模拟，因此，需要设计一种具备面内多频振动模拟功能的振动模拟装置。

目前，振动模拟器的设计形式主要集中在单向振动输出形式或是振动台复合作用方式，主要应用于在汽车等结构振动测试方面，在振动模拟及多种振动方式叠加耦合输出方面尚未有相关专利成果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多频复合振动模拟器及其实现多频复合振动的方法，其采用电磁激励原理，其成非接触式结构形式，设计了面内平动和转动的三个方向面内多频符合振动模拟器，能够进行面内任意振动工况的模拟。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种多频复合振动模拟器，其特征是，包含：

定子机构，其包含定子导磁环、线圈绕组以及定子铁芯，三者构建成电励磁磁路；

动子机构，设置在定子机构内，动子机构包含动子铁芯以及与线圈绕组对应设置的永磁体；线圈绕组获得变换的电流输入，从而调节磁场强度，永磁体在磁力作用下实现动子机构在多频面内复合振动位移输出。

上述的多频复合振动模拟器，其中：

动子机构具有一原点，其外部设有两组原点对称安装的线圈绕组，每组中的两个线圈绕组对角设置且以原点为中心成中心对称偏置。

上述的多频复合振动模拟器，其中：

动子机构非接触地设置在定子机构内，线圈绕组和定子铁芯构成的磁极与动子机构之间形成气隙。

上述的多频复合振动模拟器，其中：

动子铁芯同被作用对象通过浮力球铰连接。

上述的多频复合振动模拟器，其中，还包含：

过载保护机构，将动子铁芯限位在定子机构的框架范围内。

一种利用所述的多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征是：

根据被激对象的被激特性，调整线圈绕组输出多频振动模拟剪切力和/或扭转力矩。

上述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其中，线圈绕组输出的多频振动模拟剪切力为：

$F_c=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{A}_c{N_c}^2}{4}\frac{{I_c}^2}{{{\mathrm{\δ}}_c}^2};$

式中，F_c为通用的多频复合振动模拟器径向的电磁激励力，即对外输出剪切方向的力；μ₀为真空磁导率；A_c为通用的磁极面积；N_c为通用的线圈匝数；I_c为通用的线圈电流；δ_c为通用的磁极与动子表面间的气隙。

上述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其中，线圈绕组输出多频振动模拟扭转力矩为：

式中，M为作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器上、下方向动子力偶输出，为多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。

上述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其中，线圈绕组输出多频振动模拟剪切力和扭转力矩复合作用时：

式中，F为作用在动子上的面内合力，为多频复合振动模拟器前、后方向动子电磁激励力输出，为多频复合振动模拟器左、右方向动子电磁激励力输出，M为作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器前、后方向动子力偶输出，为多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。

上述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其中，通过调整线圈绕组的输入电流来实现：

$I=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{pm}\·(R_{pmsum}-R_{pm})R_{isumy}\·\mathrm{\σ}}{2N\·(R_{y1}+R_{y2})};$

式中，I为电磁磁路中的电流，Φ_pm为永磁磁路的磁通，R_pmsum为永磁磁路的总磁阻，R_pm为永磁磁路磁阻，R_isumy为电磁磁路总磁阻，N为线圈绕组匝数，R_y1为第一双气隙磁阻，R_y2为第二双气隙磁阻，σ为漏磁系数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、适用于大型柔性结构件振动模拟、复合振动测试平台等领域；

2、装置的频率范围宽，适用于一切导体(磁性或非磁性)试件，结构简单，使用维护方便；

3、具有多频面内振动复合的特点，可以用于复杂振动工况的模拟，可实现范围广，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的多频复合振动模拟器的整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种多频复合振动模拟器，其包含：定子机构，以及非接触地设置在定子机构内的动子机构；定子机构包含定子导磁环1、线圈绕组2以及定子铁芯3，三者构建成电励磁磁路，线圈绕组2绕在定子铁芯3上；动子机构包含动子铁芯4以及与线圈绕组2对应设置的永磁体5，永磁体5设置在动子铁芯4上，线圈绕组2和定子铁芯3构成的磁极与动子机构的永磁体5之间形成气隙6；线圈绕组2获得变换的电流输入，从而调节磁场强度，而动子铁芯4同被作用对象，通过浮力球铰连接，永磁体5在磁力作用下实现动子机构在多频面内复合振动位移输出，上述设计通过磁力的方式，避免了振动模拟力传递过程中结构耦合造成的影响，提高抗干扰能力，保证复合后的振动模拟力输出的性能指标。

本实施例中，动子机构具有一原点，其外部设有两组原点对称安装的线圈绕组2，每组中的两个线圈绕组2对角设置且以原点为中心成中心对称偏置，永磁体5也设置两组，分别设置在各个线圈绕组2的对应位置，从而形成4个如图1中所示的磁路走向，其支持两种振动模式，线圈绕组2输入相同情况下，动子机构受力的大小、方向相同，动子机构为简单的平移移动，处于力矩平衡，当线圈绕组2输入变化，动子机构平衡状态破坏，受力的大小或方向变化时，则对动子机构存在力偶作用，对外定子机构作用扭转力，并且，当动子铁芯4在未通电状态，由于永磁体5的存在，可以相对定子机构呈现悬浮，具有一定承载能力；因此上述结构的优点在于，成对的线圈绕组2可以提升位移范围和对外承载能力，且两组线圈绕组2振动运动接耦，可以通过简单的线性叠加，实现平面内的任意振动形式。

所述的多频复合振动模拟器还包含：过载保护机构，将动子铁芯4限位在定子机构的框架范围内，避免过载造成结构碰撞破坏，同时保证过载情况下的模拟器非工作状态下结构承载能力。

本发明还提供一种利用上述的多频复合振动模拟器实现多频振动的方法：根据被激对象的被激特性，调整线圈绕组2输出多频振动模拟剪切力和/或扭转力矩。

其中，线圈绕组2输出的多频振动模拟剪切力为：

$F_c=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{A}_c{N_c}^2}{4}\frac{{I_c}^2}{{{\mathrm{\δ}}_c}^2};---\left(1\right)$

式中，F_c为通用的多频复合振动模拟器径向的电磁激励力，即对外输出剪切方向的力；μ₀为真空磁导率；A_c为通用的磁极面积；N_c为通用的线圈匝数；I_c为通用的线圈电流；δ_c为通用的磁极与动子表面间的气隙。

其中，线圈绕组2输出多频振动模拟扭转力矩为：

式中，M为作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器上、下方向动子力偶输出，为多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。

其中，线圈绕组2输出多频振动模拟剪切力和扭转力矩复合作用时：

式中，F为作用在动子上的面内合力，为多频复合振动模拟器前、后方向动子电磁激励力输出，为多频复合振动模拟器左、右方向动子电磁激励力输出，M为作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器前、后方向动子力偶输出，为多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。

所述的线圈绕组2输出的多频振动模拟剪切或多频振动模拟扭转力矩，均可以通过调整线圈绕组2的输入电流来实现：

$I=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{pm}\·(R_{pmsum}-R_{pm})R_{isumy}\·\mathrm{\σ}}{2N\·(R_{y1}+R_{y2})};---\left(4\right)$

式中，I为电磁磁路中的电流，Φ_pm为永磁磁路的磁通，R_pmsum为永磁磁路的总磁阻，R_pm为永磁磁路磁阻，R_isumy为电磁磁路总磁阻，N为线圈绕组匝数，R_y1为第一双气隙磁阻，R_y2为第二双气隙磁阻，σ为漏磁系数。

以下，根据图1结合一个具体实施例，对本发明的实现多频复合振动的方法进行进一步说明：

如图1所示，为动子机构在永磁体5产生的静磁场吸力作用下处于悬浮的平衡位置(参考位置)，由于磁路的对称性，在动子机构上方气隙6永磁体产生的磁通φ_px1和下方气隙6永磁体产生的磁通φ_px2是相等的，即φ_px1＝φ_px2，此时如果不计重力，则上下气隙6磁密相等，因而动子受到的上方电磁吸力与下方电磁吸力相同，由于上下线圈绕组2有偏置安装，故处在力偶输出，其公式如下：

同样的，动子左方气隙永磁体产生的磁通和右方气隙永磁体产生的磁通是相等的，即此时如果不计重力，则上下气隙磁密相等，因而动子受到的上方电磁吸力与下方电磁吸力相同，为：

线圈绕组2偏置安装，形成的力偶，由于大小相等，方向相反，可以知道动子力偶处于平衡状态，即：

其中，μ0为真空的磁导率，A为定子铁心极弧面积，r为永磁体中心到动子质心的距离。

假设动子机构在参考位置上受到一个沿垂直方向，向上振动，动子机构就会偏离参考位置而向上运动，此时动子上方和下方的气隙6就会发生变化，即上方气隙6变大，永磁体5产生的磁通减小，故产生的吸力减小；而下方气隙6变小，永磁体5产生的磁通增加，产生的吸力增加，所以仅靠永磁体5是不能将动子机构悬浮在平衡位置，此时，传感器检测出动子机构偏离其参考位置的位移，控制器将这一位移信号变换为控制信号，功率放大器又将该控制信号变换成控制电流，该控制电流流经定子机构的线圈2绕组使定子铁芯3内产生电磁磁通在动子上方气隙6处与永磁磁通叠加，为在动子机构下方气隙6处抵消一部分永磁磁通这样动子下方气隙6总磁通减小，所以此时动子机构在一个定子极下的上下气隙6的吸力为：

同样的，有水平方向上的振动输出，结果为：

由此可知，随着调整，进而可以通过一定的控制策略实现复杂振动形式的叠加，

其作用在动子机构上的面内合力F矢量形式，可以表示如下：

其作用在动子机构上的合力偶形式，可以表示如下：

通过上述表达式，面内合力F为矢量形式，可以实现复杂的振动轨迹；通过力偶大小的调整，也可以将扭转振动作用到输出。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种多频复合振动模拟器，其特征在于，包含：

定子机构，其包含定子导磁环(1)、线圈绕组(2)以及定子铁芯(3)，三者构建成电励磁磁路；

动子机构，设置在定子机构内，动子机构包含动子铁芯(4)以及与线圈绕组(2)对应设置的永磁体(5)；线圈绕组(2)获得变换的电流输入，从而调节磁场强度，永磁体(5)在磁力作用下实现动子机构在多频面内复合振动位移输出。

2.如权利要求1所述的多频复合振动模拟器，其特征在于：

动子机构具有一原点，其外部设有两组原点对称安装的线圈绕组(2)，每组中的两个线圈绕组(2)对角设置且以原点为中心成中心对称偏置。

3.如权利要求1所述的多频复合振动模拟器，其特征在于：

动子机构非接触地设置在定子机构内，线圈绕组(2)和定子铁芯(3)构成的磁极与动子机构之间形成气隙(6)。

4.如权利要求1所述的多频复合振动模拟器，其特征在于：

动子铁芯(4)同被作用对象通过浮力球铰连接。

5.如权利要求1所述的多频复合振动模拟器，其特征在于，还包含：

过载保护机构，将动子铁芯(4)限位在定子机构的框架范围内。

6.一种利用如权利要求1所述的多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征在于：

根据被激对象的被激特性，调整线圈绕组(2)输出多频振动模拟剪切力和/或扭转力矩。

7.如权利要求6所述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征在于，其中，线圈绕组(2)输出的多频振动模拟剪切力为：

$F_c=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{A}_c{N_c}^2}{4}\frac{{I_c}^2}{{{\mathrm{\δ}}_c}^2};$

式中，F_c为通用的多频复合振动模拟器径向的电磁激励力，即对外输出剪切方向的力；μ₀为真空磁导率；A_c为通用的磁极面积；N_c为通用的线圈匝数；I_c为通用的线圈电流；δ_c为通用的磁极与动子表面间的气隙。

8.如权利要求6所述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征在于，其中，线圈绕组(2)输出多频振动模拟扭转力矩为：

式中，M为作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器上、

下方向动子力偶输出，为多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。

9.如权利要求6所述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征在于，其中，线圈绕组(2)输出多频振动模拟剪切力和扭转力矩复合作用时：

式中，F为作用在动子上的面内合力，为多频复合振动模拟器前、后方向动子电磁激励力输出，为多频复合振动模拟器左、右方向动子电磁激励力输出，M为作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器前、后方向动子力偶输出，为多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。

10.如权利要求7或8所述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征在于，通过调整线圈绕组(2)的输入电流来实现：

$I=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{pm}\·(R_{pmsum}-R_{pm})R_{isumy}\·\mathrm{\σ}}{2N\·(R_{y1}+R_{y2})};$

式中，I为电磁磁路中的电流，Φ_pm为永磁磁路的磁通，R_pmsum为永磁磁路的总磁阻，R_pm为永磁磁路磁阻，R_isumy为电磁磁路总磁阻，N为线圈绕组匝数，R_y1为第一双气隙磁阻，R_y2为第二双气隙磁阻，σ为漏磁系数。