CN106475293B - 基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器，包括：动磁体(1)、上线圈(13)、下线圈(14)、板簧、外壳(2)和磁流体(20)；所述动磁体(1)的两端呈对称设置的环形管状结构，使得动磁体(1)产生的磁场沿环形管状结构的管壁构成回路，所述的上线圈(13)和下线圈(14)对称的位于两个环形孔(23)内，当两线圈通入反向交变电流后，该上线圈(13)、下线圈(14)与动磁体(1)间将产生同向的电磁激励力，使动磁体(1)和外壳(2)间产生相对运动形成振动的激励，所述的磁流体(20)灌注于环形孔(23)内，用于将上线圈(13)和下线圈(14)产生的热量传导至动磁体(1)上进行散热，从而加强惯性式激振器的散热性能。

Description

基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器

技术领域

本发明涉及机械振动技术领域，特别涉及基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器。

背景技术

振动激励器(简称激振器，又称作动器)是一种将电能转化为机械能的振动激励装置，在输入信号的驱动下，以输出力的方式激励目标产生预期的振动。随着技术进步，在科研、军事、汽车、娱乐等各个领域，随着人们对振动产生或控制的需求日益强烈，激振器的应用也越来越广泛。

根据换能器件的不同，激振器可分为电磁式、压电式、磁致伸缩式、液压式等种类。其中压电式、磁致伸缩式激振器自身力阻抗较大、容许位移较低，一般适合于中高频率的激振；液压式激振器需附加外部液压系统，结构复杂且容许位移较低，但力值较大；而电磁式激振器附加阻抗小、容许位移大，是需求低频激振场合的一般选择。

根据结构和安装方式的不同，激振器又可分为普通激振器和惯性式激振器。普通激振器一般由底座和力输出端构成，安装时要分别将底座和力输出端进行固定，其安装结构复杂且对安装精度要求较高，但力输出端处附加阻抗很小，并且激振器下限工作频率较低，一般应用于科研等需求精密测试的场合。与普通激振器不同，惯性式激振器不存在力输出端，仅需将底座固定即可正常工作，故安装简易、应用更为广泛，但其下限工作频率一般要高于普通激振器。

随着激振器应用需求的增长，人们对其性能指标提出了更高的要求。如何在不增加体积、重量的条件下提高激振器的力输出能力是目前激振器设计的主要目的。增大线圈电流是最直接的方法，但此时线圈热功率同样增加，这对激振器的散热性能提出了更高的要求。目前，多数激振器中，线圈与外壳间通过胶水、胶木弹片等导热性能不佳的材料进行连接，而且接触面积小，线圈产生的热量难以有效传导至外壳上，从而使线圈在大电流下容易积累热量产生高温。因此，如何提高有效激振器的散热性能、抑制线圈的温度是激振器设计的重要问题，可直接提升其输出能力。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的激振器散热性能差、能量密度低、安装结构复杂的缺点，提供一种采用磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器，利用该惯性式激振器能够加强激振器的散热性能，提高线圈的寿命，提高其长时间、大功率工作的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供的基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器，包括：动磁体、外壳、板簧、上线圈下线圈以及磁流体。所述的板簧呈圆环板状弹性结构，用于将动磁体支撑于外壳内，并限制动磁体的非轴向位移，所述动磁体的两端呈对称设置的环形管状结构，使得动磁体产生的磁场沿环形管状结构的管壁构成回路，在每一环形管状结构的外侧端面上均设有一环形孔，用于放置线圈，所述的环形孔将环形管状结构的内腔与外界贯通，所述的上线圈和下线圈均缠绕在一线圈骨架上，两个线圈骨架的另一端对称的固定于外壳两端面内侧的中心位置，所述的上线圈和下线圈对称的位于两个环形孔内，当两线圈通入反向交变电流后，该上线圈、下线圈与动磁体间将产生同向的电磁激励力，使动磁体和外壳间产生相对运动形成振动的激励，所述的磁流体灌注于环形孔内，用于将上线圈和下线圈产生的热量传导至动磁体上进行散热。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的外壳包括：上盖板、下盖板及壳体，所述的上盖板和下盖板分别覆盖于壳体的上端口和下端口；该上盖板和下盖板的中部均设有一环形凸缘，分别用于固定上线圈的线圈骨架、下线圈的线圈骨架。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的外壳还包括散热装置，该散热装置包括：离心风机、若干上散热片和若干下散热片，所述的上散热片和下散热片分别固定于上盖板的顶部和下盖板的底部，所述上盖板和下盖板的两个环形凸缘的中心均开设有与铁芯的内腔贯通的孔，作为空气流动的入口和出口，所述的离心风机设置于上盖板的正上方，其通过电能驱动气流从下散热片流入惯性式激振器，并经下盖板、铁芯的内腔、上盖板后从上散热片流出惯性式激振器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的上散热片呈螺旋状的分布于上盖板的孔周围，所述的下散热片呈辐射状的分布于下盖板的孔周围。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的动磁体包括：铁芯、上永磁体、下永磁体、上轭铁、下轭铁；所述的铁芯呈中空的筒状结构，其上、下两端的外壁上均设有一环形支架，两个环形支架之间沿周向开设有环形凹槽；所述的上永磁体安装于一个环形支架与上轭铁之间，使得铁芯上端、上永磁体和上轭铁组合后形成一个环形管状结构；所述的下永磁体固定于另一个环形支架与下轭铁之间，使得铁芯下端、下永磁体和下轭铁组合后形成另一个环形管状结构。

作为上述技术方案的进一步改进，所述铁芯上端的外壁与上轭铁之间设有的间隙形成一个环形孔，该铁芯下端的外壁与下轭铁之间设有的间隙形成另一个环形孔。此时上线圈、下线圈的主体分别位于由上轭铁和铁芯、下轭铁和铁芯形成的磁隙中。

作为上述技术方案的进一步改进，所述板簧的数量为两个；所述的两个板簧均为圆环板状弹性结构，用于支撑动磁体的重量，其中一个板簧的外缘固定于上盖板和壳体之间，其内缘则固定于上轭铁的外壁上，另一个板簧的外缘固定于下盖板与壳体之间，其内缘固定于下轭铁的外壁上。所述的上盖板和下盖板均可通过其边缘设置的凸缘将两个板簧固定于壳体上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的上永磁体、下永磁体沿轴向极化，并利用胶水与铁芯及上轭铁、下轭铁固定，并且安装于铁芯上后其相对的一面具有相同的极性。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的铁芯、上轭铁、下轭铁均利用软磁材料整体加工成型。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的上永磁体、下永磁体均利用永磁材料整体加工成环形结构，或采用永磁材料加工成若干扇形结构，并拼接成圆环。

本发明的基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器优点在于：

本发明惯性式激振器通过将磁流体灌注于环形孔内，使得上线圈和下线圈产生的热量传导至动磁体上进行散热，使得线圈产生的热量能够有效传导至外界，提高了激振器的散热性能，降低了线圈温度，且由于磁流体阻尼特性好，使得激振器的力输出曲线更为平滑，提高其大功率、长期工作的可靠性；将动磁体的两端设置呈环形管状结构，使得动磁体产生的磁场沿环形管状结构的管壁构成回路，使得磁场绝大部分约束于该回路内部，从而极大增强环形孔内的磁场，使通电线圈产生更强的力，配合设置的双线圈结构，使激振器在相同体积、重量下具有更高的力输出能力，能够激励更强的振动；同时该惯性式激振器可在任意安装角度下工作，提高了适用范围。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器的剖面视图。

图2是本发明实施例中的上散热片的横向切面视图。

图3是本发明实施例中的下散热片的横向切面视图。

附图标识：

1、动磁体 2、外壳 3、铁芯

4、上永磁体 5、下永磁体 6、上轭铁

7、下轭铁 8、上板簧 9、下板簧

10、上盖板 11、下盖板 12、壳体

13、上线圈 14、下线圈 15、上散热片

16、下散热片 17、离心风机 18、遮板

19、底板 20、磁流体 21、线圈骨架

22、环形凸缘 23、环形孔 24、环形凹槽

25、环形支架

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器进行详细说明。

参考图1，本发明提供的一种基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器包括：动磁体1、外壳2、上板簧8、下板簧9、上线圈13、下线圈14和磁流体20。所述的上板簧8和下板簧9均呈圆环板状弹性结构，用于将动磁体1支撑于外壳2内，并限制动磁体1的非轴向位移，所述动磁体1的两端呈对称设置的环形管状结构，使得动磁体1产生的磁场沿环形管状结构的管壁构成回路，在每一环形管状结构的外侧端面上均设有一环形孔23，用于放置线圈，所述的环形孔23将环形管状结构的内腔与外界贯通，所述的上线圈13和下线圈14均缠绕在一线圈骨架21的一端，两个线圈骨架21的另一端对称的固定于外壳2两端面内侧的中心位置，所述的上线圈13和下线圈14对称的位于两个环形孔23内，当两线圈通入反向交变电流后，该上线圈13、下线圈14与动磁体1间将产生同向的电磁激励力，使动磁体1和外壳2间产生相对运动形成振动的激励，所述的磁流体20灌注于环形孔23内，用于将上线圈13和下线圈14产生的热量传导至动磁体1上进行散热。所述上线圈13、下线圈14通以反向电流，可采用级联或并联方式利用外部功放进行驱动。

基于上述结构的惯性式激振器，如图1所示，在本实施例中，所述动磁体1包括：铁芯3、上永磁体4、下永磁体5、上轭铁6、下轭铁7；所述铁芯3是一次加工成型的特殊旋转体结构，其包括中央的筒状结构和在该铁芯上、下两端的外壁上设置的两个环形支架25；所述上永磁体4、下永磁体5体均可设计为圆环结构，分别安装于上述两个环形支架25上；所述上轭铁6和下轭铁7为特殊的环状结构，分别安装于上永磁体4和下永磁体5上。在本实施例中，所述动磁体1可由铁芯3、上永磁体4、下永磁体5、上轭铁6、下轭铁7组合粘接而成，使得铁芯3上端、上永磁体4和上轭铁6组合后形成一个环形管状结构，铁芯3下端、下永磁体5和下轭铁7组合后形成另一个环形管状结构，为动磁体1产生的磁场提供磁路传输介质。所述的上永磁体4、下永磁体5相对的一面应具有相同的极性，若是相反极性，则原本两个独立的闭合磁路会产生耦合，上、下永磁体5之间会存在磁力线，影响线圈处的磁感应强度。另外，在两个环形支架25之间沿周向可开设有环形凹槽24，使得两个环形管路相分离，以避免两个环形管状结构内的磁场相互干扰。所述铁芯3上端的外壁与上轭铁6之间设有的间隙形成一个环形孔23，该铁芯3下端的外壁与下轭铁7之间设有的间隙形成另一个环形孔23，此时上线圈13、下线圈14的主体分别位于由上轭铁6和铁芯3上端、下轭铁7和铁芯下端形成的磁隙中。在由上轭铁6、下轭铁7以及铁芯3形成的磁隙中灌注以磁流体20，该磁流体20将受磁场作用被束缚于上述磁隙中。此时上线圈13、下线圈14通过具有较好导热性能的磁流体20与动磁体1接触，其产生的热量将很快传导至动磁体1上，降低线圈温度，并通过流动的空气将热量传递至外界。因此，所述磁流体20有助于大幅提高激振器整体的散热性能，上线圈13、下线圈14的温度将得到降低。同时，由于磁流体20的粘滞性增加了激振器的阻尼，使其输出特性更为平滑。

在本实施例中，所述上永磁体4、下永磁体5可利用永磁材料整体加工成环状结构，其他实施例中，也可分割成若干扇形部分进行加工制作，并在安装时拼接成整体圆环。所述的铁芯、上轭铁、下轭铁均利用软磁材料整体加工成型。由于永磁铁的两极均与软磁材料接触，使得其产生的磁场绝大部分约束于由软磁材料构成的回路内部，从而极大增强环形孔内的磁场，使通电线圈产生更强的力。

所述外壳2可包括：上盖板10、下盖板11及壳体12；所述上盖板10、下盖板11均可设计为圆形板状结构，该上盖板10和下盖板11分别覆盖于壳体12的上端口和下端口，其中部均设有环形凸缘22；上盖板10、下盖板11位于中部的环形凸缘22分别用于固定上线圈13、下线圈14缠绕的线圈骨架21，该线圈骨架21可利用胶水粘接于上盖板10、下盖板11位于中部的环形凸缘22上。外壳2的各部件可由轻质金属材料加工而成，以进一步减轻激振器的整体重量。

基于上述结构的惯性式激振器，如图1所示，所述的外壳还包括散热装置，该散热装置包括：离心风机17、若干上散热片15、若干下散热片16，该上散热片15和下散热片16均呈片状结构，该片状结构沿圆周方向均匀分布于一环形区域内，上述环形区域的外径可与上盖板10、下盖板11相同，内径则略大于离心风机17。

在本实施例中，所述的上散热片15、下散热片16其一侧分别安装在上盖板10、下盖板11的外侧，另一侧则分别安装于遮板18和底板19上。所述的离心风机17安装于遮板18的中心，其位置对应于上散热片15中心处的圆形区域内，并设置于上盖板10的正上方。当离心风机工作后，外界空气经下散热片16进入惯性式激振器，然后经下盖板11中心的孔、动磁体1、上盖板10中心的孔进入离心风机17，再由离心风机17排出的空气经上散热片15回到外界，完成风冷散热操作。所述的离心风机17底部与上盖板10间的缝隙不应过大，否则将影响散热性能。

另外，在本实施例中，所述上盖板10和下盖板11的两个环形凸缘22的中心均开设有与铁芯3的内腔贯通的孔，作为空气流动的入口和出口。所述的上散热片15、下散热片16的片状结构均有16片，如图2所示，上散热片15可呈螺旋状的分布于上盖板10的孔周围，其长度方向上是沿离心风机17外圆的切线方向；如图3所示，下散热片16可呈辐射状的分布于下盖板11的孔周围，其长度方向上是沿离心风机17的径向。在其他实施例中，散热片的片状结构也可以具有不同的数目，其分布也可以具有不同的形式。

在本实施例中，上散热片15、下散热片16分别与上盖板10、下盖板11结合并一体化加工成型。而在其他实施例中，也可通过导热硅胶将上散热片15、下散热片16分别粘接于上盖板10、下盖板11上。

所述的上板簧8、下板簧9均为圆环板状弹性结构，上板簧8的外缘固定于上盖板10和壳体12之间，其内缘则固定于上轭铁6的外壁上，下板簧9的外缘固定于下盖板11与壳体12之间，其内缘固定于下轭铁7的外壁上，用于支撑动磁体1的重量，同时由于上板簧8、下板簧9具有轴向刚度低、径向刚度高的特点，可极大约束动磁体1的非轴向位移，保证激振器可沿任意角度工作。

另外，惯性式激振器中由板簧和动磁体构成的振动系统存在共振频率，只有在此频率以上的频带内，惯性式激振器才能够有效的输出力激励振动。因此，为了扩展激振器的工作频带，上述共振频率应该越低越好。但该频率越低，弹簧就越软，在质量的重力作用下静态位移也就越大。当静态位移超过一定限度后，不仅线圈会跳出强磁场的作用范围，板簧也容易由于过大的位移而损坏。因此，固有频率不可能无限降低，其最低值与能够容忍的最大静态位移相关。一般来讲，激振器整体的尺寸越大，动磁体和外壳间振动的最大幅度越大，所能容忍的最大静态位移也就越大，固有频率相应越低。在本实施例中，惯性式激振器总体高度设计为100mm，动磁体1相对于外壳2振动的最大幅度为5mm，由动磁体1和上板簧8、下板簧9构成的简谐振子固有频率为20Hz，此时动磁体1的静态位移约0.6mm，具有上述参数的惯性式激振器能够满足绝大部分声频的应用需求。在其他实施例中，惯性式激振器的尺寸可以扩大或缩小，最大振动幅度以及固有频率也可根据实际需求进行扩大或缩小。

在其他实施例中，所述动磁体1及其各组成部分也可以是方形或其他形状的柱状结构，此时上线圈13、下线圈14以及上板簧8、下板簧9也可具有相对应的形状。所述外壳2及其各组成部分也可以是方形或其他形状的柱状结构，其表面也可通过穿孔、刻槽、粘贴散热器等方式进一步改善激振器的散热性能。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器，其特征在于，包括：动磁体(1)、上线圈(13)、下线圈(14)、板簧、外壳(2)和磁流体(20)；所述的板簧呈圆环板状弹性结构，用于将动磁体(1)支撑于外壳(2)内，并限制动磁体(1)的非轴向位移，所述动磁体(1)的两端呈对称设置的环形管状结构，使得动磁体(1)产生的磁场沿环形管状结构的管壁构成回路，在每一环形管状结构的外侧端面上均设有一环形孔(23)，用于放置线圈，所述的环形孔(23)将环形管状结构的内腔与外界贯通，所述的上线圈(13)和下线圈(14)均缠绕在一线圈骨架(21)的一端，两个线圈骨架(21)的另一端对称的固定于外壳(2)两端面内侧的中心位置，所述的上线圈(13)和下线圈(14)对称的位于两个环形孔(23)内，当两线圈通入反向交变电流后，该上线圈(13)、下线圈(14)与动磁体(1)间将产生同向的电磁激励力，使动磁体(1)和外壳(2)间产生相对运动形成振动的激励，所述的磁流体(20)灌注于环形孔(23)内，用于将上线圈(13)和下线圈(14)产生的热量传导至动磁体(1)上进行散热；

所述的外壳(2)包括：上盖板(10)、下盖板(11)及壳体(12)；所述的上盖板(10)和下盖板(11)分别覆盖于壳体(12)的上端口和下端口，该上盖板(10)的中心和下盖板(11)的中心均设有一环形凸缘(22)，分别用于固定上线圈(13)的线圈骨架和下线圈(14)的线圈骨架；

所述的外壳(2)还包括散热装置，该散热装置包括：离心风机(17)、若干上散热片(15)和若干下散热片(16)，所述的上散热片(15)和下散热片(16)分别固定于上盖板(10)的顶部和下盖板(11)的底部，所述上盖板(10)和下盖板(11)的两个环形凸缘(22)的中心均开设有与铁芯(3)的内腔贯通的孔，作为空气流动的入口和出口，所述的离心风机(17)设置于上盖板(10)的正上方，其通过电能驱动气流从下散热片(16)流入惯性式激振器，并经下盖板(11)、铁芯(3)的内腔、上盖板(10)后从上散热片(15)流出惯性式激振器。

2.根据权利要求1所述的基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器，其特征在于，所述的上散热片(15)呈螺旋状的分布于上盖板(10)的孔周围，所述的下散热片(16)呈辐射状的分布于下盖板(11)的孔周围。

3.根据权利要求1所述的基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器，其特征在于，所述的动磁体(1)包括：铁芯(3)、上永磁体(4)、下永磁体(5)、上轭铁(6)和下轭铁(7)；所述的铁芯(3)呈中空的筒状结构，其上端和下端的外壁上均设有一环形支架(25)，两个环形支架(25)之间沿周向开设有环形凹槽(24)；所述的上永磁体(4)固定于一个环形支架(25)与上轭铁(6)之间，使得铁芯(3)上端、上永磁体(4)和上轭铁(6)组合后形成一个环形管状结构；所述的下永磁体(5)固定于另一个环形支架(25)与下轭铁(7)之间，使得铁芯(3)下端、下永磁体(5)和下轭铁(7)组合后形成另一个环形管状结构，上永磁体(4)、下永磁体(5)相对的一面应具有相同的极性。

4.根据权利要求3所述的基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器，其特征在于，所述铁芯(3)上端的外壁与上轭铁(6)之间设有的间隙形成一个环形孔(23)，该铁芯(3)下端的外壁与下轭铁(7)之间设有的间隙形成另一个环形孔(23)。

5.根据权利要求3所述的基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器，其特征在于，所述的上永磁体(4)和下永磁体(5)采用永磁材料加工成环状结构，或采用永磁材料加工成若干扇形结构，并拼接成环状。

6.根据权利要求3所述的基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器，其特征在于，所述的铁芯(3)、上轭铁(6)和下轭铁(7)均采用软磁材料制成。

7.根据权利要求3所述的基于磁流体散热的双线圈单动磁体结构的惯性式激振器，其特征在于，所述板簧的数量为两个；其中一个板簧的外缘固定于上盖板(10)与壳体(12)之间，其内缘固定于上轭铁(6)的外壁上；另一个板簧的外缘固定于下盖板(11)与壳体(12)之间，其内缘固定于下轭铁(7)的外壁上。