CN106597023A - 一种电磁驱动式微加速度振动装置 - Google Patents

Abstract

一种电磁驱动式微加速度振动装置，包括驱动线圈，磁路系统和弹性支撑系统；内磁轭上固定支撑弹簧，支撑弹簧托持动质量块，动质量块与线圈骨架固定；内磁轭、外磁轭、磁钢、驱动线圈和动质量块设置于外壳内，外壳包含上端封闭、下端开口的筒体和和封闭筒体下端开口的底盖，磁钢与底盖固定，外壳的顶面作为放置被校准传感器的工作台面，底盖、磁钢、内磁轭和外磁轭形成闭合磁路；外壳通过吊装弹簧悬挂于吊装支架上，吊装弹簧的刚度远小于支撑弹簧的刚度，吊装支架固定于基础，工作台面与基础平行。本发明具有能够隔离外界振动，能够提供微加速度震源的优点。

Description

一种电磁驱动式微加速度振动装置

技术领域

本发明涉及一种电磁振动台。

技术背景

振动计量在军事、航天航空以及民用工业等技术领域中广泛应用，目前包括美国、西欧、俄罗斯以及日本等技术发达国家都十分重视振动计量相关技术的发展与研究。微加速度振动装置是在微加速度(10^-6g)范围内用于检测测振传感器的分辨率，是振动计量向微加速度方向发展的关键环节，也是计量基准向微量化发展所亟待解决的不足。常规电磁振动台中，由于追求高效地输出加速度，所以单位电流输出加速度值都较大，通过改变输入电流得到微加速度，往往要求输入的电流非常小，极大地影响了输出波形的信噪比。中国专利200520036395.7号公开了一种振动台，包括振动电机，振动台面和弹簧，其振动电机及弹簧架安装于台架与振动台面之间，振动的台面上开设有多个螺丝定位孔。这种振动台的缺点在于：当输出微加速度振动时，由于容易受到外部环境干扰等原因，输出振动加速度与电机转速有关，高频时很难得到微加速度。

发明内容

本发明提供了一种电磁驱动式微加速度振动的振动发生装置，其克服了现有技术无法提供高信噪比微加速度振动输出的缺点。

一种电磁驱动式微加速度振动装置，包括驱动线圈，磁路系统和弹性支撑系统；驱动线圈由线圈骨架和线圈组成，线圈固定于线圈骨架上；磁路系统包含磁轭和磁钢，线圈位于由磁钢和磁轭所形成的气隙磁场中；其特征在于：磁钢与内磁轭轴向固定，外磁轭呈环形将内磁轭和磁钢围绕在其内，线圈位于内磁轭与外磁轭之间，磁钢、内磁轭和外磁轭同轴，线圈位于内磁轭和外磁轭之间；内磁轭上固定支撑弹簧，支撑弹簧托持动质量块，动质量块与线圈骨架固定；

内磁轭、外磁轭、磁钢、驱动线圈和动质量块设置于外壳内，外壳包含上端封闭、下端开口的筒体和封闭筒体下端开口的底盖，磁钢与底盖固定，外壳的顶面作为放置被校准传感器的工作台面，底盖、磁钢、内磁轭和外磁轭形成闭合磁路；外壳通过吊装弹簧悬挂于吊装支架上，吊装弹簧的刚度远小于支撑弹簧的刚度，吊装支架固定于基础，工作台面与基础平行。

磁路系统和驱动线圈形成作用力发生部，线圈处于上述闭合磁路的气隙磁场中，当向线圈中通入电流，便可以产生相互作用力输出，即加速度输出。

进一步限定吊装支架的结构为：吊装支架包括与基础垂直的纵向支撑和与基础平行的水平支撑，纵向支撑与水平支撑固定连接，吊装弹簧将外壳挂于水平支撑；

吊装弹簧由数根组成，吊装弹簧一端均匀连接于筒体顶面，另一端均匀连接于水平支撑。

进一步，外磁轭呈圆柱环形的骨架，外磁轭的侧壁与筒体固定连接，外磁轭与底盖固定连接，同时底盖与筒体固定连接。外磁轭的顶部设有向内延伸的凸环，凸环恰好围住线圈，凸环与内磁轭之间的距离足够驱动线圈自由振动。

线圈绕制在线圈骨架上，同时线圈骨架与动质量块固定连接，动质量块的另一端通过支撑弹簧与内磁轭连接。

进一步，筒体上开设有引线孔，引线孔高出外磁轭。产生作用力的电流导线由引线孔引入，并与线圈连接，用于工作时给线圈提供控制电源。

进一步，支撑弹簧由数根弹簧组成，支撑弹簧均匀分布于内磁轭的顶面及动质量块下底面之间，起到支撑动质量块和线圈的作用。

本发明的技术构思是：磁钢、内磁轭、外磁轭和底盖构成闭合磁路，并在外磁轭顶部凸环和内磁轭间产生均匀气隙磁场，线圈螺旋缠绕于线圈骨架上，并置于气隙磁场中，线圈与磁力线垂直，当向线圈提供一个恒定正弦电流时，在磁场的作用下，线圈产生轴向正弦变化的安培力。根据作用力与反作用力的原理，由线圈、线圈骨架和动质量块构成的组合体受到该安培力作用的同时，由磁钢、内磁轭、外磁轭、底盖以及筒体构成的运动输出部组合体上也受到同样大小的力，由于该运动输出部组合体的质量远大于动质量块所在组合体的质量，因而可在运动输出部输出微小加速度。被校准传感器与筒体顶面固定连接，被校准传感器接受筒体所输出振动。

整个振动装置的输出信号主要受地基振幅为Y₀、角频率为ω₀的扰动Y(t)＝Y₀sinω₀t以及安培力作用。当对线圈通电流以后，由于安培力的作用，质量为m的动质量块所在组合体和质量为M的运动输出部组合体两部分分别受到大小为F(t)、作用方向相反的力的作用，其中F(t)＝Fsinωt，F为力的幅值，ω为角频率。忽略系统阻尼，假设吊装弹簧的弹簧刚度之和为k′；支撑弹簧的刚度为k；动质量块所在组合体的位移为x₁；运动输出部组合体的位移为x₂。

当仅考虑地基作用时，可列动力学方程：

可得由地基作用引入的运动输出部组合体的稳态响应振幅为：

进一步整理可得：

令r_s＝ω₀/ω_s、r_m＝ω₀/ω_m、r_M＝ω₀/ω_M，则有：

由于吊装弹簧的刚度远小于支撑弹簧的刚度，即k′<<k，且满足r_m<<1和r_mr_M<<1，则上式可简化为：

对应的加速度幅值为：

根据上式，当采用刚度k′很小的吊装弹簧，同时设计得到较大的运动输出部组合体的总质量M，那么便可以使得则有从而可获得较好的隔振效果，消除地基干扰影响。

当仅考虑受到安培力作用时，可列动力学方程：

解得筒体及闭合磁路构成的运动输出部组合体的振幅为：

进一步整理得：

令r₁＝ω/ω_m、r₂＝ω/ω_M，则有：

设计时合理选择吊装弹簧和支撑弹簧的刚度，使得r₁<<1、r₂>>1，那么上式便可以进一步简化为：

则运动输出部组合体的加速度幅值可表示为：

从上式可知，只要设计使得运动输出部组合体质量M远大于动质量块所在组合体质量m，使得μ的取值很大；同时合理选择吊装弹簧及刚度k较大的支撑弹簧，本装置便可以获得微加速度输出。

由此，本发明通过选用刚度较小的吊装弹簧，设计大质量运动输出部组合体和小质量动质量块组合体，很好地隔离了由地基引入的干扰，有效地减小了在给定输入电磁作用力下对应输出的加速度量值。同时，通过设计振动发生装置磁路气隙磁场的磁感应强度B和磁场中线圈导体长度L，即可在输入电流I时，根据安培力计算公式F＝BIL，产生激励力F，进而获得到微g量级(10^-6g)的振动输出，本发明可实现微加速度振动的输出。

本发明的有益效果是:将运动输出部件及其内部的作用力发生部通过吊装弹簧悬挂于吊装支架上，利用吊装弹簧隔离外界振动，使激振组件不受外界干扰振动的影响，同时通过动质量块所在组合体与运动输出部组合体的质量设计以及支撑弹簧设置使得装置能够提供微加速度震源,结构简单实用,操作方便。

附图说明

图1是微加速度振动发生装置结构示意图。

图2是本发明的闭合磁路示意图。

图3是微加速度振动发生装置等效力学模型。

具体实施方式

如图1所示，一种电磁驱动式微加速度振动装置，包括驱动线圈，磁路系统和弹性支撑系统；驱动线圈由线圈骨架7和待通电的线圈9组成，线圈9固定于线圈骨架7上。磁路系统包含磁轭组件和磁钢11，线圈9位于由磁钢11和磁轭形成气隙磁场中；磁钢11与内磁轭10轴向固定(即磁钢11的上端面与内磁轭10的下端面固定)，外磁轭8呈环形将内磁轭10和磁钢11围绕在其内，线圈9位于内磁轭10与外磁轭8之间，磁钢11、内磁轭10和外磁轭8同轴，线圈9位于内磁轭10和外磁轭8之间；内磁轭10上固定支撑弹簧6，支撑弹簧6托持动质量块4，动质量块4与线圈骨架7固定。

磁路系统、驱动线圈9和动质量块4设置于外壳内，外壳包含上端封闭、下端开口的筒体5和和封闭筒体5下端开口的底盖12，磁钢11与底盖12固定，外壳的顶面作为放置被校准传感器A的工作台面(即筒体5顶板的上表面作为工作台面)，底盖12、磁钢11、内磁轭10和外磁轭8形成闭合磁路，底盖12、内磁轭10和外磁轭8组成磁轭组件；外壳通过吊装弹簧2悬挂于吊装支架上，吊装弹簧2的刚度远小于支撑弹簧6的刚度，吊装支架固定于基础，工作台面与基础平行。如图1所示，磁钢11与底盖12同轴，因此，磁钢11、内磁轭10、外磁轭8和底盖12同轴设置。

磁路系统和驱动线圈9形成作用力发生部，线圈9处于上述闭合磁路的气隙磁场中，当向线圈9中通入电流，便可以产生相互作用力输出，即加速度输出。

吊装支架包括与基础13垂直的纵向支撑3和与基础平行的水平支撑1，纵向支撑3与水平支撑1固定连接。

振动发生装置的筒体5通过吊装弹簧2悬挂于水平支撑1下，吊装弹簧2的数量为多根，吊装弹簧2一端均匀连接于筒体5的顶面，另一端均匀连接于水平支撑1上；筒体5的顶面(即外壳的顶面)作为放置被校准传感器A的工作台面。

如图2所示，闭合磁路设置于筒体5内，闭合磁路由磁轭及磁钢11构成,，磁轭包括底盖12、外磁轭8和内磁轭10。闭合磁路包括圆柱环形骨架状的外磁轭8，外磁轭8的侧壁与筒体5固定连接，外磁轭8的底部与底盖12固定连接，同时底盖12与筒体5固定连接。外磁轭8的顶部设有向内延伸的凸环，凸环恰好围住线圈9，凸环与内磁轭10之间的距离足够驱动线圈9自由振动。

筒体5上开设有引线孔51，引线孔51高出外磁轭8。产生作用力的电流导线由引线孔51引入，并与线圈9连接，用于工作时给线圈9提供控制电源。

支撑弹簧6的数量为多根，支撑弹簧6均匀分布于内磁轭10的顶面及动质量块4的下底面之间，起到支撑动质量块4和线圈9的作用。

本发明所述的电磁驱动式微加速度振动装置的输出信号主要受地基13的扰动Y(t)以及安培力作用。当对线圈9通电流以后，由于安培力的作用，质量为m的动质量块4所在组合体和质量为M的运动输出部组合体两部分分别受到大小均为F(t)＝Fsinωt、作用方向相反的力的作用。忽略系统阻尼，假设吊装弹簧2的弹簧刚度之和为k′；支撑弹簧6的刚度为k；动质量块4所在组合体的位移为x₁；运动输出部组合体的位移为x₂。

当仅考虑地基作用时可列动力学方程：

可得由地基13作用引入的运动输出部组合体的稳态响应振幅为：

进一步整理可得：

令r_s＝ω₀/ω_s、r_m＝ω₀/ω_m、r_M＝ω₀/ω_M，则有：

由于吊装弹簧2的刚度远小于支撑弹簧6的刚度，即k′<<k，且满足r_m<<1和r_mr_M<<1，则上式可简化为：

对应的加速度幅值为：

根据上式，当采用刚度k′很小的吊装弹簧2，同时设计得到较大的运动输出部组合体的总质量M，那么便可以使得则有从而可获得较好的隔振效果，消除地基13干扰影响。

当仅考虑受到安培力作用时,可列动力学方程：

解得筒体5及闭合磁路构成的运动输出部组合体的振幅为：

进一步整理得：

令r₁＝ω/ω_m、r₂＝ω/ω_M，则有：

设计时合理选择吊装弹簧2和支撑弹簧6的刚度，使得r₁<<1、r₂>>1，那么上式便可以进一步简化为：

则运动输出部组合体的加速度幅值可表示为：

从上式可知，只要设计使得运动输出部组合体的质量M远大于动质量块4所在组合体的质量m，使得μ的取值很大；同时合理选择吊装弹簧2及选择刚度k较大的支撑弹簧6，本装置便可以获得微加速度输出。

由此，本发明通过选用刚度较小的吊装弹簧2，设计大质量运动输出部组合体和小质量动质量块4组合体，很好地隔离了由地基13引入的干扰，有效地减小了在给定输入电磁作用力下输出的加速度量值。同时，通过设计振动发生装置磁路气隙磁场的磁感应强度B和磁场中线圈9导体长度L，即可在输入电流I时，根据安培力计算公式F＝BIL，产生激励力F，进而获得到微g量级(10^-6g)的振动输出，本发明可实现微加速度振动的输出。

本发明的有益效果是:将运动输出部件及其内部的作用力发生部通过吊装弹簧悬挂于吊装支架上，利用吊装弹簧隔离外界振动，使激振组件不受外界干扰振动的影响，同时通过动质量块与运动输出部的质量设计以及支撑弹簧的设置使得装置能够提供微加速度震源,结构简单实用,操作方便。

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 (5)

1.一种电磁驱动式微加速度振动装置，包括驱动线圈，磁路系统和弹性支撑系统；驱动线圈由线圈骨架和线圈组成，线圈固定于线圈骨架上；磁路系统包含磁轭和磁钢，线圈位于由磁钢和磁轭形成气隙磁场中；其特征在于：磁钢与内磁轭轴向固定，外磁轭呈环形将内磁轭和磁钢围绕在其内，线圈位于内磁轭与外磁轭之间，磁钢、内磁轭和外磁轭同轴，线圈位于内磁轭和外磁轭之间；内磁轭上固定支撑弹簧，支撑弹簧托持动质量块，动质量块与线圈骨架固定；内磁轭、外磁轭、磁钢、驱动线圈和动质量块设置于外壳内，外壳包含上端封闭、下端开口的筒体和和封闭筒体下端开口的底盖，磁钢与底盖固定，外壳的顶面作为放置被校准传感器的工作台面，底盖、磁钢、内磁轭和外磁轭形成闭合磁路；外壳通过吊装弹簧悬挂于吊装支架上，吊装弹簧的刚度远小于支撑弹簧的刚度，吊装支架固定于基础，工作台面与基础平行。

2.如权利要求1所述的电磁驱动式微加速度振动装置，其特征在于：吊装支架包括与基础垂直的纵向支撑和与基础平行的水平支撑，纵向支撑与水平支撑固定连接，吊装弹簧将外壳挂于水平支撑；吊装弹簧由数根组成，吊装弹簧一端均匀连接于筒体顶面，另一端均匀连接于水平支撑。

3.如权利要求2所述的电磁驱动式微加速度振动装置，其特征在于：外磁轭呈圆柱环形的骨架，外磁轭的侧壁与筒体固定连接，外磁轭与底盖固定连接，同时底盖与筒体固定连接。

4.如权利要求3所述的电磁驱动式微加速度振动装置，其特征在于：筒体上开设有引线孔，引线孔高出外磁轭。

5.如权利要求4所述的电磁驱动式微加速度振动装置，其特征在于：支撑弹簧由数根弹簧组成，支撑弹簧均匀分布于内磁轭的顶面及动质量块下底面之间。