CN113258743A - 非接触式电磁激振器 - Google Patents

Abstract

非接触式电磁激振器，属于电磁激振器。它包括直线轴承、过盈配合套装在直线轴承上的内部定子、设置在直线轴承内部并可以沿直线轴承做轴向运动的轴承导杆、间隙套装在内部定子外侧并固结在轴承导杆上端的激振器动子、套装在激振器动子外侧并与内部定子固定的激振器外壳，所述内部定子、激振器动子、激振器外壳、直线轴承、轴承导杆同轴设置，所述直线轴承用于保证激振器动子始终沿激振器外壳的轴向运动。本发明采用直线轴承限位，取消了传统电磁激振器中的板簧元件，可以有效消除板簧刚度对被激振结构固有特性的影响，提高实验精度，同时也避免了激振本体可能发生的低频共振。

Description

非接触式电磁激振器

技术领域

本发明属于电磁激振器，特别是涉及一种用于结构振动模态实验等领域的非接触式电磁激振器。

背景技术

电磁激振器是安装在某些机械设备上用以产生激振力的装置，是机械振动领域的重要工具。工业界和学术界普遍采用的传统电磁激振器一般由定子永磁体、动线圈绕筒、激振器外壳、连接杆和板簧片组成。

电磁激振器的基本原理为：永磁体位于激振器外壳中心，在二者之间的空腔内会形成均匀磁场，动线圈绕筒位于空腔内部，通过板簧与激振器外壳相连接，激振器顶杆下端固定于动线圈绕筒的上部中心，顶杆上端与被激振结构固连。正常工作时，将变化的电流通入动线圈，动线圈绕筒受到变化的电磁激励力作用带动顶杆作往复运动，进而对被激振物体产生激励力。现有技术在实际工程中已广泛使用，但存在如下缺陷：

(1)激振器内部板簧会给整个被激振系统引入附加刚度，改变被激振系统的固有特性，影响模态实验结果。当结构刚度较低时，激振器带来的附加刚度变化会使得被激振系统的固有频率产生较大偏离。同时，板簧的存在会限制激振器的激振带宽，激振器动子与板簧组成的单自由度系统可能会在较低激振频率下发生共振现象。

(2)传统电磁激振器由于只通过板簧进行限位。电磁激振器工作时，受控对象的振动反过来会作用于激振器本身，并且结构的振动幅度越大影响越明显。当激振力较大且受控对象运动复杂时(如被激振件受多个不同方向激振时，除了存在激振方向上的响应外，还存在其它方向的响应)会引起线圈绕筒的摇摆运动，使线圈绕筒与激振器外壳之间产生磕碰摩擦现象。磕碰摩擦不仅直接影响激振器的工作性能，严重时还会导致绕筒和线圈的磨损，甚至造成线圈短路烧毁。

(3)传统小型激振器内部定子和动子线圈多为单组结构，产生的最大激振力较小。如果增大动子线圈质量，又会对被激振结构产生较强的附加质量作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式电磁激振器，用于解决上述现有技术存在的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种非接触式电磁激振器，包括直线轴承、过盈配合套装在直线轴承上的内部定子、设置在直线轴承内部并可以沿直线轴承做轴向运动的轴承导杆、间隙套装在内部定子外侧并固结在轴承导杆上端的激振器动子、套装在激振器动子外侧并与内部定子固定的激振器外壳，所述内部定子、激振器动子、激振器外壳、直线轴承、轴承导杆同轴设置，所述直线轴承用于保证激振器动子始终沿激振器外壳的轴向运动。

本发明的有益效果在于：

1.本发明取消了传统电磁激振器中的板簧元件，可以有效消除板簧刚度对被激振结构固有特性的影响，提高实验精度，同时也避免了激振本体可能发生的低频共振。

2.本发明通过直线轴承限位，可以保证绕筒始终沿激振器的轴向运动，大大增强了系统的可靠性。并且该设计能够有效的控制动子与激振器外壳的间距，减小漏磁。

3.本发明轴承导杆末段设置限位销，确保激振器始终在其有效行程范围内工作。

4.本发明动子线圈位于激振器外壳与内部定子之间，动子线圈采用上下两组线圈，内部定子由圆柱形钕铁硼永磁铁和软铁依次层叠，从上至下为软铁-永磁铁-软铁-永磁铁，位于激振器中心，形成双层永磁铁结构。通过Maxwell电磁场分析软件合理设计了永磁铁、软铁和线圈的尺寸，能够有效提高非接触式电磁激振器的最大激振力。同时经过优化设计以及采用铝合金材料，动子线圈质量变小，对结构的附加质量作用降低。

附图说明

图1是本发明主视剖视图；

图2是本发明磁路图；

图3是本发明的直线轴承与限位销剖视图；

其中：1、软铁；2、转接头；3、永磁铁；4、直线轴承；5、激振器外壳；6、绕筒；7、线圈；8、限位销；9、轴承导杆；10、连接杆；11、螺孔；12、导热片；13、固定支架；14、螺栓；15、接线头；16、螺栓螺孔结构。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图1～3，对本发明做进一步详细的描述。

本发明的非接触式电磁激振器外形为圆筒状并配有固定支架13，内部采用双线圈7和双层永磁铁3。

非接触式电磁激振器，包括直线轴承4、过盈配合套装在直线轴承4上的内部定子、设置在直线轴承4内部并可以沿直线轴承4做轴向运动的轴承导杆9、间隙套装在内部定子外侧并固结在轴承导杆9上端的激振器动子、套装在激振器动子外侧并与内部定子固定的激振器外壳5，所述内部定子、激振器动子、激振器外壳5、直线轴承4、轴承导杆9同轴设置，所述直线轴承4用于保证激振器动子始终沿激振器外壳5的轴向运动。

本发明在轴承导杆9末段设置限位销8，确保激振器始终在其有效行程范围内工作，如果电流过大，限位销8将碰撞激振器的内部定子发出哒哒的响声，如图3所示。限位销8与直线轴承4组合使用既可以限制激振器动子周向运动又可以限制其轴向运动，保证激振器动子始终在有效行程内运动。

具体为：轴承导杆9为空心杆，限位销8上端插入轴承导杆9内，限位销8下端向外括径设置使其外端能够越过轴承导杆9抵触在直线轴承4上，从而实现轴承导杆9的限位。

内部定子由永磁铁3和软铁1依次层叠，从上至下为软铁1-永磁铁3-软铁1-永磁铁3，位于激振器中心，形成双层永磁铁结构。其中，永磁铁3和软铁1均为圆柱形状，永磁铁3的直径大于永磁铁3的高度。如此设计，磁感线经由软铁1的磁轭为闭合回路，并在环形间隙处形成均匀的放射性磁场，如图2所示。

当选择软铁1直径为80mm，厚度5mm，永磁铁3直径50mm，永磁铁3上部高度42.8mm，永磁铁3下部高度21.4mm，两个线圈7高度25.8mm，气隙宽度10mm时，单位电流所产生的激振器推力为41.683N。

永磁铁3为圆柱形钕铁硼永磁铁，具有超强的磁性能。

本发明的激振器外壳5由高磁导率的导磁钢组成，能够约束磁感线的分布，防止磁感线的扩散，如图1所示。其中两永磁铁3的相邻磁极保持相同(同为S极和N极)，以保证整个系统回路中的磁感线方向如图2中箭头所示或者刚好相反。

本发明为了进一步提高电磁激振器的激振力，绕筒6采用了上下两组线圈7布置。并且在两组线圈7的中部设置多层导热片12进行散热，防止线圈7过热融化短路。

绕筒6为铝合金材料，可以减轻系统附加质量。绕筒6和线圈7在本发明中合称激振器动子。激振器动子采用双层线圈7布置，可以增强磁场强度，两层线圈7之间为多片导热片12与绕筒6固连，增强散热能力。绕筒6上部设置有接线头15，外部电路可以在此接入。

本发明内部的永磁铁3和软铁1过盈配合在中心的直线轴承4上，绕筒6与中心直线轴承导杆9固连。其中直线轴承4起到了限位功能，可以保证激振器工作时，激振器动子始终沿激振器的轴向运动，避免了激振器在工作过程中绕筒6与激振器外壳5之间的摩擦与碰撞。并且该设计能够有效的控制绕筒6与激振器外壳5的间距，减小漏磁。

本发明中直线轴承4为金属直线轴承，直线轴承4与轴承导杆9之间是点接触，摩擦力可忽略不计。轴承导杆9在直线轴承4内轴向运动，带动与轴承导杆9固连的绕筒6一起运动，保证了激振器动子始终在激振器的轴向激振。因为直线轴承4的存在，本发明中没有金属板簧结构，使用时需要调整动子位于平衡位置。

本发明取消了传统电磁激振器中的板簧元件，在定子中心安装直线轴承4进行限位，使用时需要将绕筒6调至平衡位置，该设计可以有效消除板簧刚度对被激振结构固有特性的影响，同时扩大了激振带宽。

本发明中绕筒6上部的转接头2可以根据连接杆10直径需求更换接口尺寸。

本发明为激振器设计了固定支架13，激振器外壳5通过螺栓螺孔结构16与固定支架13相连接，激振器主体结构可以绕固定支架13上的螺栓螺孔结构16旋转，改变连接杆10指向，从而改变激振方向。激振器外壳底部有螺孔11可以通过螺栓将整个激振器固定于基座。

本发明可用于结构振动控制相关实验。与力传感器、控制器、功率放大器等构成反馈电路。设备工作时，将力传感器安装于激振器的连接杆10上，力传感器将采集激振器出力信号经由电荷放大器转换成电压信号传输给控制器的AD输入端。该反馈信号经过控制器中的状态观测环节得到实际系统状态的估计值并与补偿矩阵相乘，得到控制信号，由DA输出端输出到功率放大器，并最终输出到非接触式电磁激振器，使非接触式电磁激振器在不改变被激振物体固有特性的基础上，输出高精度的激振力。

本发明为小型激振器，永磁体位于激振器中心，激振器动子的线圈7位于内部定子与激振器外壳5之间，主要用于结构模态实验。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种非接触式电磁激振器，其特征在于：包括直线轴承(4)、过盈配合套装在直线轴承(4)上的内部定子、设置在直线轴承(4)内部并可以沿直线轴承(4)做轴向运动的轴承导杆(9)、间隙套装在内部定子外侧并固结在轴承导杆(9)上端的激振器动子、套装在激振器动子外侧并与内部定子固定的激振器外壳(5)，所述内部定子、激振器动子、激振器外壳(5)、直线轴承(4)、轴承导杆(9)同轴设置，所述直线轴承(4)用于保证激振器动子始终沿激振器外壳(5)的轴向运动。

2.根据权利要求1所述的非接触式电磁激振器，其特征在于：所述轴承导杆(9)下端设有用于控制其行程的限位销(8)。

3.根据权利要求1或2所述的非接触式电磁激振器，其特征在于：所述内部定子由圆柱形钕铁硼的永磁铁(3)和软铁(1)依次层叠，从上至下为软铁(1)-永磁铁(3)-软铁(1)-永磁铁(3)，形成双层永磁铁结构，其中，永磁铁(3)和软铁(1)均为圆柱形状，永磁铁(3)的直径大于永磁铁(3)的高度。

4.根据权利要求3所述的非接触式电磁激振器，其特征在于：所述激振器外壳(5)由高磁导率的导磁钢组成，能够约束磁感线的分布，防止磁感线的扩散。

5.根据权利要求4所述的非接触式电磁激振器，其特征在于：两所述永磁铁(3)的相邻磁极保持相同。

6.根据权利要求1所述的非接触式电磁激振器，其特征在于：所述激振器动子由绕筒(6)和线圈(7)组成，绕筒(6)设有双层线圈(7)，且两层线圈(7)之间设置多层导热片(12)进行散热，多层导热片(12)与绕筒(6)固连，绕筒(6)与轴承导杆(9)上端固结。

7.根据权利要求6所述的非接触式电磁激振器，其特征在于：所述绕筒(6)上部设置有接线头(15)，外部电路可以在此接入。

8.根据权利要求7所述的非接触式电磁激振器，其特征在于：所述绕筒(6)通过螺栓(14)与转接头(2)连接，转接头(2)与连接杆(10)螺纹连接。

9.根据权利要求1所述的非接触式电磁激振器，其特征在于：所述激振器外壳(5)通过螺栓螺孔结构(16)与固定支架(13)相连接，固定支架(13)底部有螺孔(11)可以通过螺栓将整个激振器固定于基座。

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