CN114552934A - 一种电磁控制式高频疲劳测试机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电磁控制式高频疲劳测试机，包括往复式直线高频驱动单元和测试机机架；所述往复式直线高频驱动单元包括第一端部永磁铁、第二端部永磁铁、中间永磁铁、第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈、第一电磁铁磁芯及第二电磁铁磁芯；所述第一线圈与第二线圈上下依次设置并且插入所述第一电磁铁磁芯的极头组成第一电磁铁组合，所述第三线圈与第四线圈上下依次设置并且插入所述第二电磁铁磁芯的极头组成第二电磁铁组合；所述第一端部永磁铁、第二端部永磁铁及中间永磁铁上下依次设置；所述第一电磁铁组合与所述第二电磁铁组合分别设置于所述中间永磁铁的两侧；应用本技术方案可实现大力值的高频疲劳测试。
Description
技术领域
本发明涉及直线电机领域，具体是指一种电磁控制式高频疲劳测试机。
背景技术
在现代的机械领域中，电机的驱动更多的还是采用旋转的方式，但是有很多特定的情况下，驱动端实际是需要控制直线运动，传统的电机要实现动直线运动，一般是通过滚珠丝杠等额外结构来将电机的旋转运动转换成直线运动，直线运动的速度无法避免的会受到电机转速与滚珠丝杠导程的限制，其次由于滚珠丝杠存在轴向的间隙与摩擦力大的特点，所以在当其应用在往复运动中时，会对直线运动的往复精度造成极大的影响，因此就极其地需要一种能够实现高精度且易于控制能实现直线运动的电机。
传统直线电机的工作原理相当于把旋转电机展开，该类型电机广泛应用于大行程的自动化设备，但是其难以实现高频响的往复运动；电缸虽可实现往复运动，但是其运动频率一般会超过10Hz(与负载相关)；音圈电机是另一类能够产生高频响直线往复运动的执行机构，但是由于其本身动子质量大，工作中惯性力大，因此在需要较大输出力的情况下，其体积庞大，工艺复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁控制式高频疲劳测试机，实现大力值的高频疲劳测试。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电磁控制式高频疲劳测试机，包括往复式直线高频驱动单元和测试机机架；所述往复式直线高频驱动单元包括第一端部永磁铁、第二端部永磁铁、中间永磁铁、第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈、第一电磁铁磁芯及第二电磁铁磁芯；所述第一线圈与第二线圈上下依次设置并且插入所述第一电磁铁磁芯的极头组成第一电磁铁组合，所述第三线圈与第四线圈上下依次设置并且插入所述第二电磁铁磁芯的极头组成第二电磁铁组合；所述第一端部永磁铁、第二端部永磁铁及中间永磁铁上下依次设置；所述第一电磁铁组合与所述第二电磁铁组合分别设置于所述中间永磁铁的两侧；
还包括第一电磁铁固定块及第二电磁铁固定块；所述第一电磁铁固定块用于固定第一电磁铁磁芯背向所述第一线圈及第二线圈的一面，所述第二电磁铁固定块用于固定第二电磁铁磁芯背向所述第三线圈及第四线圈的一面；
还包括第一散热组件及第二散热组件；所述第一散热组件设置于所述第一电磁铁固定块背向所述第一电磁铁磁芯的一面，所述第二散热组件设置于所述第二电磁铁固定块背向所述第二电磁铁铁芯的一面；
所述测试机机架包括第一丝杆组合、第二丝杆组合、基座、电机升降座、升降电机、升降横梁及滑轮组；第一丝杆组合及第二丝杆组合对称地设置在基座的两侧，并通过升降电机座将升降电机装在基座的下底面中心，然后将滑轮组套在第一丝杆组合及第二丝杆组合和升降电机的轴端；所述第一丝杆组合、第二丝杆组合固定连接所述往复式直线高频驱动单元；
通过第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈串联方式的组合形成电磁铁中相邻两个极头的极性相反。
在一较佳的实施例中，还包括框架；所述框架包括第一侧板、第二侧板、第一底板及第二底板；第一侧板及第二侧板设置于所述第一电磁铁组合及第二电磁铁组合的两侧，所述第一底板及第二底板设置于所述第一电磁铁组合及第二电磁铁组合的上下两端；所述第一散热组件及第二散热组件设置于所述框架的前后两端。
在一较佳的实施例中，还包括第一光电式限位开关、第二光电式限位开关及限位开关固定片；所述第一光电式限位开关、第二光电式限位开关及限位开关固定片设置于所述第一侧板上。
在一较佳的实施例中，还包括永磁铁保持架，所述永磁铁保持架设置有容纳槽，用于放置所述第一端部永磁铁、第二端部永磁铁及中间永磁铁。
在一较佳的实施例中，还包括上端U型回弹片及下端U型回弹片；所述上端U型回弹片及下端U型回弹片分别固定连接所述框架的上下两端；
所述上端U型回弹片的两侧分别通过第一回弹片固定块及第二回弹片固定块连接所述第一底板，所述下端U型回弹片的两侧分别通过第三回弹片固定块及第四回弹片固定块固定连接所述第二底板。
在一较佳的实施例中，还包括输出杆，所述输出杆固定连接所述下端U型回弹片。
在一较佳的实施例中，还包括多个底座；所述底座的一端均匀地固定连接所述下端U型回弹片，所述底座的另一端置于所述升降横梁上。
在一较佳的实施例中，其中的一个底座上设置有光栅尺固定座，所述光栅尺固定座上设置有敞开式光栅尺。
在一较佳的实施例中，所述第一丝杆组合包括第一丝杆、第一导柱及第一端盖，所述第二丝杆组合包括第二丝杆、第二导柱及第二端盖；所述第一丝杆及第二丝杆分别固定连接所述升降横梁的两侧；所述第一导柱及第二导柱分别穿过所述升降横梁上设置的通孔与所述升降横梁滑动连接；所述第一端盖固定连接所述第一丝杆及第一导柱的上端，所述第二端盖固定连接所述第二丝杆及第二导柱的上端。
在一较佳的实施例中，所述第一散热组件包括第一散热器及第一散热风扇，所述第二散热组件包括第二散热器及第二散热风扇。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明提供了一种基于安培力驱动的电磁控制式高频疲劳测试机，包括往复式直线高频驱动单元及测试机机架；所述往复式直线高频驱动单元包括电磁线圈、铁芯、永磁铁组合、输出杆、敞开式光栅尺、散热组件，安装在机架上；所述线圈通电后在永磁铁组合作用下产生安培力，永磁铁组合在U型回弹片的约束下形成上下运动，通过输出杆传递到测试样件上。通过改变通入电流的大小和方向改变输出力的大小和方向，从而实现永磁铁组合的高频往复运动。通过光栅尺或力传感器测量得到的信号，实现疲劳测试机的位移或者输出力控制。驱动所述永磁铁组合及输出杆产生往复运动；本发明具有驱动单元惯量小，能够组合叠加，结构紧凑，输出力与输入电流线性度高，无摩擦，噪音小等特点，能够实现大力值的高频疲劳测试。
1、利用电磁铁与永磁铁之间的安培力作为驱动力，是一种无接触式驱动，配合空气轴承实现导向对中作用，减少高频运动过程中的摩擦，降低能量损耗和噪音。
2、运动方式选用定子为质量大的电磁铁，动子为质量小的永磁铁，运动部件质量小，有效减小高频运动时的惯性力，可以实现高频运动。
3、使用双(多)极头的电磁铁磁芯，结构紧凑，可以成倍增大往复式直线高频驱动单元的有效输出力，具有可叠加的功能，可实现大力值的。
4、在动子两侧安装U型回弹片，在实现对中、防偏转、保持中立位作用的同时，回弹片的回弹刚度还起到补偿惯性力的作用，有利于辅助实现高频运动。
附图说明
图1为本发明优选实施例中往复式直线高频驱动单元结构爆炸图；
图2为本发明优选实施例中本发明的整体结构示意图；
图3为本发明优选实施例中本发明的整体结构正面示意图；
图4为本发明优选实施例中本发明的整体结构侧面示意图；
图5为本发明优选实施例中往复式直线高频驱动单元向上运动驱动原理图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种电磁控制式高频疲劳测试机，参考图1至5，包括往复式直线高频驱动单元和测试机机架；所述往复式直线高频驱动单元包括第一端部永磁铁11、第二端部永磁铁12、中间永磁铁2、第一线圈131、第二线圈132、第三线圈133、第四线圈134、第一电磁铁磁芯121及第二电磁铁磁芯122；所述第一线圈131与第二线圈132上下依次设置并且插入所述第一电磁铁磁芯121的极头组成第一电磁铁组合，所述第三线圈133与第四线圈134上下依次设置并且插入所述第二电磁铁磁芯122的极头组成第二电磁铁组合；所述第一端部永磁铁11、第二端部永磁铁12及中间永磁铁2上下依次设置；所述第一电磁铁组合与所述第二电磁铁组合分别设置于所述中间永磁铁2的两侧；
还包括第一电磁铁固定块111及第二电磁铁固定块112；所述第一电磁铁固定块111用于固定第一电磁铁磁芯121背向所述第一线圈131及第二线圈132的一面，所述第二电磁铁固定块112用于固定第二电磁铁磁芯122背向所述第三线圈133及第四线圈134的一面；
还包括第一散热组件及第二散热组件；所述第一散热组件设置于所述第一电磁铁固定块111背向所述第一电磁铁磁芯121的一面，所述第二散热组件设置于所述第二电磁铁固定块112背向所述第二电磁铁铁芯的一面；
所述测试机机架包括第一丝杆组合、第二丝杆组合、基座20、升降电机座27、升降电机27、升降横梁22及滑轮组28；第一丝杆组合及第二丝杆组合对称地设置在基座20的两侧，并通过升降电机座27将升降电机27装在基座20的下底面中心，然后将滑轮组28套在第一丝杆组合及第二丝杆组合和升降电机27的轴端；所述第一丝杆组合、第二丝杆组合固定连接所述往复式直线高频驱动单元；所述升降横梁22的底部设置有空气轴承21。
具体来说，还包括输出杆17，所述输出杆17通过固定块8固定连接所述下端U型回弹片92。
通过第一线圈131、第二线圈132、第三线圈133、第四线圈134串联方式的组合形成电磁铁中相邻两个极头的极性相反。
具体来说，还包括框架；所述框架包括第一侧板51、第二侧板52、第一底板71及第二底板72；第一侧板51及第二侧板52设置于所述第一电磁铁组合及第二电磁铁组合的两侧，所述第一底板71及第二底板72设置于所述第一电磁铁组合及第二电磁铁组合的上下两端；所述第一散热组件及第二散热组件设置于所述框架的前后两端。
具体来说，还包括2个光电式限位开关15及限位开关固定片14；所述第一光电式限位开关、第二光电式限位开关及限位开关固定片设置于所述第一侧板51上。
具体来说，还包括永磁铁保持架6，所述永磁铁保持架6设置有容纳槽，用于放置所述第一端部永磁铁11、第二端部永磁铁12及中间永磁铁2。
具体来说，还包括上端U型回弹片91及下端U型回弹片92；所述上端U型回弹片91及下端U型回弹片92分别固定连接所述框架的上下两端；
所述上端U型回弹片91的两侧分别通过第一回弹片固定块10及第二回弹片固定块连接所述第一底板71，所述下端U型回弹片92的两侧分别通过第三回弹片固定块及第四回弹片固定块固定连接所述第二底板72。
具体来说，还包括多个底座16；所述底座16的一端均匀地固定连接所述下端U型回弹片92，所述底座16的另一端置于所述升降横梁22上。
具体来说，其中的一个底座16上设置有光栅尺固定座19，所述光栅尺固定座19输出杆17上设置有敞开式光栅尺18。
具体来说，所述第一丝杆组合包括第一丝杆241、第一导柱251及第一端盖231，所述第二丝杆组合包括第二丝杆242、第二导柱252及第二端盖232；所述第一丝杆241及第二丝杆242分别固定连接所述升降横梁22的两侧；所述第一导柱251及第二导柱252分别穿过所述升降横梁22上设置的通孔与所述升降横梁22滑动连接；所述第一端盖231固定连接所述第一丝杆241及第一导柱251的上端，所述第二端盖232固定连接所述第二丝杆242及第二导柱252的上端。
具体来说，所述第一散热组件包括第一散热器31及第一散热风扇41，所述第二散热组件包括第二散热器32及第二散热风扇42。
本发明的具体工作原理如下：
如图5所示，通过第一线圈131、第二线圈132、第三线圈133及第四线圈134串联方式的组合形成电磁铁中相邻两个极头的极性相反，以左上角磁极为例，当电流输入状态使得左上角磁极产生N极磁场时，此时中间永磁铁2左侧的磁性为S极，端部永磁铁的左侧为极，因此在左上角磁极与永磁铁间的磁场相互作用产生向上的安培力。同理其余三个极头与永磁铁间的磁场相互作用力均产生向上的安培力。同时左右两侧的侧向安培力在左右两侧极头与永磁铁间的相互作用中抵消，最终，整体的安培力向上，并驱使永磁铁向上运动。当线圈通入反向电流时，产生如图5所示的相反的磁场分布，产生向下的安培力，并驱使永磁铁向下运动。
本发明的具体控制过程如下：
通过调整电流的大小调整输出力/位移的大小，调整输入电流的方向调整输出力/位移的方向。由于电磁铁磁芯的每个极头正对的永磁铁有效面积恒定不变，电磁铁与永磁铁之间相互作用的安培力仅取决于电磁铁所产生的磁场大小，因此输入电流与输出力、位移成线性关系，永磁铁的位移/输出力可以跟随着输入电流的波形变化而变化，从而控制输出杆17产生高频可控的输出信号。
本发明提供了一种基于安培力驱动的电磁控制式高频疲劳测试机，包括往复式直线高频驱动单元及测试机机架；所述往复式直线高频驱动单元包括电磁线圈、铁芯、永磁铁组合、输出杆17、敞开式光栅尺18、散热组件，安装在机架上；所述线圈通电后在永磁铁组合作用下产生安培力，永磁铁组合在U型回弹片的约束下形成上下运动，通过输出杆17传递到测试样件上。通过改变通入电流的大小和方向改变输出力的大小和方向，从而实现永磁铁组合的高频往复运动。通过光栅尺或力传感器测量得到的信号，实现疲劳测试机的位移或者输出力控制。驱动所述永磁铁组合及输出杆17产生往复运动；本发明具有驱动单元惯量小，能够组合叠加，结构紧凑，输出力与输入电流线性度高，无摩擦，噪音小等特点，能够实现大力值的高频疲劳测试。
利用电磁铁与永磁铁之间的安培力作为驱动力，是一种无接触式驱动，配合空气轴承实现导向对中作用，减少高频运动过程中的摩擦，降低能量损耗和噪音。运动方式选用定子为质量大的电磁铁，动子为质量小的永磁铁，运动部件质量小，有效减小高频运动时的惯性力，可以实现高频运动。使用双(多)极头的电磁铁磁芯，结构紧凑，可以成倍增大往复式直线高频驱动单元的有效输出力，具有可叠加的功能，可实现大力值的。在动子两侧安装U型回弹片，在实现对中、防偏转、保持中立位作用的同时，回弹片的回弹刚度还起到补偿惯性力的作用，有利于辅助实现高频运动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种电磁控制式高频疲劳测试机，其特征在于包括往复式直线高频驱动单元和测试机机架；所述往复式直线高频驱动单元包括第一端部永磁铁、第二端部永磁铁、中间永磁铁、第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈、第一电磁铁磁芯及第二电磁铁磁芯；所述第一线圈与第二线圈上下依次设置并且插入所述第一电磁铁磁芯的极头组成第一电磁铁组合，所述第三线圈与第四线圈上下依次设置并且插入所述第二电磁铁磁芯的极头组成第二电磁铁组合；所述第一端部永磁铁、第二端部永磁铁及中间永磁铁上下依次设置；所述第一电磁铁组合与所述第二电磁铁组合分别设置于所述中间永磁铁的两侧；
还包括第一电磁铁固定块及第二电磁铁固定块；所述第一电磁铁固定块用于固定第一电磁铁磁芯背向所述第一线圈及第二线圈的一面，所述第二电磁铁固定块用于固定第二电磁铁磁芯背向所述第三线圈及第四线圈的一面；
还包括第一散热组件及第二散热组件；所述第一散热组件设置于所述第一电磁铁固定块背向所述第一电磁铁磁芯的一面，所述第二散热组件设置于所述第二电磁铁固定块背向所述第二电磁铁铁芯的一面；
所述测试机机架包括第一丝杆组合、第二丝杆组合、基座、电机升降座、升降电机、升降横梁及滑轮组；第一丝杆组合及第二丝杆组合对称地设置在基座的两侧，并通过升降电机座将升降电机装在基座的下底面中心，然后将滑轮组套在第一丝杆组合及第二丝杆组合和升降电机的轴端；所述第一丝杆组合、第二丝杆组合固定连接所述往复式直线高频驱动单元；
通过第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈串联方式的组合形成电磁铁中相邻两个极头的极性相反。
2.根据权利要求1所述的一种电磁控制式高频疲劳测试机，其特征在于，还包括框架；所述框架包括第一侧板、第二侧板、第一底板及第二底板；第一侧板及第二侧板设置于所述第一电磁铁组合及第二电磁铁组合的两侧，所述第一底板及第二底板设置于所述第一电磁铁组合及第二电磁铁组合的上下两端；所述第一散热组件及第二散热组件设置于所述框架的前后两端。
3.根据权利要求2所述的一种电磁控制式高频疲劳测试机，其特征在于，还包括第一光电式限位开关、第二光电式限位开关及限位开关固定片；所述第一光电式限位开关、第二光电式限位开关及限位开关固定片设置于所述第一侧板上。
4.根据权利要求1所述的一种电磁控制式高频疲劳测试机，其特征在于，还包括永磁铁保持架，所述永磁铁保持架设置有容纳槽，用于放置所述第一端部永磁铁、第二端部永磁铁及中间永磁铁。
5.根据权利要求3所述的一种电磁控制式高频疲劳测试机，其特征在于，还包括上端U型回弹片及下端U型回弹片；所述上端U型回弹片及下端U型回弹片分别固定连接所述框架的上下两端；
所述上端U型回弹片的两侧分别通过第一回弹片固定块及第二回弹片固定块连接所述第一底板，所述下端U型回弹片的两侧分别通过第三回弹片固定块及第四回弹片固定块固定连接所述第二底板。
6.根据权利要求5所述的一种电磁控制式高频疲劳测试机，其特征在于，还包括输出杆，所述输出杆固定连接所述下端U型回弹片。
7.根据权利要求6所述的一种电磁控制式高频疲劳测试机，其特征在于，还包括多个底座；所述底座的一端均匀地固定连接所述下端U型回弹片，所述底座的另一端置于所述升降横梁上。
8.根据权利要求7所述的一种电磁控制式高频疲劳测试机，其特征在于，其中的一个底座上设置有光栅尺固定座，所述光栅尺固定座上设置有敞开式光栅尺。
9.根据权利要求1所述的一种电磁控制式高频疲劳测试机，其特征在于，所述第一丝杆组合包括第一丝杆、第一导柱及第一端盖，所述第二丝杆组合包括第二丝杆、第二导柱及第二端盖；所述第一丝杆及第二丝杆分别固定连接所述升降横梁的两侧；所述第一导柱及第二导柱分别穿过所述升降横梁上设置的通孔与所述升降横梁滑动连接；所述第一端盖固定连接所述第一丝杆及第一导柱的上端，所述第二端盖固定连接所述第二丝杆及第二导柱的上端。
10.根据权利要求1所述的一种电磁控制式高频疲劳测试机，其特征在于，所述第一散热组件包括第一散热器及第一散热风扇，所述第二散热组件包括第二散热器及第二散热风扇。
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2021
- 2021-10-27 CN CN202111254975.3A patent/CN114552934A/zh active Pending
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