CN115424802A - 导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器 - Google Patents

Abstract

导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器属于振动计量技术领域，由电磁驱动器和运动组件构成；所述电磁驱动器由圆柱形永磁体、圆筒形长磁轭、圆桶形端磁轭、圆柱形中心磁轭和圆筒形非导磁材料框构成，它们的轴线在一条直线上；所述运动组件由骨架、激励线圈、翅板构成，在骨架上设有气室、进气孔和排气孔，运动组件上的骨架可将运动组件整体轴向滑动地套装在电磁驱动器的圆柱形中心磁轭上，在骨架与圆柱形中心磁轭之间采用气浮导轨结构。本发明完成了精密导向与驱动一体化的电磁执行器，实现了高精度装配和电磁执行器的小型化，提升了电磁执行器的运动精度和负载能力。

Description

导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器

技术领域

本发明属于振动计量技术领域，主要涉及一种导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器。

背景技术

空间微重力隔振装置、大型/超大型气浮隔振平台中采用加速度计测量低频振动信号，超低频标准振动台是零频加速度计校准系统的核心设备。传统的电磁执行器中电磁驱动器和导向机构是分离的，其中电磁驱动器包括永磁体、磁轭、骨架和激励线圈，永磁体通过磁轭在气隙中产生均匀分布的磁力线，激励线圈缠绕于骨架并垂直磁力线放置于气隙中，根据安培力原理，通入激励线圈可控电流即可获得可控的电磁驱动力；导向机构包括滑块和导轨，滑块与骨架刚性连接，导轨沿运动方向固定安装在振动台基座上。为保证低频/超低频振动信号具有高信噪比，电磁振动台应具有大行程，在装配过程中，激励线圈运动方向与导轨之间、导轨与导轨之间的微小夹角，将被大行程放大为较大的不平行度，会增大激励线圈横向振动比，并加大输出波形失真度；为保证电磁振动振动台具有足够大的负载能力，运动组件质量应尽可能小，而导向机构的运动部分与运动组件连接，会增大运动组件质量，导致电磁执行器负载能力的衰减。所以通过简单、可靠的方法实现大行程电磁执行器的高装配精度和大负载能力是提高其性能的重要因素。

哈尔滨工业大学的谭久彬等提出了一种磁场跟踪补偿的双磁路两端对称励磁圆柱形低频振动校准台技术方案(1.哈尔滨工业大学，“磁场跟踪补偿的双磁路两端对称励磁圆柱形低频振动校准台”，中国专利号：ZL201510236281.5)。该技术方案中，两圆柱形永磁体对称安装在中心磁轭两端且同磁极相对布置，通过磁轭构成两个对称的闭合磁路，在气隙中产生高均匀度的磁感应强度分布，与气隙相邻的磁轭表面设有深沟槽形式的阵列式微结构，可有效抑制涡流损耗，中心磁轭上设有补偿线圈，形成补偿磁场对电枢反应的影响进行同步跟踪补偿，并采用静压气浮导向技术确保运动导向精度，能够实现较大的推力、较大的行程和较低的波形失真度指标，是具有超大行程、超低工作频率和超高精度的振动校准台技术方案之一。

浙江大学的沈润杰等提出了一种大行程电磁振动台技术方案(1.浙江大学，“一种电磁振动台”，中国专利号：ZL200820087256.0)。该技术方案中，静压气浮导轨由导轨和滑板构成，滑板通过线圈骨架的耳板与线圈骨架固接，滑板设有凸肩，两条导轨为框状，凸肩可滑动地设于导轨内形成无摩擦的支撑与导向结构。该技术方案采用双气浮导轨支撑导向结构，配合高精度装配，可实现高横向振动比和低波形失真度，是国内公开报道的具有自主知识产权和较高实用化程度的振动校准台技术方案之一。

德国联邦物理技术研究院(PTB)的HanS-J.von Martens等也提出了一种大行程振动校准台技术方案(1.Hans-J.von Martens，etal，“Traceability of Vibration andShock Measurements by Laser Interferometry”，Measurement，2000，28:3-20)。该技术方案采用的静压气浮导轨包括气浮板和气浮导轨，线圈骨架与气浮板固定连接，通过气浮导轨进行导向。采用该技术方案的大行程振动校准台的振幅较大，配合高精度装配，可实现较高水平的横向振动比、波形失真度等技术指标。

上述三种技术方案的主要特征是：(1)由于导向与驱动结构分离，要求装配过程中严格保证二者轴向平行地固定安装，装配难度大，精度难以保证，极易引入运动误差；(2)额外的导向机构增大了运动组件体积和质量，有碍于电磁执行器的小型化设计，并严重削弱其负载能力，而对常进行大型振动传感器校准的低频电磁振动台而言，负载能力尤为重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术方案存在的上述问题，提供一种导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器，本发明具有结构简单，易于装配、精度高，可兼顾精密导向、大行程、高磁场均匀性、大推力和线性电磁驱动力特性，可有效解决现有技术方案存在的问题与不足，从而为低频/超低频振动校准提供一种导向与驱动复合的高精度、大负载电磁执行器。

本发明的技术解决方案是：

一种导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器，由电磁驱动器和运动组件构成；所述电磁驱动器由圆柱形永磁体、圆筒形长磁轭、圆桶形端磁轭、圆柱形中心磁轭和圆筒形非导磁材料框构成，它们的轴线在一条直线上；所述中心磁轭两端各装配一个永磁体，且所述永磁体的内端面分别与相应的中心磁轭端面抵接；所述长磁轭套装在所述中心磁轭外侧，在所述长磁轭内壁面与中心磁轭之间设有圆筒形气隙，且在长磁轭筒壁相对部位上沿轴向分别设置条状通孔；两个圆桶形端磁轭分别套装在所述长磁轭两端，且所述端磁轭的内侧面抵接所述长磁轭的外侧面，所述端磁轭的内底面抵接所述永磁体的外端面；所述中心磁轭两端各套装一个圆筒形非导磁材料框，所述圆筒形非导磁材料框的外端面与圆桶形端磁轭的内底面可拆卸连接，所述非导磁材料框的内侧面抵接永磁体和中心磁轭的侧面，且非导磁材料框覆盖永磁体；所述运动组件由骨架、激励线圈、翅板装配构成；在所述骨架两端相对部位上设置翅板，在所述骨架内设置圆筒形腔式气室，在所述骨架两侧端面和内侧壁面上分别开设进气孔和排气孔，所述进气孔、排气孔分别与气室连通；所述激励线圈缠绕安装在骨架上，通入可控的驱动电流，以产生电磁驱动力；通过运动组件上的骨架将运动组件整体可轴向滑动地套装在电磁驱动器的圆柱形中心磁轭上，所述运动组件位于所述圆筒形气隙内，翅板可移动地插入配装在相对的条状通孔内。

所述骨架与圆柱形中心磁轭之间采用气浮导轨结构。

所述半圆筒形永磁体采用整块式永磁体或采用两块以上永磁体依次串连粘接构成。

所述运动组件的骨架采用陶瓷、或铝合金、或铍材料制作。

本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：

(1)本发明采用的永磁体两端中心励磁的磁路结构可在气隙中产生分布更加均匀的磁感应强度，适合对运动精度要求高的场合。由于永磁体在磁路结构内部，在工作台面产生的漏磁通小，对台面安装的传感器影响较小。使用轴向充磁的圆柱形永磁体，便于制造，生产成本低。

(2)本发明通过把中心磁轭加工成导向轴、把骨架制作为滑动机构，完成了导向与驱动的复合，获得了高装配精度，使电磁执行器的运动精度得到极大提高。运动组件作为滑动机构套装在中心磁轭构成的导向轴上，构成静压气浮导轨形式，实现了导向与驱动的复合，保证了运动组件与电磁驱动器的同轴度，达到了高装配精度，避免因装配误差而产生横向振动，有效提高电磁驱动波形精度。

(3)本发明提出的电磁执行器结构紧凑、负载能力强。导向与驱动一体的电磁执行器无需附加导向机构，使装置外尺寸小，便于设备的安装运输。小运动组件尺寸，在结构上实现了运动组件的轻量化，使电磁执行器的负载能力获得较大提高。

附图说明

图1是导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器的总体结构三维示意图；

图2是导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器的总体结构三维剖视图；

图3是永磁体磁极布置方式和磁路示意图；

图4是永磁体与中心磁轭的安装固定结构图；

图5是非导磁材料框结构图；

图6是运动组件与中心磁轭的装配结构三维示意图；

图7是图6的轴向剖面图；

图8是运动组件结构示意图；

图9是图8的轴向剖面示意图；

图中件号说明：1电磁驱动器、1.1永磁体、1.2长磁轭、1.3端磁轭、1.4中心磁轭、1.5通孔、1.6非导磁材料框、2运动组件、2.1骨架、2.2激励线圈、2.3进气孔、2.4气室、2.5排气孔、2.6翅板、3气隙、4第一路磁力线、5第二路磁力线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

一种导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器由电磁驱动器1和运动组件2构成；所述电磁驱动器1由圆柱形永磁体1.1、圆筒形长磁轭1.2、圆桶形端磁轭1.3、圆柱形中心磁轭1.4和圆筒形非导磁材料框1.6构成，它们的轴线在一条直线上；所述中心磁轭1.4两端各装配一个永磁体1.1，且所述永磁体1.1的内端面分别与相应的中心磁轭1.4端面抵接；所述长磁轭1.2套装在所述中心磁轭1.4外侧，在所述长磁轭1.2内壁面与中心磁轭1.4之间设有圆筒形气隙3，且在长磁轭1.2筒壁相对部位上沿轴向分别设置条状通孔1.5；两个圆桶形端磁轭1.3分别套装在所述长磁轭1.2两端，且所述端磁轭1.3的内侧面抵接所述长磁轭1.2的外侧面，所述端磁轭1.3的内底面抵接所述永磁体1.1的外端面；所述中心磁轭1.4两端各套装一个圆筒形非导磁材料框1.6，所述圆筒形非导磁材料框1.6的外端面与圆桶形端磁轭1.3的内底面可拆卸连接，所述非导磁材料框1.6的内侧面抵接永磁体1.1和中心磁轭1.4的侧面，且非导磁材料框1.6覆盖永磁体1.1；所述运动组件2由骨架2.1、激励线圈2.2、翅板2.6装配构成；在所述骨架2.1两端相对部位上设置翅板2.6，在所述骨架2.1内设置圆筒形腔式气室2.4，在所述骨架2.1两侧端面和内侧壁面上分别开设进气孔2.3和排气孔2.5，所述进气孔2.3、排气孔2.5分别与气室2.4连通；所述激励线圈2.2缠绕安装在骨架2.1上，通入可控的驱动电流，以产生电磁驱动力；通过运动组件2上的骨架2.1将运动组件2整体可轴向滑动地套装在电磁驱动器1的圆柱形中心磁轭1.4上，所述运动组件2位于所述圆筒形气隙3内，翅板2.6可移动地插入配装在相对的条状通孔1.5内。

作为一种具体实施方式，所述骨架2.1与圆柱形中心磁轭1.4之间采用气浮导轨结构。

作为一种具体实施方式，所述半圆筒形永磁体1.1采用整块式永磁体1.1或采用两块以上永磁体1.1依次串连粘接构成。

作为一种具体实施方式，所述运动组件2的骨架2.1采用陶瓷、或铝合金、或铍材料制作。

下面结合图1～图5给出本发明的一个实施例。本实施例中，导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器用于产生水平方向的标准低频振动。两个圆柱形永磁体1.1对称安装在中心磁轭1.4的两端和两个端磁轭1.3之间、且同磁极相对布置，每个永磁体1.1的两个端面分别与中心磁轭1.4、端磁轭1.3的相应端面紧密接触；长磁轭1.2同轴套装在中心磁轭1.4上、且与中心磁轭1.4之间通过气隙3分隔开，本实施例中气隙3的宽度为15mm，其中形成高均匀度的磁感应强度分布；两个圆桶形端磁轭1.3分别套装在所述长磁轭1.2两端，且所述端磁轭1.3的内侧面抵接所述长磁轭1.2的外侧面，并通过螺钉等方式与其连接，所述端磁轭1.3的内底面抵接所述永磁体1.1的外端面；所述中心磁轭1.4两端各套装一个圆筒形非导磁材料框1.6，所述圆筒形非导磁材料框1.6的外端面与圆桶形端磁轭1.3的内底面可通过螺钉等方式连接，所述非导磁材料框1.6的内侧面抵接永磁体1.1和中心磁轭1.4的侧面，且通过螺钉等方式与中心磁轭1.4连接，非导磁材料框1.6覆盖永磁体1.1，起到固定中心磁轭1.4，支撑永磁体1.1安装空间的作用，具体的非导磁材料框1.6的材料可为铝合金。

具体的，永磁体1.1可以选择材料为NdFeB的强磁永磁体，所使用的NdFeB材料的剩磁强度为1.17T，矫顽力为890kA/m。长磁轭1.2、两个端磁轭1.3、中心磁轭1.4均采用高磁导率电工纯铁材料DT4C制成，最大相对磁导率可达到12000，饱和磁通量为2.5T。长磁轭1.2侧壁沿长度方向设有2条对称分布的条状通孔1.5。

永磁体1.1是NdFeB材料的强磁永磁体，所采用的NdFeB材料的剩磁强度为1.17T，矫顽力为890kA/m，中心磁轭1.4、长磁轭1.2、两个端磁轭1.3均采用高磁导率电工纯铁材料DT4C制成，最大相对磁导率可达到12000，饱和磁通量为2.5T。

本实施例中，永磁体励磁所形成主磁路的磁力线从永磁体1.1的N极出发，依次经过中心磁轭1.4、气隙3、长磁轭1.2和端磁轭1.3，然后回到永磁体1.1的S极形成闭合磁路。第一路磁力线4和第二路磁力线5呈左右对称形式。

运动组件2采用铝合金制成，呈圆筒形，可滑动地套装在中心磁轭1.4上。激励线圈2.2是采用绝缘铜漆包线在骨架2.1外表面缠绕形成，厚度为5mm，所通最大电流密度为5A/mm²。电磁振动台工作时，控制信号经功率放大器放大后，输出有效值最高达几十安培的功率电流加载到激励线圈2.2中，根据电磁场理论，磁场中通电的激励线圈2.2受到水平方向洛伦兹力作用，从而输出精密可控的电磁驱动力。通过控制所通电流的大小和方向可以精密控制电磁驱动力的大小和方向。控制信号如果采用标准正弦电信号，运动组件2将在电磁驱动力的作用下沿轴向产生标准低频正弦振动。

下面结合图6和图7给出由运动组件2和中心磁轭1.4构成的静压气浮导轨的一个实施例。中心磁轭1.4在保证磁性能的前提下作表面处理，构成气浮导轨，骨架2.1内设气室2.4，通气后将在骨架2.1内表面的排气孔2.5与中心磁轭1.4之间形成静压气膜，构成静压气浮导轨。本静压气浮结构通过骨架2.1套装在中心磁轭1.4上，实现了静压气浮导轨与电磁驱动器的轴向完全平行，保证装配精度；装配过程中，骨架2.2的内侧表面与中心磁轭的尺寸配合，能够很方便地完成骨架2.2与中心磁轭1.4的套装，且装配具有高可靠性。

下面结合图8和图9给出运动组件2中气室2.4的一个实施例。图7中给出的是骨架2.1上具有的气室2.4的结构，骨架2.1中空构成气室2.4，其内侧均匀地设有排气孔2.5，使气室2.4通气时在骨架2.1内侧表面和中心磁轭1.4表面能够形成气膜。本实施例中，所有排气孔2.5的直径均为2mm，气室2.4通过进气孔2.3与压力气源连接。

Claims (4)

1.一种导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器，其特征在于：由电磁驱动器(1)和运动组件(2)构成；

所述电磁驱动器(1)由圆柱形永磁体(1.1)、圆筒形长磁轭(1.2)、圆桶形端磁轭(1.3)、圆柱形中心磁轭(1.4)和圆筒形非导磁材料框(1.6)构成，它们的轴线在一条直线上；所述中心磁轭(1.4)两端各装配一个永磁体(1.1)，且所述永磁体(1.1)的内端面分别与相应的中心磁轭(1.4)端面抵接；所述长磁轭(1.2)套装在所述中心磁轭(1.4)外侧，在所述长磁轭(1.2)内壁面与中心磁轭(1.4)之间设有圆筒形气隙(3)，且在长磁轭(1.2)筒壁相对部位上沿轴向分别设置条状通孔(1.5)；两个圆桶形端磁轭(1.3)分别套装在所述长磁轭(1.2)两端，且所述端磁轭(1.3)的内侧面抵接所述长磁轭(1.2)的外侧面，所述端磁轭(1.3)的内底面抵接所述永磁体(1.1)的外端面；所述中心磁轭(1.4)两端各套装一个圆筒形非导磁材料框(1.6)，所述圆筒形非导磁材料框(1.6)的外端面与圆桶形端磁轭(1.3)的内底面可拆卸连接，所述非导磁材料框(1.6)的内侧面抵接永磁体(1.1)和中心磁轭(1.4)的侧面，且非导磁材料框(1.6)覆盖永磁体(1.1)；

所述运动组件(2)由骨架(2.1)、激励线圈(2.2)、翅板(2.6)装配构成；在所述骨架(2.1)两端相对部位上设置翅板(2.6)，在所述骨架(2.1)内设置圆筒形腔式气室(2.4)，在所述骨架(2.1)两侧端面和内侧壁面上分别开设进气孔(2.3)和排气孔(2.5)，所述进气孔(2.3)、排气孔(2.5)分别与气室(2.4)连通；所述激励线圈(2.2)缠绕安装在骨架(2.1)上，通入可控的驱动电流，以产生电磁驱动力；通过运动组件(2)上的骨架(2.1)将运动组件(2)整体可轴向滑动地套装在电磁驱动器(1)的圆柱形中心磁轭(1.4)上，所述运动组件(2)位于所述圆筒形气隙(3)内，翅板(2.6)可移动地插入配装在相对的条状通孔(1.5)内。

2.根据权利要求1所述的导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器，其特征在于：所述骨架(2.1)与圆柱形中心磁轭(1.4)之间采用气浮导轨结构。

3.根据权利要求1所述的导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器，其特征在于：所述半圆筒形永磁体(1.1)采用整块式永磁体(1.1)或采用两块以上永磁体(1.1)依次串连粘接构成。

4.根据权利要求1所述的导向与驱动一体的两端中心励磁圆柱形电磁执行器，其特征在于：所述运动组件(2)的骨架(2.1)采用陶瓷、或铝合金、或铍材料制作。

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