CN115424805A - 导向与驱动复合的两端侧边励磁圆柱形电磁执行器 - Google Patents
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Abstract
导向与驱动复合的两端侧边励磁圆柱形电磁执行器属于振动计量技术领域；该装置包括电磁驱动器和运动组件，所述电磁驱动器由环形永磁体、圆筒形长磁轭、圆柱形端磁轭、圆筒形短磁轭和圆柱形中心磁轭装配构成，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，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，在骨架与圆柱形中心磁轭之间采用气浮导轨结构。本装置完成了精密导向与驱动复合的电磁驱动设计，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
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复合的两端侧边励磁圆柱形电磁执行器。
背景技术
随着超低频领域科学研究的发展，低频下限不断突破，对超低频振动校准的需求不断提高，为保证低频/超低频振动的信噪比，电磁振动台应具有尽可能大的行程，而大行程的放大作用，会通过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形成较大的不平行度，使激励线圈发生横向运动，而且会加大输出波形失真度；并且通常电磁执行器的电磁驱动器和导向机构是分离的，导致运动组件质量偏大，使其负载能力减小。因此如何通过简单、可靠的方法实现大行程电磁执行器的高装配精度和驱动能力是提高其性能的重要环节。
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永磁管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，“磁场跟踪补偿的双永磁管两端对称励磁圆柱形低频振动校准台”，中国专利号：ZL201510236220.9)。该技术方案中，两圆筒形永磁管对称安装在电磁驱动器两端且同磁极相对布置，通过磁轭构成两个对称闭合磁路，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，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。
上述技术方案的特点是：(1)电磁执行器要求导向与驱动结构具有较高轴向平行度，而分离的导向与驱动结构增加了装配难度，精度难以保证，极易引入运动误差；(2)分离的导向与驱动结构增大了运动组件尺寸和质量，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，负载能力十分重要。
综上，通过简单、可靠的方法实现大行程电磁执行器的高精度装配和大负载能力，提供一种电磁振动台导向与驱动一体化设计方案，提高电磁执行器性能具有重大意义。
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复合的两端侧边励磁圆柱形双磁路技术方案，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一体化的高精度、大负载电磁执行器。
本发明的技术解决方案是：
一种导向与驱动复合的两端侧边励磁圆柱形电磁执行器，由电磁驱动器和运动组件构成；
所述电磁驱动器包括环形永磁体、圆筒形长磁轭、圆柱形端磁轭、圆筒形短磁轭和圆柱形中心磁轭，它们的轴线在一条直线上；所述中心磁轭的两个端面分别抵接两个端磁轭的内侧面；所述长磁轭的两端分别安装两个短磁轭，且所述长磁轭的外侧面与所述短磁轭的内侧面抵接；所述长磁轭套装在所述中心磁轭上，且所述长磁轭内壁与所述中心磁轭之间通过圆筒形气隙分隔开；两个永磁体分别安装在所述电磁驱动器两端的端磁轭和短磁轭之间、且同磁极相对布置；在所述长磁轭筒壁相对部位上沿轴向分别设置条状通孔；
所述运动组件由骨架、激励线圈、翅板装配构成，整体呈圆筒形；所述激励线圈缠绕安装在骨架上，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；所述圆柱形中心磁轭在不损失磁性能的前提下加工成导向轴，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中心磁轭上；所述运动组件位于圆筒形气隙内，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。
所述端磁轭和所述短磁轭之间设置有对所述永磁体、和所述中心磁轭进行固定支撑的内侧安装架和外侧安装架；
所述内侧安装架呈环形，且内侧面抵接所述中心磁轭，外侧面抵接所述永磁体，所述内侧安装架的内侧面可拆卸连接所述中心磁轭；所述外侧安装架呈环形，且覆盖所述永磁体，所述外侧安装架的一端与所述端磁轭可拆卸固定连接，且另一端与所述短磁轭可拆卸固定连接；所述外侧安装架的内侧面与所述永磁体的外侧面抵接。
所述环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侧边励磁的磁路结构可在气隙中产生分布较均匀的磁感应强度，且气隙边缘效应影响小，适合对运动精度要求较高的场合。永磁体位于磁路侧边，尺寸与磁路结构配合，装配更加简便。使用轴向充磁的立方形永磁体，便于制造，生产成本低。
(2)本发明把中心磁轭加工成导向轴、把骨架制作为滑动机构，完成了导向与驱动一体化的设计，实现了高装配精度，提高了电磁执行器的运动精度。通过气浮导轨形式将运动组件作为滑动机构套装在中心磁轭构成的导向轴上，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，获得了高装配精度，避免因装配误差而导致横向振动，有效提高电磁驱动波形精度。
(3)本发明实现了电磁执行器的轻质量设计，可提高其负载能力。导向与驱动一体化的电磁执行器无需额外导向机构，结构紧凑，缩小了运动组件尺寸，在结构上实现了运动组件的轻质量，有效提高了电磁执行器的负载能力。
附图说明
图1是导向与驱动复合的两端侧边励磁圆柱形电磁执行器的总体结构三维示意图；
图2是导向与驱动复合的两端侧边励磁圆柱形电磁执行器的总体结构三维剖视图；
图3是环形永磁体磁极布置方式和磁路示意图；
图4是运动组件与圆柱形中心磁轭装配结构三维示意图；
图5是图4的轴向剖面图；
图6是运动组件结构示意图；
图7是图6的轴向剖面图；
图8是永磁体与中心磁轭的安装固定结构图；
图9是内侧安装架结构示意图；
图10是外侧安装架结构示意图；
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短磁轭、1.5中心磁轭、1.6剖缝、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、6内侧安装架、7外侧安装架。
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。
一种导向与驱动复合的两端侧边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包括环形永磁体1.1、圆筒形长磁轭1.2、圆柱形端磁轭1.3、圆筒形短磁轭1.4和圆柱形中心磁轭1.5，它们的轴线在一条直线上；所述中心磁轭1.5的两个端面分别抵接两个端磁轭1.3的内侧面；所述长磁轭1.2的两端分别安装两个短磁轭1.4，且所述长磁轭1.2的外侧面与所述短磁轭1.4的内侧面抵接；所述长磁轭1.2套装在所述中心磁轭1.5上，且所述长磁轭1.2内壁与所述中心磁轭1.5之间通过圆筒形气隙3分隔开；两个永磁体1.1分别安装在所述电磁驱动器1两端的端磁轭1.3和短磁轭1.4之间、且同磁极相对布置；在所述长磁轭1.2筒壁相对部位上沿轴向分别设置条状通孔1.6；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，整体呈圆筒形；所述激励线圈2.2缠绕安装在骨架2.1上，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；所述圆柱形中心磁轭1.5在不损失磁性能的前提下加工成导向轴，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的中心磁轭1.5上；所述运动组件2位于圆筒形气隙3内，翅板2.6可移动地插入配装在相对的条状通孔1.6内。
作为一种具体的实施方式，所述骨架2.1与圆柱形中心磁轭1.5之间采用气浮导轨结构。
作为一种具体的实施方式，所述端磁轭1.3和所述短磁轭1.4之间设置有对所述永磁体1.1、和所述中心磁轭1.5进行固定支撑的内侧安装架6和外侧安装架7；所述内侧安装架6呈环形，且内侧面抵接所述中心磁轭1.5，外侧面抵接所述永磁体1.1，所述内侧安装架6的内侧面可拆卸连接所述中心磁轭1.5；所述外侧安装架7呈环形，且覆盖所述永磁体1.1，所述外侧安装架7的一端与所述端磁轭1.3可拆卸固定连接，且另一端与所述短磁轭1.4可拆卸固定连接；所述外侧安装架7的内侧面与所述永磁体1.1的外侧面抵接。
作为一种具体的实施方式，所述环形永磁体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。
作为一种具体的实施方式，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，导向与驱动复合型电磁驱动执行器用于产生水平方向的标准低频振动。中心磁轭1.5的两个端面分别抵接两个端磁轭1.3的内侧面，并通过螺钉刚性连接；长磁轭1.2的两端分别通过螺钉安装两个短磁轭1.4，且长磁轭1.2的外侧面与所述短磁轭1.4的内侧面抵接，长磁轭1.2套装在所述中心磁轭1.5上，长磁轭1.2内径大于中心磁轭1.5的直径，在长磁轭1.2内表面与中心磁轭1.5之间形成圆筒形气隙3；两个永磁体1.1分别安装在电磁驱动器1两端的端磁轭1.3和短磁轭1.4之间、且同磁极相对布置，例如，电磁驱动器1一端的永磁体S极在内侧，则另一端的永磁体S极也应在内侧；在长磁轭1.2筒壁相对部位上沿轴向分别设置条状通孔1.6。具体的，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。长磁轭1.2、中心磁轭1.5、两个端磁轭1.3和两个短磁轭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。
在电磁驱动器1中，环形永磁体1.1励磁所形成主磁路的磁力线从永磁体1.1的N极出发，依次经过圆柱形端磁轭1.3、圆柱形中心磁轭1.5、圆筒形气隙3、圆筒形长磁轭1.2和圆筒形短磁轭1.4，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呈对称形式。
运动组件2采用铝合金制成，可滑动地套装在中心磁轭1.5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4和图5给出由运动组件2和中心磁轭1.5构成的静压气浮导轨的一个实施例。圆柱形中心磁轭1.5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与圆柱形中心磁轭1.5之间形成静压气膜，构成静压气浮导轨。骨架2.1通过静压气浮导轨套装在圆柱形中心磁轭1.5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2.1对应的内表面与圆柱形中心磁轭1.5的尺寸配合，能够很方便地完成骨架2.1与圆柱形中心磁轭1.5的套装，且装配具有高可靠性和精度。
下面结合图6～图7给出运动组件2中气室2.4的一个实施例。骨架2.1中空构成的气室2.4，其上设有的排气孔2.5，使气室2.4通气时在骨架2.1内侧表面与圆柱形中心磁轭1.5表面间能够形成气膜。气室2.4通过进气孔2.3与外设压力气源连接。
下面结合图8～图10给出内侧安装架6和外侧安装架7的一个实施例。两个环形内侧安装架6套装在中心磁轭1.5两端，且与其通过螺钉刚性连接，内侧安装架6的外侧面抵接永磁体1.1的内侧面，起到支撑永磁体1.1和固定中心磁轭1.5的作用；两个环形外侧安装架7分别套装在两个永磁体1.1外部，长度大于永磁体1.1，且两端分别与端磁轭1.3和短磁轭1.4通过螺钉刚性连接，以固定永磁体1.1。
Claims (5)
1.一种导向与驱动复合的两端侧边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)包括环形永磁体(1.1)、圆筒形长磁轭(1.2)、圆柱形端磁轭(1.3)、圆筒形短磁轭(1.4)和圆柱形中心磁轭(1.5)，它们的轴线在一条直线上；所述中心磁轭(1.5)的两个端面分别抵接两个端磁轭(1.3)的内侧面；所述长磁轭(1.2)的两端分别安装两个短磁轭(1.4)，且所述长磁轭(1.2)的外侧面与所述短磁轭(1.4)的内侧面抵接；所述长磁轭(1.2)套装在所述中心磁轭(1.5)上，且所述长磁轭(1.2)内壁与所述中心磁轭(1.5)之间通过圆筒形气隙(3)分隔开；两个永磁体(1.1)分别安装在所述电磁驱动器(1)两端的端磁轭(1.3)和短磁轭(1.4)之间、且同磁极相对布置；在所述长磁轭(1.2)筒壁相对部位上沿轴向分别设置条状通孔(1.6)；
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，整体呈圆筒形；所述激励线圈(2.2)缠绕安装在骨架(2.1)上，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；所述圆柱形中心磁轭(1.5)在不损失磁性能的前提下加工成导向轴，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)的中心磁轭(1.5)上；所述运动组件(2)位于圆筒形气隙(3)内，翅板(2.6)可移动地插入配装在相对的条状通孔(1.6)内。
2.根据权利要求1所述的一种导向与驱动复合的两端侧边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(1.5)之间采用气浮导轨结构。
3.根据权利要求1所述的一种导向与驱动复合的两端侧边励磁圆柱形电磁执行器，其特征在于：所述端磁轭(1.3)和所述短磁轭(1.4)之间设置有对所述永磁体(1.1)和所述中心磁轭(1.5)进行固定支撑的内侧安装架(6)和外侧安装架(7)；
所述内侧安装架(6)呈环形，且内侧面抵接所述中心磁轭(1.5)，外侧面抵接所述永磁体(1.1)，所述内侧安装架(6)的内侧面可拆卸连接所述中心磁轭(1.5)；所述外侧安装架(7)呈环形，且覆盖所述永磁体(1.1)，所述外侧安装架(7)的一端与所述端磁轭(1.3)可拆卸固定连接，另一端与所述短磁轭(1.4)可拆卸固定连接；所述外侧安装架(7)的内侧面与所述永磁体(1.1)的外侧面抵接。
4.根据权利要求1所述的一种导向与驱动复合的两端侧边励磁圆柱形电磁执行器，其特征在于：所述环形永磁体(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。
5.根据权利要求1所述的一种导向与驱动复合的两端侧边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。
Priority Applications (1)
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| CN115424805A true CN115424805A (zh) | 2022-12-02 |
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