CN115424807A - 导向与驱动复合的双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器 - Google Patents
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Abstract
导向与驱动复合的双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器属于振动计量技术领域，包括电磁驱动器和运动组件；所述电磁驱动器由永磁体、长磁轭、端磁轭和中心磁轭装配构成，整体成轴对称结构；所述运动组件由骨架和激励线圈构成，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中心磁轭上，在骨架与中心磁轭之间采用气浮导轨结构。完成了精密导向与驱动复合的电磁执行器，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，并显著增强其负载能力。
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双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器。
背景技术
传统电磁执行器具有分离的电磁驱动器和导向机构，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/超低频振动的高信噪比，电磁振动台应具有较大的运动行程，并且低频振动传感器一般体积较大，电磁振动台的负载能力也是重要指标。在大行程电磁驱动执行器装配时，由于大行程的放大作用，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，会产生较大不平行度，引起横向运动，并加大输出波形失真度；传统上分离的电磁驱动器和导向机构也会使电磁执行器运动组件质量过大，导致其负载能力的减小。因此通过简单、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关键。
专利号为CN201510236218.1公开了一种磁场跟踪补偿的双排永磁体向心励磁矩形低频振动校准台技术方案。将双排永磁体对称安装在长磁轭内侧表面且同磁极相向布置，通过磁轭构成对称的闭合磁路，在气隙中产生高均匀度的强磁场分布，在与气隙相邻的中心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。
专利号为CN200820087256.0公开了一种大行程电磁振动台技术方案。其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。
上述方案的特点是：(1)导向与驱动分离的结构，增加了装配难度，二者的轴向平行度难以保证，易引入运动误差；(2)分离的导向与驱动结构需要额外机械连接件，增大了运动组件体积和质量，严重削弱其负载能力。
综上，如何通过简单、可靠的方法实现大行程电磁驱动执行器的高精度装配和大负载能力，是提高电磁执行器性能的关键。
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双排永磁体向心励磁矩形双磁路电磁驱动技术方案，本发明具有结构简单、易装配，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，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：
一种导向与驱动复合的双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器，由电磁驱动器和运动组件构成；所述电磁驱动器由永磁体、长磁轭、端磁轭和中心磁轭装配构成，且它们的截面均为矩形，整体成轴对称结构；两个长磁轭的两端分别与两个端磁轭连接，构成口字形磁轭结构，所述中心磁轭安装在口字形磁轭结构的长轴线上，且两端面分别与所述端磁轭的内侧面抵接；所述永磁体的长度小于长磁轭的长度，两个长条形永磁体对称装配在两个长磁轭和中心磁轭之间的两个长磁轭相对的两个内侧面上，两个长条形永磁体的同磁极相对布置，永磁体与中心磁轭通过气隙分隔开；所述运动组件由骨架和激励线圈装配构成；在所述骨架内设置通道式气路，所述气路包括分布于骨架内，且贯通骨架两端的第一气路，和位于骨架两端，使第一气路互相连通的第二气路；在所述骨架两侧和内侧壁面上分别开设进气孔和排气孔，所述进气孔、排气孔分别与气路连通；所述运动组件位于气隙内，通过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。
所述骨架与中心磁轭之间采用气浮导轨结构。
所述矩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。
所述中心磁轭的两端分别套装回字形安装架，所述安装架与中心磁轭固定连接；所述安装架在气隙中的两个外侧面抵接相应的两个长磁轭的内侧面。
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向心励磁的磁路结构可在气隙中产生更强的磁感应强度，适合对电磁驱动力要求高的场合。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。矩形磁轭加工制造难度低，有利于提高加工精度，并降低生产成本。
(2)本发明能够在极大程度上减小横向振动。骨架呈回字形，构成导向轴的中心磁轭呈立方形，通气后骨架四个内表面和相应的中心磁轭侧面间均会产生静压气膜，即在四个方向都具有约束力，使骨架只能沿导向轴方向运行。
(3)本发明在骨架内开设的通道式气路，相比腔式气室更易加工。一般线圈骨架壁厚度较小，在薄壁中加工腔式气室难度很大，而通过打孔的方式开设通道式气路则比较容易实现。
(4)本发明把骨架制作为滑动机构套装于中心磁轭加工而成的导向轴上，完成了导向与驱动复合的电磁执行器设计，有利于高精度装配，提升了电磁执行器的运动精度。运动组件作为滑动机构直接套装在中心磁轭构成的导向轴上，通过气浮导轨形式，完成导向与驱动的一体化，保证了运动组件与电磁驱动器的轴向平行度，达到了高装配精度，有效减小了横向振动，提高了电磁驱动波形精度。
(5)本发明提出的电磁执行器结构紧凑，并可显著提高其负载能力。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，装置体积小，安装运输方便。没有附加导向机构占用额外空间，减小了运动组件尺寸，实现了运动组件的轻质量，可有效提高电磁执行器的负载能力。
附图说明
图1为导向与驱动复合的双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器的总体结构三维示意图；
图2为导向与驱动复合的双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器的总体结构三维剖视图；
图3为永磁体磁极布置方式和磁路示意图；
图4为运动组件与矩形中心磁轭装配结构三维示意图；
图5为运动组件结构图；
图6为骨架端面与侧面气路的结构图；
图7为中心磁轭安装固定结构图；
图8为安装架结构图；
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、2运动组件、2.1骨架、2.2激励线圈、2.3进气孔、2.4气路、2.5排气孔、3气隙、4第一路磁力线、5第二路磁力线、6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双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器，由电磁驱动器1和运动组件2构成；所述电磁驱动器1由永磁体1.1、长磁轭1.2、端磁轭1.3和中心磁轭1.4装配构成，且它们的截面均为矩形，整体成轴对称结构；两个长磁轭1.2的两端分别与两个端磁轭1.3连接，构成口字形磁轭结构，所述中心磁轭1.4安装在口字形磁轭结构的长轴线上，且两端面分别与所述端磁轭1.3的内侧面抵接；所述永磁体1.1的长度小于长磁轭1.2的长度，两个长条形永磁体1.1对称装配在两个长磁轭1.2和中心磁轭1.4之间的两个长磁轭1.2相对的两个内侧面上，两个长条形永磁体1.1的同磁极相对布置，永磁体1.1与中心磁轭1.4通过气隙3分隔开；所述运动组件2由骨架2.1和激励线圈2.2装配构成；在所述骨架2.1内设置通道式气路2.4，所述气路2.4包括分布于骨架2.1内，且贯通骨架2.1两端的第一气路2.4a，和位于骨架2.1两端，使第一气路2.4a互相连通的第二气路2.4b；在所述骨架2.1两侧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分别与气路2.4连通；所述运动组件2位于气隙3内，通过骨架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1.4上；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。
作为一种具体实施方式，所述骨架2.1与中心磁轭1.4之间采用气浮导轨结构。
作为一种具体实施方式，所述矩形永磁体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，所述中心磁轭1.4的两端分别套装回字形安装架6，所述安装架6与中心磁轭1.4固定连接；所述安装架6在气隙3中的两个外侧面抵接相应的两个长磁轭1.2的内侧面。
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3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水平方向的标准低频振动。两个长磁轭1.2的两端分别与两个端磁轭1.3通过螺钉固定连接，构成口字形磁轭结构，所述中心磁轭1.4安装在口字形磁轭结构的长轴线上，且两端面分别与所述端磁轭1.3的内侧面抵接，并通过螺钉与所述端磁轭1.3固定连接；所述永磁体1.1的长度小于长磁轭1.2的长度，两个由多块永磁体粘接形成的长条形永磁体1.1对称粘接装配在两个长磁轭1.2和中心磁轭1.4之间的两个长磁轭1.2相对的两个内侧面上，两个长条形永磁体1.1的同磁极相对布置，永磁体1.1与中心磁轭1.4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。
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1.4、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。
在电磁驱动器1中，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，依次经过气隙3、中心磁轭1.4、端磁轭1.3和长磁轭1.2，然后回到半圆筒形永磁体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。
所述运动组件2由骨架2.1和激励线圈2.2装配构成；所述骨架2.1采用铝合金材质，其内设置气路2.4，在所述骨架2.1两侧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分别与气路2.4连通；所述运动组件2位于气隙3内，通过骨架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1.4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，激励线圈2.2与骨架2.1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～图6给出由运动部件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，构成气浮导向轴；第一气路2.4a分布于骨架侧面壁内，连通骨架两端，本实施例中，在骨架长轴壁内开设三条第一气路2.4a，在骨架短轴壁内开设两条第一气路2.4a，在骨架两端各开设四条第二气路2.4b，以连通第一气路2.4a，在第一气路2.4a中均匀地设有排气孔2.5。气路2.4通气前，进气孔2.3除留一个与外设压力气源连接外，其它进气孔2.3都密封堵死，保证排气孔2.5是骨架2.1内部气路2.4中气体的唯一出口，通气后则在骨架2.1内表面与中心磁轭1.4之间形成静压气膜，构成气浮导轨，实现了静压气浮导轨与电磁驱动器的轴向完全平行；装配过程中，骨架2.1对应的内侧表面与中心磁轭1.4的尺寸配合，能够很方便地完成骨架2.1与中心磁轭1.4的套装，装配具有高可靠性和高精度。
下面结合图7和图8给出安装架6的一个实施例。为保证中心磁轭1.4位置不发生变化，采用回字形安装架6对中心磁轭1.4进行安装支撑；安装架6的内侧面抵接中心磁轭1.4的侧面，并通过螺钉固定连接，同时安装架6在气隙3中的两个外侧面抵接相对应的两个长磁轭1.2相对的内侧面，以起到对中心磁轭的支撑作用。具体的，安装架6的材质为铝合金。
Claims (5)
1.一种导向与驱动复合的双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器，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)由永磁体(1.1)、长磁轭(1.2)、端磁轭(1.3)和中心磁轭(1.4)装配构成，且它们的截面均为矩形，整体成轴对称结构；两个长磁轭(1.2)的两端分别与两个端磁轭(1.3)连接，构成口字形磁轭结构，所述中心磁轭(1.4)安装在口字形磁轭结构的长轴线上，且两端面分别与所述端磁轭(1.3)的内侧面抵接；所述永磁体(1.1)的长度小于长磁轭(1.2)的长度，两个长条形永磁体(1.1)对称装配在两个长磁轭(1.2)和中心磁轭(1.4)之间的两个长磁轭(1.2)相对的两个内侧面上，两个长条形永磁体(1.1)的同磁极相对布置，永磁体(1.1)与中心磁轭(1.4)通过气隙(3)分隔开；
所述运动组件(2)由骨架(2.1)和激励线圈(2.2)装配构成；在所述骨架(2.1)内设置通道式气路(2.4)，所述气路(2.4)包括分布于骨架(2.1)内，且贯通骨架(2.1)两端的第一气路(2.4a)，和位于骨架(2.1)两端，使第一气路(2.4a)互相连通的第二气路(2.4b)；在所述骨架(2.1)两端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)分别与气路(2.4)连通；所述运动组件(2)位于气隙(3)内，通过骨架(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(1.4)上；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。
2.根据权利要求1所述的导向与驱动复合的双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器，其特征在于：所述骨架(2.1)与中心磁轭(1.4)之间采用气浮导轨结构。
3.根据权利要求1所述的导向与驱动复合的双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器，其特征在于：所述矩形永磁体(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所述的导向与驱动复合的双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器，其特征在于：所述中心磁轭(1.4)的两端分别套装回字形安装架(6)，所述安装架(6)与中心磁轭(1.4)固定连接；所述安装架(6)在气隙(3)中的两个外侧面抵接相应的两个长磁轭(1.2)的内侧面。
5.根据权利要求1所述的导向与驱动复合的双排永磁体向心励磁矩形电磁执行器，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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