CN102205308B - 力控型电磁永磁复合激励振动台 - Google Patents

Abstract

一种电磁驱动器技术领域的力控型电磁永磁复合激励振动台，包括：壳体、电磁线圈、磁能体和载物机构，两个磁能体分别以水平转轴方式上下设置于壳体内部且相互接触，两个电磁线圈分别设置于壳体内部且位于磁能体两侧，载物机构活动设置于壳体的顶部并与一个磁能体相接触。本装置实现通过电磁激励刚性磁能体产生直接位移驱动的一种结构简单、可靠性和驱动效率高、无动圈和导线随动牵扯隐患，振幅精确可控，可实现从5Hz以下，即从准静态到高频的宽频、大负载、大位移振动装置或设备。

Description

力控型电磁永磁复合激励振动台

技术领域

本发明涉及的是一种电磁驱动器技术领域的装置，具体是一种力控型电磁永磁复合激励振动台。

背景技术

近些年来，由于航天、航空、航海领域航行器或精密设备的工况环境下振动测试的需要，高性能振动测试设备的需求越来越迫切。目前振动设备主要有液压、气动、电磁以及机械振动设备几种类型。其中液压、气动和机械类振动设备由于可实现的驱动频率低，驱动控制环节多已不能适合航天等领域振动测试性能的要求。电磁驱动由于采用电磁信号控制，驱动的实现靠电磁能作用实现，控制方便、响应灵敏，特别适合实现高频振动设备的实现，因此目前的高性能振动设备多数采用电磁驱动的驱动环节来实现。如英国Ling公司的电磁振动台，其设备驱动工作原理是基于音圈电机驱动原理，通常驱动线圈作为定子，通过交变电磁力驱动一个悬浮在驱动线圈中央的动子，产生振动。然而，这类电磁驱动振动台也存在明显的缺陷，主要是由于动子始终处于悬浮工作状态，5Hz以下的振动驱动难以实现，驱动过程中由于这种悬浮驱动使得驱动过程中的动刚性不足，另外其高频驱动位移较小，驱动振幅不精确，驱动能耗较大。

经过对现有技术的检索发现，中国专利号ZL200820087256.0申请日2008-5-16，记载了一种“一种电磁振动台”，该技术包括台体，台体包括第一磁体、第一过渡块、中心导磁柱、第二过渡块、第二磁体，中心导磁柱上套设有动圈；还包括运动台和两条框状气浮导轨，运动台可滑动地设于气浮导轨内；还包括驱动电机、与之连接的丝杆，丝杆与一拖板连接，引线及气管均与拖板连接；气浮导轨上还安装有光栅尺，运动台上还设有与光栅尺相对的光栅读数头及与光栅读数头连接的通信块，通信块与一控制器连接，驱动电机与控制器信号连接。该专利优点在于提供了一种具有完整外围设备的电磁振动台，通过控制器控制电机驱动丝杆牵引拖板跟随运动台同步运动，使进气管及接电引线的附加力不影响振动台大行程及低频波形的失真度。

但是该现有技术是通过“设有动圈”的音圈电机驱动形式实现，并且需要驱动电机、与之连接的丝杆等驱动传递环节。这样，基于动圈驱动的振动设备首先存在较难或无法实现5Hz以内的低频驱动，并且其驱动涉及的部件和环节多，驱动中还需要电机和丝杠丝杆机构通过控牵引拖板跟随运动台同步运动，以及存在进气管及接电引线的牵扯及附加力等副作用，使整个平台不能实现高效的直接驱动以及高可靠性驱动。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种力控型电磁永磁复合激励振动台，利用方向异形的磁能体在电、磁激励作用下产生磁极偏转而使方向异形的磁能体在其长度方向发生变化的过程中产生对与其接触的机构产生刚性的直接推动的作用，而产生大驱动效果。本装置实现通过电磁激励刚性磁能体产生直接位移驱动的一种结构简单、可靠性和驱动效率高、无动圈和导线随动牵扯隐患，振幅精确可控，可实现从5Hz以下，即从准静态到高频的宽频、大负载、大位移振动装置或设备。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：壳体、电磁线圈、磁能体和载物机构，其中：两个磁能体分别以水平转轴方式上下设置于壳体内部且相互接触，电磁线圈设置于壳体内部并正对第二磁能体，载物机构活动设置于壳体的顶部并与一个磁能体相接触。

所述的壳体包括：底座、转轴支撑框架、磁路内框体和机身外框体，其中：机身外框体与底座固定连接，转轴支撑框架和磁路内框体分别固定设置于机身外框体内且位于电磁线圈的内部和外部。

所述的磁能体由活动设置于壳体内部且分别与载物机构和第二磁能体相接触的第一磁能体以及固定设置于壳体内部下方的第二磁能体组成，其中：第一磁能体为圆柱形结构，第二磁能体为方向异形结构。

所述的第一次磁能体与壳体内部之间设有复位弹性体。

所述的电磁线圈为一个或多个电磁螺线管，具体位于壳体内并设置于第二磁能体的外侧。

所述的载物机构包括：由上而下依次固定连接的载物台、结构传感器、位移输出盘和位移输出杆体，其中：位移输出杆体与壳体活动连接且其下端与磁能体相接触。

所述的载物机构上设有导向轴，该导向轴具体位于位移输出盘的下表面且与壳体活动连接，实现导向。

本发明振动台初始工作状态，在未通入电磁激励信号前，通过回复弹性体作用，磁能体被回复弹性体压力约束在水平方向上，此时磁极处于水平方向上。工作时，对电磁线圈通电，由于电磁场方向与初始磁能体磁极方向垂直，当电磁场强度足够时，磁能体将发生磁极偏转，随着磁极偏转磁能体的长度方向也从水平方向向竖直方向变化，磁能体向竖直方向偏转，从而在克服回复弹性约束力的同时，顶着对转轴承旋转的同时顶动位移输出杆体向上移动，进而顶动位移输出盘以及结构传感器最终驱动载物台和其上将放置的被测试件向上移动。该移动的距离与电磁场强度或外加电流强度成正比，可以通过施加电流对应控制，最大位移为方向异形磁能体中心到磁极方向上端部顶点的距离与到和磁极方向垂直的方向上端部顶点的距离差值。当位移输出杆体被顶起之后，切断电流或施加反向电流，那么磁能体将在回复弹性体的回复压力作用下，或回复弹性体回复压力和反向电磁力合力作用下发转直至水平位置，这样位移输出杆体进而载物台和其上的测试件会回落。这样，本发明装置随给电磁线圈加电流或断电，会随着电磁线圈中施加正反向变化电流，载物台上的测试件实现一次上下往复运动的过程。基于此，给线圈重复通、断电流或通入交变电流，那么本发明振动台将实现上下往复振动过程。该振动的振幅和振动频率均可以通过施加电流信号的强弱和频率作对应控制。

本发明的振动台，在载物台和位移输出盘之间设有具有足够连接强度的拉压力结构传感器，当载物台推动测试件抬升会回拉下落时，位移输出盘传递到测试件上的推力和拉力可以被结构传感器等量实时传感。所以，本发明的振动台不仅可以实现振动台功效，而且这振动过程中施加在测试件上的驱动力和驱动加速度或驱动平率都可以被实时检测到，从而最终实现力控型电磁永磁复合激励振动台。

本发明涉及一种力控型电磁永磁复合激励振动系统，由上述若干个力控型电磁永磁复合激励振动台以直线阵列式、平面阵列式或三维立体阵列式且并联或串联其电磁线圈组成。该系统可用于模拟实现对如桥梁等大型有较长“长度”设施的抗振动、抗外载荷实验测试工作、用于模拟实现对交通工具、大型建筑物的如道路表面、海浪、地震等影响的抗振动、抗外载荷实验测试研究或者用于模拟实现对交通工具、大型建筑物三维的外载荷冲击、振动以及力作用下的抗外力、抗振动、抗外载荷实验测试研究。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.实现了基于电磁和磁能体复合磁能作用下的直接振动驱动，驱动效率高，节能；

2、振动运动驱动直接，机构简单，刚性好，可靠性好；

3、驱动振动频率可完全由外部施加电信号控制，可实现准静态到高频的宽频振动；

4、容易实现大振幅驱动；也容易实现微小振幅；振动位移精确可控；

5.伸缩应力、应变大小和精度可以通过精确施加磁场或电流的强度来控制，控制简单、方便；

6、具有结构传感环节，振动驱动过程中施加在被测件上的驱动力、加速度、位移等可以被实施监测或换算得到，从而方便实现振动测试的闭环控制。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

其中：(a)为无压力状态示意图，(b)为压力状态示意图。

图2为实施例力控型电磁永磁复合激励振动系统示意图；

其中：(a)为直线阵列，(b)为平面阵列，(c)为立体阵列。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：壳体1、电磁线圈2、磁能体3、4和载物机构5，其中：两个磁能体3、4分别以水平转轴方式上下设置于壳体1内部且相互接触，电磁线圈2位于壳体内部并正对第二磁能体4，载物机构5活动设置于壳体1的顶部并与一个磁能体相接触。

所述的壳体1包括：底座6、转轴支撑框架7、磁路内框体8和机身外框体9，其中：机身外框体9与底座6固定连接，转轴支撑框架7和磁路内框体8分别固定设置于机身外框体9内且位于电磁线圈2的内部和外部。

所述的机身外框体9内部以及磁路内框体8内部均充有冷却介质10；

所述的磁能体由活动设置于壳体1内部且分别与载物机构5和第二磁能体4相接触的第一磁能体3以及固定设置于壳体1内部下方的第二磁能体4组成，其中：第一磁能体3为圆柱形结构，第二磁能体4为椭圆柱型结构。

所述的第一次磁能体3与壳体1内部之间设有复位弹簧11。

所述的电磁线圈2为一个或多个电磁螺线管，具体位于壳体内并设置于第二磁能体4的外侧，当电磁线圈2为一个电磁螺线管时则将磁能体4置于其中心位置；当电磁线圈2为两个以上电磁螺线管时则均匀设置于第二磁能体4的外侧。

所述的载物机构5包括：由上而下依次固定连接的载物台12、结构传感器13、位移输出盘14和位移输出杆体15，其中：位移输出杆体15与壳体1活动连接且其下端与磁能体相接触。

所述的位移输出杆与壳体1之间设有直线轴承16。

所述的结构传感器13为压电力传感器。

所述的载物机构5上设有导向轴17，该导向轴17具体位于位移输出盘14的下表面且与壳体1活动连接，实现导向。

所述的导向轴17与壳体1之间设有直线轴承16。

本装置初始工作状态，在未通入电磁激励信号前，通过复位弹性体为复位弹簧11作用，磁能体为永磁体及其外包底座6被复位弹性体为复位弹簧11压力约束在水平方向上，此时永磁体磁极处于水平方向上。工作时，对电磁线圈2通电，由于其产生的电磁场方向与初始永磁体磁极方向垂直，当电磁场强度足够时，永磁体将发生磁极偏转，随着磁极偏转永磁体的长度方向也从水平方向向竖直方向变化，永磁体向竖直方向偏转，从而在克服复位弹簧11约束力的同时，顶着对转轴承转动的同时顶动位移输出杆体15向上移动，进而顶动位移输出盘14以及结构传感器13最终驱动载物台12和其上将放置的被测试件向上移动，如图虚线所示。

该移动的距离与电磁场强度或外加电流强度成正比，可以通过施加电流对应控制，最大位移为第二磁能体为方向异形的椭圆柱形永磁体中心到磁极方向上端部顶点的距离与到和磁极方向垂直的方向上的端部顶点的距离差值。当位移输出杆体15被顶起之后，切断电流或施加反向电流，那么永磁体将在复位弹簧11的回复压力作用下，或复位弹簧11的回复压力和反向电磁力合力作用下发转直至水平位置，这样位移输出杆体15进而载物台12和其上的测试件会回落。整个驱动过程中，位移输出杆体15的移动以及位移输出盘14的移动都由设置在机身外框体9上的直线轴承16，以及导向轴17和直线轴承16导向，致使驱动振动运动更平稳。另外，介于位移输出盘14和机身外框架体上端盖之间的导向轴17外侧包裹有橡胶支撑弹性体18，这一方面可以起到缓冲载物台12回落时位移输出杆体15对永磁体的冲击，另一方便可以分担位移输出杆体15承载被测试负载的能力，使位移输出杆体15可以驱动更大质量的测试件。另外，在振动台工作过程中，在机身外框架体和磁路内框体8中的空隙部分可充填石蜡等相变类冷却介质10，以阻止电磁线圈2发热。

这样，根据以上说明，本装置随给电磁线圈2加电流或断电，会随着电磁线圈2中施加正反向变化电流，载物台12上的测试件实现一次上下往复运动的过程。基于此，给电磁线圈2重复通、断电流或通入交变电流，那么本装置将实现上下往复振动过程。该振动的振幅和振动频率均可以通过施加电流信号的强弱和频率作对应控制。

同时，本装置的振动台，在载物台12和位移输出盘14之间设有具有足够连接强度的拉压力结构传感器13为压电力传感器，当载物台12推动测试件抬升会回拉下落时，位移输出盘14传递到测试件上的推力和拉力可以被压力传感器等量实时传感。所以，本装置的振动台不仅可以实现振动台功效，而且这振动过程中施加在测试件上的驱动力和驱动加速度或驱动频率都可以被实时检测或通过换算得到，从而最终实现力控型电磁永磁复合激励振动台。

实施例2

如图2所示，本实施例通过将上述若干个力控型电磁永磁复合激励振动台19以直线阵列式、平面阵列式或三维立体阵列式排列，激励相应的被驱动体或被驱动体阵列20，并分别独立控制或并或串联其电磁线圈组成相应力控型电磁永磁复合激励振动系统，该系统可用于模拟实现对如桥梁等大型有较长“长度”设施的抗振动、抗外载荷实验测试工作、用于模拟实现对交通工具、大型建筑物的如道路表面、海浪、地震等影响的抗振动、抗外载荷实验测试研究或者用于模拟实现对交通工具、大型建筑物三维的外载荷冲击、振动以及力作用下的抗外力、抗振动、抗外载荷实验测试研究。

Claims (10)

1.一种力控型电磁永磁复合激励振动台，包括：壳体、电磁线圈、磁能体和载物机构，其特征在于：两个磁能体分别以水平转轴方式上下设置于壳体内部且相互接触，电磁线圈位于壳体内部并正对第二磁能体，载物机构活动设置于壳体的顶部并与一个磁能体相接触。

2.根据权利要求1所述的力控型电磁永磁复合激励振动台，其特征是，所述的壳体包括：底座、转轴支撑框架、磁路内框体和机身外框体，其中：机身外框体与底座固定连接，转轴支撑框架和磁路内框体分别固定设置于机身外框体内且位于电磁线圈的内部和外部。

3.根据权利要求1所述的力控型电磁永磁复合激励振动台，其特征是，所述的磁能体由活动设置于壳体内部且分别与载物机构和第二磁能体相接触的第一磁能体以及固定设置于壳体内部下方的第二磁能体组成，其中：第一磁能体为圆柱形结构，第二磁能体为方向异形结构。

4.根据权利要求3所述的力控型电磁永磁复合激励振动台，其特征是，所述的第一磁能体与壳体内部之间设有复位弹性部件。

5.根据权利要求1或2所述的力控型电磁永磁复合激励振动台，其特征是，所述的电磁线圈为一个或多个电磁螺线管，具体位于壳体内并设置于第二磁能体的外侧。

6.根据权利要求1所述的力控型电磁永磁复合激励振动台，其特征是，所述的载物机构包括：由上而下依次固定连接的载物台、结构传感器、位移输出盘和位移输出杆体，其中：位移输出杆体与壳体活动连接且其下端与磁能体相接触。

7.根据权利要求6所述的力控型电磁永磁复合激励振动台，其特征是，所述的位移输出杆与壳体之间设有直线轴承。

8.根据权利要求1所述的力控型电磁永磁复合激励振动台，其特征是，所述的载物机构上设有导向轴，该导向轴具体位于位移输出盘的下表面且与壳体活动连接，实现导向。

9.根据权利要求8所述的力控型电磁永磁复合激励振动台，其特征是，所述的导向轴与壳体之间设有直线轴承。

10.一种力控型电磁永磁复合激励振动系统，其特征在于由若干个上述任一权利要求所述力控型电磁永磁复合激励振动台以直线阵列式、平面阵列式或三维立体阵列式排列且并联或串联其电磁线圈组成。

Images