导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器

1.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单端中心励磁圆柱形电磁执行器。


背景技术：

2.在航空航天、防震减灾、精密隔微振等领域的相关研究对电磁执行器的性能要求越来越高，传统上驱动与导向机构分离式的电磁执行器在装配时易引入误差，使电磁驱动波形失真严重，横向振动比高；分离的驱动与导向机构需要较大的运动部件尺寸，而大尺寸意味着大质量，会严重削弱其电磁驱动能力，且不利于设备结构的紧凑性。因此通过有效的设计方法实现电磁执行器高装配精度与运动部件轻质量是提高其性能的关键。
3.专利号为cn201510236281.5公开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。提出一种圆柱形封闭式磁场结构设计，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。
4.专利号为cn201811332560.1公开了一种振动台。其通过磁路装置产生磁场，在动圈骨架外围固定空气轴承，减小横向扰动。直流线圈和激励线圈径向缠绕于动圈骨架外周壁，直流线圈位于线性磁场区，通以直流激励使动圈定位于直流电安培力与其重力相等的位置，以抵消重力和确定零位。激励线圈位于匀强磁场区，通以交流激励产生标准振动。
5.综上所述，导向装置与驱动结构分离，增大了电磁驱动结构与导向装置轴向平行固定安装的难度，易使振动波形失真，并产生横向振动；导向与驱动机构的分离，有碍于运动部件的小型化、轻质量设计，严重制约电磁执行器的驱动能力，而对常进行大型振动传感器校准的低频电磁振动台而言，负载能力更加重要；并且专利cn201811332560.1将直流线圈置于近似线性磁场区，其非线性会降低振动波形精度。
6.因此，通过电磁振动校准台的结构及原理创新，提供一种导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器。


技术实现要素：

7.(一)解决的技术问题
8.针对现有技术的不足，本发明提供一种导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器，降低了运动部件装配难度，减小了运动部件自重，有效提高了电磁执行器的装配精度和驱动能力。
9.(二)技术方案
10.为实现上述目的，本技术实施例提供了一种导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器，包括电磁驱动部件和运动部件；所述电磁驱动部件包括呈圆桶形的下磁轭、
设置于所述下磁轭上侧的呈环形的上磁轭、设置于所述下磁轭上侧的呈圆柱形的永磁体、设置于所述永磁体上侧的呈圆柱形的中心磁轭；所述下磁轭和上磁轭的内侧与所述永磁体和中心磁轭围合形成运动腔；所述上磁轭和所述中心磁轭之间设置有气隙；所述运动部件包括位于所述中心磁轭上侧的工作台面，在所述工作台面靠近所述中心磁轭的一侧面设置有线圈骨架，所述线圈骨架呈环形，且滑动套接于所述中心磁轭的外侧；所述线圈骨架的外侧壁缠绕有直流线圈和激励线圈，所述直流线圈通入固定大小的直流电，以产生与所述运动部件重力方向相反的安培力；所述激励线圈通入可控的驱动电流，以产生电磁驱动力。
11.优选的，所述线圈骨架上设置有静压气浮结构，所述静压气浮结构控制所述线圈骨架和所述中心磁轭之间形成静压气膜。
12.优选的，所述静压气浮结构包括开设于所述线圈骨架内的圆筒形腔式气室，所述线圈骨架靠近所述中心磁轭的一侧面开设有出气孔，所述出气孔连通所述气室，且所述出气孔均匀分布于所述线圈骨架内表面；所述线圈骨架远离所述中心磁轭的外表面开设有进气孔，所述进气孔连接所述气室，所述进气孔连接供气源。
13.优选的，所述下磁轭、上磁轭、永磁体和中心磁轭同轴心设置。
14.优选的，所述上磁轭上开设有磁轭固定孔；所述上磁轭的下侧面可拆卸连接所述下磁轭；所述运动腔内设置有对所述永磁体和中心磁轭进行固定的安装架；所述安装架呈环形，且于所述安装架上开设有呈环形的安装台和安装孔；所述安装台的内侧壁下端抵接所述永磁体，所述安装台的内侧壁上端抵接所述中心磁轭，所述安装架的下侧可拆卸连接所述下磁轭；所述安装架覆盖所述永磁体。
15.优选的，所述线圈骨架和所述中心磁轭之间设置有滑动导轨或滚动导轨。
16.优选的，所述永磁体包括一块永磁体或相互粘接的多块永磁体。
17.优选的，所述直流线圈和激励线圈位于气隙内，且位于磁场分布均匀区域内；所述直流线圈与所述激励线圈可相互连接。
18.优选的，所述固定大小的直流电由以下公式计算：i
dc
＝mg/(bl)；公式中，i
dc
为直流线圈所通入直流电的大小，m为运动部件及工作台面上固定的相关组件的总质量，g为重力加速度，b为气隙内分布的平均磁感应强度，l为直流线圈的长度。
19.(三)有益效果
20.本发明提供了一种导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器，通过设置的下磁轭、永磁体、上磁轭、中心磁轭和安装架，可以实现下磁轭、永磁体、上磁轭、中心磁轭的快速同轴安装；静压气浮结构与中心磁轭复合的设计方案，有效降低了运动部件装配难度，减小了运动部件自重，提高了电磁执行器的装配精度和驱动能力；此外，直流线圈位于磁场分布均匀区域，避免了引入干扰。
21.具体有益效果如下：
22.(1)本发明采用的永磁体单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，且气隙边缘效应影响小，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。
23.(2)本发明把中心磁轭加工成导向轴、把线圈骨架制作为滑动机构，完成了导向与驱动复合的电磁执行器设计，实现了高装配精度。运动部件作为滑动机构套装在中心磁轭
构成的导向轴上，通过静压气浮结构、滑动导轨形式或滚动导轨形式，实现了导向与驱动一体化，最大程度的保证了运动部件与电磁驱动结构的轴向平行，达到了高装配精度，避免因装配误差而产生横向振动。
24.(3)本发明实现了电磁执行器的小型化设计，可提高其负载能力。导向与驱动一体化的电磁执行器，结构紧凑，装置体积更小，利于安装运输。小运动部件尺寸，实现了运动部件的轻质量，有效提高了电磁执行器的负载能力。
25.(4)本发明可避免直流线圈在气隙的近似线性区受非线性力，而加大振动谐波失真的问题。将直流线圈置于气隙磁场分布均匀区域，通以固定大小的直流电使其受与运动部件重力相等的安培力，避免因非线性电磁力给振动带来谐波干扰。
附图说明
26.图1为导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器的结构示意图；
27.图2为导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器的剖视图；
28.图3为导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器中突出安装架的剖视图；
29.图4为导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器中突出安装架的示意图；
30.图5为导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器中磁极分布方式和磁路示意图；
31.图6为导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器中突出运动部件的剖视图；
32.图7为导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器中突出静压气浮结构的示意图；
33.图8为导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器中突出进气孔位置的示意图。
34.附图中标记：
35.100、电磁驱动部件；110、下磁轭；120、永磁体；130、上磁轭；130a、磁轭安装孔；140、运动腔；150、中心磁轭；160、气隙；170、安装架；170a、安装台；170b、安装孔；
36.200、运动部件；210、工作台面；220、线圈骨架；230、直流线圈；240、激励线圈；250、静压气浮结构；251、气室；252、出气孔；253、进气孔。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例
39.本发明提供了一种导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器，参见图1-图8，包括电磁驱动部件100和运动部件200。
40.电磁驱动部件100包括呈圆桶形的下磁轭110、设置于下磁轭110上侧的呈环形的上磁轭130、设置于下磁轭110上侧的呈圆柱形的永磁体120、设置于永磁体120上侧的呈圆柱形的中心磁轭150；下磁轭110和上磁轭130的内侧与永磁体120和中心磁轭150围合形成运动腔140；上磁轭130和中心磁轭150之间设置有气隙160。本实施例中，气隙160的宽度为10mm，其中形成了高均匀度的磁感应强度分布。
41.进一步的，下磁轭110、上磁轭130、永磁体120和中心磁轭150同轴心设置。
42.上磁轭130上开设有磁轭安装孔130a；上磁轭130的下侧面可拆卸连接下磁轭110；在安装时，可以通过螺栓穿过磁轭安装孔130a与下磁轭110连接固定。
43.运动腔140内设置有对永磁体120和中心磁轭150进行固定的安装架170；安装架170呈环形，且于安装架170上开设有呈环形的安装台170a和安装孔170b；在安装时，可以通过螺栓穿过安装孔170b与下磁轭110连接固定。安装台170a的内侧壁下端抵接永磁体120，安装台170a的内侧壁上端抵接中心磁轭150，安装架170的下侧可拆卸连接下磁轭110；安装架170覆盖永磁体120。通过设置的安装架170，可以对永磁体120和中心磁轭150的位置进行固定。
44.需要说明的是，本实施例中，安装架170采用不导磁材料，如铝合金制成。
45.永磁体120包括一块永磁体120或相互粘接的多块永磁体120。
46.具体的，永磁体120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。下磁轭110、中心磁轭150、上磁轭130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。
47.永磁体120励磁形成主磁路的磁力线所经过的路径如图5所示，其从永磁体120的n极出发，依次经过下磁轭110、上磁轭130、气隙160、中心磁轭150，然后回到永磁体120的s极形成闭合磁路。
48.运动部件200的材料为陶瓷或铝合金或铍。具体包括位于中心磁轭150上侧的工作台面210，在工作台面210靠近中心磁轭150的一侧面设置有线圈骨架220，线圈骨架220呈环形，且滑动套接于中心磁轭150的外侧；线圈骨架220的外侧壁缠绕有直流线圈230和激励线圈240，直流线圈230通入固定大小的直流电，以产生与运动部件200重力方向相反的安培力；激励线圈240通入可控的驱动电流，以产生电磁驱动力。
49.运动部件200采用铝合金制成，整体呈圆桶形。
50.直流线圈230和激励线圈240采用绝缘铜漆包线在线圈骨架220外表面缠绕形成，截面是o形，厚度为3mm，所通最大电流密度为5a/mm2。电磁振动台磁路结构装配完成后，直流线圈230、激励线圈240和线圈骨架220位于气隙160中。
51.固定大小的直流电由以下公式计算：i
dc
＝mg/(bl)。公式中，i
dc
为直流线圈230所通入直流电的大小，m为运动部件200及工作台面210上固定的相关组件的总质量，g为重力加速度，b为气隙160内分布的平均磁感应强度，l为直流线圈230的长度。
52.直流线圈230和激励线圈240位于气隙160内，且位于磁场分布均匀区域内；当直流线圈230不需要抵消运动部件200的重力时，可将直流线圈230与激励线圈240相互连接，通入驱动电流实现大电磁驱动力。
53.激励线圈240通入控制信号经功率放大器放大后，有效值最高达几十安培的功率电流，根据电磁场理论，磁场中通电的激励线圈240受到垂直方向安培力作用，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，运动部件200将在电磁驱动力的作用下沿轴向产生标准正弦振动。
54.在一种实施例中，线圈骨架220上设置有静压气浮结构250，静压气浮结构250控制线圈骨架220和中心磁轭150之间形成静压气膜。该静压气浮结构250用于产生垂向标准振动，在本实施例中，最大行程为10mm。
55.静压气浮结构250包括开设于线圈骨架220内的圆筒形腔式气室251，线圈骨架220靠近中心磁轭150的一侧面开设有出气孔252，出气孔252连通气室251，且出气孔252均匀分布于线圈骨架220内表面。线圈骨架220远离中心磁轭150的外表面开设有进气孔253，进气孔253连接气室251，进气孔253连接供气源。具体的，气孔的直径可以为2mm。
56.本实施例中，线圈骨架220的下截面为环形，直径为80mm。本静压气浮结构250通过线圈骨架220套装在中心磁轭150上，实现了静压气浮导轨与电磁驱动结构的轴向完全平行，保证装配精度；装配过程中线圈骨架220的内侧表面与中心磁轭150的尺寸配合，能够很方便地完成线圈骨架220与中心磁轭150的套装，且装配具有高可靠性。
57.在另一种实施例中，线圈骨架220和中心磁轭150之间还可以设置滑动导轨或滚动导轨。
58.本发明提供了一种导向与驱动复合的单端中心励磁圆柱形电磁执行器，通过设置的下磁轭110、上磁轭130、永磁体120、中心磁轭150和安装架170，可以实现下磁轭110、上磁轭130、永磁体120、中心磁轭150的快速同轴安装，同时通过设置的静压气浮结构250与中心磁轭150一体化设计的方案，最大程度地降低了运动部件200装配难度，减小了运动部件200自重，可有效提高电磁执行器的装配精度和驱动能力；此外，直流线圈230位于磁场分布均匀区域，避免了引入干扰。
59.具体有益效果如下：
60.(1)本发明采用的永磁体120单端中心励磁的磁路结构可在气隙160中产生分布更加均匀的磁感应强度，且气隙160边缘效应影响小，适合对运动精度要求高的场合。由于永磁体120在磁路结构内部，在工作台面210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120，便于制造，生产成本低。
61.(2)本发明把中心磁轭150加工成导向轴、把线圈骨架220制作为滑动机构，完成了导向与驱动复合的电磁执行器设计，实现了高装配精度。运动部件200作为滑动机构套装在中心磁轭150构成的导向轴上，通过静压气浮结构250、滑动导轨形式或滚动导轨形式，实现了导向与驱动一体化，最大程度的保证了运动部件200与电磁驱动结构的轴向平行，达到了高装配精度，避免因装配误差而产生横向振动。
62.(3)本发明实现了电磁执行器的小型化设计，可提高其负载能力。导向与驱动一体化的电磁执行器，结构紧凑，装置体积更小，利于安装运输。小运动部件200尺寸，实现了运动部件200的轻质量，有效提高了电磁执行器的负载能力。
63.(4)本发明可避免直流线圈230在气隙160的近似线性区受非线性力，而加大振动谐波失真的问题。将直流线圈230置于气隙160磁场分布均匀区域，通以固定大小的直流电使其受与运动部件200重力相等的安培力，避免因非线性电磁力给振动带来谐波干扰。
64.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
65.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接、可以是机械连接，也可以是电连接、可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
66.以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。