雙磁路兩端對稱勵磁的矩形開放磁場式電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于振動計量技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種雙磁路兩端對稱勵磁的矩形開放磁場式電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)振動信號的電磁振動臺是進(jìn)行高精度振動校準(zhǔn)的關(guān)鍵設(shè)備，也是國家振動計量技術(shù)體系的重要組成部分。磁路結(jié)構(gòu)是電磁振動臺中的核心關(guān)鍵部件，一般由永磁體、磁軛、線圈骨架和工作線圈等構(gòu)成，永磁體和磁軛構(gòu)成磁路，在氣隙中產(chǎn)生高均勻度的磁場分布，工作線圈通電后在磁場中受洛倫茲力作用，從而產(chǎn)生精密可控的電磁驅(qū)動力。近年來，航空航天、建筑橋梁、防震減災(zāi)等領(lǐng)域均提出了低頻/超低頻振動校準(zhǔn)的需求。為提高標(biāo)準(zhǔn)振動信號的信噪比，保證低頻/超低頻振動的校準(zhǔn)精度，要求電磁振動臺在保證推力和精度的前提下，具有盡可能大的行程。在大行程電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，存在著振幅、磁場均勻性、電磁驅(qū)動力大小、線性電磁驅(qū)動力特性、加工與裝配精度之間的矛盾，其中的關(guān)鍵和難點(diǎn)是如何通過合理的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過保證加工與裝配精度，在長氣隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)高均勻度的強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，并在線圈通電后獲得理想的線性電磁驅(qū)動力特性，即在全行程內(nèi)輸出的電磁驅(qū)動力大小與工作線圈中的電流成正比，而與工作線圈所處的位置無關(guān)。
[0003]浙江大學(xué)的何聞等提出了一種大行程電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)技術(shù)方案(1.浙江大學(xué)，“大行程電磁振動臺的雙磁路結(jié)構(gòu)”，中國專利號:ZL200710069095.2 ;2.浙江大學(xué)，“一種電磁振動臺”，中國專利號:ZL200820087256.0 ；3.浙江大學(xué)，“具有基于直線光柵尺反饋控制裝置的振動臺”，中國專利號:ZL201110115072.7 ；4.WenHe， et al.“Closed-Double-Magnetic Circuit for a Long-stroke HorizontalElectromagnetic Vibrat1n Exciter，，，IEEE Transact1ns on Magnetics，2011，49 (8):4865-4872)。該技術(shù)方案中，磁體(圓柱形)、中心磁極(磁軛)和筒狀外磁極同軸線裝配，兩磁體的同磁極相對布置、安裝在中心磁極兩端，磁體中心設(shè)有通孔，采用非導(dǎo)磁螺栓進(jìn)行固定，中心磁極同軸裝配在筒狀外磁極內(nèi)部，筒狀線圈套裝在中心磁極上而位于氣隙中。該技術(shù)方案采用雙磁體互補(bǔ)，漏磁較小，磁體利用率高，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的推力、較大的行程和較低的波形失真度指標(biāo)，是國內(nèi)公開報道的具有自主知識產(chǎn)權(quán)和較高實(shí)用化程度的電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)技術(shù)方案之一。
[0004]德國聯(lián)邦物理技術(shù)研宄院(PTB)的Hans-J.von Martens等也提出了一種大行程電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)技術(shù)方案(1.Hans-J.von Martens, et al, " Traceability ofVibra1n and Shock Measurements by Laser Interferometry" ,Measurement，2000，28:3-20)。該技術(shù)方案采用圓柱形軟磁芯、圓筒形永磁體和圓筒形軟磁管，兩永磁體的同磁極相對布置、安裝在圓筒形軟磁管的兩端，軟磁芯同軸裝配在軟磁管的內(nèi)部，通過兩端的軟磁部件形成閉合磁路，線圈骨架和工作線圈均為圓筒形，線圈骨架可滑動地套裝在中心磁軛上。采用該技術(shù)方案的大行程電磁振動臺的振幅可達(dá)lm，配合高性能永磁體和磁軛材料，可實(shí)現(xiàn)較高水平的橫向振動比、波形失真度等主要技術(shù)指標(biāo)。
[0005]上述兩種技術(shù)方案存在的不足之處在于:1)圓筒形外磁軛需進(jìn)行長內(nèi)尺寸加工，加工困難，精度難以保證；2)采用圓柱形永磁體時，永磁體上需加工通孔并通過非導(dǎo)磁螺栓固定在磁軛上，裝配復(fù)雜且會對磁路產(chǎn)生影響；采用圓筒形永磁體時，大尺寸圓筒形永磁體的燒結(jié)、加工、充磁和裝配均較為困難；3)圓筒形外磁軛需套裝在中心磁軛上，如永磁體采用先充磁后裝配的方式，裝配十分困難，裝配精度難以保證；AlNiCo材料的永磁體可采用先裝配后充磁的方式，但由于AlNiCo材料的永磁體矯頑力較低，充磁效果受到限制，性能欠佳，嚴(yán)重制約磁路結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與指標(biāo)。
[0006]美國APS公司的Kenneth Joseph Metzgar等提出了一種大行程電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)技術(shù)方案(Kenneth Joseph Metzgar et al/‘Electrodynamic Force Generator，，，美國專利號:US3816777)。該技術(shù)方案的磁路結(jié)構(gòu)是由4組相同的子裝配體構(gòu)成，每個子裝配體由兩個楔形磁極片、一個銜接塊(軟磁材料)、一個磁體組成，銜接塊分隔并連接兩個楔形磁極片的厚端，形成一個具有長氣隙的鉗形結(jié)構(gòu)，磁體安裝在氣隙中并固定在一個楔形磁極片上，磁體可采用先裝配后充磁的方式。4組子裝配體兩兩層疊后，采用螺栓將兩個層疊的子裝配體固定形成層疊的鉗形結(jié)構(gòu)，再將兩個層疊的鉗形結(jié)構(gòu)的鉗口端對接，并采用臥在楔形磁極片中的螺栓將對接結(jié)構(gòu)連接緊固，形成完整的磁路結(jié)構(gòu)。對接后的磁路結(jié)構(gòu)具有兩條長氣隙，動圈(工作線圈)位于氣隙中。該技術(shù)方案易在氣隙中實(shí)現(xiàn)高磁感應(yīng)強(qiáng)度，且進(jìn)行了較成熟的產(chǎn)品化和推廣。
[0007]該技術(shù)方案存在的不足之處在于:1)整個磁路結(jié)構(gòu)由多個結(jié)構(gòu)組合、拼接構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；小塊永磁體需采用膠粘或其它方式安裝在楔形磁極片上，裝配復(fù)雜，難以保證裝配精度；2)氣隙中某一位置的靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度與該處永磁體的工作點(diǎn)直接相關(guān)，整個氣隙內(nèi)磁場的均勻性難以保證，對小塊永磁體的材料和工藝的一致性要求較高；3)永磁體直接面對氣隙，工作線圈通電后產(chǎn)生的附加磁場會對其強(qiáng)制充磁或去磁，當(dāng)工作線圈中通以較大電流時，容易使永磁體產(chǎn)生不可逆退磁；4)工作線圈通電時，線圈一側(cè)的磁通增大、另一側(cè)磁通減少，由于永磁體直接面對氣隙，磁通增大一側(cè)的磁路容易飽和，此時線圈一側(cè)增加的磁通比另一側(cè)減少的磁通要少，導(dǎo)致線圈所在位置的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，進(jìn)而使產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)振動信號產(chǎn)生失真。
[0008]如前所述，在大行程電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，存在著振幅、磁場均勻性、電磁驅(qū)動力大小、線性電磁驅(qū)動力特性、加工與裝配精度之間的矛盾，設(shè)計的難點(diǎn)和關(guān)鍵是通過合理的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計，在長氣隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)高均勻度的強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，并使工作線圈通電后在全行程內(nèi)輸出的電磁驅(qū)動力與電流大小成正比，而與工作線圈所處位置無關(guān)，即獲得理想的線性電磁驅(qū)動力特性。而現(xiàn)有技術(shù)均存在各種問題與不足之處，氣隙內(nèi)靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性和線圈通電后輸出電磁驅(qū)動力的線性度指標(biāo)很難有進(jìn)一步提升。
[0009]其中的關(guān)鍵問題有三點(diǎn):(1)長氣隙內(nèi)主磁路磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性難以保證。線圈通電前，永磁體勵磁形成主磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，隨著電磁振動臺行程的增大，長氣隙內(nèi)磁場的非均勻性問題變得十分突出，嚴(yán)重制約線圈通電后輸出電磁驅(qū)動力的線性度；有研宄人員嘗試通過調(diào)整電流波形進(jìn)行補(bǔ)償，但效果難以保證，尤其是對高階磁場非均勻性誤差補(bǔ)償效果較差，目前國內(nèi)外尚未提出真正有效且具有較高實(shí)用性的補(bǔ)償方法。(2)工作線圈通電后產(chǎn)生電樞反應(yīng)的影響。工作線圈通電后產(chǎn)生附加磁場，與主磁場疊加耦合，對主磁場產(chǎn)生增磁或去磁作用，使氣隙內(nèi)不同位置、尤其工作線圈所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布變得不均勻，該現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。受電樞反應(yīng)影響，在行程內(nèi)不同位置處當(dāng)線圈所加載的電流密度相同時，輸出的電磁驅(qū)動力不一致；而在氣隙的同一位置處電磁驅(qū)動力的大小與電流密度不成正比，存在一定的非線性。電樞反應(yīng)是電磁振動臺產(chǎn)生波形失真度的關(guān)鍵因素之一，它的影響隨驅(qū)動電流的增大而增大，是電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難題。
(3)長磁軛與大尺寸永磁體加工與裝配困難、精度難以保證。大行程電磁振動臺的磁路結(jié)構(gòu)中，長中心磁軛需采用合理的方式以兩端支撐方式固定，為保證磁路結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和完整性，磁通密集的關(guān)鍵部位應(yīng)盡量避免加工通孔/螺紋孔等安裝結(jié)構(gòu)；大尺寸永磁體的燒結(jié)、加工與裝配均十分困難，成品率低，永磁體為脆性材料且價格昂貴，裝配方法及結(jié)構(gòu)不合理容易損壞，一般不宜在永磁體上加工通孔等形式的安裝結(jié)構(gòu)；同時要獲得較大的電磁驅(qū)動力，一般采用NdFeB等材料的強(qiáng)磁永磁體，強(qiáng)磁永磁體零件裝配過程中需要克服巨大的磁吸力，是該技術(shù)領(lǐng)域的一個難題。
[0010]此外，在大行程電磁振動臺的工作過程中，工作線圈中通入的是交變驅(qū)動電流，電流幅值最大可達(dá)幾十安培，線圈在長氣隙中沿軸線方向以正弦規(guī)律往復(fù)運(yùn)動。根據(jù)電磁場理論，交變電流及線圈運(yùn)動產(chǎn)生的交變磁場會在磁軛表面，尤其是與氣隙相鄰的磁軛表面會產(chǎn)生電渦流，引起渦流損耗。渦流損耗一方面會產(chǎn)生功率最高可達(dá)幾百瓦的熱損耗，發(fā)熱量驚人，進(jìn)而帶來一系列的熱擾動與熱變形問題；另一方面交變磁場及電渦流引起的瞬態(tài)場問題，會使實(shí)際的性能指標(biāo)與按傳統(tǒng)設(shè)計理論和分析方法得到的結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，嚴(yán)重影響設(shè)計精度與效果。渦流損耗是電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個難題，目前國內(nèi)外尚未找到有效的解決辦法。
[0011]綜上，受上述問題制約，采用現(xiàn)有技術(shù)方案產(chǎn)生的標(biāo)