長永磁管向心勵磁的圓柱形封閉磁場式低頻振動校準(zhǔn)臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于振動計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種長永磁管向心勵磁的圓柱形封閉磁場式低頻振動校準(zhǔn)臺。
【背景技術(shù)】
[0002]在振動計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)振動信號的振動校準(zhǔn)臺是實(shí)現(xiàn)高精度振動校準(zhǔn)的核心設(shè)備，也是構(gòu)成國家振動計(jì)量技術(shù)體系的重要裝備。高精度振動校準(zhǔn)臺一般均采用電磁振動臺形式。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，要求振動校準(zhǔn)臺在保證推力和精度的前提下，具有盡可能大的行程。在大行程振動校準(zhǔn)臺的設(shè)計(jì)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、運(yùn)動導(dǎo)向精度、加工與裝配精度之間的矛盾，其中的關(guān)鍵和難點(diǎn)是如何通過合理的電磁設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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，并使線圈通電后在全行程內(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)，即獲得理想的線性電磁驅(qū)動力特性。
[0003]浙江大學(xué)的何聞等提出了一種大行程振動校準(zhǔn)臺技術(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.Wen He，et al.“Closed-Double-MagneticCircuit for a Long-stroke Horizontal Electromagnetic Vibrat1n Exciter，，， IEEETransact1ns on Magnetics，2011，49 (8):4865-4872)。該技術(shù)方案中，圓柱形磁體、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、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，線圈與氣浮套固定連接而通過氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，線圈通電后在磁場中受力并產(chǎn)生運(yùn)動，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)振動信號。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(bào)道的具有自主知識產(chǎn)權(quán)和較高實(shí)用化程度的振動校準(zhǔn)臺技術(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振動校準(zhǔn)臺技術(shù)方案(1.Hans-J.von Martens, et al, " Traceability of Vibrat1n andShock 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、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，線圈骨架套裝在中心磁軛上，并與氣浮運(yùn)動部件固定連接，通過氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向。采用該技術(shù)方案的大行程振動校準(zhǔn)臺的振幅較大，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(shí)，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(shí)，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；如采用AlNiCo材料的永磁體，可采用先裝配后充磁的方式，但由于AlNiCo材料永磁體矯頑力較低，性能欠佳，嚴(yán)重制約力學(xué)性能與指標(biāo)。
[0006]美國APS公司的Kenneth Joseph Metzgar等也提出了一種大行程振動校準(zhǔn)臺技術(shù)方案(Kenneth Joseph Metzgar et al/‘Electrodynamic Force Generator，，，美國專利號:US3816777)。該技術(shù)方案中得電磁驅(qū)動結(jié)構(gòu)是由4組相同的子裝配體構(gòu)成，每個(gè)子裝配體由兩個(gè)楔形磁極片、一個(gè)銜接塊(軟磁材料)、一個(gè)磁體組成，銜接塊分隔并連接兩個(gè)楔形磁極片的厚端，形成一個(gè)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(gè)楔形磁極片表面，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(gè)層疊的子裝配體固定形成兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的部件，再將這兩個(gè)部件的鉗口端對接，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，形成完整的電磁驅(qū)動結(jié)構(gòu)。對接后的電磁驅(qū)動結(jié)構(gòu)具有兩條長氣隙，動圈(工作線圈)位于氣隙中，并通過軸承和沿軸線方向的軸承桿進(jìn)行導(dǎo)向。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)電磁驅(qū)動結(jié)構(gòu)由多個(gè)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(gè)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產(chǎn)生強(qiáng)制充磁或去磁作用，當(dāng)工作線圈中通以較大電流時(shí)，容易使永磁體產(chǎn)生不可逆退磁；4)工作線圈通電時(shí)，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(shí)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)生波形失真。
[0008]如前所述，在大行程振動校準(zhǔn)臺的設(shè)計(jì)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、運(yùn)動導(dǎo)向精度、加工與裝配精度之間的矛盾，設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和關(guān)鍵是通過合理的電磁設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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，而與工作線圈所處的位置無關(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，氣隙內(nèi)靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性、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。其中的關(guān)鍵問題有三點(diǎn):
[0009](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，永磁體勵磁形成穩(wěn)定的主磁路磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，隨著振動校準(zhǔn)臺行程的增大，長氣隙內(nèi)磁場的均勻性很難保證，直接影響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)償效果欠佳，目前國內(nèi)外尚未提出有效的且具有較高實(shí)用性的補(bǔ)償方法。
_0] (2)工作線圈通電后的電樞反應(yīng)制約輸出電磁驅(qū)動力的線性度及輸出振動波形的失真度指標(biāo)。工作線圈通電后會產(chǎn)生附加磁場，該附加磁場與主磁場疊加親合，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)不同位置當(dāng)線圈所加載電流密度相同時(shí)，輸出的電磁驅(qū)動力不一致；而在同一位置電磁驅(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)是振動校準(zhǔn)臺輸出振動波形產(chǎn)生失真度的關(guān)鍵因素之一，它的影響隨驅(qū)動電流的增大而增大，是振動校準(zhǔn)臺設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題。
[0011](3)長磁軛與大尺寸永磁體加工與裝配困難、精度難以保證。大行程振動校準(zhǔn)臺中，長中心磁軛需采用合理的方式以兩端支撐方式固定，為保證磁通的連續(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，成品率很低，永磁體為脆性材料且價(jià)格昂貴，裝配方法及結(jié)構(gòu)不合理容易導(dǎo)致?lián)p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(shí)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，是本技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)難題。
[0012]此外，渦流損耗也是影響振動校準(zhǔn)臺精度與性能的一個(gè)難題。在振動校準(zhǔn)臺工作時(shí)，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)相對按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論、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(jì)精度與效果。渦流損耗是振動校準(zhǔn)臺設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題，目前國內(nèi)外尚未找到有效