磁場跟蹤補償?shù)乃拇怕穼ΨQ勵磁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)明屬于振動校準裝置領(lǐng)域，主要涉及一種磁場跟蹤補償?shù)乃拇怕穼ΨQ勵磁矩形開放磁場式電磁振動臺磁路結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，航空航天、建筑橋梁、防震減災等領(lǐng)域均提出了低頻/超低頻振動校準的需求。產(chǎn)生標準振動信號的電磁振動臺是進行高精度振動校準的關(guān)鍵設(shè)備。為提高標準振動信號的信噪比，保證低頻/超低頻振動的校準精度，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)實現(xiàn)高均勻度的強磁感應強度分布，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，“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，“一種電磁振動臺”，中國專利號:ZL200820087256.0 ；3.浙江大學，“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.αClosed-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，采用非導磁螺栓進行固定，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，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，是國內(nèi)公開報道的具有自主知識產(chǎn)權(quán)和較高實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 ofVibrat1n 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lm，配合高性能永磁體和磁軛材料，可實現(xiàn)較高水平的橫向振動比、波形失真度等主要技術(shù)指標。
[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磁螺栓固定在磁軛上，裝配復雜且會對磁路產(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，嚴重制約磁路結(jié)構(gòu)的力學性能與指標。
[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)方案易在氣隙中實現(xiàn)高磁感應強度，且進行了較成熟的產(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，裝配復雜，難以保證裝配精度；2)氣隙中某一位置的靜態(tài)磁感應強度與該處永磁體的工作點直接相關(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制充磁或去磁，當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，導致線圈所在位置的平均磁感應強度降低，進而使產(chǎn)生的標準振動信號產(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)實現(xiàn)高均勻度的強磁感應強度分布，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)磁感應強度分布的均勻性和線圈通電后輸出電磁驅(qū)動力的線性度指標很難有進一步提升。
[0009]其中的關(guān)鍵問題有三點:(1)長氣隙內(nèi)主磁路磁感應強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強度分布，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)整電流波形進行補償，但效果難以保證，尤其是對高階磁場非均勻性誤差補償效果較差，目前國內(nèi)外尚未提出真正有效且具有較高實用性的補償方法。
[0010](2)工作線圈通電后產(chǎn)生電樞反應的影響。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強度分布變得不均勻，該現(xiàn)象稱為電樞反應。受電樞反應影響，在行程內(nèi)不同位置處當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。
[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等材料的強磁永磁體，強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。
[0012]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，電流幅值最大可達幾十安培，線圈在長氣隙中沿軸線方向以正弦規(guī)律往復運動。根據(jù)電磁場理論，交變電流及線圈運動產(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)生功率最高可達幾百瓦的熱損耗，發(fā)熱量驚人，進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，會使實際的性能指標與按傳統(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。
[0013]綜上，受上述問題制約，采用現(xiàn)有技術(shù)方案產(chǎn)生的標準低頻振動在波形失真度等指標上很難再有突破，難以滿足低頻/超低頻振動的高精度校準，尤其是下一代具有甚低頻和超精密特征的振動校準的需求。因此，如何通過方法、結(jié)構(gòu)、材料和優(yōu)化設(shè)計等環(huán)節(jié)的創(chuàng)新，提出具有超大行程、超低工作頻率和超高精度