長永磁管向心勵磁的圓柱形封閉磁場式低頻振動校準臺的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于振動計量技術領域，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臺。
【背景技術】
[0002]在振動計量技術領域，產生標準振動信號的振動校準臺是實現高精度振動校準的核心設備，也是構成國家振動計量技術體系的重要裝備。高精度振動校準臺一般均采用電磁振動臺形式。近年來，航空航天、建筑橋梁、防震減災等領域均提出了低頻/超低頻振動校準的需求。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，要求振動校準臺在保證推力和精度的前提下，具有盡可能大的行程。在大行程振動校準臺的設計過程中，存在著振幅、磁場均勻性、電磁驅動力大小、線性電磁驅動力特性、運動導向精度、加工與裝配精度之間的矛盾，其中的關鍵和難點是如何通過合理的電磁設計與結構設計，并通過保證加工與裝配精度，在長氣隙內實現高均勻度的強磁感應強度分布，并使線圈通電后在全行程內輸出的電磁驅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，即獲得理想的線性電磁驅動力特性。
[0003]浙江大學的何聞等提出了一種大行程振動校準臺技術方案(1.浙江大學，“大行程電磁振動臺的雙磁路結構”，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.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軌進行導向，線圈通電后在磁場中受力并產生運動，產生標準振動信號。該技術方案采用雙磁體互補，漏磁較小，磁體利用率高，能夠實現較大的推力、較大的行程和較低的波形失真度指標，是國內公開報道的具有自主知識產權和較高實用化程度的振動校準臺技術方案之一。
[0004]德國聯邦物理技術研宄院(PTB)的Hans-J.von Martens等也提出了一種大行程振動校準臺技術方案(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，并與氣浮運動部件固定連接，通過氣浮導軌進行導向。采用該技術方案的大行程振動校準臺的振幅較大，配合高性能永磁體和磁軛材料，可實現較高水平的橫向振動比、波形失真度等技術指標。
[0005]上述兩種技術方案存在的不足之處在于:1)圓筒形外磁軛需進行長內尺寸加工，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生影響；采用圓筒形永磁體時，大尺寸圓筒形永磁體的燒結、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，嚴重制約力學性能與指標。
[0006]美國APS公司的Kenneth Joseph Metzgar等也提出了一種大行程振動校準臺技術方案(Kenneth Joseph Metzgar et al/‘Electrodynamic Force Generator，，，美國專利號:US3816777)。該技術方案中得電磁驅動結構是由4組相同的子裝配體構成，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構，磁體安裝在氣隙中并固定在一個楔形磁極片表面，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，采用螺栓將兩個層疊的子裝配體固定形成兩個相同結構的部件，再將這兩個部件的鉗口端對接，并采用臥在楔形磁極片中的螺栓將對接結構連接緊固，形成完整的電磁驅動結構。對接后的電磁驅動結構具有兩條長氣隙，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行導向。該技術方案易在氣隙中實現高磁感應強度，且進行了較成熟的產品化和推廣。
[0007]該技術方案存在的不足之處在于:1)電磁驅動結構由多個結構組合、拼接構成，結構復雜；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磁感應強度與該處永磁體的工作點直接相關，整個氣隙內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，工作線圈通電后產生的附加磁場會對其產生強制充磁或去磁作用，當工作線圈中通以較大電流時，容易使永磁體產生不可逆退磁；4)工作線圈通電時，線圈一側的磁通增大、另一側磁通減少，由于永磁體直接面對氣隙，磁通增大一側的磁路容易飽和，此時線圈一側增加的磁通比另一側減少的磁通要少，導致線圈所在位置的平均磁感應強度降低，進而使產生的標準振動信號產生波形失真。
[0008]如前所述，在大行程振動校準臺的設計過程中，存在著振幅、磁場均勻性、電磁驅動力大小、線性電磁驅動力特性、運動導向精度、加工與裝配精度之間的矛盾，設計的難點和關鍵是通過合理的電磁設計與結構設計，在長氣隙內實現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輸出的電磁驅動力與電流大小成正比，而與工作線圈所處的位置無關，即獲得理想的線性電磁驅動力特性。而現有技術均存在各種問題與不足，氣隙內靜態磁感應強度分布的均勻性、線圈通電后輸出電磁驅動力的線性度指標很難有進一步提升。其中的關鍵問題有三點:
[0009](1)長氣隙內主磁路磁感應強度分布的均勻性難以保證。線圈通電前，永磁體勵磁形成穩定的主磁路磁感應強度分布，隨著振動校準臺行程的增大，長氣隙內磁場的均勻性很難保證，直接影響線圈通電后輸出電磁驅動力的線性度；有研宄人員嘗試通過調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欠佳，目前國內外尚未提出有效的且具有較高實用性的補償方法。
_0] (2)工作線圈通電后的電樞反應制約輸出電磁驅動力的線性度及輸出振動波形的失真度指標。工作線圈通電后會產生附加磁場，該附加磁場與主磁場疊加親合，對主磁場產生增磁或去磁作用，使氣隙內不同位置、尤其工作線圈所在位置的磁感應強度分布變得不均勻，該現象稱為電樞反應。受電樞反應影響，在行程內不同位置當線圈所加載電流密度相同時，輸出的電磁驅動力不一致；而在同一位置電磁驅動力的大小與電流密度不成正比，存在一定的非線性。電樞反應是振動校準臺輸出振動波形產生失真度的關鍵因素之一，它的影響隨驅動電流的增大而增大，是振動校準臺設計中的一個難題。
[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，為保證磁通的連續性和完整性，磁通密集的關鍵部位應盡量避免加工通孔/螺紋孔等安裝結構；大尺寸永磁體的燒結、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格昂貴，裝配方法及結構不合理容易導致損壞，一般不宜在永磁體上加工通孔等形式的安裝結構；同時要獲得較大的電磁驅動力，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，是本技術領域的一個難題。
[0012]此外，渦流損耗也是影響振動校準臺精度與性能的一個難題。在振動校準臺工作時，工作線圈中通入的是交變驅動電流，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律往復運動，根據電磁場理論，交變電流及線圈運動產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生電渦流，引起渦流損耗。渦流損耗一方面會產生功率最高可達幾百瓦的熱損耗，發熱量驚人，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場問題，會使實際的性能指標相對按傳統設計理論、分析方法得到的結果產生較大偏差，嚴重影響設計精度與效果。渦流損耗是振動校準臺設計中的一個難題，目前國內外尚未找到有效