一种多频复合振动模拟器及其实现多频复合振动的方法
【专利摘要】一种多频复合振动模拟器，其包含：定子机构，其包含定子导磁环、线圈绕组以及定子铁芯，三者构建成电励磁磁路；动子机构，设置在定子机构内，动子机构包含动子铁芯以及与线圈绕组对应设置的永磁体；线圈绕组获得变换的电流输入，从而调节磁场强度，永磁体在磁力作用下实现动子机构在多频面内复合振动位移输出。其优点是：具有多频面内振动复合的特点，可以用于复杂振动工况的模拟，可实现范围广，具有很好的应用前景。
【专利说明】
-种多频复合振动模拟器及其实现多频复合振动的方法
技术领域
[0001] 本发明设及电磁激励原理和结构设计技术领域，具体设及一种在建立大型柔性结 构振动模拟系统过程中使用的能够提供面内多频复杂振动输出的多频复合振动模拟器及 其实现多频复合振动的方法。
【背景技术】
[0002] 随着空间技术的发展，大型柔性结构应用范围将越来越广，其结构振动的模拟，设 及到平面振动，扭转振动和多频振动复合叠加振动形式的模拟，因此，需要设计一种具备面 内多频振动模拟功能的振动模拟装置。
[0003] 目前，振动模拟器的设计形式主要集中在单向振动输出形式或是振动台复合作用 方式，主要应用于在汽车等结构振动测试方面，在振动模拟及多种振动方式叠加禪合输出 方面尚未有相关专利成果。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种多频复合振动模拟器及其实现多频复合振动的方法， 其采用电磁激励原理，其成非接触式结构形式，设计了面内平动和转动的=个方向面内多 频符合振动模拟器，能够进行面内任意振动工况的模拟。
[0005] 为了达到上述目的，本发明通过W下技术方案实现：
[0006] -种多频复合振动模拟器，其特征是，包含：
[0007] 定子机构，其包含定子导磁环、线圈绕组W及定子铁忍，=者构建成电励磁磁路； [000引动子机构，设置在定子机构内，动子机构包含动子铁忍W及与线圈绕组对应设置 的永磁体;线圈绕组获得变换的电流输入，从而调节磁场强度，永磁体在磁力作用下实现动 子机构在多频面内复合振动位移输出。
[0009] 上述的多频复合振动模拟器，其中：
[0010] 动子机构具有一原点，其外部设有两组原点对称安装的线圈绕组，每组中的两个 线圈绕组对角设置且W原点为中屯、成中屯、对称偏置。
[0011] 上述的多频复合振动模拟器，其中：
[0012] 动子机构非接触地设置在定子机构内，线圈绕组和定子铁忍构成的磁极与动子机 构之间形成气隙。
[0013] 上述的多频复合振动模拟器，其中：
[0014] 动子铁忍同被作用对象通过浮力球较连接。
[0015] 上述的多频复合振动模拟器，其中，还包含：
[0016] 过载保护机构，将动子铁忍限位在定子机构的框架范围内。
[0017] -种利用所述的多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征是：
[0018] 根据被激对象的被激特性，调整线圈绕组输出多频振动模拟剪切力和/或扭转力 矩。
[0019] 上述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其中，线圈绕组输出的多 频振动摇视前巧力^，
[0020]
[0021] 式中，Fc为通用的多频复合振动模拟器径向的电磁激励力，即对外输出剪切方向 的力;y〇为真空磁导率;Ac为通用的磁极面积;Nc为通用的线圈应数;Ic为通用的线圈电流;8。 为通用的磁极与动子表面间的气隙。
[0022] 上述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其中，线圈绕组输出多频 振动模巧一 1' 一
[0023]
[0024] 式中，M为作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器上、下方向动子 力偶输出，^为多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。
[0025] 上述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其中，线圈绕组输出多频 振动模拟剪切力和扭转力矩复合作用时：
[0026]
;
[0027] 式中，F为作用在动子上的面内合力，巧I，巧2为多频复合振动模拟器前、后方向动 子电磁激励力输出，^^1，^"^为多频复合振动模拟器左、右方向动子电磁激励力输出，1为 作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器前、后方向动子力偶输出，为 多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。
[0028] 上述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其中，通过调整线圈绕组 的输入电流来实现：
[0029]
[0030] 式中，I为电磁磁路中的电流，Opm为永磁磁路的磁通，Rpmsum为永磁磁路的总磁阻， Rpm为永磁磁路磁阻，Risumy为电磁磁路总磁阻，N为线圈绕组应数，Ryl为第一双气隙磁阻，Ry2 为第二双气隙磁阻，O为漏磁系数。
[0031 ]本发明与现有技术相比具有W下优点：
[0032] 1、适用于大型柔性结构件振动模拟、复合振动测试平台等领域；
[0033] 2、装置的频率范围宽，适用于一切导体(磁性或非磁性)试件，结构简单，使用维护 方便；
[0034] 3、具有多频面内振动复合的特点，可W用于复杂振动工况的模拟，可实现范围广， 具有很好的应用前景。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明的多频复合振动模拟器的整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] W下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
[0037] 如图1所示，一种多频复合振动模拟器，其包含:定子机构，W及非接触地设置在定 子机构内的动子机构；定子机构包含定子导磁环1、线圈绕组2W及定子铁忍3，=者构建成 电励磁磁路，线圈绕组2绕在定子铁忍3上；动子机构包含动子铁忍4W及与线圈绕组2对应 设置的永磁体5,永磁体5设置在动子铁忍4上，线圈绕组2和定子铁忍3构成的磁极与动子机 构的永磁体5之间形成气隙6;线圈绕组2获得变换的电流输入，从而调节磁场强度，而动子 铁忍4同被作用对象，通过浮力球较连接，永磁体5在磁力作用下实现动子机构在多频面内 复合振动位移输出，上述设计通过磁力的方式，避免了振动模拟力传递过程中结构禪合造 成的影响，提高抗干扰能力，保证复合后的振动模拟力输出的性能指标。
[0038] 本实施例中，动子机构具有一原点，其外部设有两组原点对称安装的线圈绕组2， 每组中的两个线圈绕组2对角设置且W原点为中屯、成中屯、对称偏置，永磁体5也设置两组， 分别设置在各个线圈绕组2的对应位置，从而形成4个如图1中所示的磁路走向，其支持两种 振动模式，线圈绕组2输入相同情况下，动子机构受力的大小、方向相同，动子机构为简单的 平移移动，处于力矩平衡，当线圈绕组2输入变化，动子机构平衡状态破坏，受力的大小或方 向变化时，则对动子机构存在力偶作用，对外定子机构作用扭转力，并且，当动子铁忍4在未 通电状态，由于永磁体5的存在，可W相对定子机构呈现悬浮，具有一定承载能力；因此上述 结构的优点在于，成对的线圈绕组2可W提升位移范围和对外承载能力，且两组线圈绕组2 振动运动接禪，可W通过简单的线性叠加，实现平面内的任意振动形式。
[0039] 所述的多频复合振动模拟器还包含:过载保护机构，将动子铁忍4限位在定子机构 的框架范围内，避免过载造成结构碰撞破坏，同时保证过载情况下的模拟器非工作状态下 结构承载能力。
[0040] 本发明还提供一种利用上述的多频复合振动模拟器实现多频振动的方法:根据被 激对象的被激特性，调整线圈绕组2输出多频振动模拟剪切力和/或扭转力矩。
[0041] 其中，线圈绕组2输出的多频振动模拟剪切力为：
[0042] (1)
[0043] 式中，Fc为通用的多频复合振动模拟器径向的电磁激励力，即对外输出剪切方向 的力;y〇为真空磁导率;Ac为通用的磁极面积;Nc为通用的线圈应数;Ic为通用的线圈电流;8。 为通用的磁极与动子表面间的气隙。
[0044] 其中，线圈绕组2输出多频振动模拟扭转力矩为：
[0045]
(2)
[0046] 式中，M为作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器上、下方向动子 力偶输出，为多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。
[0047] 甘由-^顧級姐9輪'中.么^^振动模拟剪切力和扭转力矩复合作用时：
[004引 （3)
[0049] 式中，F为作用在动子上的面内合力，巧I，f::为多频复合振动模拟器前、后方向动 子电磁激励力输出，fU，为多频复合振动模拟器左、右方向动子电磁激励力输出，M为 作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器前、后方向动子力偶输出，为 多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。
[0050] 所述的线圈绕组2输出的多频振动模拟剪切或多频振动模拟扭转力矩，均可W通 过调整线圈绕组2的输入电流来实现：
[0051 ]
(4 )
[0052] 式中，I为电磁磁路中的电流，Opm为永磁磁路的磁通，Rpmsum为永磁磁路的总磁阻， Rpm为永磁磁路磁阻，Risumy为电磁磁路总磁阻，N为线圈绕组应数，Ryl为第一双气隙磁阻，Ry2 为第二双气隙磁阻，O为漏磁系数。
[0053] W下，根据图1结合一个具体实施例，对本发明的实现多频复合振动的方法进行进 一步说明：
[0054] 如图1所示，为动子机构在永磁体5产生的静磁场吸力作用下处于悬浮的平衡位置 (参考位置），由于磁路的对称性，在动子机构上方气隙6永磁体产生的磁通(Hxi和下方气隙 6永磁体产生的磁通(1) PX2是相等的，即4 PXl= 4 PX2，此时如果不计重力，则上下气隙6磁密相 等，因而动子受到的上方电磁吸力巧1与下方电磁吸力巧，相同，由于上下线圈绕组2有偏置 安装，故处在力偶输出，其公式如下：
[0化5] (S)
[0化6]
[0化7]同样的，动子左方气隙永磁体产生的磁通口耐Xi和右方气隙永磁体产生的磁通 是相等的，即=户~。2，此时如果不计重力，则上下气隙磁密相等，因而动子受到 的上方电磁吸力巧rt与下方电磁吸力巧_*2:相同，为：
[0化引 (6)
[0化9]
[0060] 线圈绕组2偏置安装，形成的力偶，由于W，^"大小相等，方向相反，可W知道动 子力偶化于平衡狀杰，邮：
[0061]
饥
[0062] 其中，W为真空的磁导率，A为定子铁屯、极弧面积，r为永磁体中屯、到动子质屯、的距 离。
[0063] 假设动子机构在参考位置上受到一个沿垂直方向，向上振动，动子机构就会偏离 参考位置而向上运动，此时动子上方和下方的气隙6就会发生变化，即上方气隙6变大，永磁 体5产生的磁通减小，故产生的吸力减小;而下方气隙6变小，永磁体5产生的磁通增加，产生 的吸力增加，所W仅靠永磁体5是不能将动子机构悬浮在平衡位置，此时，传感器检测出动 子机构偏离其参考位置的位移，控制器将运一位移信号变换为控制信号，功率放大器又将 该控制信号变换成控制电流，该控制电流流经定子机构的线圈2绕组使定子铁忍3内产生电 磁磁通巧W，巧W在动子上方气隙6处与永磁磁通巧供1叠加，机tw为巧,、：在动子机构下方 气隙6处抵消一部分永磁磁通巧运样动子下方气隙6总磁通减小，所W此时动子机构在 一个定子极下的上下气隙6的吸力为：
[0064]
[00化] (8)
[0066][0067]同样的，有水平方向上的振动输出，结果为：
[006引
[0069] (9、
[0070]
[OOW 由此可知，巧P巧一1，F一口舶4随着巧脚.，巧汹，於如，找伽调整，进而可W通 过一定的控制策略实现复杂振动形式的叠加，
[0072] 其作用在动子机构上的面内合力F矢量形式，可W表示如下：
[0073] (1的
[0074] 力偶形式，可W表示如下：
[00巧] …）
[0076] 通过上述表达式，面内合力F为矢量形式，可W实现复杂的振动轨迹;通过力偶大 小的调整，也可W将扭转振动作用到输出。
[0077] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【主权项】
1. 一种多频复合振动模拟器，其特征在于，包含： 定子机构，其包含定子导磁环（1)、线圈绕组（2) W及定子铁忍（3)，Ξ者构建成电励磁 磁路； 动子机构，设置在定子机构内，动子机构包含动子铁忍(4) W及与线圈绕组(2)对应设 置的永磁体(5);线圈绕组(2)获得变换的电流输入，从而调节磁场强度，永磁体(5)在磁力 作用下实现动子机构在多频面内复合振动位移输出。2. 如权利要求1所述的多频复合振动模拟器，其特征在于： 动子机构具有一原点，其外部设有两组原点对称安装的线圈绕组(2)，每组中的两个线 圈绕组(2)对角设置且W原点为中屯、成中屯、对称偏置。3. 如权利要求1所述的多频复合振动模拟器，其特征在于： 动子机构非接触地设置在定子机构内，线圈绕组(2)和定子铁忍(3)构成的磁极与动子 机构之间形成气隙(6)。4. 如权利要求1所述的多频复合振动模拟器，其特征在于： 动子铁忍(4)同被作用对象通过浮力球较连接。5. 如权利要求1所述的多频复合振动模拟器，其特征在于，还包含： 过载保护机构，将动子铁忍(4)限位在定子机构的框架范围内。6. -种利用如权利要求1所述的多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征在 于： 根据被激对象的被激特性，调整线圈绕组（2)输出多频振动模拟剪切力和/或扭转力 矩。7. 如权利要求6所述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征在于，其 中，线圈绕组(2)输出的多频振动模拟剪切力为：式中，Fc为通用的多频复合振动模拟器径向的电磁激励力，即对外输出剪切方向的力； μ〇为真空磁导率;Ac为通用的磁极面积;Nc为通用的线圈应数；Ic为通用的线圈电流;δ。为通 用的磁极与动子表面间的气隙。8. 如权利要求6所述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征在于，其 中，线圈绕组(2)输出多频振动模拟扭转力矩为： Μ = Μ【+Λ4一； 式中，Μ为作用在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器上、 下方向动子力偶输出，?为多频复合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。9. 如权利要求6所述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征在于，其 中，线圈绕组(2)输出多频振动模拟剪切力和扭转力矩复合作用时：式中，F为作用在动子上的面内合力，，巧2为多频复合振动模拟器前、后方向动子电 磁激励力输出，氏,，为多频复合振动模拟器左、右方向动子电磁激励力输出，Μ为作用 在动子机构上的合力偶，为多频复合振动模拟器前、后方向动子力偶输出，为多频复 合振动模拟器左、右方向动子力偶输出。10.如权利要求7或8所述的利用多频复合振动模拟器实现多频振动的方法，其特征在 于，通过调整线圈绕组(2)的输入电流来实现：式中，I为电磁磁路中的电流，Φ pm为永磁磁路的磁通，Rpmsum为永磁磁路的总磁阻，Rpm为 永磁磁路磁阻，Risumy为电磁磁路总磁阻，N为线圈绕组应数，Ry功第一双气隙磁阻，Ry2为第 二双气隙磁阻，σ为漏磁系数。
【文档编号】H02K1/27GK105978200SQ201610569873
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】刘付成, 朱东方, 孙禄君, 李结冻, 孙俊, 田路路
【申请人】上海航天控制技术研究所