一种针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置的制作方法

本发明属于直线电机技术领域，涉及一种针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置，主要应用在直线振荡电机带载动态性能测试系统中。

背景技术：

直线振荡电机是一种无需运动转换机构直接输出直线运动的电磁驱动设备，广泛应用于直线泵、空气压缩机、电锤等工业产品中。相比传统旋转电机配合运动转换机构(如曲柄连杆、齿轮齿条等)输出直线运动的装置，其具有效率高、寿命长的优势，尤其适合高速往复运动场合。

1840年惠斯特(Wheatstone)开始提出和制作的略具雏形但并不成功的直线电机。1917年出现了第一台圆筒型直线电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。1962年，West和Jayawant设计了作为铁磁谐振器的单相直线电动机。到1965年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备被逐步开发出来。目前关于直线振荡电机的研究大多围绕电机本身输出特性展开。J.Wang围绕单极磁路结构展开了详细分析，通过电磁建模比较了多种磁极阵列(径向、轴向、哈尔巴赫阵列)在输出性能上的差异，并进行了关键尺寸优化设计，提高了电机单位体积内输出力密度。I.I.Abdalla通过对比电机结构和静态性能，分析电机磁通密度、磁感应强度、反电动势和输出推力，提出了多种电机设计方法。C.Pompermaier在电机建模理论方面有创新性研究。虽然国内外对直线电机磁路设计、建模分析等方面进行了深入研究，但是针对直线电机输出性能测试还缺乏有效手段。特别是针对高频直线振荡电机这一具有小行程高频往复运动特性的特种电机，目前还缺乏深入研究，已经严重制约直线电机的发展和应用。因此，针对高频往复运动特性，发明一种直线振荡电机加载装置是必要的。直线振荡电机加载按照加载方式可以分为三类：机械动力加载、气缸或液压缸加载和电机加载。其中，机械动力加载包括重物加载、弹簧加载和摩擦力加载等，机械加载虽然结构简单，但是加载力大小受到限制，不能进行随变载荷加载，而且加载操作过程复杂。气缸或液压缸加载，虽然加载结构简单，工作可靠性高，但是整个加载系统包括动力部件、控制部件和辅助部件，总体质量大且系统和控制较为复杂，还有气动系统和液压系统频率响应相对于电机较低，气缸或液压缸加载在高频很难匹配。电机加载包括直线电机和旋转电机-滚珠丝杠加载，旋转电机-滚珠丝杠加载频率响应能力不足。直线电机加载分为音圈加载电机和动磁式电机，动磁式电机输出力稳定性相比于音圈加载电机较差，音圈加载电机在设计行程内输出力较为稳定。

技术实现要素：

本发明针对直线振荡电机加载问题，提出了一种针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置，采用音圈加载电机作为负载模拟加载电机，能够对直线振荡电机进行小行程大载荷加载，可测试被测直线振动电机在定载荷和变载荷情况下的动态性能，能够用于研究被测直线振动电机相应的快速性、稳定性和准确性以及被测直线振荡电机的控制鲁棒性；本发明会进一步推动我国直线电机研究发展，促进直线电机的推广和应用，不断推进电机优化设计和控制研究。

本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置，包括由前至后依次设置的被测直线振荡电机、检测机构与加载电机。

所述检测机构中具有力传感器与位移传感器；通过力传感器将被测直线振荡电机与加载电机的输出轴间连接，检测被测直线振荡电机与加载电机相互之间的作用力；位移传感器连接被测直线振荡电机的输出轴，检测被测直线振荡电机的输出位移。

本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置，用于测试被测直线振荡电机在音圈加载电机变载荷和定载荷情况下位移输出的动态性能。该动态性能包括：被测直线振荡电机不同载荷情况下不同振幅时扫频效率测试、不同载荷情况下不同频率不同振幅时直线振荡电机阶跃响应、斜坡响应和正弦响应。

本发明的优点在于：

(1)本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置，采用音圈加载电机加载，音圈加载电机力磁输出稳定，输出力性能良好，有利于实施对被测直线振荡电机进行力加载；

(2)本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置，直线振荡电机负载模拟加载装置全部采用螺纹连接，有利于系统集成、维护和维修，提高了加载装置的可塑性；

(3)本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置，能够模拟被测电机在定载荷和变载荷情况的下的动态性能，能够复现被测电机载荷情况，有利于直线振荡电机设计和控制优化。

附图说明

图1是本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置整体结构示意图；

图2是本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置整体结构侧视示意图；

图3是本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置中检测机构示意图；

图4是本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置中音圈加载电机轴向剖视图。

图中：

1-底板 2-被测直线振荡电机 3-检测机构

4-加载电机 301-被测电机连接件 302-位移传感器

303-力传感器 304-加载电机连接件 305-前连接螺栓

306-后连接螺栓 307-第一隔离螺母 308-第二隔离螺母

401-电机端盖 402-电机背铁 403-轴向磁铁

404-铁环 405-电机绕组 406-绕组架

407-电机芯轴 408-输出杆

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置，整体设置于底板1上，底板1设置于地面上，相对地面静止。底板1上由前至后依次为被测电机安装位、检测机构安装位与加载电机安装位，分别用来安装被测直线振荡电机2、检测机构3与加载电机4，如图1所示；且被测直线振荡电机2与加载电机4通过电机架固定于底板1上，输出轴相对且同轴设置，两者输出轴间通过检测机构3相连，如图2所示。

所述检测机构3用来检测被测直线振荡电机2的输出位移，以及被测直线振荡电机2与加载电机4相互之间的作用力。检测机构3包括被测电机连接件301、位移传感器302、力传感器303与加载电机连接件304，如图2所示。其中，被测电机连接件301与加载电机连接件304均为板状结构，垂直于直线振荡电机2与加载电机4的输出轴设置。力传感器303设置于被测电机连接件301与加载电机连接件304之间，通过前连接螺栓305穿过被测电机连接件301上的通孔后与力传感器303测量端A上的安装孔螺纹连接；通过后连接螺栓306穿过加载电机连接件304上的通孔后与力传感器303测量端B上的安装孔螺纹连接；同时，在第一连接螺栓305与第二连接螺栓306上还分别螺纹套接有第一隔离螺母307与第二隔离螺母308；第一隔离螺母307位于力传感器303测量端A与被测电机连接件301之间；同样，第二隔离螺母308位于力传感器303测量端B与加载电机连接件304之间；最终，通过拧紧第一连接螺栓305将被测电机连接件301、第一隔离螺母307与力传感器303测量端A三者间固定。通过拧紧第二连接螺栓306将加载电机连接件304、第二隔离螺母308与力传感器303测量端B三者间固定。通过上述第一隔离螺母307与第二隔离螺母308，将力传感器303与加载电机连接件304和被测电机连接件301隔离，为第一连接螺栓305与第二连接螺栓306提供安装距离。上述被测电机连接件301底部固定于底板1上，且被测电机连接件301前侧面与被测直线振荡电机2的输出轴端面间通过螺钉固定。加载电机连接件304的后侧面通过螺钉与加载电机4的输出轴端面间固定。由此，通过压力传感器检测被测直线振荡电机2与加载电机4相互之间的作用力。

所述位移传感器302同样设置于被测电机连接件301与加载电机连接件304之间，位移传感器302通过螺钉固定于底板1上，位移传感器302的拉杆垂直于被测电机连接件301，且轴线与被测直线振荡电机输出轴轴线在水平面内投影重合；拉杆的端部螺纹固定于被测电机连接件301上。通过位移传感器检测被测直线振荡电机2的输出位移。

本发明中加载电机4采用音圈加载电机，其电磁力输出稳定，在设计行程内电磁力受边缘影响小；本发中音圈加载电机4由电机端盖401、电机背铁402、轴向磁铁403、铁环404、电机绕组405、绕组架406与电机芯轴407组成。

其中，筒状结构电机背铁402内部同轴设置有电机芯轴407与筒状绕组架406；电机芯轴407与筒状绕组架406两者间内外相套。轴向磁铁403与铁环404沿电机芯轴407轴向交替套于电机芯轴上径向定位,且两端为轴向磁铁,相隔的2块轴向磁铁的磁极方向相同；同时在电机芯轴上，位于两端部的轴向磁铁外侧还加装磁性相反的轴向磁铁，由此增大气隙的径向磁场输出量，从而增大输出力。上述轴向磁铁403与铁环404周向上与绕组架406内壁间具有间隙。电机背铁402两端通过电机端盖401密封，同时实现轴向磁铁403与铁环404轴向上的定位。绕组架406外壁上周向开有环形凹槽，且将凹槽沿绕组架406周向分为左半部分与右半部分，在左半部分与右半部分上分别缠绕有电机绕组405，两个绕组结构充分利用了空间，增大了加载电机输出力。绕组架406一端端部周向上均设有弧形截面输出杆408，全部弧形截面输出杆408同弧心，共同构成音圈加载电机的输出轴。音圈加载电机左半部和右半部两个绕组对应的左右两部分的径向磁场方向相反，当左半部和右半部两个绕组通相反方向的电流时，在两个绕组线圈上产生的安培力方向相同，安培力的合力作为音圈加载电机的力输出。

本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置，用于测试被测直线振荡电机2在音圈加载电机变载荷和定载荷情况下位移输出的动态性能。该动态性能包括：被测直线振荡电机2不同载荷情况下不同振幅时扫频效率测试、不同载荷情况下不同频率不同振幅时直线振荡电机阶跃响应、斜坡响应和正弦响应。

本发明针对直线振荡电机的直线力加载负载模拟装置中，被测直线振荡电机2作为位置输出电机，加载电机4作为力输出电机，因此被测直线振荡电机2做位置控制，加载电机4做力控制，以及力控和位置控制的协调控制，从而实现被测直线振荡电机2不同载荷情况下不同振幅时扫频效率测试、不同载荷情况下不同频率不同振幅时被测直线振荡电机2阶跃响应、斜坡响应和正弦响应。加载电机4可以模拟阻尼力和弹簧力。弹簧力主要是通过以位置信号为控制信号，实现加载电机4在不同位置输出一定正比的力，位置偏差越大，输出力越大；阻尼力是通过以速度信号为控制信号，实现加载电机4在不同速度时输出正比的力，速度越大，输出力越大。