CN107433258B - 无铁芯直线电机谐振激振器 - Google Patents

Abstract

无铁芯直线电机谐振激振器属于试验机技术领域，目的在于发明一种较大载荷的高频加载装置，扩展直线电机的应用范围，提高交变加载试验水平。本发明运用无铁芯直线电机技术作为工作装置的动力输入，通过发明的结构和方法，实现对工件施加高频率、大载荷的目标，实现节能、高效工作的宗旨。充分运用直线电机强大的伺服驱动与控制能力，解决了直线电机推力小、以及用较小动力实现对试件施加较大载荷的问题。本发明包括动力输入部分、支承与导向部分、弹性元件部分、自锁装置以及位移和作用力检测传感器，它们按一定规则连接后，与一个基座固定连接；基座可以是任意固定的构件，基本要求是刚度比其他部分高出一个数量级。

Description

无铁芯直线电机谐振激振器

技术领域

本发明属于试验机技术领域，具体涉及一种无铁芯直线电机谐振激振器。

背景技术

工件的交变加载疲劳试验是工件力学性能考核的重要内容，是保证产品质量与技术可靠性的必要条件。提高加载效率，缩短试验时间，降低试验成本，提高试验水平是相关试验技术的发展趋势，更是工件试验的需要。直线电机技术迅猛发展，提供了很好的动力和载荷运动控制技术，无铁芯永磁同步直线电机具有运动部件质量小的优点，单自由度共振系统是最简单的振动系统，运用共振原理，可以实现以较小的动力对工件施加较大载荷的目的，力的放大倍数在理论上可以无限大。

现有技术中对工件的疲劳加载试验一般采用电液伺服或电子伺服方法对工件进行加载，电液伺服方法可以实现大载荷加载，但工作效率低、耗能巨大，生产成本高。电子伺服控制方法振幅小，不容易控制。无铁芯直线电机和其他动力装置相比动态性能好，可以实现较大的加速度和减速度，定位精度高，结构简单且控制方便，行程根据需要可以不受控制。但一般情况下，直线电机输出的载荷小，且一般用在长行程运动场合。输出较大载荷的直线电机结构庞大，价格昂贵。

发明内容

本发明提出一种无铁芯直线电机谐振激振器，目的在于发明一种新的、较大载荷的高频加载装置，扩展直线电机的应用范围，充分利用了直线电机强大的伺服驱动与控制能力，通过发明的结构和方法，实现对工件施加高频率、大载荷的目标，实现节能、高效工作的宗旨，提高交变加载试验技术水平。解决现有技术存在的直线电机推力小且施加大载荷时成本高的问题，并使得试验技术中的工件加载方法简单方便。

为实现上述目的，本发明的无铁芯直线电机谐振激振器采用无铁芯直线电机作为动力源，利用专门设计刚度为k的线性弹性元件与质量为m的无铁芯直线电机运动件构成单自由度振动系统，故单自由度振动系统的固有频率控制无铁芯直线电机的工作频率使得无铁芯直线电机的工作频率和单自由度振动系统的固有频率相近，使无铁芯直线电机产生交变激振力，与该系统构成单自由度强迫振动系统；该系统产生的激振力作用于固定在近乎刚性框架上的工件上，工件承受不同的预应力及交变载荷，且激振力中心线和工件受力中心线重合；无铁芯直线电机激振力的大小可以通过改变无铁芯直线电机的输出而改变，作用于工件上的载荷通过可以调整无铁芯直线电机激振力的频率(ω)而改变，无铁芯直线电机的工作频率接近于单自由度振动系统的固有频率(ω_n)时，实现放大电机激振力的目的，一般放大倍数可达25～50倍；单自由度系统的固有频率，可以通过专门设计的可调刚度线性弹性元件进行调整。

无铁芯直线电机谐振激振器包括动力输入部分、支承与导向部分、弹性元件部分、自锁装置以及位移和作用力检测传感器，它们按一定规则连接后共同安装在基座上，基座可以是任意固定的构件，基本要求是刚度至少比其他部分高出一个数量级；

动力输入采用无铁芯永磁同步直线电动机，取其动态性能好的优点；支承和导向部分用于直线电机动子(线圈)、定子(磁轭)相对运动的导向和承载。定子固定在基座上，线圈通过线圈连接件在两端分别与一个线性弹性元件的一端连接。线性弹性元件的方向与动子的运动方向相同，且与工件受力中心线重合。其中一个线性弹性元件的另一端与基座直接固定连接，另一个线性弹性元件的另一端与被施加载荷的试件固定连接，然后通过一个测力传感器与基座固定连接。动子输出力作用线、弹性元件受力中心线、测力传感器几何中心线、试件受力中心线，它们同轴；自锁装置通过电磁制动器实现包括线圈、线圈连接件等在内的运动部件的断电自锁。

所述电磁制动器包括电磁铁和弹性板，所述电磁铁固定在所述支撑板上，每块弹性板的一端通过螺钉和电磁铁连接，另一端自动弹出，相当于一悬臂梁；当电磁铁断电时，弹性板弹出，和所述线圈连接件侧壁接触，阻止线圈连接件相对磁轭自由运动；当电磁铁通电时，弹性板被吸回，和所述线圈连接件侧壁分离，线圈连接件相对磁轭自由运动。

本发明中提到的基座是一示例，包括结构框架和支撑板；所述支承与导向部分设置在基座的支撑板上，所述动力输入部分和支撑与导向部分连接后固定在基座的支撑板上，所述自锁装置设置在磁轭的端部，固定在基座的支撑板上，实现运动件断电自锁；位移和作用力检测传感器用于检测运动件的位移和工件的受力；

所述支承与导向部分包括线圈连接件和运动导向机构，所述线圈连接件通过运动导向机构相对支撑板往复运动，所述线圈连接件是一个中间位置开有垂直支撑板通槽的矩形、铝质框架，两端设置有输出连接部，运动导向机构包括两个滑块和一条导轨，导轨固定在支撑板上，滑块和导轨紧密配合；

所述动力输入部分包括无铁芯直线电机及其驱动控制系统；无铁芯直线电机包括磁轭和线圈，所述线圈的一端固定有霍尔元件，用于测定无铁芯直线电机线圈的初始位置，无铁芯直线电机的磁轭固定在支撑板上，无铁芯直线电机的线圈和线圈连接件固定在一起，同时线圈连接件和运动导向机构中的滑块固定，无铁芯直线电机的线圈可以在磁轭的磁轭槽的正中心往复运动；弹性元件部分包括两个线性弹性元件，所述线圈连接件两端的输出连接部分别和一个线性弹性元件连接，两个线性弹性元件、无铁芯直线电机的线圈和线圈连接件的组合体构成一个单自由度质量弹簧系统。

所述自锁装置包括由电磁铁和弹性板组成的电磁制动器。

所述的位移和作用力检测传感器包括光栅尺和力传感器；所述光栅尺位于线圈连接件通槽内，包括光栅尺尺带和光栅尺读数头，所述光栅尺的光栅尺尺带和所述支撑板固定连接，所述光栅尺的读数头和所述线圈连接件固定连接，测量线圈连接件相对磁轭运动时的行程，所述光栅尺读数头的下表面和光栅尺尺带的上表面留有间隙，所述间隙为1.2～1.4mm；所述力传感器和工件串联在一起并固定在结构框架上。

所述线性弹性元件，可以视为简支梁，它具有中心挠度与作用力成正比的关系，即线性关系；结构实现方法是：由两个圆管和两个端部开有通孔的弯板构成的一对简支梁，两个圆管中间位置开有径向的连接孔，用于和线圈连接件连接，一个圆管的两端通过胀紧套分别和两个弯板的一端连接，另一个圆管的两端通过胀紧套分别和两个弯板的另一端连接，两弯板之间圆管的长度即是所述简支梁的长度，调整两个弯板之间的距离实现调整简支梁的长度的目的，进而改变线性弹性元件的刚度。

本发明所述的基座示例中，结构框架包括两个平行设置的拉杆和两个平行设置且开有通孔的横梁构成，每个拉杆的两端分别和一个横梁的一端通过胀套连接，一侧横梁和一个线性弹性元件连接，另外一侧横梁和力传感器固定连接，力传感器和工件串联在一起并和另一个线性弹性元件连接，所述拉杆固定在支撑板上；松开胀套可以调整两个横梁的距离，使得工件有不同的预应力，锁紧胀套，两横梁的距离固定，在两横梁之间的两个线性弹性元件的刚度是不一样的，对工件施加载荷的线性弹性元件的刚度大于另一个线性弹性元件的刚度。

两个所述线性弹性元件的刚度关系为：

(n>1且n尽可能取大值)；

其中：k₁为和工件连接的线性弹性元件的刚度系数；

k₂为另一个线性弹性元件的刚度系数。

无铁芯直线电机做任意波形交变运动时，激振频率ω为：

ω＝q×ω_n

其中：q为系数，取q＝0.95～0.99；

ω_n为单自由度振动系统的固有频率。

所述激振器还包括限位结构，当线圈和线圈连接件相对磁轭往复运动，且线圈连接件运动到两端极限的位置时，线圈连接件的通槽两端和磁轭两端留有间隙，所述间隙至少3mm。

所述限位结构包括固定在所述支撑板上的第一限位块和第二限位块，所述线圈和线圈连接件相对磁轭往复运动到左侧极限位置时，左侧滑块和第一限位块的端面接触，所述线圈和线圈连接件相对磁轭往复运动到右侧极限位置时，右侧滑块和所述第二限位块的端面接触，滑块和第一限位块或第二限位块接触的目的是使得线圈连接件停止运动，线圈连接件的通槽和磁轭端面留有间隙。

所述激振器中自锁装置由电磁制动器组成，两个所述电磁制动器位于所述线圈连接件的通槽内，并固定在支撑板上，两个所述电磁制动器位于所述光栅尺的两侧，实现线圈连接件相对支撑板的断电自锁。

所述无铁芯直线电机可以为多台并联使用，多台无铁芯直线电机的磁轭分别固定在基座上，多台无铁芯直线电机的线圈同时和线圈连接件固定连接，直线电机通过线圈连接件件向外输出推力，推力的中心线和待测工件的受力中心线重合。

本发明的有益效果为：本发明无铁芯直线电机谐振激振器采用无铁芯永磁同步直线电机作为激振器的动力源；利用共振原理以较小的输入力实现对工件施加较大载荷的目的，无铁芯直线电机作为动力源和其它装置作为动力源相比，具有线圈质量小、动态性能好、精度高、工作效率高、使用简单、控制性能好等优点。

本发明采用力平衡技术，直线导轨理论上仅起支承和导向作用，可以产生近乎消除直线导轨的摩擦力的效果；具有直线电机的所有优点，结构简单，控制性能好，力与位移控制精度高；直线电机的行程大小可控，根据需要几乎可以不受限制；采用无铁芯永磁同步直线电机，以线圈为动子，运动件质量小，有利于提高工作频率。配套可调刚度线性弹性元件，与电机动子构成单自由度线性振动系统，系统可自身实现谐振工作，简化对工件系统实现谐振的要求。

本发明在结构上设计专门线圈连接件，线圈连接件通过线性弹性元件对工件施加载荷，且载荷为正应力，并无弯矩或扭矩。因为所需施加载荷的工件的刚度是不一样的，为使激振器的能量尽可能的作用在工件上，所以设计了一种刚度可变的线弹性元件，线性弹性元件由两根圆管和两块弯板组成，可以看做是一对简支梁，圆管和弯板通过胀套固定在一起，松开胀套调节两弯板的距离可以实现改变线弹性元件刚度的目的。线圈连接件两端都要连接线弹性元件，目的是被施加载荷的工件可以有不同的预应力，使得对工件的试验不唯一。

本装置在非水平状态下，无铁芯直线电机的线圈和线圈连接件因为重力的原因，容易通过滑块沿导轨运动。为此设计电磁制动器，制动器固定在支撑板上，制动器中的弹性元件在断电时和线圈连接件侧壁接触，对线圈连接件施加正压力。通电时，弹性元件被制动器中的电磁铁吸回，线圈连接件可自由运动。电磁制动器实现断电自锁，保护装置的各元件不因为重力被损坏。

附图说明

图1为本发明的无铁芯直线电机谐振激振器对工件施加力时结构示意图；

图2为本发明的无铁芯直线电机谐振激振器整体结构示意图；

图3为本发明的无铁芯直线电机谐振激振器结构主视图；

图4为本发明的无铁芯直线电机谐振激振器结构俯视图；

图5为图3的A-A剖视图；

图6为图3的B-B剖视图；

图7为本发明中线性弹性元件结构示意图；

图8为简支梁模型图；

图9为本发明的无铁芯直线电机谐振激振器对工件施加力时工作原理图；

图10为本发明的无铁芯直线电机谐振激振器中电磁制动器结构主视图；

图11为本发明的无铁芯直线电机谐振激振器中电磁制动器结构局部剖视图；

图12为图11的A-A剖视图；

图13为电磁制动器中弹性板吸紧时原理图；

图14为电磁制动器中弹性板弹开时原理图；

图15为电磁制动器自锁原理图；

图16为本发明的无铁芯直线电机谐振激振器力学模型的简化与等效原理图；

图17为不同应变比下的时间和作用力关系图；

图18为采用两台无铁芯直线电机并联使用时激振器的结构示意图；

其中：1、支撑板，2、无铁芯直线电机，201、线圈，202、磁轭，203、霍尔元件，3、线圈连接件，301、通槽，302、输出连接部，4、运动导向机构，401、导轨，402、滑块，5、限位结构，501、第一限位块，502、第二限位块，6、光栅尺，601、光栅尺尺带，602、读数头，7、线性弹性元件，701、圆管，702、弯板，703、胀紧套，8、电磁制动器，801、电磁铁，802、弹性板，9、结构框架，901、拉杆，902、横梁，903、胀套，10、铁芯，11、制动器线圈，12、衔铁，13、动子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

直线电机技术迅猛发展，提供了很好的动力和载荷与运动控制技术。无铁芯永磁同步直线电机具有结构简单，运动部件质量小等优点，可以很好的应用在该领域。

单自由度振动系统是最简单的振动系统。运用共振原理，可以实现以较小的动力对工件施加较大的载荷，力的放大倍数在理论上可以是无限大。其中放大因子H(ω)为：

其中：ω为单自由度振动系统的激振频率；

ω_n为单自由度振动系统的固有频率

ζ为运动导向机构4的阻尼系数，在本发明中是指导轨401和滑块402的阻尼系数。

由此，可以利用直线电机精度高、动态性能好以及可控性好等优点提高激振加载装置的性能；运用谐振原理可以提高能源利用率。

据此建立无铁芯直线电机谐振激振器，应用于工件的疲劳试验加载，对于促进疲劳试验技术的进步，提高产品质量具有重要意义。

参见附图1-附图6，本发明的无铁芯直线电机谐振激振器包括支承与导向部分、动力输入部分、弹性元件部分、自锁装置以及位移和作用力检测传感器，它们按照一定规则连接后共同安装在基座上。

所述基座包括结构框架9和支撑板1，所述结构框架9固定在支撑板1上；基座可以有很多种形式，只要能够满足支承与导向部分、动力输入部分、弹性元件部分、自锁装置以及位移和作用力检测传感器的安装即可；所述支承与导向部分设置在基座的支撑板1上，所述动力输入部分和支承与导向部分连接后设置在基座的支撑板1上，所述自锁装置固定在基座的支撑板1上，实现运动件断电自锁；位移和作用力检测传感器用于检测运动件的位移和工件的受力。

所述支承与导向部分包括线圈连接件3和运动导向机构4，所述线圈连接件3中间位置开有垂直支撑板1的通槽301，两端设置有输出连接部302，所述运动导向机构4包括导轨401和滑块402，所述导轨401固定在所述支撑板1上，两个所述滑块402和所述导轨401滑动配合，两个所述滑块402和所述线圈连接件3固定连接，所述线圈连接件3通过运动导向机构4相对支撑板1往复运动。

所述动力输入部分包括无铁芯直线电机2及其驱动控制系统；无铁芯直线电机2的磁轭202固定在支撑板1上，无铁芯直线电机2的线圈201和线圈连接件3固定在一起，无铁芯直线电机2的线圈201可以在磁轭202的磁轭槽的正中心往复运动。

弹性元件部分包括两个线性弹性元件7，所述线圈连接件3两端的输出连接部302分别和一个线性弹性元件7连接，两个线性弹性元件7、无铁芯直线电机2的线圈201和线圈连接件3的组合体构成一个单自由度质量弹簧系统。

所述位移和作用力检测传感器包括光栅尺6和力传感器；所述光栅尺6位于线圈连接件3通槽301内，光栅尺6的光栅尺尺带601和所述支撑板1固定连接，所述光栅尺6的读数头602和所述线圈连接件3固定连接，测量线圈连接件3相对磁轭202运动时的行程，所述光栅尺读数头的下表面和光栅尺尺带的上表面留有间隙，所述间隙为1.2～1.4mm；所述力传感器和工件串联在一起并固定在结构框架上。

所述激振器还包括限位结构5，使线圈201和线圈连接件3相对磁轭202往复运动到两端极限位置时，线圈连接件3的通槽301两端和磁轭202两端留有间隙。

所述限位结构5包括固定在所述支撑板1上的第一限位块501和第二限位块502，所述线圈201和线圈连接件3相对磁轭202往复运动到左侧极限位置时，左侧滑块402和第一限位块501的端面接触，所述线圈201和线圈连接件3相对磁轭202往复运动到右侧极限位置时，右侧滑块402和所述第二限位块502的端面接触。滑块402和第一限位块501或第二限位块502接触的目的是使得线圈连接件3停止运动，线圈连接件3的通槽301和磁轭202端面留有间隙；所述间隙至少3mm。

参见附图7，所述线圈201、线圈连接件3和线性弹性元件7构成单自由度质量弹簧系统；所述线性弹性元件7可以看作由两个圆管701和两个开有通孔的弯板702构成的一对简支梁，两个圆管701中间位置开有径向的连接孔，一个圆管701的两端通过胀紧套703分别和两个弯板702的一端连接，另一个圆管701的两端通过胀紧套703分别和两个弯板702的另一端连接，所述线性弹性元件7通过圆管701上的径向的连接孔和线圈连接件3输出连接部302连接，调整两个弯板之间的垂直距离实现调整简支梁的长度，进而改变线性弹性元件7的刚度；线性弹性元件7的根本要求为承载不同载荷、线性可变刚度以及轻质，两根圆环截面圆管701与两块弯板702通过胀紧套703固接在一起，松开胀紧套703可以改变两个弯板702之间的跨距L，从而达到改变刚度的目的，对于圆环形截面，惯性矩其中，D为圆管701的外径，d为圆管701的内径；对工件施加载荷的线性弹性元件7的刚度大于另一个线性弹性元件7的刚度，使得对工件加载的有用功尽可能的大。

参见附图8，是一种基于简支梁模型的结构，本发明线性弹性元件7变形原理符合简支梁模型计算关系，中间处的变形y_max为：

其中：P_简为简支梁中间处所受力的大小；

L_简为简支梁的跨距；

E_简为简支梁的弹性模量；

I_简为简支梁的惯性矩；

简支梁刚度K_简为：

本发明的线性弹性元件7看做是一对简支梁，故刚度值是简支梁刚度的一半。

两个所述线性弹性元件7的刚度关系为：

(n>1且n尽可能取大值)

其中：k₁为和工件连接的线性弹性元件7的刚度系数；

k₂为另一个线性弹性元件7的刚度系数。

无铁芯直线电机2做任意波形时，激振频率ω为：

ω＝q×ω_n

其中：q为系数，取q＝0.95～0.99；

ω_n为单自由度振动系统的固有频率。

参见附图9，无铁芯直线电机谐振激振器由无铁芯永磁同步直线电机2、线圈连接件3、运动导向机构4、线性弹性元件7构成了一套平面直线运动系统，无铁芯直线电机2的线圈201和线圈连接件3紧固在一起，线圈201在无铁芯直线电机2的磁轭202的U形槽里做直线运动，磁轭202包括并列设置的一个114磁轭和一个456磁轭，线圈201在无铁芯直线电机2的磁轭槽里运动速度为v，输出推力为T。线圈连接件3的两端固定有线性弹性元件7，磁轭202通过螺钉固定在支撑板1上，结构框架9属于本装置设计想法之外的构件或装置，其基本属性只有一个，即近似为刚体。一端的线性弹性元件7是通过工件与结构框架9连接的，工件可以承受刚度为k₁的线性弹性元件7的作用力。所述的结构框架9包括两个平行设置的拉杆901和两个平行设置的横梁902构成，每个拉杆901的两端分别和一个横梁902的一端通过胀套903连接，一侧横梁902和一个线性弹性元件7连接，另外一侧横梁902和力传感器固定连接，力传感器和工件串联在一起并和另一个线性弹性元件7连接。

单台无铁芯直线电机2消除支承和导向的摩擦力，线圈201相对于固定在支撑板1上的磁轭202做往复直线运动，线圈201向外输出推力T，其合力位置位于线圈201产生电磁力部位的中间处。设计使负载F作用到线圈连接件3上，作用线与T重合，于是线圈连接件3和线圈201构成内力系，从而运动导向机构4仅用作导向的作用，理论上不承受负载。

所述激振器还包括电磁制动器8，两个所述电磁制动器8位于所述线圈连接件3的通槽301内，并固定在支撑板1上，两个所述电磁制动器8位于所述光栅尺6的两侧，实现线圈连接件3相对支撑板1的断电自锁。

参见附图10-附图12，所述电磁制动器8包括电磁铁801和弹性板802，所述电磁铁801固定在所述支撑板1上，弹性板802的一端通过螺钉和电磁铁801连接，另一端自动弹出，相当于一悬臂梁；当电磁铁801断电时，弹性板802弹出，和所述线圈连接件3侧壁接触，阻止线圈连接件3相对磁轭202自由运动；当电磁铁801通电时，弹性板802被吸回，和所述线圈连接件3侧壁分离，线圈连接件3相对磁轭202自由运动。该电磁制动器8可以应用于其他领域及结构上，实现断电自锁。

参见附图13-附图15，本发明的无铁芯直线电机谐振激振器运动自锁原理具体为：本发明处于非水平放置状态时，在不工作时线圈连接件3会自由滑落，为此需要采取自锁措施。安装在支撑板1上的电磁制动器8，在当电磁铁801断电时，制动器上的弹性板802向外弹开，并作用到线圈连接件3上，产生弹性压力P_压。P_压产生摩擦力F_摩，F_摩＝μP_压，μ为摩擦系数，它对线圈连接件3产生阻碍作用。对于垂直放置的无铁芯直线电机谐振激振器，只要线圈连接件3的重力W小于摩擦力F_摩(W<F_摩)，则线圈、线圈连接件3以及光栅尺读数头602等运动部件不会因为重力而自由滑动。

一种电磁制动器8的结构。弹簧由基于悬臂梁原理的弹性板802充当，并排放置两个，它们同时又是衔铁12。使用时，对弹性板802预施加作用力，变形Δ。该作用于足以克服线圈连接件3相当于动子13的重力作用。电磁铁801吸和时，弹性板802与线圈连接件3之间的距离为H，确保线圈连接件3运动自如。

电磁制动器8自锁的基本原理，制动器线圈11和铁芯10构成电磁结构，制动器线圈通电时衔铁12动作与铁芯10构成无间隙闭合磁路，衔铁12和铁芯10之间的距离h＝0，此处的衔铁12相当于本发明中的弹性板802。电磁结构在h＝0时的吸力F_电应当大于衔铁12弹出力P_衔和弹簧的作用力k_弹h的合力，即F_电＞P_衔+k_弹h，其中k_弹为弹簧刚度。当制动器线圈断电时在弹簧的作用下，衔铁12与动子13接触，并产生作用力P_衔-动，使得衔铁12与动子13之间产生摩擦力。P的大小与弹簧的预压缩量Δ有关，P＝k_弹Δ。

本发明的谐振激振与加载原理为：

工件是一个需要施加交变载荷的受力体。本装置可以简化为单自由度工作系统的力学模型，参见附图16，假设除图中所示几种参数以外，均为刚体，对受力体施加的载荷P_受＝k₁(-x+x₀)，图中左侧系统可以等效为右侧的典型单自由度工作系统。根据需要，可以改变受力体施加的载荷P_受的大小和位置。

参见附图17，假设X₀为正(图中k₂初始受拉伸)，在当∣X_max∣<X₀时，则有P_受max＞0(拉力)，如图中上方曲线；如果X₀为负(k₂初始受压缩)，在当∣X_max∣<∣X₀∣时，则有P_受<0(拉力)出现，如图中下方曲线；在当X₀＝0时，曲线为中间形式，此时r＝-1，其中F_max和F_min分别为该种情况下的激振力最大值和最小值。

假设激振力F＝F₀sinωt，作用于受力体上的作用力P_受为：

其中为单自由度振动系统位移或者力的放大倍数。

根据共振原理，在当ω接近于共振频率时，可以较小的激振力达到对受力体施加很大的作用力P的目的。

若取则有考虑到k₁直接作用于受力体上，在可能的情况下，应当尽可能使k₁＞k₂。

本发明无铁芯直线电机谐振激振器，属于试验机和激振器领域，即是一台能输出大载荷力的无铁芯直线电机，也是一台疲劳试验机，是一种基于共振原理的用于测定金属材料疲劳特性的试验设备，具有工作频率高、试验时间短、能量消耗低、试验费用低、结构简单、安装维修方便、可操作性好、输出作用力大等优点，在工程实际中，可以用于短距离或长距离的直线运动装置，且定位精度高，也可以对工件施加交变载荷，进行疲劳试验。

本发明的无铁芯直线电机谐振激振器可以是两台、三台甚至多台无铁芯直线电机2并联使用，以两台无铁芯直线电机2并联使用为例来说明道理，参见附图18，两台无铁芯直线电机2的磁轭202分别通过一长方体铁块固定在基座上，处于同一水平面，两无铁芯直线电机2的线圈201和线圈连接件3连接在一起，线圈连接件3和滑块402固定，滑块402的导轨401紧密配合，导轨401固定安装在基座上，当无铁芯直线电机2线圈201通电后，两台无铁芯直线电机2线圈201同时工作，通过线圈连接件3向外输出推力，输出的推力中心线和工件受力中心线重合，此种方法的激振器输出力为单台无铁芯直线电机谐振激振器输出推力的二倍，目的也是使得激振器的输出推力尽可能的大。

当三台无铁芯直线电机2并联使用时，线圈连接件3成三棱柱形状，三台无铁芯直线电机2的线圈201和线圈连接件3连接在一起，并且相邻两台无铁芯直线电机2的线圈201成120°。

四台以至多台无铁芯直线电机2并联使用方法和上述方法道理相同，为适应不同数量的无铁芯直线电机2并联使用，线圈连接件3的形状不同，安装方法根据不同结构进行调整，保证多台无铁芯直线电机2输出的推力中心线和工件受力中心线重合。

Claims (6)

1.无铁芯直线电机谐振激振器，其特征在于，包括动力输入部分、支承与导向部分、弹性元件部分、自锁装置以及位移和作用力检测传感器；它们共同安装在基座上；

所述动力输入部分包括无铁芯直线电机(2)及其驱动控制系统；支承与导向部分包括线圈连接件(3)、运动导向机构(4)；弹性元件部分是一套可变刚度的线弹性元件总成；自锁装置通过电磁制动器实现包括线圈、线圈连接件在内的运动部件的断电自锁；位移和作用力检测传感器用于检测运动部件的位移和工件的受力；

所述基座相对于无铁芯直线电机谐振激振器除基座外的其他零部件具有至少大一个数量级的刚度；

所述动力输入部分中的无铁芯直线电机(2)包括磁轭(202)和线圈(201)；无铁芯直线电机(2)的磁轭(202)固定在基座上，无铁芯直线电机(2)的线圈(201)和线圈连接件(3)固定在一起，无铁芯直线电机(2)的线圈(201)在磁轭槽的正中心；所述线圈连接件(3)是一个中间开通槽的矩形框架，它通过运动导向机构(4)相对基座往复运动，所述线圈连接件(3)两端设置有输出连接部(302)；弹性元件部分包括两个线性弹性元件(7)，所述线圈连接件(3)两端的输出连接部(302)分别和一个线性弹性元件(7)连接，两个线性弹性元件(7)、无铁芯直线电机(2)的线圈(201)和线圈连接件(3)的组合体构成一个单自由度质量弹簧系统；

所述电磁制动器(8)包括电磁铁(801)和两块弹性板(802)；每块弹性板(802)的一端和电磁铁(801)固定连接，另一端自由，相当于一悬臂梁，两块弹性板对称安装，当电磁铁(801)通电吸合时，两块弹性板(802)被吸回在电磁铁(801)上，和所述线圈连接件(3)侧壁分离，线圈连接件(3)相对磁轭(202)自由运动；当电磁铁(801)断电时，弹性板(802)弹出，和所述线圈连接件(3)侧壁接触，阻止线圈连接件(3)相对磁轭(202)自由运动。

2.根据权利要求1所述的无铁芯直线电机谐振激振器，其特征在于，所述线性弹性元件(7)为由两个圆管(701)和两个端部开有通孔的弯板(702)构成的一对简支梁，两个圆管(701)中间位置开有径向的连接孔，一个圆管(701)的两端通过胀紧套(703)分别和两个弯板(702)的一端连接，另一个圆管(701)的两端通过胀紧套(703)分别和两个弯板(702)的另一端连接，所述线性弹性元件(7)通过圆管(701)上的径向的连接孔和线圈连接件(3)输出连接部(302)连接，调整两个弯板之间的距离实现调整简支梁的长度，进而改变线性弹性元件(7)的刚度。

3.根据权利要求2所述的无铁芯直线电机谐振激振器，其特征在于，两个所述线性弹性元件(7)的刚度关系为：

(n>1且n尽可能取大值)

其中：k₁为和工件连接的线性弹性元件(7)的刚度系数；

k₂为另一个线性弹性元件(7)的刚度系数；

无铁芯直线电机(2)做任意波形交变运动时，激振频率ω为：

ω＝q×ω_n

其中：q为系数，取q＝0.95～0.99；

ω_n为单自由度振动系统的固有频率。

4.根据权利要求1所述的无铁芯直线电机谐振激振器，其特征在于，所述自锁装置包括至少一个电磁制动器(8)，每个所述电磁制动器(8)固定在基座；电磁制动器的弹性板(802)的一端，在电磁制动器断电时与运动部件表面接触，对运动部件在与运动方向垂直的方向上施加正压力，实现运动部件相对基座的断电自锁；在通电时电磁制动器(8)的弹性板(802)与运动部件脱离接触，保证运动部件的自由运动。

5.根据权利要求1所述的无铁芯直线电机谐振激振器，其特征在于，基座包括结构框架(9)和支撑板(1)；所述结构框架(9)包括两个平行设置的拉杆(901)和两个平行设置并且两端开有通孔的横梁(902)构成，所述拉杆(901)固定在支撑板(1)上，每个拉杆(901)的两端分别和一个横梁(902)的一端通过胀套(903)连接，一侧横梁(902)和一个线性弹性元件(7)连接，另外一侧横梁(902)和力传感器固定连接，力传感器和工件串联在一起并和另一个线性弹性元件(7)连接；

所述无铁芯直线电机(2)的线圈(201)的一端固定有霍尔元件(203)，和线圈(201)固定连接的线圈连接件(3)输出作用力的中心线和工件受力中心线重合；

所述线圈连接件(3)的材料为不导磁材料。

6.根据权利要求1所述的无铁芯直线电机谐振激振器，其特征在于，所述无铁芯直线电机(2)为多台并联使用，多台无铁芯直线电机(2)的磁轭(202)分别固定在基座上，多台无铁芯直线电机(2)的线圈(201)同时和线圈连接件(3)固定连接，线圈连接件(3)的输出作用力中心线和工件受力中心线重合。