电动振动台动圈的金属绕线壁筒及其加强环的涡流影响的限制与消除

  仪器信息网 ·  2011-04-25 22:15  ·  38481 次点击
1、电动振动台动圈的金属绕线壁筒及其加强环的涡流影响的限制与消除
电动振动台的动圈是振动台的“心脏”部件。它既是出力部件又是传力部件,当在其驱动线圈的绕组中通入交流电流后,驱动线圈就会产生交变的激振力,并通过动圈的台面部将激振力传递给试件,以推动试件振动。
为了保证振动台有足够的自振频率,就要求动圈结构有足够高的刚度和强度。兼顾到经济性,振动台的动圈骨架一般都彩比刚度大和价格相对便宜的铝或镁的有色金属轻合金来制造。其动圈通常都是由驱动线圈部和台面部两部分构成。驱动线圈部一般是由驱动线圈绕组和其绕线壁筒有金属和非金属之分(胶接成型的无绕线壁筒的驱动线圈可看作是具有非金属绕线壁筒的驱动线圈)。动圈的台面部一般由上加强环、肋板和台面组成的连体金属结构。如果上述动圈的台面部彩某种轻金属材料制造,驱动线圈部的绕线壁筒及其下加强环可采用同种金属材料或另一种轻金属材料来制造,当然,也可以用非金属材料来制造,但不同材料的动圈部件来的两部分之间的连接主要是依靠胶接、螺纹联接或螺栓连接等机械连接来实现。
这些连接的强度和刚度一般不是很高,因此这种两种结构的动圈多用于中小推陈出新力的振动台中。若要在大推力的振动台中采用两体结构的动圈,则必须要对其连接处的强度和刚度进行特殊的增强处理。而对于采用同种轻金属材料制造的动圈骨架,即将驱动线圈部的绕线壁筒及其下加强环和包含上加强环、肋板和台面等结构的台面部采用同种轻金属材料制成整体式的动圈骨架结构,其大大增强了动圈连接处的刚度与强度以及耐振的抗疲劳性能,因而获得了广泛地应用。
然而,这种整体式金属动圈骨架也有其不忽视的问题:这就是动圈骨架的金属绕线壁筒及其上下加强环的涡流效应将会给振动台的性能造成影响,特别是它对大推力的振动台的影响更大。既有有利的影响,也有有害的影响。其有害的影响将会严重降低振动台的性能。下面将分别讲座这些影响的具体方面以及其对有害影响的限制与消除的方法。
2、动圈的金属绕线壁筒及其上下加强环对振动台性能的影响
从电学观点,我们可以把动圈的金属绕线壁筒及其上下加强环看成是一个与振动台驱动线圈并绕在一起的短路线圈。当驱动线圈绕组通以交流电流之后,由于电磁感应的作用,在金属绕线壁筒及其上下加强环中产生了感应电流,也称涡流电流。它将对振动台的性能产生如下的影响:
第一个影响是“减少了振动台的推力”:这是因为在动圈绕线壁筒及其上下加强环中感应的涡流电流的方向与驱动电流的方向相反,因此这个涡流电流与振动台的气隙磁场作用产生的涡流力与驱动线圈产生的驱动力方向正好相反。这个涡流力必然要抵消掉一部驱动力,造成振动台激振力的损失,这个影响是非常大的。
第二个影响是“涡流发热”:这是由于涡流电流在金属绕线壁筒及其上下加强环中流过,必然会产生热量,导致驱动线圈的温升。这个影响也十分不利的。
第三个影响是“降低了动圈的交流阻抗”:这是由于感生在金属绕线壁筒及其上下加强环中的涡流电流所产生的反磁通抵消掉了一部分驱动线圈的原磁通,使驱动线圈单位电流所交链的磁力线减少了,因此驱动线圈的电感量也就减少了,起到了降低交流阻抗的作用,使振动台的高频阻抗特性趋于平坦,这个影响对振动台来说是有利的。
第四个影响是“增加了振动台运动系统的阻尼”:这是由于金属绕线壁筒及其上下加强环相当于一个闭合的导电回路,当它跟随着驱动线圈在振动台的气隙磁场中作切割磁力线运动时,在绕线壁筒和上下加强环中,将产生一个感应电流,其方向与动圈运动方向有关,符合右手定则,大小与动圈的运动速度成正比。这个感应电流反过来又与振动台的气隙磁场作用产生电磁阻尼力,使振动台运动系统的阻尼加大,从而使振动台低频速度区的加速度频率特趋于平坦,这个影响对振动台来说也是有利的。
综上所述,动圈的金属绕线壁筒及其上下加强环对振动台的性能既有有利的影响,也有有害的影响。权衡利弊得失,显然有害的影响要比有昨的影响大得多,所以对其有害影响必须加以限制几消除。
3、金属绕线壁筒及其上下加强环有害影响的限制与消除
从上文可知:由动圈的金属绕线壁筒及其上下加强环造成的推力减少与涡流发热的两个有害影响都是由于金属绕线壁筒中感生的涡流电流引起的,因此,如何限制或消除金属绕线壁筒及其上下加强环内的涡流就成了解决问题的关键。
下面介绍几种笔者曾经采用过的并取得一定效果的限制和消除振动台动圈绕线壁筒及其上下加强环内的涡流及其影响的方法:
(1)用不锈钢材料代替铝合金或镁合金材料制造动圈的绕线壁筒及其下加强环以减少涡流及其影响。
此方法的作用原理是:因为不锈钢材料的电阻率比铝合金或镁合金材料的电阻率大得多,因此,对于同样尺寸的绕线壁筒及其加强环的涡流电阻来说,不锈钢材料的电阻要比铝合金材料的电阻大得多;再者,由于不锈钢材料的比重和弹性模数比铝合金和镁合金的大得多,故而在满足同样刚度要求条件下的不锈钢材料的绕线壁筒的厚度要比铝合金或镁合金材料的绕线壁筒要薄,所以,这就可以大大减少涡流流经路径的截面积,增大其对涡流的电阻,从而达到减少涡流及其影响的目的。
由于此方法不能彻底消除涡流,还有剩余的涡流存在,所以此种结构的动圈,除还残存有部分有害的影响之外,也保留了一部分有利的影响。此方法多用于中小型振动台中。
(2)在铝或镁合金材料的整体动圈骨架结构的绕线壁筒上,按每相邻肋板之间开一条长槽的开槽规则,开几条平等于其轴线的长腰槽(上下加强环不开穿),以减小涡流及萁影响。
此方法的作用原理是:在涡流经的主要路径上开长槽,以改变涡流的流经路径,加长涡流的行程,使涡流的最阴增加,同时在涡流流经绕线壁筒开槽处两端的上下加强环处,由于涡流流过此处的截面积比未开槽时大大减少了,因此,更增大了阻碍涡流的电阻,从而减小了涡流及其影响。
由此可见,此方法也只能减少涡流,而不能彻底消除涡流及春影响。其作用效果与不锈钢材料的绕线壁筒对涡流的限制作用效果差不多。所不同的是;该动圈的台面、肋板、上加强环和绕线壁筒及其下加强环用同种轻金属材料制造成整体式骨架结构,所以连接部的强度大、刚度高、耐疲劳性能好。缺点是:在开槽两端的上下加强环处涡流流经的回路截面积减小了,通过它的涡流密度增大了,故此处有局部发热现象。特别是对于大推力的振动台来说,由于驱动电流很大,因而涡流电流也很大,因此,此处的发热情况十分严重,甚至在动圈具有强制冷却的情况下,还往往会导致烧坏动圈绝缘。所以此方法一般用于中小型振动台中。
在这里附带说明一下:曾有人提出用在切槽两端的加强环处加装导流板的方法,来减小此处的涡流密度,以达到减小切槽处两端局部过热的目的。但实践证明:附加的导流板反过来减小了此处加强环对涡流的电阻,导致涡流加大,从而降低了在绕线壁筒上开长槽限制涡流的效果,所以,加装导流板的方法是不可取的。

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