扭转振动测试系统及组合装置的制作方法

本发明涉及扭转振动测试平台、材料扭转特性测试技术以及电磁永磁直接驱动技术领域，具体地，涉及一种扭转振动测试系统装置及其组合装置。

背景技术：

扭转振动测试系统主要应用于扭转振动激励的施加，测试产品在扭转振动状态下的功能参数以及材料在扭转激励作用下的耐力性能。现有的振动台和材料的性能测试装置主要是在三个平移方向上施加激励作用，以检测产品的功能特性和材料的抗拉压特性，这只能满足一般的应用需求。对于一些特殊的应用领域和场合，产品和材料的扭转性能必须进行考虑。因此，需要这样的扭转振动测试系统。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种扭转振动测试系统的组合装置。

根据本发明提供的一种扭转振动测试系统，包括线圈、导磁回路、磁性体、转轴；

线圈缠绕在导磁回路上或导磁回路的一段缺口中；

导磁回路具有开口以形成两端，导磁回路的两端不连接接头或导磁回路的两端各自分别连接一对接头中的两个接头；

磁性体连接转轴，且位于导磁回路的两端或两个接头之间。

优选地，还包括磁性平衡块；磁性体的两侧设置有磁性平衡块；导磁回路为C型体；磁性体采用永磁体、电磁体、软磁体中的任一种或任多种的连接组合体；导磁回路采用软磁材料、非晶材料或者纳米晶材料；磁性平衡块采用内凹形式，磁性体相应地采用与凹槽匹配的外凸形式；磁性平衡块能够转动以调整与水平面之间的夹角，也能够调整与磁性体之间的间距，并能够锁定夹角和间距；转轴的端部位于线圈内或者延伸出线圈外并且转轴的端部连接外部支撑部件以输出往复摆动转矩以及运动，其中，线圈外部的部件为滚子轴承或者滚柱轴承；磁性体镶嵌在转轴中或者连接在转轴的表面；磁性平衡块位于线圈的外部或者内部；线圈的数量为一个或者多个，多个线圈之间串联和/或并联。

优选地，还包括扭转驱动输出臂；扭转驱动输出臂的一端紧固连接转轴，扭转驱动输出臂的另一端设置有扭转驱动连接孔。

优选地，还包括连接件、外部被测试零部件；转轴通过连接件连接外部被测试零部件；连接件为刚性连接件或者柔性连接件；外部被测试零部件的两端均为固定状态、均为自由状态或者分别为固定状态和自由状态。

根据本发明提供的一种组合装置，包括一个或多个上述的扭转振动测试系统，所述扭转振动测试系统构成旋转激振器，连接并对被激励部件施加旋转激励；被激励部件为外部被测试零部件和/或平台。

优选地，被激励部件的一处位置连接旋转激励器，或者多处位置分别连接不同的旋转激励器；其中，旋转激励器跟随被激励部件转动或者旋转激励器的壳体固定。

优选地，还包括外部驱动装置；外部驱动装置连接被激励部件。

优选地，平台的多处位置分别连接按照不同轴向方向布置的旋转激励器，旋转激励器的外壳固定；旋转激励器通过铰链结构连接平台；平台的多处均连接沿XYZ三个方向的平衡卸载结构；铰链结构是刚性铰链结构的组合、弹性杆与运动副的组合或者柔性结构与运动副的组合，其中，刚性铰链结构的组合中包括相连接的厚壁部分和薄壁部分，薄壁部分的数量为一个或多个，多个薄壁部分之间的轴向为不同方向。

根据本发明提供的一种组合装置，包括多个上述的扭转振动测试系统，其中：

-多个扭转振动测试系统的导磁回路的两端之间对应连接，形成两个交汇节点，这两个交汇节点分别延伸至一对接头中的两个接头；或者

-多个扭转振动测试系统的导磁回路的开头之间交错布置。

优选地，所述交汇节点为L形、T形、十字形、Y形、X形或者三条以上的交叉线形。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)直接驱动，传动效率高。相比于传统的旋转输出方式，此种驱动装置直接通过转轴5带动外部的旋转部件进行扭转的输出，不需要减速器，机械传递效率高，损耗低。

(2)响应快，无关噪音小。由于没有了中间的传递环节，因此响应快，而且可以避免减速器齿和齿啮合时的固定频率的噪声。

(3)频率范围宽。相比于传统的电机，此种驱动方式只通过改变线圈的通电电流的频率来改变轴的扭转的频率，其低频和高频性能会更好。

(4)C型磁回路，漏磁较小。此驱动方式的导磁回路成C型。线圈缠绕在环形导磁材料上，通电可以在C型结构的间隙处产生较均匀磁场。磁性体位于间隙磁场处，在磁场作用下转动。间隙磁场漏磁较少，因此一般情况下驱动时不需要外部磁屏蔽部件，简化了结构。

(5)布置更灵活，空间适应性强。此种驱动器线圈的数量不局限于一个，线圈在磁路上的布置方式不局限于图1所示单边。同时可以通过不同空间位置多个C型磁回路的组合，满足外部空间的严格条件，同时产生大的转矩。

(6)磁回路部件形状灵活多变。接头3可根据磁场大小以及磁场均匀度的要求进行特殊设计，形状不局限于圆柱体型和长方体型。磁性平衡块6的形状不局限于长方体型，其布置位置也不局限于水平位置。可根据所需的恢复力矩，对磁性平衡块的性状进行特殊设计。同时可根据驱动时对平衡位置的要求，改变其初始平衡位置。磁性体4的形状也不局限于图1所示的长方体形，其可以是根据驱动要求设计出的特殊异型。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基本实施例的结构示意图。

图2为本发明基本实施例的磁力线走向示意图。

图3为本发明具体实施例1的结构示意图。

图4、图5、图6为本发明具体实施例2的结构示意图。

图7、图8、图9为本发明具体实施例3的结构示意图。

图10、图11、图12为本发明具体实施例4的结构示意图。

图13为本发明具体实施例5的结构示意图。

图14为本发明具体实施例6的结构示意图。

图15为本发明具体实施例7的结构示意图。

图16为本发明具体实施例8的结构示意图。

图17为本发明具体实施例9的结构示意图。

图18为本发明具体实施例10的结构示意图。

图19为本发明具体实施例11的结构示意图。

图20为本发明具体实施例12的结构示意图。

图21、图22、图23、图24、图25为本发明具体实施例12中可采用的多种铰链结构的结构示意图。

图26为本发明具体实施例13的结构示意图。

图27为本发明具体实施例14的结构示意图。

图28为本发明具体实施例15的结构示意图。

图29、图30为本发明具体实施例16的结构示意图。

图31、图32、图33、图34为本发明具体实施例17的结构示意图。

图35、图36为本发明具体实施例18的结构示意图。

图37、图38、图39为本发明具体实施例19的结构示意图。

图40为本发明具体实施例20的结构示意图。

图中：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

基本实施例：

结构原理：

如图1所示，线圈1缠绕在导磁回路2上，导磁回路2是由相对磁导率比较高的软磁材料组成。接头3是为了形成大范围的均匀磁场，其形状不仅仅局限于圆柱体形或者是长方体形。磁性体4形成的磁极方向如图1所示，其可以是永磁体也可以是电磁体。转轴5支撑磁性体4，磁性体4和转轴5同步转动，转轴5可以连接外部的旋转部件。一对磁性平衡块6对阵分布在磁性体4的磁极两边，并且该对磁性平衡块6与水平线之间的夹角以及与磁性体4轴心之间的距离均可调，用来使磁性体4平衡稳定在某一角度位置。磁性平衡块6可以由永磁体或者是电磁线圈组成，其形成的磁极方向如图1所示。磁性平衡块6也可以是对磁性体4有一定的吸引作用的其他材料。磁力线7以虚线示出，其分布表示磁场的方向。可以看出磁性体4和转轴5处于由其他部件形成的均匀磁场中。

驱动机理：

线圈没有通电时，磁性体4在磁性平衡块6的作用下稳定于某一位置，可以叫做初始平衡位置。当磁性体4偏离于平衡位置时，磁性平衡块6会对磁性体4产生一种阻碍其偏离平衡位置的转矩，并使其具有恢复平衡位置的趋势。这种转矩可以被称作恢复力矩，并且其随磁性体4转角的变化而变化。当线圈1中通入电流形成图2中磁力线以及箭头所示的磁场方向时，磁性体4在此磁场作用下产生逆时针转矩，当此转矩大于恢复力矩时，磁性体4产生逆时针偏转。当线圈1中通入反向电流时，磁性体4所处磁场反向，作用在磁性体4上的转矩反向，当此转矩大于恢复力矩时，磁性体4便会产生顺时针偏转。如果线圈1通入的是一定频率的交变电流，则由相同驱动原理可知，磁性体4会产生往复的扭转，则转轴5所连接的外部部件亦会随之同步转动。改变线圈1通电频率，则可以改变转轴5扭转的频率。

下面对基本实施例的优选和/或变化例进行具体说明。

具体实施例1：

图3所示是两个C型磁路相对对接在一起的形式，其中有A，B，C三个部位可以放置电磁线圈。三个部位的线圈可根据具体情况随意组合，以符合外部安装环境的限制等等。当然，左右两边A，B两个部位的电磁线圈可以分别连成一个整体，这样可以充分利用空间。其中，两个C型磁路开口相对，共用一对接头。

具体实施例2：

图4、图5、图6为两个C型驱动器以垂直方式连接在一起，虚线部分为磁路导通情况。这种布置方式考虑到了特殊的空间安装位置的限制。D，E，F处的线圈可以选择性布置。

具体实施例3：

线圈1不仅局限于图7、图8、图9所示位置，其还可以位于图7、图8中虚线所示位置，或者由其随意组合构成。此处导磁回路2相当于由三个C型驱动器构成。其他部分的功能可参照图1中结构与功能。

具体实施例4：

图10、图11、图12中所示的驱动方式是由四个C型驱动器组合而成，导磁回路2呈双十字型。线圈1布置位置不局限于图10、图11、图12所示位置。转轴5可以从线圈的空隙中引出，连接外部的转子系统，输出旋转运动。

具体实施例5：

图13中所示的扭转驱动方式可用于测试产品在特殊弧线运动方式下的扭转振动特性。扭转驱动输出臂8，用于将转轴5上的扭转运动转换为某一半径下的沿弧线方向上的扭转运动。扭转驱动连接孔9用于连接被激励物体和扭转驱动系统。

具体实施例6：

图14中示出了第一C型驱动器31、多自由度磁转子装置32、第二C型驱动器33。由两个(或多个)C型驱动器在空间上交叉(或多向)布置组成多自由扭转振动驱动系统。

具体实施例7：

本发明提供的扭转振动测试系统能够作为旋转激振器11。如图15所示为由上述原理设计的旋转激振器11对外部被测试零部件13进行扭转激振测试的原理图。旋转激振器11和外部被测试零部件13通过连接件12相连接。根据测试的具体要求，旋转激振器11和外部被测试零部件13之间的连接可以是刚性的也可以是柔性的。旋转激振器11提供往复扭转激振的激振力，或是特定形式的扭转激振力。外部被测试零部件13两端通过其他零部件支撑，并可以绕轴线旋转，其转速与旋转激振器11相同。图15测试的是外部被测试零部件13两端处于自由状态的边界条件时的扭转特性。

具体实施例8：

图16所示测试的是外部被测试零部件13一端处于自由状态另一端固定(即固定状态)的边界条件下的扭转特性。

具体实施例9：

如图17所示，设置有两个旋转激振器，分别记为第一旋转激振器14和第二旋转激振器15。第一旋转激振器14和第二旋转激振器15为两个同轴安装的上述旋转激振器。其可以有以下两个工作状态：第一旋转激振器14和第二旋转激振器15同向同速旋转，第一旋转激振器14和第二旋转激振器15不同速旋转。同向同速旋转时，两个旋转激振器同时作用，增大了扭矩，减小了测试时外部被测试零部件13自身的扭转变形造成的不利影响。不同速旋转时，可以测试外部被测试零部件13在两端同向不等速旋转和两端反向旋转时的状态。

具体实施例10：

如图18所示为第二旋转激振器15随外部被测试零部件13一起转动的情况。当进行扭转激振测试时，第一旋转激振器14输出的扭转激振力带动外部被测试零部件13和第二旋转激振器15一起同步转动。此时，第二旋转激振器15可以施加特定的扭转激振力，叠加在第一旋转激振器14输出的力上，实现两个扭转激振力的解耦，从而实现更加复杂的扭转激振测试。

具体实施例11：

如图19所示，外部驱动装置16可以带动外部被测试零部件13作整周循环转动。此种测试方式是测试外部被测试零部件13在整周转动的过程中施加扭转激振力时的性能。外部驱动装置16可以模拟外部被测试零部件13在实际运转过程中加速、减速以及匀速等运转情况。第一旋转激振器14则随着外部被测试零部件13同步转动，同时在必要时刻施加扭转激振力。

具体实施例12：

如图20所示为三自由度旋转激振台(即旋转激励器)，平台22上可以放置外部被测试零部件，A向旋转激振器21、B向旋转激振器23、C向旋转激振器24这三个旋转激振器分别提供A、B、C三个方向的扭转激振力，并固定在空间某一位置。铰链结构25是扭矩传递结构，其可以是刚性铰链结构的组合，也可以是弹性杆与其他运动副的组合，也可以是柔性结构与其他运动副的组合。

当性杆25是刚性铰链结构的组合时，其可以使得平台产生大的转角，实现大行程摆动。当性杆25是弹性杆与其他其他运动副的组合时，由于弹性杆可以产生微小挠度变形，所以可以实现平台的微小摆动。当性杆25是柔性结构与其他运动副的组合时，其亦可以使平台产生转动或者摆动，而转角或者摆角的大小取决于所设计的柔性铰链结构。

铰链结构25传递旋转激振器对平台22的激振扭矩，同时防止运动的干涉。平台22四个角分别进行了XYZ三个方向的平衡卸载，这样使得三个旋转激振器的激振力能得到充分利用。也可选择性地对不同角进行不同方向的卸载。其中，平衡卸载结构可以是弹簧，弹簧的一端连接平台，弹簧的另一端固定。A向旋转激振器21、B向旋转激振器23、C向旋转激振器24均可以同轴成对对称布置，也可只选择单侧布置。

进一步地，图21、图22、图23、图24、图25描述了上述三种铰链的不同形式。

图21中，铰链结构25为弹性杆与其他运动副的组合，利用弹性杆的挠度变形，可以实现平台22的三自由度微小摆动。其他部分与图20一致。

图22中，铰链结构25为刚性铰链结构组合的一种形式，其中第一C型驱动器31可以是A向旋转激振器21、B向旋转激振器23、C向旋转激振器24，其与地固定。被连接部件34可以为平台22。多自由度磁转子装置32为只有沿轴向移动而不能转动的移动副，第二C型驱动器33为有两个转动自由度的虎克铰。通过此结构，可以使图20中平台实现三自由度转动。该形式铰链中有两个虎克铰和两个移动副。

图23中，铰链结构25为刚性铰链结构组合的另外一种形式，多自由度磁转子装置32、第二C型驱动器33同图22中一样。但是，此图中只包含一个移动副，且在第一C型驱动器31侧。

图24中，铰链结构25为刚性铰链结构组合的另外一种形式，多自由度磁转子装置32、第二C型驱动器33同图22中一样。但是，此图中只包含一个移动副，且在被连接部件34侧。

图25中，铰链结构25的结构即为图20中所述柔性铰链结构的一种示例，利用的是薄壁部分变形大的原理，产生所需转动或移动。图25中所示铰链结构25具有两个转轴，可绕YZ轴小角度转动。其类似于虎克铰。第一连接侧35、第二连接侧36分别连接A向旋转激振器21、B向旋转激振器23、C向旋转激振器24以及平台22。连接时，其可与移动副组合使用，方式如图22、图23、图24所示，则其中的第二C型驱动器33表示图25所示的柔性铰链结构。

具体实施例13：

如图26所示情况为，A向旋转激振器21、B向旋转激振器23可以随着平台22一起摆动的情况，可实现旋转激振运动的解耦。此处铰链结构25为刚性连接部件，将平台22与A向旋转激振器21、B向旋转激振器23的输出转轴刚性连接在一起，因而驱动器内部的永磁体也通过转轴5与平台22刚性连接在一起，可以同步转动。A向旋转激振器21、B向旋转激振器23转动的部分则为其外筒壁、线圈等结构，这些结构通过驱动器内部的部件支撑，其重量通过转轴5和铰接结构25加载到了平台22上。在施加激振力时，外筒壁、线圈等结构相当于转子，而平台22和A向旋转激振器21、B向旋转激振器23的输出转轴固连在一起相当于静止的定子，转子在激振力矩作用下相对于定子转动。此时由于相互作用力原理，定子也受到了相同的激振力矩，因而平台会同步摆动。其他部分与图20一致。

具体实施方式14：

如图27所示，基础实施例中的部件在本实施例中采用了不同的形状尺寸，接头3与磁性平衡块6均为凹槽形式，这样使得其与磁性体4之间的间隙均匀，运行时更加平稳。磁性平衡块6此处为电磁体形式，其形成的磁场方向如图21中所示。改变其通电电流，可以改变其形成的电磁场磁感应强度大小，从而改变平衡力矩的大小，使磁性体4更不容易偏离平衡位置。同时，磁性平衡块6也可以改变其与水平线的夹角，从而可以使磁性体4平衡在某一角度位置。

具体实施方式15：

如图28所示，接头3、磁性平衡块6与磁性体4之间的间隙可以调整，磁性平衡块6为内凹形永磁体型，磁极方向如图22中所示；图22中的虚线部分表示磁性平衡块6可以改变与磁性图4之间的间隙。

具体实施方式16：

如图29、图30所示，示出了软磁体10，比如工业纯铁。软磁体10与磁性体4构成一个圆柱体，其截面成圆形，这样它们就与接头3和磁性平衡块6之间的间隙更加均匀，这使得产生的力矩更加平滑，运行更加平稳。磁性体4和软磁体10之间是刚性连接的。磁性体4可以镶嵌在软磁体10中(如图30所示)，也可以与软磁体10一起搭接成一个整体(如图29所示)，其中，磁性体4的形状不仅仅局限于长方形。

具体实施方式17：

如图31、图32、图33、图34所示为基础实施方式的磁性平衡块布置方式的多个优选变化例，示出了一个磁性体4在采用螺线管的线圈1中的情况。转轴5与磁性体4紧固连接，同步转动。磁性体4处于实线所示位置时，为水平位置，其在磁性平衡块6的吸引作用下可以平衡在此位置，同时磁性平衡块6与水平位置之间的夹角以及磁性平衡块与5轴心之间的距离都可调。线圈1通入交流电可使磁性体4产生往复转动的力矩，此力矩驱动磁性体4和转轴5一起往复摆动，转轴5则延伸出线圈1，并连接外部的部件输出往复摆动转矩以及运动。磁性平衡块6的性状不局限于图31、图32、图33、图34中所示的性状，其布置位置也不局限于图31、图32、图33、图34中所示的位置。其可以布置在图31、图32、图33、图34中A、B、C、D四个侧方位位置或其中的几个,并且其与转轴5的轴心线之间的距离以及与水平面之间的夹角也可以调整，这样就可以使磁性体4平衡位置可变可调。外部支撑部件16作为转轴5的支撑结构，可以为轴承，并可以限制转轴在轴向的自由度。外部支撑部件16可以布置在线圈1内部，也可以布置在外部。

具体实施方式18：

如图35、图36所示，为基础实施例的线圈布置方式的优选变化例，两个线圈对称布置在磁性体4的上下方，这样也可以使磁性体4产生往复摆动的驱动力矩。线圈1的数量不局限于图35、图36中所示的两个，也可以是多对不同大小的线圈对称布置在磁性体4的两侧。图35、图36中的两个线圈均可以串联在一起，也可以并联在一起。如果有多个线圈的话，则可通过串并联线圈的方式改变线圈的电感，从而改善此驱动方式高频的性能。

具体实施方式19：

如图37、图38、图39所示，磁性体4为磁转子中的永磁体，可以镶嵌在转轴5中，外部仅有一个作为外部支撑部件16的轴承支撑，在线圈1所产生的磁场下，磁性体4可以产生摆动转矩，从而驱动磁性体4和转轴5同步转动。转轴5连接外部部件就可以输出摆动激振力。外部支撑部件16可以是滚子轴承，也可以是滚柱轴承。

具体实施例20：

图40中示出了第一C型驱动器31、多自由度磁转子装置32、第二C型驱动器33。由两个(或多个)C型驱动器在空间上交叉(或多向)布置组成多自由扭转振动驱动系统。其中，多自由度磁转子装置32中的磁性体4(一般为永磁体)可以做成两头均为半球形，接头3则可做成内凹的半球型，以使接头3与磁性体4之间的间隙均匀，有利于驱动力或力矩的平稳输出。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。