一种电动式激振器及其实现方法与流程

本发明实施例涉及旋转机械的激振技术领域，特别涉及一种电动式激振器及其实现方法。

背景技术：

旋转机械轴系统在运行过程中，由于扭矩载荷的波动会发生扭振现象，诸如汽车和船舶内燃机，螺旋桨驱动系统，旋转泵，等等。当这样的动态载荷中某个频率成分与轴系统结构固有扭转频率趋于一致时，轴系统可能会产生剧烈的扭转共振，这极易导致零部件的损坏和失效，同时还会向外界辐射令人难以容忍的振动和噪声。因此在轴系统产品设计开发、产品改进或者故障诊断的过程中，经常需要通过模态分析技术测量其固有扭转频率，扭转激振器既是该测试系统的组成设备之一。

除了运用于旋转机械的模态分析，扭转激振器还可以对于轴系统实施各种扭振试验，比如产品耐久性试验，产品扭振响应试验等等。现有技术中的扭转激振器通常都是液压扭转激振器，它虽然可以有很大的输出扭矩，但受制于液体的特性，其工作频率上限仅有100～150hz。因此，如何确保扭转激振器既有较大的输出扭矩，又有较高的工作频率成为激振技术领域中亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种电动式激振器及其实现方法，运用于旋转机械的模态分析，对于轴系统实施各种扭振试验，其既有较大的输出扭矩，又有较高的工作频率。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电动式激振器，包括：

轴系统振动测量结构，用于测量轴系统的扭转振动信号；

扭转激振器，用于产生激振，包括磁力模块和线圈模块，线圈模块包括芯体和缠绕并固定在芯体上的导电线圈，磁力模块包括磁场发生器，磁场发生器用于产生能够穿过导电线圈的磁场，在磁场作用下，所述线圈模块和所述磁力模块相对于彼此做往复转动，所述线圈模块和所述磁力模块其中之一与所述机壳刚性固定，另一个与所述轴系统刚性固定；

扭转电信号加载模块，用于向所述导电线圈加载控制电信号；

信号处理模块，用于根据所述扭转振动信号以及所述控制电信号得出所述轴系统的固有频率。

本发明所述的电动式激振器还包括有如下技术要点：

所述磁力模块还包括基座，所述磁场发生器设置在所述基座上，所述基座与所述壳体刚性固定，所述线圈模块与所述轴系统刚性固定、并与所述机壳弹性固定。

所述线圈模块通过弹簧固定在所述机壳上。

所述弹簧为套设在轴系统上的扭转弹簧，所述扭转弹簧一端与所述轴系统固定、另一端与所述机壳固定。

所述轴系统经由轴承可旋转地固定在所述机壳上。

所述磁场发生器位于所述导电线圈的相对两侧，两侧的所述磁场发生器的磁性是互斥的。

所述磁场发生器位于所述导电线圈的一侧。

所述磁场发生器为多个，多个所述磁场发生器围绕所述轴系统间隔设置。

所述导电线圈为多个，多个所述导电线圈分别与多个所述磁场发生器正对设置。

本发明的实施方式还提供了一种电动式激振器的实现方法，包括以下步骤：

步骤1，将线圈模块弹性固定在磁力模块上，所述线圈模块包括芯体和缠绕并固定在所述芯体上的导电线圈，所述线圈模块与所述轴系统刚性固定，所述磁力模块包括磁场发生器，所述磁场发生器产生能够穿过所述导电线圈的磁场；

步骤2，给所述导电线圈提供控制电信号，所述导电线圈在磁场作用下产生驱动扭矩，所述线圈模块在所述磁场作用相对于所述磁力模块做往复转动；

步骤3，测量所述轴系统的振动状况，产生扭转振动信号；

步骤4，根据所述扭转振动信号以及所述控制电信号得出所述轴系统的固有频率。

本发明实施方式相对于现有技术而言，具有如下优点：

1.可以在很宽的频率范围内发挥激振效果，其作用频率可以达到1000hz或更高。

2.在设计原理上仅提供纯扭矩，不会对轴系统产生不可忽略的附加径向力或轴向力。

3.输出扭矩大。输出扭矩的大小取决于安培力的大小以及圆周力到心轴轴线的距离；而安培力又正比于磁场感应强度、磁场内与磁场方向垂直的通电线圈长度和电流强度。在所述的装置中，激振器圆形的直径越大，则力矩的力臂也越大，同时磁场发生器和线圈的弧线也可以越长，因而环绕的线圈在磁场中的长度就越长；另外，激振器圆形在旋转轴系统的轴线方向上越厚，则磁场发生器、线圈也可以相应地增厚，则线圈在磁场中的长度就越长，并且还可以通过多层线圈以成倍增加其长度；最后，适合的铜导线截面尺寸可以提供数安培的电流而不至于过热。这些特点使得我们可以在很大的范围内灵活设计激振器的输出扭矩，非常有利于从小型轴系统到大型轴系统的扭振激励需求。

4.低阻尼性。金属弹簧具有较低的阻尼特性，这样可以尽量发挥该激振器的输出扭矩峰值，并且动态频率响应性能好。

5.性能可靠，对于环境要求低，耐油耐脏，工作温度可以接近摄氏100°。

6.结构紧凑，质量和惯量小，其输出扭矩足以满足各种轴系的扭转振动模态测试和许多零部件的扭转激励、扭转性能及耐久试验，因此电动式激振器有着广阔的应用空间。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明第一实施方式提供的电动式激振器的俯视图；

图2是本发明第一实施方式提供的电动式激振器的侧向剖视图；

图3是本发明第二实施方式提供的电动式激振器的俯视图；

图4是本发明第三实施方式提供的电动式激振器的实现方法的流程图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种电动式激振器100，如图1至2所示，主要包括线圈模块1和磁力模块2。线圈模块1包括芯体10和缠绕并固定在所述芯体上的导电线圈11，所述磁力模块2包括磁场发生器21。所述磁场发生器21用于产生能够穿过所述导电线圈11的磁场，在磁场作用下，所述线圈模块1和所述磁力模块2相对于彼此做往复转动，本实施方式中，所述磁力模块2与所述机壳3刚性固定，所述线圈模块1与所述轴系统4刚性固定。具体的说，所述芯体10与所述轴系统4刚性固定。本实施方式通过将所述导电线圈11固定在所述芯体10上，增加了电动激振器100的结构强度，有效减少了因所述线圈模块1和所述磁力模块2相对于彼此做往复转动而造成了的机械损伤，提高了电动式激振器100的可靠性。另外，由于机壳3位于电动式激振器100最外侧且可被固定在其他固定结构上，避免线圈模块1扭转振动时在弹性力的作用下带动机壳3移动，确保测试装置的稳定性和测试精度。

值得一提的是，所述磁力模块和所述线圈模块的转动是相对的，当所述磁力模块作为固定模块与所述机壳3刚性固定时，所述线圈模块就作为相对转动模块与所述轴系统4刚性固定并做往复转动；当所述线圈模块作为固定模块与所述机壳3刚性固定时，所述磁力模块就作为相对转动模块与所述轴系统4刚性固定并做往复转动。

本实施方式中，磁力模块2还包括基座22，磁场发生器21设置在基座2上。基座22采用导磁材料，磁场发生器21采用永磁材料，可以理解的是，磁场发生器21也可以是通过电磁效应实现的磁场，如利用导电线圈产生磁场，等等。

所述线圈模块1弹性固定在所述机壳3上，所述线圈模块1通过弹簧5固定在所述机壳3上。所述弹簧5为套设在轴系统4上的扭转弹簧，所述扭转弹簧一端与所述轴系统4固定、另一端与所述机壳3固定。扭转弹簧可以套设在轴系统4外围，不占用过多的空间，避免过多的增加电动式激振器100的体积。

关于所述轴系统4弹性固定在所述机壳3上，具体为，轴系统4经由轴承6可旋转地固定在所述机壳3上。线圈模块1可以借助轴承6，在弹簧5的作用下，相对于磁力模块2，围绕其稳态位置来回往复扭转摆动。刚性固定确保线圈模块1可以带动轴系统4一起扭转振动，经由轴承6可旋转地固定在所述机壳3上可以保证机壳3在轴系统4的径向方向上限制轴系统4的移动、在轴系统4的圆周方向上提供轴系统4的转动自由。

本实施方式中，在所述导电线圈11的两侧均布置磁场发生器21，此时，设置在导电线圈11外侧的为外基座221和外磁场发生器211，设置在导电线圈11内侧的的为内基座222和内磁场发生器212。

具体的说，外基座221和内基座222均为环状结构，所述外磁场发生器211、内磁场发生器212均为多个，多个外磁场发生器211通过粘合剂或其它适当的方式固定在外基座221的内侧，并围绕所述轴系统4间隔设置，本实施方式中为等间隔设置，多个内磁场发生器212通过粘合剂或其它适当的方式固定在内基座222的外侧，并与外磁场发生器211正对。如此设置，使得导电线圈11的两侧均处于磁场发生器21形成的环形径向磁场气隙中，并且导电线圈11的走向，也即电流的方向，与磁场方向是垂直的，导电线圈11在磁场中的受到更大的力的作用；进一步的，由于磁场发生器21是一块一块间隔设置的，相比于直接设置为中空环状结构，能够提供更加集中的磁场，并且导电线圈11正对磁场发生器21设置，因此导电线圈11在磁场中受到的力的作用进一步增强，从而进一步提高了电动式激振器100的振动性能。另外，小尺寸、小规格的磁场发生器21容易制作、利于更换替代。

相应的，导电线圈11为也可以设置为多个，多个所述导电线圈11分别与多个所述磁场发生器21正对设置。如此设置，能够减少导电线圈11的用料，节约成本，同时减少电流的损耗，能够获得更大的输出扭矩。

值得一提的是，本实施方式的电动式激振器100还包括：轴系统振动测量结构，用于测量轴系统的扭转振动信号；扭转电信号加载模块，用于向所述导电线圈加载控制电信号；以及信号处理模块，用于根据所述扭转振动信号以及所述控制电信号得出所述轴系统的固有频率。

除了上述部件外，电动式激振器100还可以包括：固定在轴系统4上的电刷5，保证在整个系统高速旋转的情况下给导电线圈11提供变化的交流电。

作为举例而非限定，上述磁场发生器21所形成的气隙磁场方向为圆形的径向，在所述导电线圈11两侧相对布置的外磁场发生器211和内磁场发生器212中，磁场方向之间的关系可以有两种选择方案：

第一种是外磁场发生器211和内磁场发生器212的磁性相斥，第二种是外磁场发生器211和内磁场发生器212的磁性相吸。下面分别给予介绍：

首先说明第一种方案。此时外磁场发生器211和内磁场发生器212磁场方向是相对互斥的(相反)，当套在芯体10上的导电线圈11通电时，在芯体10两侧磁场中的导电圈内的电流方向是相反的，而两侧磁场的方向也是相反的，也就是说，导电线圈11在外磁场发生器211磁场中的导线电流与内磁场发生器212磁场中的导线电流是反向的，而二者的磁场方向也是相反的。根据描述磁感应强度、电流及安培力之间关系的安培定律，两侧磁场给予导电线圈11的作用力恰好是沿着圆周方向并同向，形成了一个磁场力纯扭矩，它的数值应该等于导电线圈11在两侧磁场中产生的圆周力之和乘以芯体10中线的直径。

因此，为了增加输出扭矩，需要增大作用力，而作用力的幅值与电流强度以及磁感应强度成相关，所以，需要尽可能增强芯体10与外磁场发生器211和内磁场发生器212之间气隙的磁感应强度。本实施方式中外磁场发生器211和内磁场发生器212采用高性能的稀土永磁钕铁硼磁铁，芯体10采用高磁导率的软磁材料，并且芯体10与外磁场发生器211和内磁场发生器212之间的间隙在二者之间不接触的前提下尽可能地小。

在上述磁场纯扭矩的作用下，上述线圈模块1和轴系统4将相对于上述磁力模块2发生转动，这导致所述弹簧5变形引起弹簧力，因此也形成了一个弹簧力纯扭矩。

现在简要说明第二种方案。此时外磁场发生器211和内磁场发生器212隔着芯体10的磁场方向是相同相吸的，但由于导电线圈11在外磁场发生器211磁场中的导线电流与内磁场发生器212磁场中的导线电流是反向的，所以，所述导电线圈11在两侧磁场中产生的圆周力是反向的，这样导电线圈11产生的扭矩应该等于线圈一侧的圆周力乘以两侧线圈之间的宽度。

本发明的第二实施方式涉及一种电动式激振器200，如图3所示，第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，所述磁场发生器21位于所述导电线圈11的相对两侧，两侧的所述磁场发生器21的磁性是互斥的。而在本发明第二实施方式中，所述磁场发生器21位于所述导电线圈11的一侧。可以理解的是，本实施方式与第一实施方式具有相同的技术效果。

本发明的第三实施方式提供一种电动式激振器的实现方法，如图4所示，包括以下步骤：

s101:将所述线圈模块和所述磁力模块其中之一与所述机壳刚性固定，另一个与所述轴系统刚性固定，其中，所述线圈模块包括芯体和缠绕并固定在所述芯体上的导电线圈，所述磁力模块包括磁场发生器，所述磁场发生器产生能够穿过所述导电线圈的磁场。

具体的说，在s101中，所述的弹性固定，指的是利用弹性结构进行固定的结构，该弹性结构特别是指弹簧，当然也非限定。

s102:给所述导电线圈提供控制电信号，所述导电线圈在磁场作用下产生驱动扭矩，所述线圈模块在所述磁场作用下相对于所述磁力模块做往复转动。

具体的说，在s102中，扭转电信号加载模块产生各频段的振动频率电信号，比如，该振动频率可以取为800hz。该电信号加载到导电线圈11上之后，利用电磁力的作用，能够使得线圈模块和轴系统开始运动，且该运动是以来回摆动的振动方式实现的。

s103:测量所述轴系统的振动状况，产生扭转振动信号。

具体的说，在s103中，振动信号可通过扭振传感器进行探测，当然，还可以设置扭矩传感器，通过对扭矩的测量，来更好地实现对轴系统的模态分析操作。

s104:根据所述扭转振动信号以及所述控制电信号得出所述轴系统的固有频率。

具体的说，在s104中，信号处理模块根据扭转电信号加载模块加载的电信号、以及测量模块测量的扭转振动信号，分析计算出所述轴系统的固有频率。具体为，利用扭振传感器来测量轴系统的振幅状况，假如出现的a、b、c三处峰值，那么，这a、b、c三处峰值情况下所对应的扭转电信号加载模块的施加频率，就对应着轴系统的固有频率，计算起来非常方便、快捷。

利用本发明所述的扭转激振器，除了能够用以测量轴系统的固有频率外，还可以对轴系统施加扭矩载荷，对其进行耐久试验，或者各种激励响应试验。

在耐久试验方面，作为举例，可以检验轴系统长时间承受动载荷扭矩的能力。比如：将变速器一端固定，另一端与本发明所述激振器联接，由激振器模拟变速器实际运行工况对其施加扭矩载荷。

在激励响应试验方面，作为举例，可以检验轴系统对于各种载荷激励的反应状况，考察其有无异常情况，或是否满足要求。例如：对于离合器系统按上述方式与所述激振器联接，模拟离合器的各种冲击状况，由激振器对其加载，以考察其响应特性

由于第三实施方式为第一实施方式对应的方法的实施方式，因此本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第一实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。