CN102428389A - 电磁地震勘测振动器系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电磁系统的实施方案，所述电磁系统可用于替代致动物块运动的传统液压油系统。本发明公开的实施方案提供了宽频范围工作、具有高保真度的地面力应用以及小的环境影响。本发明公开的实施方案可用于地震探测和连续振动应用，还有其他用途。

Description

电磁地震勘测振动器系统和方法

相关申请的相互引用

本申请要求享有于2009年3月16日提交的美国临时专利申请No.61/160,405的利益和优先权，该申请通过引用方式被完全纳入本文，并且构成本文的一部分。

背景技术

如本领域已知的，连续振动法(vibroseis)是在探测地震学(exploration seismology)中使用的方法，用来在一个持续时间段内将能量信号传播进大地，与由冲击源(诸如爆炸物或重物下落卡车)提供的近似瞬时能量不同。以这种方式记录的数据可被关联，以将持续的源信号转化为脉冲。通常，所述信号由安装在一个移动基底单元上的伺服控制的液压振动器或振动机单元产生。

使用地震波来探测石油储量或其他地质结构和/或地球的异常现象的技术正变得相当复杂。这项工作的关键是需要一个力、频率和相位能够得到准确控制的高保真度的地面振动机。目前，液压振动机在该行业占主导地位。这些设备可被安装在卡车上以获得移动性。通常，对于液压振动机，小的机械致动器控制高压力的液压流体流动，以向基板(base plate)施加正弦压缩力。使用这样的设计，可实现大的力。然而，液压振动机存在一些缺点。使用液压流体会在泄漏和溢出方面引起环境问题。此外，液压振动机相对响应缓慢，这会导致降低输入信号的保真度。

因此，期望有能够克服本领域中的挑战(其中一些如上所述)的系统和方法。

发明内容

本文描述了电磁系统的实施方案，所述电磁系统可用于替代致动物块(mass)运动的传统液压油系统。本文所述的实施方案提供了宽频率范围工作、具有高保真度的地面力(ground force)应用以及小的环境影响。本文描述的实施方案可用于地震探测及连续振动应用，还有其他用途。

附加优点将在以下的说明中部分给出，或者可通过实践得知。这些优点将通过尤其在随附权利要求中指出的元件和其组合被实现和获得。应理解，上文的总体说明和下文的详细说明仅是示例和解释性的，不像权利要求是限制性的。

附图说明

包含在本说明书中且构成本说明书一部分的附图示出了一些实施方案，并且与说明书一起用于解释所述方法和系统的原理。

图1示出了安装在卡车上的电磁振动器(vibrator)系统的一个实施方案，包括电源、控制系统和换能器(transducer)；

图2示出了换能器的一个示例实施方案；

图3是换能器的一个实施方案的截面图；

图4进一步示出了导致换能器的一个实施方案运动的磁力；

图5示出了逆变器方案的电学示意图的一个实施方案，该逆变器方案可用于产生AC电能以及控制电磁振动器系统的一个实施方案；

图6示出了来自逆变器的脉冲宽度调制信号可与锯齿波结合以产生期望的正弦波；

图7A和7B示出了来自如图5中所示的逆变器的实施方案的仿真输出和实际输出；

图8A-8C示出了仿真模型的一个示意图；

图8D示出了一个控制示意图；

图8E示出了一个扫描力(sweep force)控制图；

图8F示出了振动器电学波形；

图8G是谱功率密度(spectral power density)的一个图表；

图8H是反应块(reaction mass)运动的一个图表；

图8I和8J是随机相位地面力(ground force)比较的图表；

图8K和8L是随机相位谱功率比较的例示图；

图8M和8N是随机振幅地面力比较的例示图；

图8O和8P是随机振幅谱功率比较的例示图；

图8Q、8R和8S是针对固定频率扫描的谱功率图的例示图；

图9A是适于大冲程的电磁振动机(shaker)的一个例示图；

图9B是反并联连接两个线圈与两个线圈中的一个短路相比将在较高频率下产生较大电感的一个例示图；

图9C是用于从钢结构上的固定场绕组产生提升力的几何结构(geometry)的一个例示图；

图9D是对于沿图10-4中的突出显示部分的各个位置当电流形成提升力时产生的力的一个例示图；

图9E是对于沿图10-5中的突出显示部分的各个位置当电流形成向下力时产生的力的一个例示图；

图9F是对于恒定电流，力随位移变化的一个例示图；

图9G是基准设计几何结构的一个例示图；

图9H是对优化过程中干扰的变量的一个例示图；

图9I是被构建为用于将优化变量链接至问题几何结构的三维表面的一个例示图；

图9J示出了要求在一个区域上涂抹(smear)电流的磁优化；

图9K示出了作为β的函数的电流密度乘数，其中β代表由dc(稳态重量)分量构成的总力负载的比例；

图9L示出了优化的设计尺寸；

图9M示出了在最大激励时针对优化设计的磁场图；

图9N示出了使用两个并联电路的电枢线圈布图；

图9O示出了dc提升线圈(lift coil)被最佳布置在电枢堆栈(stack)的中心；

图9P示出了穿过电枢间隙(gap)的中间的磁场；

图9Q(a)、(b)和(c)示出了电流密度如何随频率以及在铜补偿器存在的情况下变化的示意图；

图9R示出了针对具有相等电枢线圈激励(225Hz，最大激励)的薄补偿器和厚补偿器的功率和电压需求；

图9S示出了用来代表电枢电路的等效梯形网络；

图9T示出了对电枢的功率消耗建模的梯形等效电路的性能；

图9U示出了计算dc场和ac电枢激励下的力的瞬时分析；

图9V示出了将两列磁体放置在电枢间隙的任一侧；

图9W示出了在磁体激励下远离电枢间隙的泄漏场；

图10A示出了绝缘系统的热挠曲(heat deflection)温度和玻璃转变(glass transition)温度；

图10B示出了一个绝缘系统设计；

图11A示出了一个EMV基准设计；

图11B示出了一个钢反应块；

图11C示出了一个EMV基板；

图11D示出了场线圈(field coils)；

图11E示出了EMV力线圈(force coils)；

图11F示出了其他EMV部件；

图11G示出了附有力线圈的EMV基板；

图11H示出了在放置到顶部反应块钢之前的场线圈；

图11I示出了在放置铜圈之前的外部钢铸件；

图11J示出了在放置铜圈之前的中心钢铸件；

图11K示出了插有基板的EMV反应块；

图11L示出了EMV基板导向轴承；

图12A示出了控制系统的一个框图；

图13A示出了放置有新部件的Merts卡车；

图13B示出了Merts卡车的俯视图；

图13C示出了Merts卡车的侧视图；

图14A示出了在动态分析中使用的地和基板的一个有限元模型；

图14B是在静态分析中使用的地和基板的有限元模型的一个细节视图，其示出了负载施加区域；

图14C示出了在静态分析中使用的基板的一个有限元网(mesh)；

图14D示出了在静态分析中使用的基板的有限元网的一个放大图；

图14E示出了在正弦负载向上施加的过程中上升离地的基板；

图14F示出了在动态分析中遇到的最大Von Mises应力——该应力是14.3ksi；

图14G示出了在基板的上圆柱形部分中遇到的最大Von Mises应力——该应力是7.5ksi；

图14H示出了在静态分析中来自横向负载的最大Von Mises应力；

图14I示出了来自横向负载的横向挠曲；

图14J示出了具有加固肋的改型基板；

图15A示出了乙二醇水溶液的沸腾温度和冻结温度(ASHRAE手册)；

图15B示出了一个场线圈冷却设计；

图15C示出了一个电枢提升线圈和补偿板冷却设计；

图15D示出了一个针对场线圈的有限元热模型网；

图15E示出了针对提升线圈和补偿板的有限元热模型网；

图15F示出了一个场线圈稳态(steady state)温度分布(使用平均冷却剂温度)；

图15G示出了一个场线圈稳态温度分布(使用出口冷却剂温度)；

图15H示出了一个提升线圈稳态温度分布(使用平均冷却剂温度)；

图15I示出了一个提升线圈稳态温度分布(使用出口冷却剂温度)；

图15J示出了一个补偿板稳态温度分布(使用平均冷却剂温度)；

图15K示出了一个补偿板稳态温度分布(使用出口冷却剂温度)；

图16A示出了空气间隙中的一个磁场图；

图16B示出了在10Hz的PWM的一个电流检出(check out)；

图16C示出了在50Hz的PWM转换器的一个检出；

图17A示出了添加在基板和反应块之间的弹簧；

图17B示出了一个处于完全下降位置的振动器；

图17C示出了一个处于完全上升位置的振动器；

图17D示出了用0.125英寸管重新设计的导体；以及

图17E示出了一个具有Roebel TM配置的导体。

具体实施方式

在公开和描述本方法和系统之前，应理解，所述方法和系统不限于特定的综合方法、特定的部件或者具体的成分(compositions)。还应理解，此处使用的术语仅用于说明具体的实施方案，而不意在限制。

如说明书和随附的权利要求中使用的，单数形式的“一(a，an)”“该(the)”包括复数指称物，除非上下文清楚做出相反指示。本文中的范围可被表示为从“大约”一个特定值和/或到“大约”另一个特定值。当表示这样一个范围时，另一实施方案包括从该一个特定值和/或到该另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“大约”将值表示为近似值时，应理解，该特定值构成另一实施方案。还应理解，每个范围的端点无论关联于另一端点还是独立于另一端点都是有意义的。

“可选的”或“可选地”意味着：接下来描述的事件或状况可以发生也可以不发生，从而本说明书既包括所述事件或状况发生的情形，也包括所述事件或状况不发生的情形。

在本申请的说明书和权利要求中，词语“包括(comprise)”以及其变体，诸如其现在进行时(comprising)和第三人称单数(comprises)，意味着“包含但不限于”，并且不意在排除例如其他附加物(additives)、部件、整数(integers)或步骤。“示例(exemplary)”意味着“其中一个例子”，并且不意在表明是优选或理想的实施方案。“诸如”不以限制含义使用，而是用于解释目的。

公开了可用于实施所公开的方法和系统的部件。这些部件和其他部件都被公开在本文中，并且应理解当这些部件的组合、子集(subsets)、相互作用、组(groups)等被公开时，尽管可能没有明确公开对这些部件中的每个各种个体的和集体的组合与排列，但应认为它们每一个都已针对所有方法和系统被具体设想到和描述。这适用于本申请的所有方面，包括但不限于所公开的方法中的步骤。由此，如果存在多个可被执行的附加步骤，则应理解，这些附加步骤中的每一个都可与所公开的方法的任何具体的实施方案或实施方案的组合一起来执行。

通过参照下文对优选实施方案的详细说明及其中包括的实施例，以及参照附图和它们的在先和在后说明，可以更加容易理解本方法和系统。

此处描述了电磁振动器的系统和方法。如图1所示，在一个实施方案中，一个电磁振动器系统可包括电源202、控制系统204和换能器206。图1的实施方案可选地被示为安装在卡车上的配置，并且进一步包括一个用于发电的原动机(prime-mover)208。

图2示出了换能器306的一个示例实施方案，其总体包括反应块302和基板304。

图3是换能器306的一个实施方案的截面图。如该图所示，场绕组(field windings)402被嵌入在反应块302内。场绕组402中的场绕组电流形成一个磁场，该磁场与由电枢绕组404中的电枢电流产生的磁场反应，电枢绕组404与基板304相联。通过改变所述场绕组电流和/或所述电枢绕组电流的方向、频率或大小(振幅)中的一个或多个，所述基板和/或所述反应块可以沿向上或向下方向移动。

图4进一步示出了使换能器306的一个实施方案运动的磁力。如图4所示，磁力致使反应块302和/或基板304(图4中仅示出了该基板的一部分)发生运动。电枢绕组电流(I)502产生一个磁场，该磁场与由场绕组402中的场绕组电流产生的磁场(B_R)相互作用。在一个实施方案中，电枢绕组电流可以是正弦变化的电流。通过改变所述电枢绕组电流的方向、振幅或频率中的一个或多个，可以控制由所述电枢绕组电流产生的磁场。一方面，电枢绕组包括Roebel TM绕组或其他形式的换位绕组(transposed windings)，如本领域已知的。一方面，所述场绕组电流可以是直流(DC)。

在一个示例实施方案中，振动机可以产生60,000磅力(lbf)。一方面，它可具有6-150Hz的动态范围。一方面，振动块或反应块可包括16,000磅重(lbm)，并且所述基板可包括3,000磅重。

回顾图1，在一个实施方案中可以提供电源。尽管如从公用电网(utility grid)可获得的电力电源被设想为处于此处所述的实施方案的范围内，但是一方面，可以提供例如驱动发电机的原动机(prime-mover)，诸如内燃机或燃气轮机。通常，发电机产生交流(AC)电。一方面，发电机可以是单相的。另一方面，发电机可以是多相的，诸如三相，如本领域已知的。

图5示出了逆变器方案的电学示意图的一个实施方案，该逆变器方案可用于产生AC电以及控制电磁振动器系统的一个实施方案。如图5中所示，所述逆变器通常包括二极管桥和功率晶体管。在这个实施方案中，使用了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但是本领域已知的其他功率晶体管也被设想为处于所述发明的实施方案的范围内。一方面，由于大的功率需求，二极管和/或功率晶体管可以并联工作。通过功率晶体管的工作，可以实现对经过负载的电流(以及电压极性)的方向和持续时间的控制。

图5的逆变器的输出可用作换能器的电枢绕组的输入，以控制所述换能器的工作。例如，参照图6可以看到，来自逆变器(诸如图5中所示的逆变器)的脉冲宽度调制信号(用*表示)可与锯齿波(用+号表示)结合，以产生期望的正弦波(用^表示)。该正弦变化的电流可用作换能器(电枢绕组)的输入，从而致使所述换能器的反应块以正弦方式向上或向下运动。通常，与液压振动机可实现的相比，该电磁换能器的实施方案的反应对输入信号具有更高的保真度，从而对连续振动分析施加较少的谐波。图7A和7B示出了来自如图5中所示的逆变器的实施方案的仿真的和实际的电压输出和电流输出。

在此处所述的一个实施方案中，一个电磁振动器系统包括：AC电源，其由内燃机诸如柴油机驱动；功率单元，其能够向电磁换能器提供所需的电驱动；电磁换能器系统，其将电驱动转化为待被传递到大地中的机械振动；以及控制和传感电路，其确保传输进大地中的能量如实地代表了期望的输出。在一个方面，该系统的一个所描述的实施方案可以输出一般的线性和非线性的连续振动扫描、以及为多源获取记录而设计的特殊的随机扫描，以及输出60,000磅力的持续完全地面力(sustained full ground foree)，该地面力具有在完全地面力的-3dB点定义的大约4Hz的下端频率以及在完全地面力的-3dB点定义的至少125Hz的上端频率。电磁振动器系统的一个实施方案具有下列参数：低失真；4Hz到225Hz能力；从4Hz到125Hz的60,000磅力的输出；从125Hz到225Hz的力渐弱(force taper)；大约16,500磅的反应块；大约4,707磅重的基板；线性、非线性及特殊的随机连续振动扫描；为持续工作而冷却的水(或其他液体)；以及大约6英寸到6又3/4英寸的总冲程。

实施例

提出了下面的实施例，以向本领域普通技术人员提供关于如何制造和评估此处所要求保护的化合物、成分、物品、设备和/或方法的完整公开和说明，并且这些实施例纯粹是示例性的，不意在限制本方法和系统的范围。已经努力确保数值方面(例如，量、温度等)的准确性，但是应考虑到一些误差和偏差。除非另有说明，份数指的是重量份数，温度的单位是℃，压力是大气压或近似大气压。

仿真建模

为了提供一种用于对系统设计的电学和机械性能进行评估的工具，采用了仿真码(simulation code)。所述码是使用Simulink TM软件实现的，如本领域普通技术人员已知的，所述软件包括电能区块元件(block elements)。Simulink TM采用图形编程环境，使得仿真布图(layout)是视觉上可见的，并且被用来例示下列讨论。

该仿真模型的结构被示出在图8A-8C中。顶层模块(top modularblocks)包括一个可以于其中设置运行参数(run parameters)的区块(block)：扫描时间、起始和终止频率、部件质量(componentmasses)、大地模型弹簧常量以及阻尼常量等等。这些常量被输入至另一区块，该另一区块建立了针对反应块和基板的初始机械条件。

该仿真的另一部分(section)(图8B)使用初始条件，连同关于反应块和基板的实际算得运动的信息，以及关于振动器的电学信息，来计算被施加的电磁力，并计算由大地产生的作用于基板的力。

大地模型包括弹簧和阻尼器，它们联接至基板，总体托住重量。用于仿真的弹簧常量被设置为，要么建模一个硬粘土表面，要么建模一个较软的响应表面诸如沙地。磁力模块既包括力线圈(force coil)中的电流又包括力线圈相对于基板的位置。以这样的方式，在模型中包括了力产生的空间依赖性，其是由有限元分析(FEA)提供的。另外，采用双向弹簧模型来寻找谐波失真效应。该大地模型针对受压的大地使用硬弹簧常量，并且当大地从受压状态释放时使用较小的常量。

第三个码部分(图8C)包括振动器控制模块、AC发电机原动力、整流器，该整流器接收发电机功率并且给DC链路电容器充电。对于该仿真，链路电压是650V。

参照图8C，控制器向PWM逆变器发送一个需求电压信号(demandvoltage signal)，该PWM逆变器在振动器力线圈的输入端产生需求电压。所述PWM模块采用如下的算法，该算法不需要使用实际的开关半导体闸流管(thyristors)就能产生真实的输出电压脉冲。该PWM架构是全H桥。近来的运行针对该PWM使用12kHz的切换频率。

实际的振动器负载被初始建模为简单的电感器和电阻器。更近期的运行采用了电感器和电阻器的更复杂的梯形网络，以获得在该振动器设计中采用的被动补偿方案(passive compensation scheme)的动态。该电学建模是非常详细的，并且包括非线性元件以产生力，以及PWM切换频率效应。

A.振动器控制器说明

图8D中示出了该控制架构的框图。该框图具有一个将反应块从初始休止位置提升至如下高度的模块，在该高度，力线圈在DC磁空气间隙中居中。这是振动扫描开始的起始点。

该提升模块使用开环算法来产生对该起始位置的提升力。即，使用提升位置-时间曲线(lift position versus time profile)来产生力需求。所使用的曲线不具有初始或最终速率。它具有如下形式：

$\mathrm{\ΔX}=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_0}{2}\{1-\cos (\mathrm{\πt}/\mathrm{\Δt})\}$ 对于t＜Δt        (1-1)

该提升模块产生一个电流需求信号。仿真结果表明，用该提升算法不会产生起始位置过冲(over-shoot)。一旦完成提升，该模块继续产生力需求，该力需求供给足够的力来补偿作用在反应块上的重力。即，该模块产生力来使反应块悬浮起来。

扫描控制模块接受一个包含需求力的文件作为输入，所述需求力是关于时间的函数。到目前为止，这些文件包括线性扫描、随机相位扫描以及随机振幅扫描。所述模块采用前馈部件和反馈部件来产生电流需求信号。图8E中示出了扫描控制结构的一个框图。

需求力直接馈入前馈模块。通过使用位置积分控制器(position-integral controller)，从需求力和实际力之间的差产生一个附加的电流指令。把这两个指令相加，以产生一个总的电流指令。

已发现，通过如下方式可以几乎完全实现反应块的位置控制：选择反应块的初始起始位置，以及附加地，在需求力被初始化之前的0.1s内向反应块施加一个初始速率。尤其已发现，该初始速率在限制运动范围方面非常有效。这在分析论证中得到了支持。通过需求力表的二重积分，所述初始位置和速率被轻易确定。这是在刚要扫描之前完成的，以在控制器中设置适当的参数。所述总的电流指令(其是来自提升模块和扫描模块的指令之和)被输入至电流控制模块。所述电流控制模块的架构与图8E中的相似。该指令电流产生一个前馈电压指令以及一个反馈电压指令。总的电压指令被输出，作为发送至该PWM的电压需求信号，该PWM然后产生到振动器力线圈的输入电压。

B.总体性能

该仿真编码被用来产生如下主要系统部件的电学性能特征：发电机、PWM以及振动器。采用以2.5Hz起始并达到225Hz的具有20s持续时间的线性扫描。地面力振幅是60,000磅。图8F示出了该仿真振动器的电学波形。

负载功率在扫描结束时增加至接近300kW。峰值电流水平总是小于3.2kA，并且峰值电压为500V。图8G中示出了地面力谱功率密度。

地面力随频率而增大，反映出力控制器的增益特性。这是通过改变控制器而可修正的。

力控制增益在较高频率导致比所需求的更多的输出。这导致输出功率在200Hz时高了大约1dB。该谱相当平坦，显示所述功率在4Hz时下降小于3dB。

图8H中示出了反应块针对该扫描的运动。运动的总范围稍小于6英寸。使用初始位置和速率脉冲的被动运动控制使反应块的任何推迟漂移(late time drift)保持为小。

C.扫描变化

电磁振动器的实施方案的一个优点是，其有能力以良好的保真度跟踪复杂的需求曲线图。线性扫描的情况已在上文进行讨论。还可利用更加复杂的波形。

在一个方面，仿真两个不同类型的需求波形。一个其中波形相位随时间而随机变化(随机相位扫描)的曲线图。另一个是其中波形振幅以随机方式变化(随机振幅扫描)的曲线图。

对于随机相位扫描，峰值振幅被保持为大约60,000磅。图8I和8J分别示出了需求的地面力和实际产生的地面力的图。图8K和8L示出了对于这两个波形(需求的和实际的)的谱功率之间的比较。图8L示出了一个较小的频率范围，以显示振动器输出对需求信号的良好跟踪。

图8M和8N以及图8O和8P示出了针对随机振幅情况的相似结果。再次，谱功率比较是良好的。

为了获得关于大地模型非线性如何可以在振动器地面力输出中产生谐波失真的信息，采用双向弹簧模型(上文已述)。弹簧常量的变化被设为4∶1。弹簧常量还被设置为仿真沙地条件，即，较软的弹簧常量。然后在固定频率对40,000磅力的扫描进行仿真。即，输出被设置为单频的(monochromatic)。6Hz、25Hz和125Hz的频率值被仿真。

图8Q、8R和8S示出了针对所有三种情况的谱功率图。在6Hz和25Hz的扫描中没有观察到谐波。在125Hz情况中观察到非常低振幅的第二和第三谐波。对于所有运行，THD基本为零。

磁分析和设备优化

A.地磁振动机

地磁振动机(geomagnetic shaker)应具有振动大质量经过大冲程的能力。图9A示出了适合用于该任务的设计的一个实施方案[2-4]。在一个实施方案中，可以针对场线圈具有DC电源，并且针对产生AC的电枢线圈具有分立的PWM电源。在一个方面，电枢绕组中的DC绕组产生提升，但是在其他方面，来自PWM的De分量穿过所有电枢线圈以产生提升。在另一个实施方案中，PWM产生AC电枢电流的DC偏移(offset)以提供该提升。在一个方面，仅有一个电枢电路，并且所有的线圈都是串联的。场线圈携带dc电流，并且电枢既携带ac电流又携带dc电流。该线圈上的电压需求可以不可接受地升高，除非采用如下两个措施之一。第一个措施是在电枢线圈的任一侧放置一个被动铜(passive copper)(注：铜镀)带。感应电流的相位与电枢中的电流的相位基本相反。第二个选项是在中心以及外磁极(pole)上卷绕一个与电枢绕组串联的第二绕组。该所谓的主动(active)补偿器仅在其遮住电枢线圈时是有效的。由此，其具有两个消极特征：在涉及较大冲程时不能进行补偿；以及，对安装有场线圈安装的相同结构增加了运行电枢电流的构造难度。在考虑是使用被动补偿器还是主动补偿器的取舍上，实际上存在一个更加根本方面，其与理论限制有关。

B.被动补偿

与主动补偿相比，被动补偿在较高频率可以具有较低电感。图9B示出了可以在两个线圈上执行的一个设想试验，以支持该论述。

为了简化该分析，考虑L₁＝L₂且R₁＝R₂的情况。在角频率为ω时，跨越图9B(a)中的两个线圈的电压为：

V＝2·(jωL₁+R₁)i₁+2jωMi₁。(2-1)

令

针对情况(a)的电感为

情况9B(b)的短路线圈要求对电流的预测。因为它被短路，故

(jωL₂+R₂)i₂+jωMi₁＝0。(2-3)

求解i₂，

$i_2=-\frac{\mathrm{j\ωM}{i}_1}{\mathrm{j\ω}{L}_2+R_2}.---(2-4)$

将(2-4)插入电压等式中求V₁，得出

$V_1=\mathrm{j\ω}{L}_1{i}_1+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2{i}_1}{\mathrm{j\ω}{L}_2+R_2}.---(2-5)$

按照实部和虚部写(2-5)，得出

$V=\mathrm{j\ω}{i}_1(L_1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2{L}_2}{{R_2}^2+{\mathrm{\ω}}^2{L_2}^2})+\frac{R_2{\mathrm{\ω}}^2{M}^2{i}_1}{{R_2}^2+{\mathrm{\ω}}^2{L_2}^2}+R_1{i}_1.---(2-6)$

在(2-6)的右手侧的圆括号中的第一项是该电路的等效电感。在高频

时，

考虑耦合系数为k＝-0.95。反级数解(anti-series solution)得出L_eq＝0.1L₁。该被动短路线圈得出L_eq＝0.0975L₁。在高频限制中，被动补偿器总是要求低电压，因为其具有较低电感。当k＝1时，二者相等。注意，当k＝-1时，(1-k²)＝2(1+k)。对于耦合系数-1＜k＜0，被动补偿器总是具有较低电感。

C.补偿器的作用

考虑图9C中示出的几何结构。如果允许中心的两个激励线圈沿突出显示部分在开口通路中竖直向上移动，那么该补偿线圈对力的影响如何？用受激的补偿线圈这样做，使得它们以相反方向携带刚好相同的电流。在补偿线圈未受激(被去除)时重复该试验。图9D示出了未受补偿的情况具有较平缓的力-位置曲线。接下来，将激励线圈和补偿线圈中的电流反向，使得力向下。图9E和9F示出了补偿绕组将力-位置曲线的斜率反转。重要的一点是，受补偿的力和未受补偿的力的均值(mean)在小数点后三位以内是相同的。

D.设计几何结构

地磁地震勘测振动机(图9G)和附着至振动机台的电磁振动机的主要区别在于，场线圈在地震勘测振动机中移动。设计标准的一个示例如下：所产生的ac力＝267kN(60klb)；所产生的dc力＝75.6kN(17klb)；在向下冲程针对枢轴产生的总力＝342.5kN(77klb)；重量＜7.73kg(17klb)；冲程允许量17.14cm(6.75英寸)；以及功率＜448kW(600kW)。

如图9H中所示的设计变量应被仔细选择，以实现这些目标。除了所示的变量外，必须在多个位置y计算处于最大激励下的力，以确保作为在整个位移范围上的平均值实现所述力目标。向下冲程力条件在该设计中占主导地位。向下冲程条件伴随着相当大的磁阻力，以进一步在槽中向上牵拉电枢。该力近似恒定，并且接近于177kN(40klb)，以将电枢牵拉到场线圈内，而不管电枢电流的符号。

该优化是使用信任区域优化算法来实现的。序列二次规划(sequential quadratic programming)(SQP)算法属于使用梯度信息的较强大的确定方法[2-5，2-6]。响应表面法(response surfacemethod)试图构建关于该问题的n维表面，然后检查该表面如何随系统未知数而变化[2-7]。在[2-8]中类似于响应表面方法的一些方法被用于确定正确的形状，使受到先前所列约束的功率消耗最小化。

图9I示出了将功率与所述变量中的两个关联起来的三维表面。事实上，在该优化中针对关键变量、源功率、重量以及力中的每一个构造了一个五维表面。该五维样条拟合(spline fit)代表了数据；它还可被用来针对所有这些变量计算导数[2-9]。已知所述梯度信息允许快速和准确地确定满足约束的最小功率[2-10，2-11，2-12]。

图9H中标注的五个变量中的每一个都在嵌套环(nested loop)中变化。需要在最少四个位置计算力。只要考虑有限元分析，这四个位置就用作一个第六变量。假设这些变量关于四个位置而扰动。所要求的有限元分析的数目将是：

#analyses＝4⁶＝4096.。(2-8)

在该冲程的顶端仅检查负向的力(增加电枢绕组和场绕组的分离的力)，并且在该冲程的底端仅检查正向的力。这接近于在仿真中观察到的。

电流密度对这组嵌套的问题的解决是中心。该密度被涂抹(smear)在图9J中示出的载流区域上。

E.电流密度

现场测试已表明，具有1.58mm(0.063英寸)直径的水冷却孔的3.175mm(0.125英寸)直径的铜管可承受200A稳态。这对应于如下的电流密度：

$J_{\mathrm{cu}}=\frac{200\·4}{\mathrm{\π}(1/64-1/{16}^2)}\·{39.37}^2=3.368\·{10}^{7}A/m^2.---(2-9)$

用于该场和该电枢的导体的目标是具有6.35mm(0.5英寸)冷却孔的12.7mm(0.5英寸)的方形物。对铜敞开的面积为：

$A_{\mathrm{cu}}={0.5}^2-\mathrm{\π}{\left(\frac{1}{4}\right)}^2/4=0.201{\mathrm{in}}^2.---(2-10)$

对于场绕组，它们可以用10mil的玻璃包材随后是2mil的Kapton^TM包材来绝缘。因此，场绕组中的等效电流密度是：

$J_{\mathrm{field}}=J_{\mathrm{cu}}\frac{A_{\mathrm{cu}}}{{0.524}^2}=2.464\·{10}^{7}A/m^2.---(2-11)$

电枢电流密度必须考虑到波形的关联依赖性(tie dependence)。一个等于该单元的重量(75.6kN(17klb))的稳态基准力f_b必须被叠加在一个能够实现目标力f_t(267kN(60klb))的振荡分量上。等式(2-9)中的电流密度是稳态值。电枢中什么电流密度J_arm将在铜中传递相同的热量？这个值通过解以下等式来确定：

${J_{\mathrm{cu}}}^2\mathrm{\Δt}={\∫}_0^{\mathrm{\Δt}}{\left[J\right\{\left(\frac{f_b}{f_b+f_t}\right)+\left(\frac{f_t}{f_b+f_t}\right)\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\left\}\right]}^2\mathrm{dt}.---(2-12)$

平均损耗是人们关心的。需要在整数数目的时期上进行积分。当这样做了时，就确定了所允许的准确等于携带J_cu的dc线圈的损耗的电流密度

$J_{\mathrm{arm}}=\frac{J_{\mathrm{cu}}}{\sqrt{{\left(\frac{f_b}{f_b+f_t}\right)}^2+\frac{1}{2}{\left(\frac{f_t}{f_b+f_t}\right)}^2}}=\frac{J_{\mathrm{cu}}}{\sqrt{{\mathrm{\β}}^2+\frac{1}{2}{(1-\mathrm{\β})}^2}},$

(2-13)

其中

$\mathrm{\β}\≡\frac{f_b}{f_t+f_b}.$

J_cu上的乘数是人们关心的数字。当基准重量(力)占总力的大比例时，该乘数变为单位值(unity)。当其占总重量的小比例时，即，当期望的力接近正弦时，该乘数变为

图9K示出了该乘数如何以100％正弦负载开始变为β＝1时的纯dc负载。关注的点是最大值

最大乘数结果归因于与偏移结合的正弦效应。该密度必须被减去如等式(2-11)中的组装密度(packing density)，以得到等效的建模密度。由于设想了20mil绝缘包材随后是2.5mil的Kapton^TM，等效的峰值电流密度应是

$J_{\mathrm{arm}}=\frac{J_{\mathrm{cu}}}{\sqrt{{\mathrm{\β}}^2+\frac{1}{2}{(1-\mathrm{\β})}^2}}\frac{A_{\mathrm{cu}}}{{0.59}^2}=3.275\·{10}^{7}A/m^2.---(2-14)$

F.功率计算

等式(2-11)和等式(2-14)中列出的电流密度是用于说明磁场和力的表观(apparent)电流密度。用于计算功率的普通表达是

$P={\left(\mathrm{JA}\right)}^2\frac{l}{\mathrm{\σA}}=J^2\frac{\mathrm{vol}}{\mathrm{\σ}}.---(2-15)$

在场计算中使用的表观体积V_ap大于实际的铜体积V_cu。这作为一个修正被引入，所述修正要求增加表观功率需求。对于该场，在该场中消耗的功率是

$P_{\mathrm{field}}={J_{\mathrm{field}}}^2\frac{{V_{\mathrm{ap}}}^2}{\mathrm{\σ}{V}_{\mathrm{cu}}}={J_{\mathrm{cu}}}^2\frac{V_{\mathrm{ap}}}{\mathrm{\σ}}\·\frac{V_{\mathrm{cu}}}{V_{\mathrm{ap}}}.---(2-14)$

其中J_field在等式(2-11)中被定义。必须对电枢功率应用类似的修正。在该计算中使用J_cu是较容易的，因为等效的J_arm被定义以匹配它。

$P_{\mathrm{arm}}={J_{\mathrm{cu}}}^2\frac{V_{\mathrm{ap}}}{\mathrm{\σ}}\·\frac{V_{\mathrm{cu}}}{V_{\mathrm{ap}}}.---(2-17)$

此处，V_ap是表观电枢铜体积。这当然是忽略表面邻近效应(skinproximity effect)的损耗。这些效应是在优化之后考虑的，因为将该复杂问题添加至优化程序是非常不切实际的。

G.优化结果

图9L示出了将功率损耗最小化到所述约束内的优化设计的一个实施方案。该场图中的同一性(homogeneity)表明，所使用的钢接近于整个图9M中的最大量。

优化的电枢切口紧密配合一系列如图9N所示的6.35mm(0.25英寸)导体。该逆变器电子器件的电压限制更适合两个并联电路，而不是一个串联电路。该布图中记录的失调(staggering)意在平衡感生电压。

存在两种方式引入电枢中所需的电流的dc分量，以实现静态提升。第一种方式是要求逆变器供应附加的dc分量。第二种方式是实际激励逆变器线圈的一个子集以仅携带dc。因为dc电源比ac逆变器便宜，所以第二种选项省钱。

假设采用该选项，问题是将dc电枢线圈表面布置在何处。ac激励电枢线圈在dc子导体中感生寄生损耗。在图9O中总结的仿真示出了，如果将dc线圈放置为接近于电枢堆栈的中心，则会实现10％的功率节省。

该优化程序计算出一个134kAT的期望磁场激励。在所有场线圈以及包含dc的八个电枢线圈中的总场功率损耗为275kW。在225Hz时的真实的ac电枢功率损耗为约306kW。图9P示出了由场线圈单独产生的磁场。

H.具有表层和邻近效应的功率消耗

实现重量约束所需求的力的唯一有效方式是，使用如此处所述的大电流密度。随着电枢频率增加，这些内部水冷却线圈遭受寄生表层效应(skin effect)和邻近效应(proximity effeet)损耗。表层效应(其将电流移动到导体的外面)是众所周知的。

在图9Q所示的每一个图中，具体说明了一个固定电流，而非分布。对于该轴对称问题，场可以由磁矢位(magnetic vector potential)A_φ的单个分量来表征。有限元码被用来解

▽²A_φ-jωμσA_φ＝μJ_s。(2-18)

这里，J_s是源电流，除了在该施加了电流的导体中J_s被赋为零。在导体中，矢位被赋为具有两个部分，常量A_c以及一个待确定的可变分量。如果子导体中的电流为I，则A_c的值为I/(jωSσ)，其中σ是该区域的传导率，S是区域表面积。

如预期的，图9Q(a)中示出的低频电流密度分布是基本均匀的。图9Q(b)示出了数个子导体中的电流分布，它们聚集在225Hz。图9Q(c)示出了与铜补偿板相邻的相同子导体中的电流分布。在该补偿板中感生的电流与电枢导体电流的相位差为180度。关于不同电流相吸的准则适用，并且解释了为什么红色电流朝中心聚集。

I.功率计算和等效电路

将功率最小化具有显著重要性，因为发电机必须被载有该设备的车辆装载和供应。计算逆变器功率的一种方式是将dc场线圈关闭，仅用dc来激励电枢，以及在所有载流区域的界面上积分

应清楚，补偿器的存在能够降低在电枢线圈上所需的电压。如图9H已示出的，补偿器的存在不改变平均力，仅改变其均值。因为逆变器是根据其伏特-安培乘积来定等级的，所以其重要性并不小。读者应注意，在被动补偿器中感生的电流将不会超过电枢电路中的电流。由此，较厚的补偿器也应导致较小的真实功率需求。

在图9R中注释的列表结果表明，较厚的12.7mm(0.5英寸)的补偿器既降低了电压要求又降低了功率要求。通过将伏特-安培乘积除以电流来计算电压。

J.控制

除了稳定产生提升，有必要产生若干个力曲线图(forceprofile)，包括随频率线性增加的那些。控制器需要一个良好的电路模型，以供应正确的控制电压。补偿器的存在使得等效电路的使用变得复杂。Silvester[2-13]和Giesselmann[2-14]都用梯形电路(诸如图9S中示出的)实现了这一类型的扩散系统。该BLv电压是运动感生电压。这一项是如下计算出的：在dc场激励打开时将链接电枢线圈的磁通量Φ计算为位置的函数。该BLv电压对于任何速率是：

$\mathrm{BLv}=\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dy}}v.---(2-19)$

该导数是如下确定的：将该磁通量拟合至样条，并取该样条的导数[2-9]。该梯形参数拟合是如下确定的：使用带有线搜索的Levenberg-Marquardt方法，以最佳地使真实的和虚拟的功率消耗相符[2-15]。图9T示出了该代表方法对于大范围的频率相当好。

K.关闭设计环

关闭设计环等效于询问设备在额定电流时是否满足力需求。最高的频率是最费力的。当场线圈被用dc激励时，电枢线圈被用ac激励时，以及图9N中的八个子导体被用dc激励时，力是多少？分析必须是瞬时的时间步进(time-stepping)分析。钢和补偿器中的涡电流(eddy currents)都将仅响应于ac电流。图9U示出了，在存在所有补偿和涡电流时，提升力(负的)确实达到了77千磅(klb)的目标。

L.永磁体——未来的一种可能方式

设备的功率需求是人们关心的。对于275KW的dc损耗，有260kW单独来自场绕组。降低功率消耗的选择包括：对于电枢绕组使用较小的导体以降低表层和邻近效应，以及使用磁体代替场绕组。磁体能够对真实功率使用具有最大影响。图9V示出了两列12.7mm(0.5英寸)的45MGO NdFeB磁体，这两列磁体放置在不存在任何场线圈的电枢间隙的任一侧。使用这一布置，力处于目标结果的7％之内。由于磁体不能关掉(turn off)，所以磁体的使用会引起人们关心其与工具的干扰。图9W中示出了来自这些磁体的泄漏场。预期在离电枢间隙7.6cm(3英寸)处有0.5T的泄漏场。

M.结论

已经执行了磁优化，以设计能够产生342kN的电磁振动机。在这一示例性优化中采用的响应方法要求每一轮优化使用4094有限元分析。该设计可以适应17.1cm(6.75英寸)的冲程长度，并且总电枢和场基础重量为刚刚低于7.72kg(17klb)。瞬时分析表明，该设计满足力规格。永磁体看来是降低真实功率消耗的一个选项。

N.参考文献

除非另有注释，下面列出的每个参考文献都通过引用方式被整体纳入本文，并构成本文的一部分：

[2-1]H.Dai，M.Sain，and B.Spencer，“Using tensors to track earthquakes onhydraulic shaker tables，”IEEE Trans.on Mechatronics，vol.4，no.1，March1999，pp.60-70.

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[2-12]K.R.Davey，“Examination of various techniques for the acceleration ofmultivariable optimization techniques，”IEEE Trans.on Magn.，vol.39，no.3，May 2003，pp.1293-1296.

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[2-15]D.Marquardt，“An algorithm for least-squares estimation of nonlinearparameters，”SIAM Journal Applied Math.，vol.11，1963，pp.431-441.

绝缘设计

针对绝缘系统的分类等级(class rating)显示存在如下一个温度范围，其中处于绝缘的树脂开始升华(sublime)，并且随着时间流逝可以丧失绝缘强度。如果导体没有承载多的机械负载——对于发电机定子的铁槽中的绕组就是这种情况，该等级是合适的。用于电磁振动机(EMV)的线圈具有机械负载，并且必须观察的等级是热挠曲温度(Heat Deflection Temperature)(HDT)。图10A示出了实验室测试数据，根据这些数据可以计算HDT和玻璃转变温度(T_g)。该图还示出了针对一些常见的树脂系统的这些值的表格。HDT可以被认为是绝缘体保持良好强度的最大温度，并且T_g是绝缘体将在负荷下显示出强迫(duress)的温度。

图10B示出了导体上的绝缘布置。可以通过加热处理将Kapton^TM结合至具有Teflon^TM的铜管。这产生了一种非常鲁棒(robust)的绝缘体。可以再将两个的Kapton^TM层应用至该导体，然后可以应用一个玻璃外包装(overwrap)作为外壳(armor)。玻璃容易被VPI树脂弄湿，并形成该导体的一个非常强的机械封装。该图还示出了针对这一系统的绝缘强度。该绝缘强度比高位检查电压(highpot inspectionvoltage)大一个数量级。这一规格应提供高温能力以及长寿命。

EMV机械设计

用于EMV的一个实施方案的主要机械部件包括：

1)反应块

2)不锈钢基板

3)场线圈

4)力线圈

5)被动补偿铜导体

6)用于基板的导向轴承

7)鲁棒的电气终端和冷却终端

这些部件中的许多都可在图11A的EMV基准设计中见到。

A.反应块

在一个实施方案中，反应块是由如下类型的钢制成的三部分组件，该类型的钢的合金特性非常有利于传导由EMV场线圈产生的磁场。在一个方面，这种低碳钢被普遍已知为AISI 1005，但在讨论铸造的语境下被称为为A216。图11B示出了反应块(位于基板上方)。

B.不锈钢基板

在一个实施方案中，基板是由非磁性CF8(304)抗腐蚀材料制成的大铸件，如图11C中所示。

C.场线圈

在一个实施方案中，基准设计中的场线圈是使用0.25英寸的方形铜导体管构造成的，所述铜导体管具有0.125英寸直径的中心孔。水和乙二醇的混合物可流过所述线圈，以带走在EMV运行时由流经所述线圈的电流产生的热量。所述场线圈可被包含在一个机械加工的袋内，该袋位于反应块的顶部片(top piece)中。所述线圈可具有数个绝缘层。外层可以是5mil的玻璃布，该玻璃布可被真空浸渍(VPI)有高温等级的(H类)树脂。所述场线圈和它们在反应块中的位置可以如图11D中所示。

D.力线圈

在一个实施方案中，力线圈也是由0.25英寸的方形铜导体管卷绕成的，所述铜导体管具有0.125英寸直径的中心孔。这些线圈也可被主动冷却。它们可如图11E中所示被固定至基板，并且也可像所述场线圈一样被树脂浸渍。

E.其他EMV部件

该EMV的其他重要部分包括被动补偿铜环、导向轴承以及鲁棒的电气终端和冷却终端。这些部件被示出在图11F中。这些部件中的许多可以是常规设计的和制造的。制造步骤的一个实施方案被示出在图11G至11J中，形成图11K和11L所示的最终组件。

振动机电源

功率电子器件部分(power electronics section)包括系统的一个实施方案中的数个部件，首先是为力线圈供电的逆变器。这是一个重要的功率部件，因为其使用完全受系统控制器控制的电流为力线圈供电。所述逆变器具有来自链路电容器的DC输入，以及去往力线圈的AC输出。输出频率被要求为从4Hz至225Hz扫描，同时保持具有非常低的THD(总谐波失真)的正弦输出。

除了逆变器输出功能，所述逆变器包(package)还可包括三相整流器桥和链路电容器。所述整流器桥是三相全波设计(three phase，full-wave，design)。上部的一组开关器件可以是受控器件，而下部的三个可以是无源(passive)整流器。使其成为半受控的桥可允许从交流发电机为链路电容器进行受控软起动充电。在完成初始充电后，该单元可作为传统的全波桥。

在一个实施方案中，DC链路电容器值被选为0.1法拉。该链路电容器能够以逆变器需求的快速脉冲(quick burst)向逆变器提供能量。发电机是能量来源，但是其能够在70Hz工作，而不能直接为逆变器供电。链路电容器需要具有足够的可用能量，以在扫描的低频部分(其支配了这0.1F的值)进行辅助。电容器电压被发电机输出电压(在该例中为480V rms)设置为680V dc。

该线路中的下一个部件是逆变器本身。所述逆变器可以是单相单元，其配置成经典的“H”桥布图。该单元可以安装在卡车上，并且在所有可能的条件下工作，由此周围温度可从-35℃到60℃不等。期望的冷却剂入口温度不高于65℃。该单元可被罩在一个NEMA 4型封装内。在高达350V rms，所要求的输出电流为2400A rms。占空比为100％。为了实现低的THD值，以及提供4Hz到225Hz的扫频输出(sweptfrequency output)，估计需要2.5kHz的最低转换频率。

在一个实施方案中，两个分立的逆变器单元可被并联连接以满足电流(例如，2400A)规格。每个单元可包括坍缩为单相输出的三相单元。这样的逆变器可从例如纽约州Hicksville的Applied PowerSystems公司获得。

在另一个实施方案中，逆变器可以是高度并联设计，以2.5kHz切换，具有3.2微秒的死时间(dead-time)最小值。该逆变器使用并联的四个Eupec 1200A IGBT，以在20Hz以及更低的低频范围内实现2400A rms的输出电流等级。在20Hz到250Hz的较上范围内，输出等级为3000A rms。预期的失真是2.5％THD。这样的逆变器可从例如佛罗里达州Fort Myers的Saminco公司获得。

在一个方面，DC电源用于为场绕组供电。在一个实施方案中，场线圈中需要931A。为了实现这样的规格，可以使用具有0到300伏特以及0到1000A的输出的可调电源。这样的DC电源可从例如佛蒙特州South Burlington的Dynapower公司获得。

在一个方面，用于逆变器和dc电源的电能可由连接至原动机(诸如柴油机)的交流发电机(alternator)提供。该交流发电机的规格取决于其将驱动的负载。在一个方面，该交流发电机可以是一个具有60℃周围温度等级的三相、480Vac、570kW单元。这样的交流发电机可以从例如威斯康星州Wausau的Marathon Electric公司获得。在其他实施方案中，DC电源的结构可与PWM集成，以从一个高度集成的箱体中提供两个功能。

控制

图12A是一个示例控制系统的部件的框图。从上到下，该控制系统包括系统控制器板、操作者面板，向下到传感器阵列。在一个示例方面，可使用例如从密歇根州Wixom的dSPACE公司获得的dSPACE控制板，以允许集成Matlab或Simulink测试环境。在一个原型测试环境中，针对控制算法使用仿真包(诸如Simulink)的适应性易于进行编码变化。该dSPACE板由具有1GHz时钟速度的PowerPC 750GX处理器供电。所述板具有20个模拟-数字(A/D)通道，这些通道具有+/-10伏范围。这些A/D通道都具有16位垂直分辨率。存在8个16位D/A通道，它们也具有+/-10伏范围。存在32个数字通道，这些通道可被配置为输入通道或输出通道。该dSPACE板包括一个安装封装(mounting enslosure)，以及一个外置面板(breakout panel)，该面板允许轻易连接至输入和输出。

该框图(图12A)显示出操作者面板位于左下区域。这可以是具有用于操作EMV的基本控制的面板。所述面板可允许手动操作和测试各种系统部件。在正常的计划操作中，所有的切换都可使用该dSPACE板以自动方式完成。该操作者面板可具有指示许多主要部件的状态的指示器。这可帮助完成初始检出和确定任何问题区域。

该控制器板可处理所有的系统工作功能。控制器可收集和存储信号数据，用于以后进行分析。这些包括，例如：PWM控制和选通；DC电源控制；交流发电机功能；加速计；位置传感器；电流传感器；电压传感器；温度传感器；以及冷却剂泵。

该控制板能够进行升频扫描(rising frequency sweeps)，或者接收外部数据文件以获得用于随机相位扫描的输入。同样，可以将尽可能最大的灵活性置入该系统，以允许尽可能最宽的测试范围。示例的卡车布图

此处描述了对于液压振动机卡车(即，Mertz卡车)的基本改型，以允许安装此处描述的EMV的一个实施方案。

如图13A所示，发电机可被直接安装在柴油机和液压驱动传动装置后面。发电机可直接由牵引盘(take-off pad)驱动，该牵引盘过去确实驱动老式振动机液压驱动泵。通过去除不使用的振动机液压驱动泵，释放了最中心的驱动位置。适配物凸缘(adapter flange)可连接至SAE盘，花键轴(spline shaft)可连接至驱动盘。该适配物能够驱动一个短的驱动轴，该短的驱动轴可连接至发电机轴。这一设置能够避免需要任何类型的变速箱(gearbox)。液压驱动不包括任何类型的齿轮变化(gear change)。这一示例布置要求发电机以2100RPM的底特律柴油机速度工作，而非以1800RPM的发电机设计速度工作。增加的发电机速度可导致将输出频率增加至大约70Hz，而非60Hz。已被选择的Marathon发电机具有2250RPM的最大速度。为了在短的驱动轴上实现可接受的角度水平，应重新布置柴油机。柴油机被安装在一个滑行器(skid)上，该滑行器附接至Mertz框架。该滑行器还包括散热器、液压驱动传动装置以及许多发动机附件。这可使得重新布置发动机成为简单的任务，即，向后移动约20英寸以及向上移动8英寸。一种新的U形滑行器可由3片槽形钢(channel steel)制成，然后在现有的滑行器下滑行。Mertz框架向后延伸超额长度，而备用轮胎可被安装在别处。可以制造两个新的托架，它们将滑行器固定至所述框架。一些现有的液压软管可能不够长，这将需要一些适配器以及新的短长度的软管以将它们延伸到后部。

其他改型可包括：将柴油燃料箱从驾驶室后面移动到四驱(quad)上方的卡车中心。现有的液压油箱可被旋转90℃，从接近于四驱移动到卡车的右侧。

除了发电机之外，其他主要部件也可被添加至卡车。这些是逆变器、DC电源，以及用于力线圈的热交换器。驾驶室后面的空间可容纳逆变器和DC电源。这些被示出在图13A、13B和13C的卡车布图中。热交换器可被添加至卡车的乘员侧，直接位于现有的热交换器后面。热交换器风扇能够以与现有风扇相同的方式，用相同动力源的小的液压马达驱动。基板设计和分析

A.引言

对基板设计进行结构分析，以确定最大工作应力以及在动态负载条件下基板是否保持与地面接触。除了动态分析，也进行静态分析，以确定由可能会遇到的基板的偏轴负载(off-axis loading)(例如，如果基板在山坡上工作)引起的应力。该分析的目的在于，确定既保持硬度和强度又使重量最小化的优化基板配置。该动态分析是使用ABAQUS TM进行的，这是一款商业销售的有限元软件包，其具有完全的瞬时和非线性分析能力。该静态分析是使用COSMOSWORKS TM进行的，这是SOLIDWORKS TM实体建模软件的一个有限元分析补充。

B.动态响应模型

基板对反应块在三个不同频率下的正弦激励的瞬时响应是使用在ABAQUS TM内可用的一个显式时间积分方案(explicit timeintegration scheme)进行的。显式积分器是相对于隐式积分器(implicit integrator)选择的，因为显式积分器在涉及接触的模型中具有卓越性能。尽管显式积分器因其条件稳定本质而要求非常小的时间步长(为10^-7秒的数量级)，但针对大模型的运行时间通常短于针对隐式方案的，因为硬度矩阵不需要被分解，而且每个时间步长中的收敛不需要中间迭代。此外，所要求的小时间步长确保响应被充分捕获。使用隐式方案，通过增大时间步长来缩短运行时间可以导致出现解准确率的不期望的损失。

图14A和14B示出了在动态分析中使用的有限元模型。图14A示出了与基板一同被建模的大地的范围(extent)，并且图14B仅示出了基板。基板和负载条件的对称性允许将问题缩减为一个四分之一对称模型(quarter-symmetry model)，从而允许对于给定的自由度数有较高的网密度。由于基板结构的复杂形状，使用ABAQUS TM中可用的自动网产生器，利用四面元(tetrahedral elements)来编织实体。规定了二次插值函数，以使该结构内的应力梯度的解析率最大化。考虑到对于初始设计阶段中用于参数研究的有限时间，所选择的网密度是在解收敛(solution convergence)和回转时间(turn-around time)之间的折衷。未来的研究可解决在应力集中处是否会实现收敛的问题。

e.动态负载情况

进行分析以仿真所述振动器在10Hz、125Hz和200Hz的工作。选择这三个频率以提供在低频、中频和高频范围工作的抽点(snapshots)。由于分析回转时间在瞬时分析中是重要的，所以假定时间约束以建模扫描正弦输入(这将涉及数秒的负载持续时间以及数百万个时间步长)是不实际的。对于10Hz情况，该分析花费3个周期的负载波动运行完毕。对于125Hz和200Hz的情况，该分析花费5个周期运行完毕。

在所有这三种情况中，在基板的周界周围施加53,000lb(磅)的分布负载，以仿真车辆(减去基板和反应块)在气胎上的支承。将17,000磅的负载施加至基板的圆柱形部分的上表面，以仿真反应块的稳态(也被称作D.C.)负载通过电磁力作用在基板线圈上。最后，将60,000磅的交变负载施加在同一表面，以仿真反应块被电磁驱动。在三个分别的分析中，该交变负载在10Hz、125Hz和200Hz正弦变化。

D.大地模型

大地在基板的动态响应中发挥作用，并且大地被包括在模型中。大地被建模为具有240英寸(in.)半径的半球。当然，由于对称性，该半球的四分之一被实际上建模，用200,000psi的土壤模量和0.052in/lb³的密度进行初始分析。按照Ion的建议，通过将所述模量降低至20,000psi以及增加所述密度直到不包括基板的大地模型形成30Hz的基础固有频率(fundamental natural frequency)，土壤模量和密度被调节为产生30Hz的频率。土壤模量和密度的这些值在后续分析中被使用。

E.边界条件和接触表面限定

对称边界条件被应用在与针对四分之一对称模型的切割平面对应的模型面上。另外，大地模型的外球表面被在所有三个方向都被固定。接触表面被限定在大地和基板之间，这允许基板远离而不穿入大地。

F.静态分析模型

图14e和14D示出了用于静态分析的有限元模型。在该情况中，横向负载条件允许半对称模型，而不是四分之一对称模型。由于分析运行时间的数量级小于动态分析所需的时间，所以增加网密度以在应力集中处提供合理地细的网。初始运行表明，最高应力处于基板的上圆柱形部分中的竖直槽区域中，并且相应地在该区域中网被细化，如图14D所示。

G.静态负载情况

对于静态分析，将60,000磅的交变负载应用为沿着振动器的轴线作用的静态负载。将53,000磅的车辆重量负载施加在基板的周界周围，以及将17,000磅的反应块D.C.负载施加在基板的圆柱形部分的上表面。这17,000磅的反应块负载被分解为竖直负载和横向负载，以建模基板在地面上的15度倾斜。由此，这17,000磅的反应块负载被建模为16,420磅的竖直负载和4400磅的横向负载。

H.边界条件

在静态负载情况中没有对大地建模，由此基板的底部在所有三个方向上都被固定，以防止刚性主体运动。对称边界条件被应用在半对称切割平面。

I.结果

初始分析表明，每当正弦负载周期性地在向上方向上作用时，基板的内部就与大地分离。然而，由于卡车重量通过位于基板周界周围的气胎施加，基板的外周界仍然一直保持与大地接触。为了消除该分离，将基板厚度从2英寸增加至3英寸。较厚的基板确实减小了与大地的分离量，但是没有完全将其消除。这里给出的分析是针对加厚的基板配置。

下面的表1给出了在这三种情况中遇到的最大Von Mises应力，以及在大地和基板之间的最大间隙。与材料强度相比，所有三种情况的应力都相当低。基板远离大地的挠曲在低频时较高，表明大地共振频率开始起作用。

图14E示出了在该分析的过程中基板从地面提升的放大挠曲图。如该图所示，基板的外周界保持与地面接触，仅中心部分提升离开地面。

图14F和14G示出了基板中的Von Mises应力。图14F示出了在这三种负载情况下在基板中的任何地方遇到的总体最大Von Mises应力，并且图14G示出了在基板的圆柱形部分中遇到的最大Von Mises应力。与材料强度相比，这两个应力都较低。

图14H示出了来自静态分析的最大Von Mises应力。该应力是3.2ksi，并且与材料强度相比也相当低。图14I示出了由横向负载引起的横向挠曲的程度。该挠曲小于0.0012英寸。

表1.来自动态分析的结果

负载情况	与地面的最大分离	最大Von Mises应力
			10Hz	0.0175in.	6.4ksi
125Hz	0.009in.	7.5ksi
			200Hz	0.010in.	14.3ksi

J.结构分析的概要

来自动态负载情况和静态负载情况的应力结果都相当低，即使考虑到可能的因应力集中处网密度不足而导致的较高应力。

所有三种动态负载情况都在负载的周期性上升部分期间导致基板从地面分离。挠曲的量小，但对于地面共振频率被激励(30Hz)的情况可以增加。应对具有30Hz的激励频率的情况进行进一步分析，以验证这一点。无论在哪个负载情况，基板的外周界都不会离开地面，而是被气胎负载保持就位。这也应针对30Hz的情况进行证实。

通过明智的设计变化以加固基板而不影响重量，诸如图14J所示的带肋配置，从地面的分离可被缩小甚至消除。

EM振动器冷却和有限元热分析

三个EMV部件，它们是场线圈、电枢提升线圈以及补偿板，要求主动冷却以保持它们在稳态工作条件下不会过热。在EMV设计的一个实施方案中，这三个部件中产生的热损耗被列出如下：

·场线圈损耗(12个盘形线圈，每个盘形线圈中有12匝)

-DC损耗(在93℃计算)＝259kW

·电枢提升线圈损耗

-8个提升电路导体中的DC损耗＝16kW

-其他56个提升电路导体中的AC损耗＝211kW

-总损耗＝16kW+211kW＝227kW

·补偿板损耗

-AC损耗(对于2个补偿板)＝95kW

·总热损耗＝259kW+227kW+95kW＝581kW(779hp)

场线圈和电枢提升线圈绝缘体是H类(class-H)绝缘材料，其能够在180℃连续工作。然而，用于将线圈导体和绝缘体保持在一起的填充树脂(potting resin)具有较低的热等级。振动器冷却设计需要确保，在稳态导体线圈热负载下的最大绝缘温度不超过填充树脂的热降解温度。线圈绝缘和填充树脂的细节被说明如下：

·场线圈和电枢提升线圈绝缘体

-导体包材：Austral VonRoll Isola 150FCR Kapton^TM(0.0045in.)

-电枢线圈包材：中纺(medium weave)玻璃带(0.010in.)

-H类绝缘体(180℃)

·填充树脂

-PDG Y881K树脂

-热挠曲温度＝120℃(屈服强度)

-玻璃转变温度＝131℃(失效强度)

如填充树脂的热挠曲温度所约束的，该机器的冷却设计目标是，保持稳态工作下的最大铜线圈温度在120℃以下。

由于周围温度从-35℃至60℃不等，所以选择乙二醇水(40％重量的乙二醇和60％重量的水)作为冷却剂，以降低冷却剂的冻结温度并提高冷却剂的沸腾温度。图15A示出了乙二醇水溶液的沸腾温度和冻结温度。该机器的冷却剂入口温度被假定为65℃。在本发明的范围内，还可设想其他的冷却方案和热负载。

场线圈被设计为被既在铜导体内部冷却通道内又在附接至外部冷却片的末端的冷却通道内流通的冷却剂冷却。每个场线圈导体由0.25英寸的方形铜管制成，所述铜管在中间具有0.125英寸的孔以运送冷却剂。铜冷却片的厚度是0.1英寸。附接至每个片的末端的冷却管具有与场线圈导体相同的尺寸。图15B示出了表明场线圈冷却设计的概念图(notional picture)。

电枢力线圈被在铜导体中的内部冷却通道内流通的冷却剂冷却，所述铜导体在尺寸方面与场线圈铜管相同。补偿板热损耗的去除是通过以下方式实现的：使乙二醇冷却剂在四个周向冷却通道(每个都是0.5英寸直径)中流通，所述四个周向冷却通道位于围绕补偿板的钢中。图15C示出了电枢提升线圈和补偿板冷却设计。

为了执行用于预测所需的冷却剂流率和冷却剂泵送功率的冷却分析，以及为了预测场线圈、提升线圈和补偿板的有限元热建模所需的冷却边界条件，需要针对所有三个冷却部件准确计算冷却剂流率和冷却通道长度。用于冷却分析的输入参数被列在下面，并且已算出的冷却参数中的一些被包括在表2中。

·冷却剂流率

-在每个盘形场线圈冷却通道中＝1.35gpm

-在每个场线圈冷却片冷却通道中＝0.7gpm

-在每个电枢提升线圈冷却通道中＝1.2gpm

-在每个补偿板冷却通道中＝6gpm

·线圈或冷却通道的数目

-盘形场线圈＝12

-场线圈冷却片冷却通道＝10

-电枢提升线圈＝16

-补偿板冷却通道＝4

·部件冷却剂流率

-场线圈内部冷却通道＝16.2gpm

-场线圈片冷却通道＝7gpm

-电枢提升线圈冷却通道＝19.2gpm

-补偿板冷却通道＝24gpm

·总的冷却剂流率

＝16.2gpm+7gpm+19.2gpm+24gpm＝66.4gpm

·总的冷却剂通道长度

-每个场线圈内部冷却通道＝37.008m

-每个场线圈冷却片冷却通道＝3.025m

-每个电枢提升线圈冷却通道＝12.649m

-每个补偿板冷却通道＝3.025m

·表面粗糙度＝0.00006in.(铜管)，0.0018in.(钢冷却通道)

·冷却泵效率＝80％

表2.算出的冷却参数

在表2中，针对被内部冷却通道中的冷却剂和外部片冷却通道中的冷却剂去除的场线圈热损耗的能量平衡计算，是通过假定75％-25％的热去除划分(75％的热损耗被内部冷却去除，25％的热损耗被外部冷却去除)执行的。该75％-25％划分是从热回路(thermal-circuit)分析得到的。在有限元热学分析中使用的材料热特性被包括在表3中。

表3.材料热特性

图15D和15E中示出了针对场线圈、提升线圈以及补偿板的二维轴对称热模型的有限元网。针对每个冷却部件执行了两个热分析；一个分析使用在平均冷却剂温度算出的冷却边界条件，另一个分析使用在出口冷却剂温度算出的冷却边界条件，后者是最坏情形。这些冷却边界条件、冷却剂温度以及冷却剂对流系数被示出在表2中。图15F至15K示出了在场线圈、提升线圈以及补偿板中的所预测的稳态温度分布。

测试

针对振动机系统的测试计划可始于在制造过程早期的部件开发测试。八个力线圈可通过建议用于该原型单元的树脂系统结合至不锈钢管。该实体模型(mock-up)可以忠于原型力线圈的最终设计。在该实体模型被固化之后，将该实体模型将被安装在压床中，并且估计对不锈钢管的结合强度。一个合格标准是，结合强度至少为工作中所需强度的两倍。接下来的部件测试可以是关于水冷却的绝缘的力线圈以及水冷却的绝缘的场盘形线圈的稳态热测试。代表振动机的满力(fullforce)工作的合适电力负载可被施加至所述线圈。所述线圈可以被加热，直到温度上升小于每小时2C。这将被认为是稳态，并且工作温度被记录。针对该测试的合格标准是，稳态温度不超过该树脂系统的热挠曲温度。

在反应块完成之后，可将冷却线圈垂直放入热水源(149F)，以及可使用一个实验室用DC电源将工作电流传递至场线圈。可在空气间隙中使用一个霍尔探头(Hall probe)测量数个角位置的场强，每次都将场映射为轴向位置的函数。图16A示出了可以收集到的数据的一个示例。一个合格标准可以是，所述数据处于FEA磁分析所预测的值的5％之内。在这些测试期间，可以监测场线圈温度，以确定所构造的场线圈的稳态工作温度。该稳态温度应保持低于该树脂系统的热挠曲温度。

当基板从场线圈的真空压力浸渍(VPI)中返回，可以测试基板以得到正确的频率响应。基板可从电缆悬挂下来并且安装有加速计。可以使用仪器化的重锤和数据采集系统来找到基板的特征模式(eigenmodes)。这些特征模式可以与基板的FEA结构模型比较，并且应匹配到10％之内。

在叩击测试(rap testing)之后，基板可与反应块装配起来，并且力线圈的阻抗可在离散频率被测量为在反应块中的轴向位置的函数。可以收集到的数据的一个示例被示出在表4中。该数据可与FEA磁性码预测的值进行比较并且应匹配到10％之内。

表4.作为频率和位置的函数的力线圈阻抗

X	测试频率	测试频率	测试频率
					20Hz	50Hz	120Hz
-0.75	178	163	141
				-0.25	73.5	73.7	67
0	54	53	53.1
				0.25	55.8	55.1	53.3
0.5	71.2	69.2	67.2

用所装配的振动器，可以执行一系列DC测试。水冷却和DC电源可连接至场线圈。另外，第二实验室用DC电源可连接至水冷却的力线圈。正确的电流可在场线圈中建立，然后连接至力线圈的DC电源可累加，直至实现升空(levitation)。测试水平可与该仿真预测的进行比较。在升空测试之后，可用负载单元(load cell)将基板锁定至反应块。力线圈可被自身激励，并且磁阻力可被测量。然后场线圈可被激励，并且电流可在通过垫住(shimming)负载单元而建立的数个位置施加至力线圈。所产生的力可被记录为位置的函数。

在进度的这个点，脉冲宽度调制(PWM)转换器可被传送，并且可进行对哑负载(dummy load)的检出测试。图16B和16C示出了PWM测试波形的示例被。

一旦该PWM被认为是工作的，它就可连接至振动机并且进行低水平振动测试。这允许调试该仪器和数据获取系统。另外，可以调节控制增益以用于优化工作。一旦振动器已被证实处于低力，就可着手与卡车结合。

功率减小技术

如上文所示，如果振动器被要求在稳态工作中以225Hz产生满力，则它将要求770Hp的原动机以及相等能力的热排斥(heatrejection)。在该原型单元中，我们意在将Mertz发动机改型为产生600Hp。该原型可以在高频时使力逐渐减小(taper)，以满足柴油机的600Hp等级。对于一个生产单元(production unit)，期望将所需的功率减少到600Hp范围，同时保持在225Hz的满力能力。

存在数种能够降低电磁振动机(EMV)的功率要求的技术，诸如在EMV的一个实施方案中使用永磁体。

可以使用的另一种技术是弹簧辅助(spring assist)。弹簧可被布置在基板和反应块之间，以辅助洛伦兹力(图17A)。见到的第一个优点是，弹簧能够提供升空力。通过检查处于运动极端的振动机，可以见到弹簧的另一优点。在图17B中见到弹簧被完全压缩在完全下降位置(full down position)。这是振动器最需要上升力帮助的时候。重力、磁阻力，以及洛伦兹力的减小，都发生在该位移范围的该极端。当该系统最需要力时，弹簧把能量返回该系统。该运动范围内的另一极端是，当振动器处于完全上升位置时(图17C)。在该冲程的这一点，弹簧须是拉伸的并正在接收能量。正是在该循环的这一点，基板电流和磁场电流处于相互辅助且在空气间隙中建立更大磁场强度的方向。当弹簧拉伸时，洛伦兹力处于最大。这些观察得出如下结论：弹簧的插入可允许将磁场电流和电枢电流都减小至会实质减小功率的水平。

针对功率节省的另一领域涉及导体设计。通过在时变磁场拦截导体的方向上减小暴露面积，可以降低涡电流和邻近损耗。图17D示出了如下设计，其中导体尺寸已从0.25英寸减小至0.125英寸。另外，该导体已使用Roebel(罗贝尔)TM配置进行了调换，以减小环电流(图19-5)。可见，该导体变化已将力线圈损耗从306kW降低至249kW。

尽管已经结合优选实施方案和具体实施例说明了本方法和系统，但不意在表明本发明的范围限于所提出的特定实施方案，因为此处的实施方案在所有方面都意在是示例性的而非限制性的。

除非另有明确叙述，决不应将此处提出的任何方法理解成要求以特定顺序执行其步骤。据此，在方法权利要求没有实际记载其步骤应该遵循的顺序，或者在权利要求或说明书中没有另外明确叙述这些步骤要限于某一具体顺序的情况下，决不意在表明在任何方面推出了一个顺序。这对于任何可能未表明的解释基础都是成立的，包括：关于步骤或操作流程的安排方面的逻辑问题；从语法结构或标点符号得出的直白含义；在说明书中描述的实施方案的数目或类型。

在本申请中，参考了许多出版物。这些出版物的公开内容通过引用方式被整体纳入本文，以更加完整地描述本发明的方法和系统所属领域的状态。

本领域技术人员应明了，在不偏离本发明的范围或主旨的情况下，可以做出许多改型和变体。通过考虑此处公开的说明和具体实践，本领域技术人员将明了其他实施方案。本说明和实施例被认为仅是示例性的，真正的范围和主旨由下列权利要求或创造性概念表明。

Claims (25)

1.一种用于地震勘测应用的电磁振动器，包括：

电源；

换能器；以及

控制系统，

其中所述换能器能够向地震勘测结构施加高达50,000磅力或更大的力，以提供用于地震探测的连续振动扫描。

2.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中所述换能器进一步包括反应块、基板、场绕组以及电枢绕组，并且所述换能器具有至少5英寸的冲程。

3.根据权利要求2所述的电磁振动器，其中所述反应块是大约16,500磅，所述基板是大约4,707磅，并且所述换能器具有大约6英寸到6又3/4英寸的冲程。

4.根据权利要求2所述的电磁振动器，其中所述电枢绕组中的电枢绕组电流产生电枢绕组磁场，所述电枢绕组磁场与由所述场绕组中的场绕组电流产生的场绕组磁场相互作用，以使得所述反应块或所述基板运动。

5.根据权利要求4所述的电磁振动器，其中所述电枢绕组电流是受所述控制系统控制的正弦变化电流。

6.根据权利要求5所述的电磁振动器，其中所述控制系统控制下列中的一个或多个：所述电枢绕组电流的方向、振幅或频率。

7.根据权利要求4所述的电磁振动器，其中所述场绕组电流是直流(DC)。

8.根据权利要求2所述的电磁振动器，其中所述场绕组被一个或多个永磁体替代或辅助。

9.根据权利要求8所述的电磁振动器，其中所述换能器是弹簧辅助的。

10.根据权利要求2所述的电磁振动器，其中所述基板允许在地传输点附近施加力，并且提供高硬度。

11.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中所述电源是发电机。

12.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中所述电源是单相电源。

13.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中所述电源是三相电源。

14.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中所述换能器能够向地震勘测结构施加60,000磅力或更大的力，以在从大约4Hz到大约125Hz的范围内提供用于地震探测的连续振动扫描。

15.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中所述换能器能够向地震勘测结构施加力，以在从大约4Hz到大约225Hz的范围内提供用于地震探测的连续振动扫描。

16.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中所述换能器能够向地震勘测结构施加力，以提供用于地震探测的连续振动扫描，其中所述连续振动扫描可以是线性的、非线性的或者特殊随机的连续振动扫描。

17.根据权利要求16所述的电磁振动器，其中所述连续振动扫描不能用液压振动器系统执行。

18.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中所述换能器进一步包括反应块、基板、永磁体以及电枢绕组，其中所述电枢绕组中的电枢绕组电流产生电枢绕组磁场，所述电枢绕组磁场与由所述永磁体产生的永磁场相互作用，以使得所述反应块或所述基板运动。

19.根据权利要求18所述的电磁振动器，其中所述换能器进一步包括一个或多个弹簧，并且所述反应块或所述基板的运动是弹簧辅助的。

20.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中所述换能器进一步包括一个或多个弹簧，并且所述换能器的运动是弹簧辅助的。

22.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中所述换能器被配置为以高保真度再现对所述控制系统的输入信号。

23.根据权利要求1所述的电磁振动器，其中至少所述换能器为了便携性被安装在可移动平台上。

24.根据权利要求1所述的电磁振动器，进一步包括车辆，其中所述电源、所述换能器以及所述控制系统被安装在所述车辆上。

25.一种地震探测方法，包括：

用电磁振动器执行连续振动扫描，其中所述电磁振动器包括电源、换能器以及控制系统，并且其中所述换能器能够向地震勘测结构施加高达50,000磅力或更大的力，以提供用于地震探测的连续振动扫描。

26.根据权利要求25所述的方法，其中用所述电磁振动器执行连续振动扫描包括：所述换能器向地震勘测结构施加力，以在从大约4Hz到大约225Hz的范围内提供用于地震探测的连续振动扫描。

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