CN104009668A - 一种动力调谐激振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力调谐激振装置，所述动力调谐激振装置包括：直线或环型振动载体，以及位于其上的多个振源，所述振动载体为压电陶瓷、声发射装置、电磁激振器或机械式活塞；振源频率为振动载体的固有频率；在外激励作用下，振动载体将产生行波，驱动与之接触的动子平动或转动，或使流体产生期望的流动；所述振源可产生包含多种谐波成分的矩形波、三角波或其它周期信号。本发明给出了针对振源均布的直线及环型对称式传动、驱动和流体输送系统的一般激振条件，根据该条件可给出基本参数的恰当匹配，进而激起期望的振动，同时抑制有害的行波或驻波振动。本发明的最显著有益效果是所述技术方案及相应发明装置的多领域通用性。

Description

一种动力调谐激振装置

技术领域

本发明涉及动力调谐领域，尤其涉及一种动力调谐激振装置，具体包括齿轮传动、永磁电机、液压马达、超声电机及滚动轴承等典型对称系统。

背景技术

振动抑制和利用是工程领域中的常见问题。其中，振动抑制是许多领域的关键问题，例如：由啮合力激起的行星齿轮传动的振动、电磁激励导致的永磁电机定子振动、流体力激起的液压马达振动，以及接触力产生的滚动轴承的振动等，均需采用有效措施予以抑制，甚至彻底消除；同样，振动利用也涉及许多领域，包括不同形式的定向驱动和各种物料的混合等，具体包括超声、磁致及声流驱动等，例如：超声行波及驻波电机、磁致伸缩电机及声表面电机等。混合装置可用来混合气体、液体或固体颗粒，例如：化学和生物等领域广泛应用的快速、有效、主动的微流体混合等。

现有文献提出了许多振动抑制措施，包括行星传动的齿轮修形、永磁电机的斜极斜槽、液压马达的廓线改进、超声电机拓扑结构的优化，以及滚动轴承加工及装配精度的提高等。在振动利用方面，现有技术也给出了许多提升激振效果的措施，例如：增大激振力、多振源协同以及改进系统结构等。在众多措施中，参数匹配是一种振动抑制和利用的通用方法。恰当匹配行星轮个数与中心轮齿数、转子磁极数与定子齿槽数、柱塞数与作用数及压电陶瓷个数与运行波数，可改变振源的激振模式，从而改善振动抑制或利用效果。

事实上，如果可以揭示拓扑构型、激励方式及振动响应之间的影响关系，即可为振动抑制和利用工程提供解决问题的途径。依据基本参数对动力学特性的调谐规律，协调各振源之间的超前或滞后时序关系，确实可以实现振动抑制和利用的良好效果，例如专利ZL201010562863.X、ZL201110093939.3和ZL201010525851.X等。但应当指出的是，现有技术通常仅涉及减振降噪，尤其是仅适用某一特定领域的特定装置。由于振动抑制和利用工程涉及许多领域，迄今还未提出高效的通用技术和相应装置。

发明内容

本发明提供了一种动力调谐激振装置，本发明通过调整基本参数的组合来改变激励相位，可增强或抑制各激振源的协同作用，实现高效激振或抑振，详见下文描述。

一种动力调谐激振装置，所述动力调谐激振装置包括：直线或环型振动载体，以及位于振动载体上的多个振源。

所述振动载体为压电陶瓷、声发射装置、电磁激振器或机械式活塞；振源的激励频率为振动载体的固有频率；在外激励作用下，振动载体将产生行波，驱动与之接触的动子移动或转动，或使流体产生定向流动；所述振源可产生包含多种谐波成分的矩形波、三角波或其它周期信号。对于直线型激振装置，有以下结论：

当激振条件为：Nx_d(n+lZ)/2π＝q₁，Nx_d(n-lZ)/2π≠q₂时，动态响应为反向行波；

当激振条件为：Nx_d(n+lZ)/2π≠q₁，Nx_d(n-lZ)/2π＝q₂时，动态响应为正向行波；

当激振条件为：Nx_d(n+lZ)/2π＝q₁，Nx_d(n-lZ)/2π＝q₂时，动态响应为驻波响应；

当激振条件为：Nx_d(n+lZ)/2π≠q₁，Nx_d(n-lZ)/2π≠q₂时，动态响应为抑制波动；

其中，N为振源个数，l为激振源的谐波阶数，x_d为振源之间的距离，n为波数，Z为实数，q₁和q₂均为整数。

对于环型激振装置，有以下结论：

当激振条件为：(n+lZ)/N＝q₃，(n-lZ)/N≠q₄时，动态响应为反向行波；

当激振条件为：(n+lZ)/N≠q₃，(n-lZ)/N＝q₄时，动态响应为正向行波；

当激振条件为：(n+lZ)/N＝q₃，(n-lZ)/N＝q₄时，动态响应为驻波响应；

当激振条件为：(n+lZ)/N≠q₃，(n-lZ)/N≠q₄时，动态响应为抑制波动；

其中，q₃和q₄均为整数，其它参数与直线型激振装置相同。

本发明给出了针对振源均布的直线及环型对称式传动、驱动和流体输送及混合装置的激振条件，根据该条件可直接给出基本参数的恰当匹配，激起期望的弹性振动，同时抑制有害的行波或驻波振动。本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、最显著的有益效果是给出了适用于多个领域的通用激振及抑振技术，在不改变本质的前提下，可依据该技术快速构建高效激振装置或者提出抑振措施，更好地指导工程实践。

2、本发明抑振和激振措施可在工程设计初始阶段实施，因此显著节省了设计和制造成本。

3、本发明的一般激振条件提供了多种激振可能性，提高了振源个数及位置选择的灵活性，方便了工程设计和制造。

4、根据本发明的激振条件，合理选择参数可分别激起正向行波、反向行波或驻波，或三者的组合，进而改善气体、液体或固体颗粒的混合效果。

附图说明

图1为直线型激振装置及激振分析模型；

图2为直线型声场驱动流体谐振装置；

图3为环型声场驱动流体谐振装置；

图4为直线型活塞驱动流体谐振装置；

图5为环型活塞驱动流体谐振装置；

图6为直线型蠕动流体谐振装置；

图7为环型蠕动流体谐振装置；

图8为直线型压电驱动流体谐振装置；

图9为环型压电驱动流体谐振装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了克服现有技术的振动抑制效果较差及通用性不好的缺点，同时提高振动利用装置的激振方式单一及激振效率较低的技术难题，本发明揭示了广泛存在于各类对称式传动、驱动和流体输送及混合系统的动力调谐关系，给出了激振和抑振措施，发明了一种激振装置。

本发明提出的对称系统的动力调谐技术，包括振动抑制和利用两个方面。其中，振动抑制是通过调整设计参数来改变激励的超前或滞后相位关系，进而实现抑制有害振动的目的，具体参数包括但不限于行星传动的行星轮个数与中心轮齿数、永磁电机的转子磁极数与定子齿槽数、径向柱塞马达的柱塞数与作用数，以及滚动轴承的滚动体个数和滚道波纹数等。同样，调整基本参数的组合来改变激励相位，可增强各激振源的协同效果，实现高效激振，具体参数如超声电机的压电陶瓷个数与运行波数，或者流体混合装置的振源个数及相位。

根据上述技术，并结合工程实际的需求，本发明提出一种动力调谐激振装置，该装置由：直线或环型振动载体及位于其上的多个振源组成。振源可以为压电陶瓷、声发射装置、电磁激振器或机械式活塞等。振源的时空相位差可均为90°或本发明公开的其它相位，并且振源的激励频率为振动载体的固有频率。在外激励作用下，振动载体将产生行波，驱动与之接触的动子移动或转动，或使流体产生定向流动，实现均匀混合的良好效果。

为了更好地说明本发明的有益效果，下面首先进行振动抑制和激振性能的理论预测。鉴于直线型与环型激振装置的本体结构及驱动机理的相似性(参见图1)，本发明仅以直线型为例进行理论分析，然后将其推广至环形结构。

假设振源频率为ω，个数为N，同时假定坐标系{o-xy}的原点位于第一振源E1与振动载体的对称中心线的交点，坐标轴与该中心线重合。假定第i(i＝1，2，3，……N)个振源激起的第l阶谐波响应为

${{W_i}^l=A}_i^l\cos n(x+x_{\mathrm{Lx}}+{\mathrm{\χ}}_i)\cos l(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Lt}}+{\mathrm{\δ}}_i)---\left(1\right)$

式中n和x分别为谐波振幅、波数和位置角，x_Lx和γ_Lt为激励与响应之间的空间和时间相位差，χ_i与δ_i为第i个振源激起响应的空间和时间相位。根据结构和激励的对称性可知，不同振源激起的谐波振幅满足应当指出的是，尽管该振幅未知，但不影响本发明关心的预测过程及具体结果。事实上，完全可以借助理论分析、有限元计算或实验测试确定这些物理量，进而给出定量结果。

假定第一振源E₁位于坐标原点(x₁＝0)，则第i振源E_i的位置为

x_i＝x_d(i-1)   (2)

x_d为振源之间的距离，假定时空相位满足

δ_i＝x_iZ   (3)

式中Z为实数，该实数描述了激励的时空相位关系。为了简化分析，假定其为常数。

总响应为

$W^l=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W_i}^l---\left(4\right)$

由式(1)～式(4)，可得表1所述结论，表中q₁和q₂均为整数。分析可知，基本参数与振动响应之间存在明确的映射关系，并且随着振源的个数、距离、波数及谐波阶次的不同，产生不同的响应，包括反向行波、正向行波、驻波，或抑制波动。

表1直线型对称系统振动特性预测

激振条件

动态响应

Nxd(n+lZ)/2π＝q1，Nxd(n-lZ)/2π≠q2	反向行波
		Nxd(n+lZ)/2π≠q1，Nxd(n-lZ)/2π＝q2	正向行波
Nxd(n+lZ)/2π＝q1，Nxd(n-lZ)/2π＝q2	驻波响应
		Nxd(n+lZ)/2π≠q1，Nxd(n-lZ)/2π≠q2	抑制波动

若将上述结论中的x_d视为弧长，即可得到环形激振装置的相应结论。本发明以工程领域常见的均布振源系统为例，得到表2所述激振条件与动态响应之间的关系，表中q₃和q₄均为整数。应当指出的是，由于振动载体几何封闭，要求Z必须为整数。

表2环型对称系统振动特性预测

激振条件	动态响应
		(n+lZ)/N＝q3，(n-lZ)/N≠q4	反向行波
(n+lZ)/N≠q3，(n-lZ)/N＝q4	正向行波
		(n+lZ)/N＝q3，(n-lZ)/N＝q4	驻波响应
(n+lZ)/N≠q3，(n-lZ)/N≠q4	抑制波动

为了验证上述推导的正确性和激振效果的显著性，本发明给出如下对比分析。现有文献已给出直线型超声电机的行波激振条件(曹辉，林书玉，三相驱动的平板弯曲行波超声马达研究，陕西师范大学学报，2005，33(2)，46～48)：对于均布安装的三压电片直线型超声电机，相邻压电片的距离、第二和第三压电片的时间相位分别为2λ/3(λ为波长)、4π/3和2π/3。根据表1，已知压电片个数N＝3，第一压电片的坐标为x₁＝0，激励相位为δ₁＝x₁Z＝0，仅考虑第一阶谐波的影响，即l＝1。以逆向行波激振为例，由于Nx_d(n+lZ)＝2q₁π，因此x_d＝2q₁λπ/[N(2π+Zλ)]，若取Z＝π/λ，则相邻压电片的距离x_d＝2λ/3。根据该距离及式(3)可得第i个压电片的激励相位为δ_i＝χ_iZ＝2π(i-1)/3，因此，第二和第三压电片的激励相位分别为2π3和4π3。本发明的结果与前人文献完全一致。

现有文献还给出了圆环型超声电机的行波激振条件(Tieying Zhou,et al.A nut-typeultrasonic motor and its application on focus system,PIERS Proceedings,Beijing,China,March23-27,2009)。该文献指出，对于均匀安装的八压电片螺母型旋转超声电机，当工作波数n＝2时，相邻压电片的夹角及相位可分别为π/4和π/2。根据表2，可令Z＝2，因此激励的时间相位为δ_i＝x_iZ＝2x_i＝2×2π(i-1)/8＝π(i-1)/2，因此相邻压电片的时间相位均为π/2。该结果与现有文献一致。应当指出的是，除了上述激振条件，根据本发明还可得到许多可产生行波的参数组合。

实施例1

图2为直线型声场驱动流体谐振装置，它包括直线型管路和位于其上的若干均布声发射装置(例如扬声器)。依据本发明公开的动力调谐结论(表1)，可匹配所述声发射装置的距离和相位，使管路内产生行波或驻波，或者期望的其它运动。如果以行波为例，根据本发明的分析结果，相邻声发射装置的距离可为2λ/3，第一声发射装置1000、第二声发射装置1010和第三声发射装置1020的激励相位分别为0、2π/3和4π/3。在三个振源的共同作用下，管路1001内将激起行波，因而推动流体定向流动。

实施例2

图3为环型声场驱动流体谐振装置，它包括定子和若干均布的声发射装置(例如扬声器)及转子。依据本发明公开的动力调谐结论(表2)，可匹配所述声发射装置的夹角和相位，激起行波或驻波。本实施例以四激振源系统为例，相邻声发射装置的夹角为π/2，第一声发射装置1030、第二声发射装置1040、第三声发射装置1050和第四声发射装置1060的激励相位分别为0、π/2、π和3π/2。在振源的共同作用下，定子1031产生行波，使流体定向流动，推动转子1032定向旋转。

实施例3

图4示出了直线型活塞驱动流体谐振装置，它包括直线型管路和位于其上的若干均布安装的活塞。依据本发明公开的动力调谐结论(表1)，可恰当匹配各活塞的距离和相位，激起行波、驻波或期望的其它运动。本实施例以三活塞振源系统为例，相邻活塞的距离可为4λ/5，第一活塞1070、第二活塞1080和第三活塞1090的激励相位分别为0、2π/5和4π/5。各活塞按给定的相位往复运动，使管路1071内产生行波，推动流体定向流动。

实施例4

图5为环型活塞驱动流体谐振装置，它包括定子、若干均布活塞及转子。依据本发明公开的动力调谐结论(表2)，可匹配所述声发射装置的夹角和相位，进而使管路内产生行波。本实施例以四激振源系统为例，相邻活塞的夹角为π/2，第一活塞1100、第二活塞1110、第三活塞1120和第四活塞1130的激励相位分别为0、π/3、2π/3和π。活塞的往复运动使定子1101内的流体产生行波，因而推动转子1102定向旋转。

实施例5

图6为直线型蠕动流体谐振装置，它包括直线型管路和位于其上的若干均布驱动源。依据本发明公开的动力调谐结论(表1)，可匹配所述驱动源的距离和相位，使管路内产生行波或驻波，或者期望的其它运动。本实施例以三驱动源系统为例，相邻驱动源的距离可为6λ/7，第一驱动源1140、第二驱动源1150和第三驱动源1160的激励相位分别为0、2π/7和4π/7。在所述驱动源的共同作用下，管路1141内产生行波，因而推动流体定向流动。

实施例6

图7为环型蠕动流体谐振装置，它包括定子、若干均布的激振源及转子。依据本发明公开的动力调谐结论(表2)，可匹配所述激振源的夹角和相位，进而激起行波。本实施例以四激振源系统为例，相邻激振源的位置夹角为π/2，第一激振源1170、第二激振源1180、第三激振源1190和第四激振源1200的相位分别为0、π/4、π/2和3π/4。在所述振源作用下，定子1171将产生行波，推动转子1172定向旋转。

实施例7

如图8所示的直线型压电驱动流体谐振装置，它包括直线型管路(定子)和若干压电片。依据本发明公开的动力调谐结论(表1)，可匹配所述压电陶瓷的距离和相位，使管路产生行波或驻波，或者期望的其它运动。本实施例以三压电片为例，相邻压电片的距离为8λ/9，第一压电片1210、第二压电片1220和第三压电片1230的激励相位分别为0、2π/9和4π/9。在所述压电激励下，管形振子1211将产生行波，进而使管路内的流体产生定向运动。本实施例与现有技术的最大区别在于激振源的驱动特性，本发明可给出许多种实现行波和驻波运动的参数选取方案。

实施例8

如图9所示的环型压电驱动流体谐振装置，它包括定子、压电片和转子。依据本发明公开的动力调谐结论(表2)，可匹配所述压电片的夹角和激励相位，进而激起行波，推动转子旋转。本实施例以四压电片为例，相邻压电片的夹角为π/2，第一压电片1240、第二压电片1250、第三压电片1260和第四压电片1270的激励相位分别为0、π/8、π/4和π/2。在所述压电激励作用下，振子1241将产生行波，定子内流体产生行波运动，最终推动转子1242定向旋转。与实施例7相似，本实施例的最大特征仍然在于激振源的驱动特性。本发明可给出许多非π/2时空相位的行波激振条件。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种动力调谐激振装置，其特征在于，所述动力调谐激振装置包括：直线或环型振动载体，以及位于振动载体上的多个振源，

所述振动载体为压电陶瓷、声发射装置、电磁激振器或机械式活塞；振源的激励频率为振动载体的固有频率；在外激励作用下，振动载体将产生行波，驱动与之接触的动子移动或转动，或使流体产生定向流动；所述振源为包含多种谐波成分的矩形波、三角波或其它周期信号。

2.根据权利要求1所述的一种动力调谐激振装置，其特征在于，

当激振条件为：Nx_d(n+lZ)/2π＝q₁，Nx_d(n-lZ)/2π≠q₂时，动态响应为反向行波；

当激振条件为：Nx_d(n+lZ)/2π≠q₁，Nx_d(n-lZ)/2π＝q₂时，动态响应为正向行波；

当激振条件为：Nx_d(n+lZ)/2π＝q₁，Nx_d(n-lZ)/2π＝q₂时，动态响应为驻波响应；

当激振条件为：Nx_d(n+lZ)/2π≠q₁，Nx_d(n-lZ)/2π≠q₂时，动态响应为抑制波动；

其中，N为振源个数，l为谐波响应的阶数，x_d为振源之间的距离，n为波数，Z为实数，q₁和q₂均为整数。

3.根据权利要求1所述的一种动力调谐激振装置，其特征在于，

当激振条件为：(n+lZ)/N＝q₃，(n-lZ)/N≠q₄时，动态响应为反向行波；

当激振条件为：(n+lZ)/N≠q₃，(n-lZ)/N＝q₄时，动态响应为正向行波；

当激振条件为：(n+lZ)/N＝q₃，(n-lZ)/N＝q₄时，动态响应为驻波响应；

当激振条件为：(n+lZ)/N≠q₃，(n-lZ)/N≠q₄时，动态响应为抑制波动；

其中，N为振源个数，l为谐波响应的阶数，n为波数，Z为实数，q₃和q₄均为整数。