CN110961334B - 新型的惯性激振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的惯性激振器，包括：壳体，其内设置有中心对称的容置空腔；质量块，其通过弹簧悬挂设置在所述容置空腔的中心，所述质量块为中心对称结构，所述质量块三个对称轴的六个端面上分别设置有两块磁铁；以及励磁机构，其由铁芯和线圈构成，所述铁芯内部设置有两个贯穿所述铁芯宽度方向的型腔，型腔高度方向的一端设置为开口，所述线圈绕设在所述两个型腔内，铁芯由若干个硅钢薄片叠加组成且铁芯固定在壳体的内壁上；其中，所述质量块的六个端面分别对应设置有一个励磁机构，所述励磁机构与所述磁铁间隔设置，且所述开口对准一个所述磁铁。本发明的激振器通过控制线圈内的电流来激励中心质量块，从而实现六个自由度的振动。

Description

新型的惯性激振器

技术领域

本发明涉及一种谐振系统，更具体地说，本发明涉及一种新型的惯性激振器。

背景技术

惯性激振器可以作为可控振动源，应用于结构测试实验、振动控制系统，尤其是主动控制减振降噪系统。应用还包括地板承载共振测试，直升机降落的船甲板测试，汽车振动测试，地质探测等等。惯性激振器还可以用来降低环境中的噪音和不必要的振动。

激振器是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置。按激励形式的不同，可分为惯性式、电动式、电磁式、气动式和液压式等形式的激振器。市场上的绝大部分激振器都只能提供单一自由度的振动。比如，美国迪飞公司(Data Physics)的惯性激振器IV40\IV45\IV46\IV47，还有Bruel&Kjar公司的LDS V101、V201和V406。

要想得到六个自由度的振动，传统方式就必须采用六台或六台以上的激振器共同作用以达到沿三个互相垂直的轴方向的平动以及绕这三个轴方向的转动的复合运动。利用这样方法的设备的体积扩大了至少六倍，质量也至少翻了六倍，导致空间利用率不高。这种方法尤其不适于工作空间有限的应用，比如，航空舱体，航天舱体，汽车内部，家电内部，船舶内部，潜艇内部，等。目前市面是还没有一款用一个运动质量块实现六维振动的激振器。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明是一种新型激振器，目的是利用电磁感应效应产生六个自由度的可控的激振力。本发明主要是由一个中心悬挂质量块、12个磁铁、八根拉伸弹簧、六个线圈和六个叠层铁芯组装而成。中心质量块是一个立方体，每个面的中心镶嵌并粘着两个磁铁。当线圈导通电流时，中心质量块在恒定磁场的环境中受到电磁激励从而振动。通过控制线圈内的电流，中心质量块可以在电磁激励下实现六个自由度的振动。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种新型的惯性激振器，包括：

壳体，其内设置有中心对称的容置空腔；

质量块，其通过弹簧悬挂设置在所述容置空腔的中心，所述质量块为中心对称结构，所述质量块三个对称轴的六个端面上分别设置有两块磁铁；以及

励磁机构，其由铁芯和线圈构成，所述铁芯内部设置有两个贯穿所述铁芯宽度方向的型腔，所述型腔的高度方向的一端设置为开口，所述线圈绕设在所述两个型腔内，所述铁芯固定在所述壳体的内壁上；

其中，所述质量块的六个端面分别对应设置有一个励磁机构，所述励磁机构与所述磁铁间隔设置，且所述开口对准一个所述磁铁。

优选的，所述质量块的六个端面为平面，每个平面中心设置有凹腔，所述两块磁铁设置在所述凹腔内。

优选的，所述磁铁为永磁体，所述两块磁铁并排粘设在所述凹腔内，且磁铁的极性垂直于所述平面，所述两块磁铁的极性相反设置。

优选的，所述铁芯由若干个硅钢薄片叠加组成，所述型腔的横截面为正方形，所述开口宽度小于所述正方形宽度，所述开口的长度方向与磁铁的长度方向一致。

优选的，所述线圈从所述壳体中引出，并与电源连接，所述励磁机构与所述磁铁平行且间隔设置，所述开口与所述磁体一一对准。

优选的，所述质量块上部和下部的四个端角分别引出一个所述弹簧，所述弹簧的另一端与所述壳体内壁连接，其中，当所述质量块处于容置空腔中心时，所述质量块上下对角设置的一对弹簧处于同一直线上，且该直线过所述质量块的中心。

优选的，所述弹簧为拉伸弹簧，所述弹簧两端设置有带有螺纹的接口，弹簧的一端通过接口直接固定在所述质量块上，所述弹簧另一端的接口上设置有旋钮，所述旋钮上设置有卡扣，所述壳体的相应位置处设置有卡槽座，所述相应位置可以是壳体内壁的8个顶角，所述弹簧通过旋钮与所述卡槽座卡扣连接。

优选的，所述线圈单独励磁。

优选的，所述质量块每个端面的对应面上都设置有用于防止质量块撞击线圈的止动装置，所述止动装置可以固定在所述铁芯或壳体上。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明的惯性激振器可以作为可控振动源，应用于结构测试实验、振动控制系统，尤其是主动控制减振降噪系统。应用还包括地板承载共振测试，直升机降落的船甲板测试，汽车振动测试，地质探测等等。惯性激振器还可以用来降低环境中的噪音和减少不必要的振动；

2、本发明的惯性激振器的共振频率是由弹簧悬挂系统和中心质量块决定的。最大推力出现在谐振峰上。传感器的工作频率、峰值是力的大小都是可以调节的。本专利的物理尺寸大小、重量可以根据所需的推力和工作频率而改变；

3、本发明利用一个质量块实现了六个自由度的激振力，而且这六个自由度之间互不相关。这样的设计让本发明重量轻、体积小、实验功能多、移动方便、空间利用率高、激振效果好，可以按照任意角度安装于结构上。可广泛运用于汽车车身、船舶的飞行甲板、直升机、潜艇、地球物理学勘探和减振系统等等。可广泛运用于微小型零件的耐振试验、疲劳试验和机械阻抗的测试等，可用于教学科研以及各类实验室。想要在有限的空间内实现振动噪声控制，本发明是个极好的选择。激动器的大小、激振力、工作频率都可以根据实际需求而定制。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的激振器的内部结构示意图；

图2为所述线圈与质量块的装配结构示意图；

图3为所述励磁机构的结构示意图；

图4为所述铁芯的剖面结构示意图；

图5为所述励磁机构的剖面结构示意图；

图6为所述弹簧与壳体的装配结构示意图；

图中：1质量块；2磁铁；3弹簧；4线圈；5铁芯；51型腔；511开口；6外壳；7旋钮；8卡槽座；80卡槽；9止动装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-6所示，本发明提供了一种新型的惯性激振器，包括：

壳体6，其内设置有中心对称的容置空腔；壳体6可以是任意规则对称的结构，其重心在容置空腔的中心，优选的，壳体6可以是由若干块铝块自由装配组成的。

质量块1，其通过弹簧3悬挂设置在所述容置空腔的中心，所述质量块1也为中心对称结构，质量块1通过若干个弹簧3悬挂在容置空腔的中心，静止时，质量块处于容置空腔的正中心，当驱动质量块运动时，质量块在容置空腔内振动，从而构成谐振系统，所述质量块1三个对称轴的六个端面上分别设置有两块磁铁2；以及

励磁机构，其由铁芯5和线圈4构成，所述铁芯5内部设置有两个贯穿所述铁芯5宽度方向的型腔51，所述型腔51的高度方向的一端设置为开口511，所述线圈4设在所述两个型腔51内，所述铁芯5固定在所述壳体6的内壁上；

其中，所述质量块1的六个端面分别对应设置有一个励磁机构，也就是安装在每个端面上的磁铁都对应一个励磁机构，所述励磁机构与所述磁铁2间隔设置，且所述开口511对准一个所述磁铁2，当线圈4接通电流时，通电线圈在恒定磁场环境中会受到作用力，因为励磁机构被固定在壳体6上，而与磁体连接的质量块是活动的，因此，通过励磁机构和磁铁，可以控制质量块的受力大小和方向，进一步讲，本案中的激振器物理尺寸大小、重量可以根据所需的推力和工作频率而改变，由此可以实现精确控制质量块的运动方式和运动行程。

而市场上的激振器绝大部分都只能提供单一自由度的振动。目前市面是还没有一款用一个运动质量块实现的六个自由度的激振器。本发明的新型激振器是利用电磁感应效应产生六个自由度的可精确控制的激振力，很好的解决了上述技术问题，具体的，本发明的新型激振器主要由中心悬挂质量块1、十二个磁铁2、八根拉伸弹簧3、六个线圈4和六个叠层铁芯5组装而成。当线圈通过电流时，中心质量块在电磁激励下会振动。通过控制线圈内的电流信号，中心质量块可以实现六个自由度的振动；进一步，本案的激振器利用一个质量块实现了六个自由度的激振力，而且这六个自由度之间互不相关，可以广泛应用于多种领域。

上述技术方案中，所述质量块1的六个端面被设置为平面，以利于放置磁铁，每个平面中心设置有凹腔，所述两块磁铁嵌入在所述凹腔内，以更好的与质量块固定，同时，磁铁的底部固定在所述凹腔内，通过利用励磁机构来精确控制质量块受力大小。

上述技术方案中，所述磁铁2为永磁体，以保证磁体与励磁机构之间相互作用的可靠性和准确性，所述两块方形磁铁2并排粘设在所述凹腔内，且磁铁2的极性垂直于所述平面，且磁铁2的上下表面平行所述平面，每个励磁机构设置开口的那一面平行于所述平面，其中，所述两块磁铁2的极性相反设置，也就是说每个平面上的两块磁铁侧面相互抵靠粘贴设置，底面贴合设置在凹腔的底面上，其中一个磁铁的N极朝上、另一个磁铁的S极朝上。

一种实施例中，所述铁芯5由若干个硅钢薄片叠加组成，所述型腔51的横截面为正方形，所述开口511宽度小于所述正方形宽度，开口小于型腔的宽度，从而线圈4被限制在型腔中，不会在受力过程中在型腔中运行，所述开口511的长度方向与磁铁2的长度方向一致，磁场更好的作用到线圈上，从而提高控制质量块运动的有效性和准确性，提高控制质量块运动的精度。

上述技术方案中，所述线圈4从所述壳体6中引出，并与电源连接，所述励磁机构与所述磁铁平行且间隔设置，所述开口与所述磁体一一对准，自由控制六个励磁机构的激励电流的大小和方向，即可控制质量块的运动方式和行程。

上述技术方案中，所述质量块上部和下部的四个端角分别引出一个所述弹簧3，所述弹簧的另一端与所述壳体内壁连接，其中，当所述质量块处于容置空腔中心时，也就是在质量块静止或运动到容置空腔中心时，所述质量块上下对角设置的一对弹簧处于同一直线上，且该直线过所述质量块的中心，也即是说，上下各四个弹簧斜设置在质量块的上下部，上下的各一根弹簧处于一直线上，同时经过质量块中心，保证质量块处于容置空腔的中央，从而使得本发明的激振器变成六个自由度的谐振系统，六个自由度分别是X轴、Y轴、Z轴、绕X轴旋转、绕Y轴旋转以及绕Z轴旋转，如图2所示。

上述技术方案中，所述弹簧3为拉伸弹簧，所述弹簧两端设置有带有螺纹的接口，弹簧的一端通过接口直接旋拧固定在所述质量块上，所述弹簧另一端的接口上设置有旋钮7，所述旋钮7上设置有卡扣，所述壳体的相应位置处设置有卡槽座8，卡槽座8固定在壳体6内壁的顶角上，所述弹簧3通过旋钮7与所述卡槽座8卡扣连接，具体的，卡槽座8上开设有卡槽80，旋钮7开设在卡槽80中，先把弹簧与质量块固定，另一端通过旋钮7和卡槽座8与壳体固定，方便了质量块与壳体的装卸。

上述技术方案中，所述线圈4单独励磁，也就是线圈单独控制，从而实现质量块六个自由度方向上的精确运动。

另一种实施例中，所述质量块1的每个端面的对应面上都设置有用于防止质量块上的磁铁撞击铁芯的止动装置9，止动装置可以安装在壳体内侧壁上，也可以安装在铁芯的侧壁上。当质量块朝某一个方向运动过量时，止动装置9会先碰到质量块，避免铁芯与磁铁碰撞，造成损坏。

另一种实施例中，本发明由一个中心悬挂质量块1、十二个磁铁2、八根拉伸弹簧3、六个线圈4、六个叠层铁芯5、八个卡槽座8，八个旋钮7，24个止动装置等其他部件组装而成。中心质量块是一个立方体，每个面的中心镶嵌并粘着两个磁铁。当线圈通过电流时，中心质量块在电磁激励下会运动。通过控制线圈内的电流，中心质量块可以实现六个自由度的运动。

具体的技术方案是：

振动质量块1是一个质量块，每个面镶嵌有两个磁铁2。振动质量块被八个拉伸弹簧3悬挂。振动质量块的每个面都正对着一个铁芯5。铁芯的两个孔的横截面为正方形。线圈绕着这两个孔。为了避免涡流损耗，每个铁芯是由一个一个厚度小于1mm的薄片叠合而成，叠合方式可以使用螺柱、螺母和胶水将多个薄片合并固定成一个整体，形成一个叠层的铁芯。铜线绕过叠层铁板的两个孔。叠层铁板固定在外壳6上。外壳上钻有孔洞，线圈的引脚从孔洞里伸出来。铁芯的具体尺寸和形状可以根据磁铁的大小和所需的激振力进行调整。铁芯的大小不可过小使得铁芯中磁场强度出现饱和，导致激振力变小。铁芯也不可以过大使得激振器重量过大影响实际应用。在这个激振器中，每一对磁铁对应一个线圈，一共有六组这样的磁铁和线圈形成了六个激励机构。

悬挂的质量块和八个弹簧构成了一个谐振系统。八根拉伸的弹簧的弹性系数需要被仔细设计从而使激振器放置时振动质量块位于这个激振器的中央，同时又可以满足实际应用对系统的谐振频率的要求。弹簧用的是螺旋式拉伸型弹簧。当线圈没有激励电流的时候，质量块是悬挂在激振器的中央。在这种情况下，作用在质量块的总的力是零。当线圈通过电流信号时，固定在质量块的磁铁会受到电磁感应力的驱动而运动。由于有六组激励机构，质量块最多可以受到六个电磁驱动力。通过控制六组线圈的激励信号，振动质量块可以实现六个自由度的运动。

中心立方体的8个顶点可以被削平，从而方便固定弹簧。每个弹簧一端旋入中心立方体被削平的面内，同时用螺母固定。弹簧的另一端旋入一个帽状旋钮7。在外壳的每个顶点，都固定一个卡槽座8，它用于固定弹簧的帽状旋钮。这个设计可以方便弹簧的拆卸和使用中的维护。为了防止磁铁因为意外撞击到铁芯，造成设备损坏，在中心立方体的每个对应面都设有四个止动装置9。当磁铁离铁芯太近时，止动装置会先碰到中心立方体，从而阻止磁铁碰到铁芯。

本实施例中，可以用自然冷却或是标准风机冷却的方式对本发明的谐振系统进行冷却。

激振器的具体设计原理是：

通过控制六对线圈中的电流和磁体的磁场相互作用产生的电磁感应力作用于中心质量块1上，从而实现六个自由度的振动，具体的是控制六对线圈中的电流来实现控制质量块运动的。

其中，铁芯的大小尺寸和形状，以及铁芯与磁铁间距都需要被设计，从而保证激振器可以产生足够大的电磁作动力，并且保证铁芯中的磁场不会饱和。

通过设计弹簧连接卡座来实现弹簧与质量块和壳体的连接，构成一个谐振系统。整个卡座构造由两部分组成，一部分是带有凹陷卡槽的卡槽座，可以将该卡槽座固定在外壳的八个角上；另外一部分是圆形的卡扣，其可以嵌入凹陷卡槽内。具体的，弹簧的两端各固定上带有螺纹的接口，使用时一端的接口直接与质量块固定，另外一端旋上所述卡扣，通过控制卡扣的一端将弹簧拉伸，然后将卡扣嵌入凹陷卡槽内，使得弹簧与壳体连接。这种设计可以方便拆卸。通过旋转圆形卡扣和弹簧之间的螺纹，可以控制弹簧的拉伸长度。

另一方面，本案中的中心质量块是整个激振器的振源，质量块被设计在位于设备中心，可以是一个立方体，也可以是个球体，或是一个规则的多面体。如果是一个立方体，每个面的中心都嵌入两个并排的永磁铁块。同时，通过调整永磁铁和质量块的大小和尺寸来设计整个设备中的磁场分布，从而提高激振器的控制精度和稳定性。

本案中的激振器的具体操作原理：

为了表述方便，将六个线圈分别标注为C1,C2,C3,C4,C5和C6，三个坐标轴标记为X,Y和Z，如图2所示。本案中的中心质量块可以沿着X,Y和Z构成的方向平动，也可以绕着这三个方向旋转。

具体的，当只有C1和C2通上相位相同的电流时，质量块受到沿X方向的电磁感应力，可以沿X方向运动；当只有C1和C2通上相位相反的电流时，质量块受到绕Y方向旋转的力矩，可以绕Y方向旋转；

当只有C3和C4通上相位相同的电流时，质量块受到沿Z方向的电磁感应力，可以沿Z方向运动；当只有C3和C4通上相位相反的电流时，质量块受到绕X方向旋转的力矩，可以绕X方向旋转；

当只有C5和C6通上相位相同的电流时，质量块受到沿Y方向的电磁感应力，可以沿Y方向运动；当只有C5和C6通上相位相反的电流时，质量块受到绕Z方向旋转的力矩，可以绕Z方向旋转；

因此根据实际应用需要来控制C1,C2,C3,C4,C5和C6的输入电流大小和方向，可以实现对激振器六个自由度方向上运动的精确控制。

由上所述，本发明利用一个质量块实现了六个自由度的激振力，而且这六个自由度之间互不相关。这样的设计让本发明重量轻、体积小、实验功能多、移动方便、空间利用率高、激振效果好，可以按照任意角度安装于结构上。可广泛运用于汽车车身、船舶的飞行甲板、直升机、潜艇、地球物理学勘探和减振系统等等。可广泛运用于微小型零件的耐振试验、疲劳试验和机械阻抗的测试等，可用于教学科研以及各类实验室。想要在有限的空间内实现振动噪声控制，本发明是个极好的选择。

需要理解的是，参考图2所示，本发明的激振器不局限在六个自由度方向的运动，还可以简化设计成两个自由度方向的运动，比如可以只设置有C1和C2两个线圈，或C3和C4，或者C5和C6；还可以简化设计成四个自由度方向的运动，比如可以只设置有C1、C2、C3和C4，或者C1、C2、C5和C6，或者C3、C4、C5和C6。根据实际应用需要来组合不同的激励机构，从而简化设备，减轻重量和节约成本。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种新型的惯性激振器，其特征在于，包括：

壳体，其内设置有中心对称的容置空腔；

质量块，其通过弹簧悬挂设置在所述容置空腔的中心，所述质量块为中心对称结构，所述质量块三个对称轴的六个端面上分别设置有两块磁铁；以及

励磁机构，其由铁芯和线圈构成，所述铁芯内部设置有两个贯穿所述铁芯宽度方向的型腔，所述型腔的高度方向的一端设置为开口，所述线圈绕设在所述两个型腔内，所述铁芯固定在所述壳体的内壁上；

其中，所述质量块的六个端面上分别对应设置有一个励磁机构，所述励磁机构与所述磁铁间隔设置，且所述开口对准一个所述磁铁。

2.如权利要求1所述的新型的惯性激振器，其特征在于，所述质量块的六个端面为平面，每个平面中心设置有凹腔，所述两块磁铁设置在所述凹腔内。

3.如权利要求2所述的新型的惯性激振器，其特征在于，所述磁铁为永磁体，所述两块磁铁并排粘设在所述凹腔内，且磁铁的极性垂直于所述平面，所述两块磁铁的极性相反设置。

4.如权利要求3所述的新型的惯性激振器，其特征在于，所述铁芯由若干个硅钢薄片叠加组成，所述型腔的横截面为正方形，所述开口宽度小于所述正方形宽度，所述开口的长度方向与磁铁的长度方向一致。

5.如权利要求4所述的新型的惯性激振器，其特征在于，所述线圈从所述壳体中引出，并与电源连接，所述励磁机构与所述磁铁平行且间隔设置，所述开口与所述磁铁一一对准。

6.如权利要求5所述的新型的惯性激振器，其特征在于，所述质量块上部和下部的四个端角分别引出一个所述弹簧，所述弹簧的另一端与所述壳体内壁连接，其中，当所述质量块处于容置空腔中心时，所述质量块上下对角设置的一对弹簧处于同一直线上，且该直线过所述质量块的中心。

7.如权利要求6所述的新型的惯性激振器，其特征在于，所述弹簧为拉伸弹簧，所述弹簧两端设置有带有螺纹的接口，弹簧的一端通过接口直接固定在所述质量块上，所述弹簧另一端的接口上设置有旋钮，所述旋钮上设置有卡扣，所述壳体的相应位置处设置有卡槽座，所述相应位置可以是壳体内壁的八个顶角，所述弹簧通过旋钮与所述卡槽座卡扣连接。

8.如权利要求1所述的新型的惯性激振器，其特在征于，所述线圈单独励磁。

9.如权利要求1所述的新型的惯性激振器，其特在征于，所述质量块每个端面的对应面上都设置有用于防止质量块撞击线圈的止动装置，所述止动装置可以固定在所述铁芯或壳体上。

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