JP3838747B2

JP3838747B2 - 振動発生機

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Publication number: JP3838747B2
Application number: JP20048997A
Authority: JP
Inventors: 下芳雄井
Original assignee: Emic Corp
Current assignee: Emic Corp
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: JPH1144606A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動発生機に関し、例えば、航空宇宙、自動車、電子、電気産業における製品ならびに部品の耐久試験、構造解析の際に用いられる振動試験装置の振動発生機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば、航空宇宙、自動車、電子、電気産業における製品ならびに部品の耐久試験、構造解析においては、品質、信頼性向上を目的として、環境試験の中の一つである振動試験が広範に行われている。また、構造物の試験のいても、振動モード解析を行って技術向上を図ることが行われている。
【０００３】
このような振動試験において用いる振動試験装置の振動発生機は、従来より、図９に示したような構造のものが用いられている。すなわち、この振動発生機１００では、振動発生機本体（図示せず）内に配設した継鉄枠部材１０２に形設されたリング状凹部１０４にリング状の励磁コイル部材１０６を配設するとともに、継鉄枠部材１０２の中心側継鉄枠部材１０２Ａと外側継鉄枠部材１０２Ｂとの間にエアギャップ１０８を形成している。そして、このエアギャップ１０８内及び励磁コイル部材１０６の内周面に上下動可能に配置されるとともに、懸架用バネ部材１１０を介して振動発生機本体に懸架されて上下振動可能な振動部材１１２が設けられている。この振動部材１１２の下方には円筒状のコイル枠部材１１４が固着され、コイル枠部材１１４には、導電性の巻線１１６が巻装されて可動コイル部材１１８を構成し、エアギャップ１０８内に位置するように配置されている。
【０００４】
このように構成することによって、励磁コイル部材１０６に直流電流を流すことによって起磁力を発生させて、この起磁力によって磁路に設けたエアーギャップ１０８に直流強磁界を発生させている。そして、この磁界中にコイル部材１１８が位置し、このコイル部材１１８の電力供給端子１１９に交流電流を流すことにより、フレミングの左手の法則にしたがって、磁界と電流に直交する方向に力が発生し、コイル部材１１８、すなわち、振動部材１１２が上下振動するようになっている。
【０００５】
図１０は、従来の振動発生機の別の例であり、図１０の振動発生機では、起磁力を励磁コイル部材１０６に直流電流を流すことによって発生させたが、継鉄枠部材の中心部分に永久磁石１２０を配設して、これをエネルギー源として起磁力を得るようにしたものである。その他の構成については、図９の振動発生機と同様である。
【０００６】
ところで、前述した耐久試験、振動モード解析、ならびにこれら両方の目的で用いる振動試験装置の振動発生機はそれぞれ異なっており、一般的に耐久試験用に用いられている振動発生機を改造して、振動モード解析用振動発生機として使用している。
【０００７】
すなわち、一般的に耐久試験に用いられている振動試験装置２００は、図１１に示したように、振動振動発生機２０２と、振動発生機に一定の振動を与えるための振動制御装置２０４と振動計２０６が一体となったコントローラ２０８とを備えている。そして、振動発生機２０２のテーブル２１０に取付治具を介して試験試料Ａをボルトなどで締結し、振動のパラメータである加速度、変位、速度を規定のレベルでもって加振して、規定の時間などで振動試験を行い、試料の評価を実施している。
【０００８】
一方、振動モード解析（「モーダル解析」とも言う）では、その製品、構造物自体が振動を発生するもの、又は振動を受けるもの、例えば、自動車などの車両、航空機、船舶、機械工作機器などの構造物に不可欠な試験である。この振動試験装置３００では、図１２及び図１３に示したように、自動車、機械工作機器などの構造物Ｂの所定の部位に、信号発生機３０２、電力増幅器３０４を介して、所定の振動を与えるとともに、ロードセンサ３０６、加速度センサ３０８などを介して解析装置３１０にて、構造体Ｂの固有振動数、モード剛性、モード質量などを求めて機械構造物の技術評価を行うようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような構造物の振動モード解析では、例えば、車両の下、エンジン周りの狭い部分、構造物のフレーム間の空きスペース、工作機械などの内部のスペースなど設置スペースのない場所で使用しなければならないことが多々ある。そのため、従来では、構造物の振動モード解析で用いる振動発生機は、小規格の振動発生機、すなわち加振力も必然的に小さくならざるを得なかった。このような小さい力で構造物を加振させて、構造物の振動解析を実施しなけらばならないため、全系の信号レベルが低く、信号／ノイズ比が悪く、信頼性のあるデータが得られない結果となっていた。
【００１０】
また、このような構造物の振動解析の際に、構造物の所定の部位に引張又は圧縮の予圧をかけて振動、加振を行って構造解析を実施する場合がある。この場合、従来では、振動発生機の機能とは別に、弾性体などを利用して外的の構造体に引張又は圧縮の力をかけている。例えば、振動発生機の振動部材を懸架しているバネの弾性力を用いて、強制的に押し付け、引っ張りを行うか、又はピアノ線などで引張力をかけておき加振する方法が用いられている。しかしながら、このような方法では、引張又は圧縮を与える力の制御が容易にはできなかった。
【００１１】
また、構造物にこのような引張又は圧縮の予圧をかける方法として、電気的に直流電圧と交流電圧をミキシングする電子回路を用いて、可動コイルに電力を供給する方法がある。一方、例えば、自動車の構造解析を行う場合には、図５に示したように、所定の基本周波数の交流電流と基本周波数と異なった周波数の交流電流を重畳して供給して加振して、その応答を解析することが行われている。しかしながら、何れの場合においても、高価なミキシングのための電子回路、シグナルプロセッサなどを用いなければならなかった。
【００１２】
さらに、従来の振動発生機では、図１４のＢＨ曲線に示したように、一般には、磁気回路は過飽和の状態で使用しているのが通常である。すなわち、磁気特性の動作点を「ニー点」と言われるａ点で使用するのが磁気回路を最高効率で使用している状態であるが、振動試験装置の振動発生機では、少しでも加振力係数を上昇させるために、ｂ点まで起磁力を上げて使用している。従って、従来では、実際に力に関与する起磁力は３０％程度であり、残りの７０％は漏洩によって空中に捨てており、非常に効率の悪い方法であった。
【００１３】
本発明は、このような現状に鑑みて、加振力が格段と向上し、小型化、軽量化が容易であり、しかも、構造物の振動解析の際にも、構造物に純粋な引張又は圧縮力をかけて振動解析を容易に実施でき、信頼性のあるデータが得られ、コストも提言できる振動発生機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述したような従来技術における課題及び目的を達成するために発明なされたものであって、本発明の振動発生機は、振動発生機本体内に配設された継鉄枠部材と、
前記継鉄枠部材に形設されたリング状凹部に装着されたリング状の励磁コイル部材と、
前記継鉄枠部材の内側継鉄枠部材と外側継鉄枠部材との間に形成された上下２箇所の第１のエアギャップと第２のエアギャップと、
前記第１及び第２のエアギャップ内を上下動可能に配置されるとともに、懸架用バネ部材を介して振動発生機本体側に懸架されて上下振動可能に構成された振動部材と、
前記振動部材に固設されるとともに、前記第１のエアギャップ内に位置する第１の可動コイル部材と、
前記振動部材に固設されるとともに、前記第２のエアギャップ内に位置する第２の可動コイル部材とから構成したことを特徴とする。
【００１５】
このように構成することによって、磁束密度の低下は十数パーセントですみ、しかも、従来の振動発生機と比較して、約２倍もの加振力が得られるとともに、高周波領域で振動発生機に信号を供給する電力増幅器のパワーが約半分ですむことになる。
【００１６】
本発明の振動発生機では、前記励磁コイル部材に直流電流を供給するとともに、前記第１の可動コイル部材及び第２の可動コイル部材に、直流電流又は交流電流のいずれかを選択的に供給できるように構成するのが好ましい。これによって、
また、本発明では、前記第１の可動コイル部材及び第２の可動コイル部材に供給する電流の向きが逆向きになるようにして、加振力を増加させるように構成するか、又は、第１の可動コイル部材及び第２の可動コイル部材の巻線方向が相互に逆方向になるようにして、加振力を増加させるように構成すればよい。
【００１７】
さらに、本発明の振動発生機では、圧縮モード又は引張モードの際に、前記第１の可動コイル部材及び第２の可動コイル部材のうち、一方に直流電流を、他方に交流電流を供給するように構成すればよい。
【００１８】
また、本発明では、重畳モードの際に、前記第１の可動コイル部材及び第２の可動コイル部材のうち、一方に基本周波数の交流電流を、他方に前記基本周波数と異なった周波数の交流電流を重畳して供給するように構成すればよい。
【００１９】
このように構成することによって、耐久試験用の振動発生機として用いることができるばかりでなく、構造物の振動モード解析において、圧縮モード若しくは引張モード、又は重畳モードの際にも、従来のように機械的に外力を負荷するのではなく、電気的な力で作用することができるため、不要な機械的外乱成分の混入がなく、力の制御が容易であり、非常に信頼性の高い試験を実施できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の振動発生機の要部概略断面図、図２は、図１のＡ方向矢視図である。
図１および図２に示したように、この振動発生機１には、振動発生機本体（図示せず）内にリング状の継鉄枠部材２が配設（固着）されており、このリング状の継鉄枠部材２に形設されたリング状の凹部４にリング状の励磁コイル部材６が配設されている。なお、この励磁コイル部材６は、図示しないが、導線自体をリング形状に巻いて形成したものであって、直流電源（図示せず）から直流電流を通電することにより直流磁界を発生するように構成されている。なお、この励磁コイル部材６は、永久磁石であっても構わない。また、このような永久磁石を用いる場合には、励磁コイル部材は、図３に示したように、内側継鉄枠部材２Ａに設けた励磁コイル部材６’としてもよく、図４に示したように、外側継鉄枠部材２Ｂに設けた励磁コイル部材６”としてもよい。
【００２２】
また、継鉄枠部材２は、円柱形状の内側継鉄枠部材２Ａとその周囲を取り囲むリング形状の外側継鉄枠部材２Ｂとから構成され、内側継鉄枠部材２Ａと外側継鉄枠部材２Ｂの間に、長手方向に案内孔２Ｃが設けられている。そして、この案内孔２Ｃの上下２箇所に、第１のエアギャップ８と第２のエアギャップ９が形成されている。
【００２３】
一方、この案内孔２Ｃには、振動部材１２の上側振動部材１２Ａと下側振動部材１２Ｂを連結する連結筒１２Ｃが上下動可能に挿通されている。そして、図１および図２に示したように、外側継鉄枠部材２Ｂの上端及び下端にそれぞれ、周方向に一定角度離間して配設された少なくとも二つ以上の（図２に示したように、本実施例では、中心角で９０°離間した４箇所の）固定枠部材１３が固着されている。この固定枠部材１３に懸架用バネ部材１０の一端１０Ａが固定されているとともに、懸架用バネ部材１０の他端１０Ｂが、振動部材１２の上側振動部材１２Ａと下側振動部材１２Ｂに固定されている。
【００２４】
なお、図１および図２に示したように、外側継鉄枠部材２Ｂの下端に、固定枠部材１３の間の４箇所に、固定枠２１の固定枠足部材２１Ａ〜２１Ｄが固着されている。この固定枠足部材２１Ａ〜２１Ｄは、中心に向かって延設されて、中心部分で一体化して固定枠本体２２を構成し、固定枠本体２２から上方に向かって、固定枠中央足部材２３が延設され、下側振動部材１２Ｂの中心部分に形成された中心孔１２Ｄに挿通されて、内側継鉄枠部材２Ａの下端に固着されている。
【００２５】
なお、これらの上側振動部材１２Ａ、下側振動部材１２Ｂ、及び連結筒１２Ｃは、マグネシウム、アルミニウムなどの金属から構成するのが、可動部分を軽量化するため好ましい。また、本実施例の場合には、固定枠部材１３を外側継鉄枠部材２Ｂの上端及び下端に固定したが、振動機本体に直接固定しても構わないことは勿論である。なお、振動部材１２の上側振動部材１２Ａおよび下側振動部材１２Ｂは、軽量で高剛性の金属、例えば、マグネシウム、アルミニウムなどから構成するのが好ましく、固定枠部材１３は、純鉄から構成するのが好ましい。
【００２６】
また、上側振動部材１２Ａの下方には円筒状のコイル枠部材１４が接着又はボルトなどで固着され、コイル枠部材１４には、導電性の巻線１６が巻装されて第１の可動コイル部材１８を構成し、第１のエアギャップ８内に位置するように配置されている。同様に、下側振動部材１２Ｂの上方には円筒状のコイル枠部材１７が接着又はボルトなどで固着され、コイル枠部材１７には、導電性の巻線１６’が巻装されて第２の可動コイル部材１９を構成し、第２のエアギャップ９内に位置するように配置されている。なお、これらのコイル枠部材１４及びコイル枠部材１７は、軽量化からすれば、マグネシウム、アルミニウムなどの金属から構成するのが好ましい。
【００２７】
従って、これらの構造によって、第１の可動コイル部材１８及び第２の可動コイル部材１９がそれぞれ、第１のエアギャップ８及び第２のエアギャップ９内を上下方向に移動可能となっており、これに伴って、振動部材１２が上下方向に振動可能になっている。
【００２８】
さらに、第１の可動コイル部材１８及び第２の可動コイル部材１９の巻線１６及び巻線１６’には、それぞれ電力供給端子２０、２０が外部に取り出されている。
【００２９】
このように構成することによって、励磁コイル部材６に直流電流を流すことによって起磁力を発生させて、この起磁力によって磁路に設けた第１のエアーギャップ８及び第２のエアーギャップ９に直流強磁界を発生させる。そして、この磁界中にそれぞれ、第１のコイル部材１８及び第２のコイル部材１９がそれぞれ位置し、このコイル部材１８及び第２のコイル部材１９に交流電流を流すことにより、フレミングの左手の法則にしたがって、磁界と電流に直交する方向に力が発生し、第１のコイル部材１８及び第２のコイル部材１９、すなわち、振動部材１１２が上下振動するようになっている。
【００３０】
ところで、このようにエアーギャップを上下２箇所に設けた場合のＢＨ曲線は、図２に示したように、従来の動作点はｂ点であり、２つめのエアーギャップに消費する起磁力を差し引くと、その動作点はｃ点となり磁束密度（Ｂ）は低下するが、もともと漏洩させていた起磁力であり、その低下は高々十数％、１０〜１５％であり何ら遜色はない。
【００３１】
また、この際に発生する力Ｆは、下記の式で求められる。
Ｆ＝ＢｌｉＮ
Ｂ：エアーギャップ磁界の強さ、磁束密度 [Ｔ]
ｌ：磁界に関与するコイルの有効長 [ｍ]
ｉ：コイルに流す電流 [Ａ]
この式を用いて、従来よりエアーギャップを一つ追加し、同一コイルを配置した場合に発生する力は下記のようになる。
【００３２】
すなわち、従来の磁束密度をＢ₁、この時に発生する力をＦ₁、エアーギャップを追加した特の力をＦ₂とすれば、追加したエアーギャップの磁束密度Ｂ₂は１５％低下するとしてＢ₁の８５％である。
すなわち、Ｂ₂＝０．８５Ｂ１[Ｔ]となる。
【００３３】
従って、
Ｆ₁＝Ｂ₁ｌｉＮ
Ｆ₂＝２×０．８５・Ｂ₁ｉＮ
となり、
【００３４】
【数１】

【００３５】
従って、同一起磁力として、１．７倍、約２倍のの加振力が得られることになる。
また、第１のエアギャップ８及び第２のエアギャップ９の磁界の方向が逆であるため、第１のコイル部材１８及び第２のコイル部材１９は巻線１６、１６’を相互に逆方向に巻くか、流す電流の方向を逆にして並列接続にすれば、通電による駆動方向が同一となるため加振力が向上する。
【００３６】
さらに、第１のコイル部材１８の自己インダクタンスをＬ₁、第２のコイル部材１９の自己インダクタンスをＬ₂とすれば、鉄心に巻かれていることから透磁率μ_Sの値によっても影響されるが、各々のＬからインピーダンスを求めると下記のようになる。
【００３７】
【数２】

【００３８】
よって、インピーダンスは、Ｌ₁の時の１／２となり、高周波領域で振動発生機に信号を供給する電力増幅器のパワーが約半分ですむことになる。
このような手法を、「力合成モード」と言い、図で示せば、図３のようになる。
【００３９】
一方、本発明の振動発生機では、構造物の振動解析の際に、構造物の所定の部位に引張又は圧縮の予圧をかけて振動、加振を行って構造解析を実施する場合、すなわち、「圧縮モード」又は「引張モード」の際に、図４に示したように、第１の可動コイル部材１８及び第２の可動コイル部材１９の電力供給端子２０、２２のうち、一方に直流電流（二点鎖線参照）を、他方に交流電流（点線参照）を供給するように構成すればよい。
【００４０】
また、本発明の振動発生機では、構造解析を行う場合には、所定の基本周波数の交流電流と基本周波数と異なった周波数の交流電流を重畳して供給して加振して、その応答を解析する「重畳モード」の際に、図５に示したように、前記第１の可動コイル部材１８及び第２の可動コイル部材１９の電力供給端子２０、２２のうち、一方に基本周波数の交流電流（図５（Ａ）参照）を、他方に前記基本周波数と異なった周波数の交流電流（図５（Ｂ）参照）を重畳して（図５（Ｃ）参照）供給するように構成すればよい。
【００４１】
このように構成することによって、耐久試験用の振動発生機として用いることができるばかりでなく、構造物の振動モード解析において、圧縮モード若しくは引張モード、又は重畳モードの際にも、従来のように機械的に外力を負荷するのではなく、電気的な力で作用することができるため、不要な成分の混入がなく、力の制御が容易であり、非常に信頼性の高い試験を実施できる。
【００４２】
以上の実施例では、単に基本的な構成について述べたものであり、例えば、振動部材１２の形状をコーン形状にするなど種々の変更が可能であることは勿論である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の振動発生機では、振動発生機の磁路にエアーギャップを２回路形成し、エアーギャップにそれぞれコイルを配置したので、以下のような特有で顕著な作用効果を奏する優れた発明である。
（１）磁束密度の低下は十数パーセントですみ、しかも、従来の振動発生機と比較して、約２倍もの加振力が得られるとともに、高周波領域で振動発生機に信号を供給する電力増幅器のパワーが約半分ですむことになる。
【００４４】
従って、従来の振動発生機のサイズで、約２倍もの力を発生することができるため、従来の振動発生機の力を基準にすれば、大きさを半分にすることができる。その結果、円形磁路にすると１／４にまで質量が低減することができ、小型、軽量化が図れ、耐久試験用として使用する場合、設置スペースが小さくてすむ。
（２）耐久試験用の振動発生機として用いることができるばかりでなく、小型、軽量化が図れたことにより、振動モード解析用加振源として使用する際、従来接地スペースがなくてできなかったことがかなりの実現性で可能となる。しかも、軽量化によって、設置作業が安全、確実に実施できる。
（３）また、試料に対して、圧縮、引張モード、波形重畳モードなど従来手軽にできなかった加振モードが実現できる。しかも、従来のように機械的に外力を負荷するのではなく電気的な力で作用することができるため、加振時の不要な外乱成分の混入がなく、力の制御が容易であり、非常に信頼性の高い試験が実施可能である。
（４）従って、振動発生機の質量は、従来比で１／２〜１／４の質量ですむことから、構成部品の質量が低減でき、資源の低減化も図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動発生機の要部概略断面図である。
【図２】図１のＡ方向矢視図である。
【図３】本発明の振動発生機の別の実施例の要部概略断面図である。
【図４】本発明の振動発生機のさらに別の実施例の要部概略断面図である。
【図５】エアーギャップを上下２箇所に設けた場合のＢＨ曲線を示すグラフである。
【図６】「力合成モード」を示すグラフである。
【図７】「圧縮モード」又は「引張モード」を示すグラフである。
【図８】「重畳モード」を示すグラフである。
【図９】従来の振動発生機の要部概略断面図である。
【図１０】従来の振動発生機の別の例の要部概略断面図である。
【図１１】耐久試験に用いられている振動試験装置の概略構成図である。
【図１２】自動車の振動モード解析の概略構成図である。
【図１３】機械工作機器などのの振動モード解析の概略構成図である。
【図１４】従来の振動発生機のＢＨ曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・・振動発生機
２・・・・継鉄枠部材
２Ａ・・・・内側継鉄枠部材
２Ｂ・・・・外側継鉄枠部材
２Ｃ・・・・案内孔
４・・・・凹部
６・・・・励磁コイル部材
８・・・・第１のエアギャップ
９・・・・第２のエアギャップ
１２・・・・振動部材
１２Ａ・・・・上側振動部材
１２Ｃ・・・・連結桿
１３・・・・固定枠部材
１４、１７・・・・コイル枠部材
１６、１６’・・・・巻線
１８・・・・第１の可動コイル部材
１９・・・・第２の可動コイル部材
２０、２２・・・・電力供給端子

Claims

振動発生機本体内に配設された継鉄枠部材と、
前記継鉄枠部材に形設されたリング状凹部に装着されたリング状の励磁コイル部材と、
前記継鉄枠部材の内側継鉄枠部材と外側継鉄枠部材との間に形成された上下２箇所の第１のエアギャップと第２のエアギャップと、
前記第１及び第２のエアギャップ内を上下動可能に配置されるとともに、懸架用バネ部材を介して振動発生機本体側に懸架されて上下振動可能に構成された振動部材と、
前記振動部材に固設されるとともに、前記第１のエアギャップ内に位置する第１の可動コイル部材と、
前記振動部材に固設されるとともに、前記第２のエアギャップ内に位置する第２の可動コイル部材とから構成したことを特徴とする振動発生機。
前記励磁コイル部材に直流電流を供給するとともに、前記第１の可動コイル部材及び第２の可動コイル部材に、直流電流又は交流電流のいずれかを選択的に供給できるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の振動発生機。
前記第１の可動コイル部材及び第２の可動コイル部材に供給する電流の向きが逆向きになるようにして、加振力を増加させるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動発生機。
前記第１の可動コイル部材及び第２の可動コイル部材の巻線方向が相互に逆方向になるようにして、加振力を増加させるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動発生機。
圧縮モード又は引張モードの際に、前記第１の可動コイル部材及び第２の可動コイル部材のうち、一方に直流電流を、他方に交流電流を供給するように構成したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動発生機。
重畳モードの際に、前記第１の可動コイル部材及び第２の可動コイル部材のうち、一方に基本周波数の交流電流を、他方に前記基本周波数と異なった周波数の交流電流を重畳して供給するように構成したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の振動発生機。