（机械电子工程专业论文）新型电磁式摇摆机的开发研究.pdf

新型电磁式摇摆机的开发研究 摘要 摇摆机作为一种有氧健身器械，是专供使用者在室内静卧休息时使用的。 目前的摇摆机是由电动机作为驱动源的曲柄滑块机构，这种机构是把电动机的 圆周旋转运动转变为左右往复平动，在机构运动的过程中产生的噪声高达5 6 d b ， 这种结构的摇摆机严重地影响了产品的质量和销售。因此设计一种新型的摇摆 机结构显得是十分必要的。 本文首先通过对机械式摇摆机结构进行分析，找出振动产生的根源及其传 播路径，对原装机进行结构改进，即将电动机驱动结构改为电磁力驱动结构： 其次，对电磁式振动机的基本原理和发展状况等内容进行了概括性介绍；然后 对新型电磁式摇摆机的超低频正弦交流信号发生器进行研究和设计；最后进行 了与摇摆机相结合的激振装置的设计，包括激振装置的结构设计、激振装置的 动力学参数和电磁参数的设计与计算。 关键字：电磁式摇摆机超低频正弦信号发生 电磁式激振装置参数设计 r e s e a r c ho nan e w 耐p eo fe l e c t r o m a g n e t i cs w i n gm a c h i l l e a b s t r a c t a sak i l l do fo x i d i n ge x e r c i s i n ga p p l i a n c e ，t h es w i n gm a c b j n ei sd e s i 驴e df o r p e o p l ew h 0r e s tm d o o r s t h cp r e s e n ts 耐n gm a c h i n e sa r ec r a n kc o m p o s 城o nd r i v c d b ym o t o r s ，w h i c hc h 柚g et h ec i r c u l a rm o t i o ni r l t or e c i p r o c a t i l l gm o t i o n 矗o ml e f et o r i g h t t h en o i s ea sh i 曲船5 6 d bp r o d u c e db yt l l em e c h a l l i c a lm o v e m e n t ss e r i o u s l y a 疵c t sm cq u a l 时a 1 1 ds a l eo f 也es 埘n gm 扯1 1 i n e s s oi t sn e c e s s a 工yt ot a k e 也c r r l e a s l l r e st od e c r e a s et h ev i b r a t i o na n dn o i s eb yr e s e a r c l l i n gan e wt y p eo f e l e c t r o m a g n e t i cs w i n gm a c h j n e n 呻u 曲t h ea i l a l y s i so ft l l em e c h a l l i c a ls 稍n gm a c l l i n e ss h u c t u r e ，t l l e 血e s i s f i r s d y 蠡n d so u t 也eo r i g i i lo fv i b r a t i o n 龃di t sp r o p a g a t i o nw a y ，t i l e np r o p o s e sm e i m p r o v c m e n to fm a c h j n e ss t i u c t u r eb yr e p l a c i i l g 也em o t o r - d r i v e ds 血1 c t u r e 嘶t h e i e c t r o m a 印e t i c 一“v c do n e s e c o n d l yt h et 1 1 e s i sb r i e n yi n 们d u c e s 也eb a s i c 血c o f i e s 强dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t o r ym a c l l i n e s ，e t c t 1 1 i r d l y i tm s e a r c h e s a n dd e s i g l l st h ev e r y1 0 w 自。q u e r l c ys i i l u s o i d a lg e n e r a t o lf i n a l l y ，av i b r a t i n gd e v i c e o fe l e c 仃o m a g n c t i s mi n t e g r a t e di n t ot l l es 丽n gm h i n ei sd e s i 印e d n ep r o c e s so f d e s 谵ni n c l u d e st h es 订u c t l l r ed e s i 印o ft h ev i b r a t i n gd e v i c e 蛆d 也ec a l c u l a t i o no f k i l l e t i c sp a r 锄e t e r sa n de l e c t r o m a g n e t i s m 弘曲m e t e r so f t h ev i b f a t i l l gd e v i c e k e y 、v o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cs w i n gm a c l l i n e ，v e r yl o w 矗e q u e n c ys i n u s o i d a lg e n e m t o r ， v i b r a t i n gd e v i c eo f e l e c t r o m a g i l e t i s m ，p 釉e t e rd e s i g | l 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图4 1 图4 2 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 插图清单 电磁式激振器原理图 电动式激振器原理图一 摇摆机运动原理简图一 s d m 系列摇摆机外部结构图 s d m 系列摇摆机内部结构图 s d m 系列摇摆机内部组装结构图 动力传递路线图一 内部曲柄滑块运动过程示意图 振动传递路径图 电磁力f 与电流，及气隙j 的关系 可控半波整流电振机的负载电压、电流及位移一 电磁式摇摆机结构原理示意图 电磁式摇摆机的信号流程图 超低频信号发生器硬件结构框图 3 ( ) ：；1 a t 8 9 c 5 1 引脚封装图3 2 m a x 8 1 3 l 引脚排列3 4 m a x 8 1 3 l 内部结构框图3 4 m a x 8 1 3 l 典型应用电路3 5 复位电路、晶振电路和单片机的接口电路3 6 d a c 0 8 3 2 管脚排列3 7 单片机a t 8 9 c 5l 和d a c 0 8 3 2 的接口电路3 8 d ，a 转换器的单极性输出电路3 9 d a 转换器的双极性输出电路3 9 d a c 0 8 3 2 双缓冲方式的接口电路4 0 超低频正弦信号发生器硬件电路图4 2 功放电路的方框图4 2 程序流程图4 4 电磁铁的形式4 7 拍合式电磁铁5 0 吸入式电磁铁磁系统5 1 旋转式电磁铁磁系统5l 极化电磁铁5 2 摇摆机电磁铁结构型式5 2 _“_一一n h 砣卯 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 一1 1 图6 1 2 图6 1 3 半波整流励磁方式示意图 激振装置力学模型5 4 相对磁导率与磁通密度的关系5 7 铁心磁通密度的选择5 8 漏磁系数的选择曲线5 9 分磁环“ 分磁环的布置方案6 4 表6 表6 表6 表6 表格清单 磁滞损耗和涡流损耗的计算系数 比值系数推荐表 线圈综合传热系数的经验数据 各种温度下铜的电阻率 6 1 6 2 6 2 6 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得盒胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些左堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 世王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 籼躲降毒 签字日期w 年加胁日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： ? 导师繇步乏3 电话 邮编 致谢 本论文在导师李志远教授的悉心指导下完成，从论文的选题、研究、审查 直至成文，无不凝聚着导师的心血。李老师在百忙之中，仍定期听取汇报，了 解论文进展情况，把握论文的研究方向，并提出许多重要的建设性意见。导师 崇高的品德，渊博的知识，严谨的治学态度以及忘我的工作精神，使我受到不 断的鞭策，激励我永远奋发向上。其学者风范，如春风化雨，育我于无形，殷 殷之情，永难忘怀。尤其是他不顾我质地拙朴，始终匠心独运，细细琢磨，使 我从师三载，可以受益终生。至此硕士论文完成之际，首先向我的导师李志远 教授表示衷心的感谢和深深的敬意! 在读期间我有幸结识众多的良师和益友，他们提供了无私的帮助和支持， 让我学有所成，受益匪浅。相助之涤亦不敢一一掠美，谨致谢意。 最后，我谨向曾经在我的学习中和将要在论文答辩中给与我帮助的所有老 师和同学们表示深深的谢意! 作者：陈燕萍 2 0 0 5 年1 0 月6 日 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 本论文研究的背景和目的 摇摆机是1 5 年前由日本医学博士井上静藤发明的一种使人体能在平躺状 态下使下肢模拟鱼类左右摇摆的健康器械，它能够改善人体脊椎、关节等部位 的运动状况，促进血液循环，这种器械目前在世界许多国家都广泛应用。 目前的摇摆机是由电动机作为驱动源的曲柄滑块机构，这种机构是把电动 机的圆周旋转运动转变为左右往复平动。在运动方向的转换过程中，在机构运 动的死点处不可避免地存在着换向冲击力，同时这个换向力还会使滑块产生交 替倾斜，从而产生扣声和脚台声等异声。这种结构的摇摆机现在已经越来越不 适应对噪声要求日益严格的市场了，严重地影响了产品的质量和销售，这在欧 美市场尤为严重。彻底解决摇摆机的冲击与噪声问题已成为产品能否站稳市场 的关键所在。因此设计一种新型的摇摆机结构显得是十分必要的。 1 1 2 国内外有关该项目研究现状及趋势分析 摇摆机目前国际市场需求量约是6 万台年( 美金；2 5 0 圆台) ，国内市 场的需求量约是5 5 万台年( 人民币：1 5 0 0 圆台) ，兴田集团生产的摇摆机约 占国际市场的一半( 3 万台年) ，国内市场基本全由兴田集团占领。 在国际上从事摇摆机生产和研究的国家主要是德国和日本，他们目前的产 品驱动方式仍然采用传统的电机减速驱动曲柄滑块机构，他们的研究工作主要 是在改进生产工艺和提高产品性能指标等方面，对于驱动机构的根本性改变还 没见到有关的报道。国内的摇摆机生产企业主要是兴田国际集团，兴田国际集 团现在的产品也是机械驱动方式。 因此，目前国内外的摇摆机产品都是采用机械式传动工作方式( 由电动机 减速驱动曲柄滑块机构) 。对于这种机构的摇摆机的研究工作主要集中在生产工 艺和提高产品性能指标方面，而在改进它的驱动原理方面，却无任何一家进行 研究。 由于机械式摇摆机存在不可避免的冲击噪声，因而引起使用者的烦躁感， 从而影响了产品的进一步销售，如果从原理上将驱动式机构改为电磁式机构， 将会从根本上消除冲击噪声，进一步地提高产品质量，从而能够进一步扩大产 品在国际市场上的竞争力，因此我们的研究方向定为驱动方式的根本性改进上。 品在国际市场上的竞争力，因此我们的研究方向定为驱动方式的根本性改进上。 1 2 电磁式振动机械研究与应用综述 1 2 1 振动机械概述 利用振动原理而工作的机械简称为振动机械。振动机械通常由激振器、工 作机体及弹性元件三部分组成。其中，激振器用于产生周期性变化的激振力， 使工作机体产生持续的振动；工作机体用来完成各种功能过程，它们通常作周 期性的运动；弹性元件包括隔振弹簧( 其作用是支承振动机体，使机体实现所 要求的振动，并减小传给基础或结构架的动载荷) 、主振弹簧( 即共振弹簧或称 蓄能弹簧) 和连杆弹簧( 传递激振力等) 。 振动机械与其他类型的机械相比，优点是结构简单、制造容易、重量较轻、 金属消耗量少、成本低、能耗小、安装方便、维修容易等。最近3 0 多年来，振 动机械得到了迅速的发展，它们在矿山和冶金厂、化工厂、发电厂、建筑工地、 水泥厂，以及粮食及食品加工厂中得到了广泛的应用，这些振动机在工业的各 个部门中发挥了重要的作用。可以预料，振动机械的用途将会不断扩大，其规 格和品种将会日益增多。 振动机械按驱动装置( 激振器) 的形式分为：惯性式振动机、弹性连杆式 振动机、电磁式振动机以及其它振动机【3 】。 i 2 2 电磁式振动机械概述 电磁式振动机械( 以后简称为电振机) 是由电磁激振器驱动。电磁激振器 是由铁心、线圈及衔铁所组成。交变电流或脉动电流通过线圈，使电磁铁产生 周期性变化的电磁吸力，从而使工作机体产生振动。因此电磁式振动机械是以 电磁激振器产生的周期性变化的电磁力，作为强迫作用力( 或称激振力) 来维 持其持久而稳定的振动。目前用于工业中的该类振动机有电磁振动给料机、电 磁振动输送机、电磁振动筛和电磁振动试验台等。 电磁式振动机械根据电磁激振器的激振力和工作原理的不同，可分为电磁 式和电动式两大类。3 。图1 1 为电磁式激振器，它是由铁心、电磁线圈、衔铁 和弹簧等组成。铁心通常与平衡质体固定在一起，而衔铁则与机体固定在一起。 通有交变电流的线圈使铁心极端产生交变磁场，以产生交变激振力使衔铁来回 振动。而由恒定磁场和位于磁场中通过一定交变电流的线圈的相互作用所产生 的电动力来驱动的激振器，称为电动式激振器( 图1 2 ) 。它是由直流电激磁 的磁环( 或永磁环) 、中心磁极和通有交流电的可动线圈等组成，可动线圈与振 动杆或振动机体相联接。在工业用的电磁振动机械中，广泛应用电磁式激振器。 图1 一l 电磁式激振器原理图图1 2 电动式激振器原理图 电磁式激振器的优点是工作频率范围大，波形失真小，控制方便，可以采 用反馈控制，实现定值振动和随机振动，几个电磁激振器进行同步运行。电磁 激振器的缺点是单台的激振力及振幅不够大，台面有漏磁场的影响，价格贵， 维修复杂。 1 3 项目来源及本课题所傲的主要工作 1 3 1 项目的来源 摇摆机是日本氧气健康协会会长井上静藤医学博 士经三十八年研究后发明出来的专利产品。它是一种根 据德国的运动原理而设计的一种氧气健康器械。 德国的运动原理实际上是人类最佳的运动轨迹的 设定。其摆道、角度、高度的确定如下图1 3 所示。 图l 3 摇摆机运动原理简图 主要设计参数： ( 1 ) 摆动频率：2 3 8 士o 2 5 乒出 ( 2 ) 水平摆幅：3 7c m ( 3 ) 垂直高度：2 1 2c m ( 4 ) 水平摆角：1 2 。( 1 0 。1 5 。) 通过分析机械式摇摆机的结构，可知曲柄与滑块之间的往复冲击和摩擦振 动必然会带来机械噪声。针对现有机械式摇摆机结构上存在的这些缺陷，兴田 健康产业( 合肥) 有限公司为了进一步提高产品质量，扩大市场占有份额，根 据产业现状，委托合肥工业大学对摇摆机结构进行研究，即开发新型电磁式摇 摆机，以便进一步降低摇摆机的不良噪声。 1 3 2 本论文的研究内容及拟解决的关键问题 一、研究内容 本项目的目标是研制出电磁力驱动的低噪声摇摆机，并形成中批量的生产 能力。主要包括以下内容： ( 一) 超低频正弦信号发生电路的研究： ( 二) 超低频低功耗交流驱动电路的研究； ( 三) 电磁回路的设计： ( 四) 磨擦支承机构和低噪声脚台的研究。 二、本论文拟解决的关键问题 ( 一) 由于摇摆机的运动功能要求，驱动板必须要能产生每分钟交替变化 1 4 3 次的正弦交变电流，这个交变频率是很低的( 2 4 胁) ，一般电路难以实现这 个要求。所以，驱动电路的设计是一个十分关键的技术难点和设计的重点。 ( 二) 为了进一步的减小驱动能量，把脚台及承载重量设计成一个单自由 度质量弹簧谐振系统。在该系统的设计中，尤其是在考虑到人体的下半身重量 时，增加了设计的难度。 1 4 本课题的创新与意义 1 4 1 主要创新点 论文的创新点 摇摆机作为一种健身器械，自投入市场以来，噪声问题就一直困扰着使用 者和生产厂家，但至今还未有哪一家生产厂家着手解决这一课题。本文作者在 一领域进行了尝试，从摇摆机驱动结构的改进入手，在保持原有的主要参数不 变的前提下，有效地降低了噪声。 一、原理、结构创新 本项目拟将研究采用电磁式驱动方式代替原来的机械驱动方式，驱动力为 无接触的电磁力，电磁式驱动方式具有无冲击的特点，并且由于机构简单磨擦 相对较小，这对于有效的消除产品的换向冲击等噪声激励源缺陷是很重要的。 由于电磁式摇摆机采用非接触电磁力进行驱动和换向，因此从原理上来说不会 出现换向冲击等噪声激励源。这种产品的噪声也会随之降低。因此电磁式摇摆 机的研制成功可以使摇摆机的驱动方式在技术上进入了一个新的时代 主要技术参数：承载力l o 1 5 磁，水平驱动力l 1 5 磁，水平位移 3 7 5 士2 5 m 州。 二、应用创新 1 驱动信号由单片机通过编程实现，减化了复杂电路的设计。 主要技术参数：驱动频率2 3 8 位，驱动电流约l 1 5 爿。 2 摇摆部件设计成单自由度质量弹簧谐振系统，充分利用了驱动能量。 主要技术参数：承重时谐振频率2 3 8 0 2 5 耽。 l + 4 2 经济、技术意义 摇摆机作为健康保健医疗器械，随着人们生活水平的提高，健康意识的增 强，在倡导全民健身运动的大趋势之下，摇摆机这种产品为全民健身，增强国 民体质提供了一种“懒人运动”的方法。根据市场调查该产品具有越来越广大 的市场前景。摇摆机目前国际市场需求量约是6 万台年( 美金：2 5 0 圆台) ， 国内市场的需求量约是5 5 万台年( 人民币：1 5 0 0 圆台) ，兴田集团生产的摇 摆机约占国际市场的一半( 3 万台年) ，国内市场基本全由兴田集团占领。 低噪声的电磁式摇摆机作为一种健康理疗器械更适应人们日益增加的健康 保健、环保意识同时也是低耗能技术的一种运用。按目前市场状况来讲，每年 可获得7 5 0 万美圆和8 2 5 0 万人民币的销售额，此外，电磁式摇摆机的环保优越 性，将会取代机械式摇摆机，也就是说市场份额将会得到进一步的扩大。 低噪声的电磁式摇摆机研制成功后，预计将会在三年内成为摇摆机市场的 主要产品，目前摇摆机主要应用的区域有美国、加拿大、墨西哥、日本、澳大 利亚、欧洲和东南亚各国以及我国大陆、台湾、香港等地区。电磁式摇摆机研 制成功后，将会在这些国家和地区迅速推广开来。因此彻底解决摇摆机的冲击 与噪声问题已成为能否站稳市场的关键所在。该产品如能经过本项目的研制成 功，产品性能将更加优良，品质也将更加稳定，而该产品因社会经济不断的发 展，人们健康意识的不断提高，市场需求量也会不断上升，经市场分析调查凭 据产品优良的性能及品质，公司良好的信誉及销售能力，市场销售份额不但可 占据目前因产品的噪声而丢失的部分，还可以进一步扩大市场；经数据分析如 果电磁式摇摆机可研制成功，销售总额可达到目前销售总额的2 3 倍。 纵观未来市场拓展的需要，以及日益发展的经济，人们对生活除了健康意 识的增强外，对社会环保等各项意识也在不断增强。同时对高品质的产品需求 越来越高，品质稳定必将会引起市场效益的提升。因此，本课题的研究方向定 为研制出电磁力驱动的低噪声摇摆机。 2 1 摇摆机结构特点 第二章s d m 系列摇摆机 s d m 系列摇摆机( 以下简称为摇摆机) 有电机、变速器、曲轴、滑块、滑 块导杆、l 板( 导杆支撑架) 、机组底板、外壳和脚台等构成。电机、曲轴、滑 块和导杆构成了摇摆机的运动系统，从运动学角度和机构的组成角度来看，它 是一种典型的曲柄滑块驱动机构。工作时，转速为1 4 5 0 转，分的电机通过变速 器，使输出曲柄以1 4 0 转分的速度转动，装有脚台的滑块在曲柄带动下形成往 复运动。 在结构上，摇摆机近似是一个封闭装置，机组底板和外壳以及脚台形成了 外部密封壳，将运动和驱动部件封闭在内部。其内、外部结构如图2 一l 、图2 2 、 图2 3 所示，其中图2 3 是摇摆机的内部组装结构图。1 。 图2 1s d m 系列摇摆机外部结构图图2 2 s d m 系列摇摆机内部结构图 除传递运动的机构外，在摇摆机内部，电机置于l 板，滑块也通过导杆支 撑在l 板上，l 板安装在机组的底座上，两者之间有一橡胶隔振垫。外壳是由4 毫米厚的塑料挤压成型通过8 个螺钉直接固定在机组底板上。机组底板为一 个厚2 5 毫米，长和宽分别为3 2 5 毫米2 5 2 毫米的钢板。 图2 3s d m 系列摇摆机内部组装结构图 7 2 2 摇摆机工作原理 从以上摇摆机的结构分析可以归纳出图2 4 所示的动力传递路线。 图2 4 动力传递路线图 由摇摆机的动力传递和观察分析可知，扣声和滑声主要是由滑块的运动所 产生的，为了迸步了解产生的原因，下面对滑块的受力运动状况作一详细分 析。 内部曲柄滑块运动过程如下图2 5 所示嘲： -+_ 0 -b- 0 _ +_ +- _ - 一-+ 扦啦翱士 毋 一黯i 骷廿 多伊告 = 31 5678 9 ( 1 ) 图2 5内部曲柄滑块运动过程示意图 从上图来看，曲柄对滑块的作用力可分解为两个力，一个是水平方向的推 动力疋，另一个是竖直方向的摩擦力b ，滑板的运动方向与水平方向推力b 的方向始终保持一致。在曲轴转动一周时，水平推力b 改变两次方向。b 每次 改变方向时，滑板上的受力点总是要从滑槽的一侧变到另一侧，即受力点的位 置发生了瞬变，这种情况发生在位置3 和位置7 处。 另方面，当曲柄在位置1 与位置3 之间时，滑板所受的推力b 和摩擦力 r 使滑板顺时针侧斜。同样，在位置3 与位置7 之间，在位置7 与位置9 之间 ( 即位置1 ) 之间也都发生顺时针侧斜，但在位置3 和位置7 的瞬问，r = 0 ， 滑板仅受曲轴竖直方向的摩擦力凡作用，此时它并不发生侧斜，也就是说滑板 的侧斜现象瞬间停顿。 值得注意的是，受力点位置的瞬变与侧斜瞬间停顿是同时发生的，并且每 当曲轴转动一周，这种现象就发生两次，从而形成往复冲击，这就是扣声的来 源。当摇摆机加上负载时( 尤其是不对称负载) ，这种现象会显得更为明显。 2 3 s d m 系列摇摆机的噪声设计缺陷 2 3 1s d m 系列摇摆机噪声的分析 形成噪声，首先不仅要有能够产生振动的物体，也就是声源。同时也要有 产生振动的激励，即力。根据声源的发生机理，噪声可以分为机械噪声、空气 动力性噪声和电磁噪声。产品的低噪声设计和噪声控制，就是改进机器噪声源 结构、振动的传递路径和声辐射效率，使之声源减少和降低发声。在摇摆机中， 存在有机械噪声、电磁噪声，这就是由于机械各部件受到力的激励产生的振动 和电动机的电磁振动所引起的。激励源产生的振动可在各构件之间传递，形成 所谓的“结构声”；同时这些振动以声能形式向外辐射，形成“空气声”。 摇摆机工作过程中的振动噪声主要原因是由于驱动和运动各部件在工作过 程中产生的激励导致了机体结构振动，产生了结构声。 ( 一) 主要振动、噪声激励源 摇摆机中既有旋转运动的部件( 电机) ，又存在往复运动的部件( 滑块) ， 根据摇摆机的结构特点和工作特征，摇摆机的主要激励源有： 1 、电机转子不平衡惯性力 摇摆机的电机转子上不可避免地存在着偏心量，在摇摆机电机转子旋转时， 在电机转子上必将产生不平衡惯性力。该激励力是周期性的，即频率为旋转机 械的基频而。该力通过转轴两端的支撑和电机底座分别将此振动传递到滑块和 底板上。该激励力的特征频率是旋转基频而以及各阶高次谐频，；，它们的计算 见( 1 ) 式和( 2 ) 式： 五= 五= f 厶 f _ 1 ，2 ，3 ( 1 ) ( 2 ) 其中，盯为转子的转速，摇摆机所采用的电机的转速肝为1 4 5 0 转份，故其 旋转基频而约为2 4 2 胁。由于曲轴的转频很低，只有2 3 8 三k 所以它引起的不 平衡惯性力可以不考虑。 2 、电机电磁振动的谐波 电机是整个机组运动的动力所在，是典型的旋转运动部件。它所引起的振 动总是与电机旋转的基频而和电源频率有关，故其振动激励频率是离散的，为 旋转基频而的整数倍和电网频率( 5 0 胁) 的整数倍。 摇摆机使用的是采用电容分相的单相异步电机。这种电动机的定子中放置 一个启动绕组和一个工作绕组，两者电空阃相位角相差9 0 度。在工作时，启动 绕组不起作用，而工作绕组则在定子中产生交变脉动的磁场，此交变脉动磁场 9 可以分解成两个旋转磁场，它们分别向相反的方向旋转，与电动机转向相同的 正向旋转磁场决定着转子的驱动转矩，而反向旋转磁场引起的反向扭矩很小， 但其频率差不多是电源频率的两倍( 1 0 0 王七) ，在此频率下，定子、转子的感抗 都很大，因此会引起很大的1 0 0 月j 的电磁振动与噪声。 3 、滑块与曲轴之间的摩擦与换向冲击 由于塑料滑块是通过注塑成型，但材料冷却后，滑槽的内表面很容易出现 起伏不平的现象，因此即使曲轴的外表面具有良好的圆柱度，在摇摆机工作时， 滑槽内表面与曲轴之间仍存在有周期性的振动，这种振动的频率将是滑块运动 基频的整数倍。同时，若在装配时，选材不当或由于工作一段时间后，摩擦导 致滑槽内表面的热变形引起滑槽与电机偏心轴之间存在间隙，这将导致偏心轴 与滑块之间每一运动周期产生两次冲击，这种冲击的激励范围很宽，可以在很 宽的频率范围内引起机组或部件的共振。 4 、滑块与水平导杆之间的摩擦与冲击 在将电机的圆周运动转变为滑块的水平往复平动过程中，滑块不仅受到水 平方向力的作用，而且还会受到垂向弯矩的影响，因此滑块与导杆之间存在很 大的摩擦，并由此引发强烈的摩擦声；同时由于滑块与导杆之间存在有较大的 间隙，由运动学分析知，在一个往复运动周期内，会产生两次冲击。摩擦和冲 击所产生的激励都是宽带的，因此摩擦声也是宽带噪声。 总之，滑块和电机作为摇摆机的运动部件，是振动和噪声的激励源。摇摆 机的振动根源来自于：曲柄与滑块之间的往复冲击；滑板的往复运动引起的冲 击；滑板在运动过程的摩擦振动；以及电机的电磁振动。 ( 二) 摇摆机振动激励的传递路径 振动噪声的传递有两种方式： 一是内部各激励源( 如电机) 和运动构件( 如滑块) 的振动产生一次空气 声，这种空气声一方面通过外壳上的开口向外辐射，另方面在其传播过程中 会引起塑料外壳振动，形成二次声辐射。 二是滑块和电机被其上的激励源激励后产生振动，这种振动直接传递到与 之相连的脚台和l 板，并通过机组的底板传递到外壳上，再向外辐射，形成所 谓“固体声”传递。 这两种激励方式引起的外壳和脚台振动都将产生噪声辐射，尤其当传递的 振动激励频率与外壳和其它部件的固有频率接近时，将引起构件的共振，辐射 出强烈的噪声。 经分析，摇摆机的主要激励源和其振动传递路径。如下图2 6 所示： 图2 6 振动传递路径图 综上所述，我们可以清楚地看出各环节可能产生的激励力对整机振动的影 响及振动激励的传递路径。无论各构件之间振动如何耦合和传递，鉴于摇摆机 的结构特点，摇摆机的辐射噪声有以下三部分构成： 1 外壳的振动声辐射 2 脚台的振动声辐射 3 脚台与外壳结合部位开口的漏声 2 3 2s d m 系列摇摆机的噪声设计缺陷 现在的摇摆机，结构设计的十分简练，运动传递环节较少。从结构设计角 度来看，这是一个非常优秀的设计，且外观尺寸适中；但是在设计中却没有充 分考虑降低摇摆机中振动及其声辐射问题。因此从低噪声设计角度来看，还存 在着一些缺陷。具体归纳为以下几个方面： 1 、往复冲击必然存在 摇摆机是一种“曲柄滑块”机构，它是把电机的转动通过曲轴转变为滑板 的往复运动，由对图3 5 的分析可知，一方面在3 、7 位置处受力点位置发生 了瞬变；另一方面，曲柄在l 与3 位置之间及3 与7 位置之间、7 与9 位置之 间也都发生顺时针侧斜。但在3 、7 位置滑板的侧斜现象瞬间停顿，且曲柄转动 一周，这种现象就发生两次，从而形成往复冲击( 扣声的来源) 。当摇摆机加上 负载时，这种现象更为明显。从上面分析可知，往复冲击是曲柄与滑板所特有 的，这种缺陷属于结构缺陷，它无法完全彻底地消除。 2 、电机振动隔振不良 电机是整个机组运动的动力所在，是典型的旋转运动部件。它所引起的振 动总是与电机旋转的基频而和电源频率有关，故其振动激励频率是离散的，为 旋转基频而的整数倍和电网频率( 5 0 乒拓) 的整数倍。其振动主要来源于两方面： 一是电动机中的反向旋转磁场引起的、其频率差不多为电源频率的两倍的振动。 另一个是转子、轴承等处引起的以2 4 2 舷为基频的高次谐波振动，这属于机械 振动。 电机是摇摆机中最主要的噪声激励源，电机首先是安装在l 板上，然后再 垫在一块橡胶隔振垫，紧固在钢制底板上。这种在结构中采用刚性螺栓联结， 将会使振动大小不变地传递下去，并未起到隔振的作用。其原因如下： ( 1 ) 隔振垫硬度较大，造成隔振效率低而振动传导率大。 ( 2 ) l 板与底板的四根紧固螺栓形成“振动短路桥”。现有的螺栓直接安装方 式很容易把电机的振动传给底板，进一步消弱隔振垫的作用。 3 、底板受激振动发声 钢制底板具有较大的声辐射表面，并且它的声辐射效率很高。测试分析表 明底板的共振频率十分丰富，它在电机的激励下，很容易发生低频共振；实验 测试还表明，底板振动时，由于边界反射，还出现强烈的拍振现象。1 。 4 、外壳振动二次辐射 塑料外壳是整个摇摆机中具有最大辐射面的部件，它的周边与底板处于紧 密联结状态，底板的振动很容易传给外壳。通过对外壳进行的频响特性分析和 模态分析。1 ，显示出外壳振动模态非常密集，它在底板强烈的激励下极容易形 成“二次辐射声”。由对s d m 3 2 3 型摇摆机噪声的分离试验也可知，这种噪声 占摇摆机总噪声很大的一部分。 5 、滑板摩擦激励脚台 分析表明，滑板上的振动主要来源于三个方面，一方面是电机振动通过曲 轴传递而来；另一方面是滑板运动时与导杆和曲轴发生摩擦而产生的( 当滑板 运动到接近两端的极限位置处还可能产生蠕动现象，从而增大摩擦) ：再一方面 是前面所分析的往复冲击。 由于脚台与滑板紧固在一起，滑板还会把上述振动传给脚台，而脚台是一 个由硬质塑料制成的空腔体，它同塑料外壳一样，易发出低频共振的“嗡声”， 这就是“脚台声”。当手一碰及脚台时，就会破坏脚台的共振条件，使脚台减小， 通过合适的装配，可以改变滑板振动状况，从而破坏“脚台声”的激励条件和 振动条件。另外，滑板的摩擦振动也可以通过l 板和电机传到底板上，从而进 一步加剧底板的振动。 总之，摇摆机的振动根源来自于：曲柄与滑块之间的往复冲击；滑板的往 复运动引起的冲击；滑板在运动过程的摩擦振动；以及电机的电磁振动。 针对现有机械式摇摆机结构上存在的这些缺陷，我们的主要工作将是改善 摇摆机的结构，以便消除或有效消除摇摆机的振源。具体为：首先将机械传动 式摇摆机改为电磁式摇摆机。它是由电磁力直接驱动滑板运动。这样做，既消 除了原机械中电机的电磁振动，又避免了曲柄与滑板之间产生的往复冲击力； 其次在滑板的结构上加以改动，将传动与滑板间的滑动摩擦变为滚动摩擦，以 减少因摩擦力引起的摩擦振动。 第三章电磁式振动机械设计总论 3 1 电磁式振动机械的电磁激振力 3 1 1 电磁力基本公式的导出 电磁式振动机械( 以后简称为电振机) 是由电磁激振器驱动。电磁激振器 是由铁芯、线圈及衔铁所组成。交变电流或脉动电流通过线圈，使电磁铁产生 周期性变化的电磁吸力，从而使工作机体产生振动。电磁铁是线圈通电后对铁 磁物质产生吸力，引起铁磁物质机械运动，把电能转换为机械能的一种电磁元 件。线圈通入直流电，称为直流电磁铁；电磁铁的线圈有交流电供电的，称为 交流电磁铁。在般情况下，如果电源电压是正弦波的交流电压，则其磁通也 是时间的正弦函数，在任一瞬间的电磁吸力f 取决于该瞬间的磁通值，其吸力 也将在零和最大值之间作周期性变化。因此电振机是以电磁激振器产生的周期 变化的电磁力，作为强迫作用力( 或称激振力) 来维持其持久而稳定的振动。 电振机电磁力的产生，可以这样简单地理解：当电磁铁的励磁线圈通过电 流以后，就要产生磁通，并经过电磁铁的铁心和衔铁形成闭合回路。由于磁能 的存在，在电磁铁的铁心与衔铁之间产生电磁吸力。因为磁通垂( 或磁通密度 局) 是周期变化的，所以电振机的电磁激振力也是周期变化的。从静态实验测 量的结果表明：电磁力，与气隙6 的平方成反比，与电流的平方近似成正比。 但电流过大时，电磁铁将逐渐达到磁饱和状态，电磁力的增大将减慢( 如图3 一l 所示) ”。 从理论上可以认为：铁心与衔铁之间的电磁力，是由于电磁铁内磁能的变 化而引起的。假设铁心对衔铁有一无限小位移( 虚位移) 彩，则电磁力f 对此 无限小位移所作的机械功( 虚功) ，应等于电磁铁磁能【k 所发生的微小变量 d ，即 刚艿= d u 。所以f = 兰 ( 3 1 ) 电磁铁的磁能，由电磁学求得 = 扣2 = 三肺 或 ：丢骅：粤( j + 4 ) ：坐( 万+ 磊) 。” 4 6 + 每s 。一7 7 胁7 7 其中 d a ) b ) 图3 1 电磁力，与电流，及气隙6 的关系 d ) 电磁力f 与电流i 的关系6 ) 电磁力，与气隙占的关系 将上式代入式( 3 一1 ) 得 f ：盟：型：坐 d 6 蚌a2 h 厶= 墨 6 = 等 6 s 汹t 矗：堡 1 2 ，心r 卟昭= 器 如= 2 占= 2 ( 磊一x ) 式中广吨隙电感( h ) ； 卜线圈电流( a ) ： 一线圈匝数： 函广一气隙磁通( w b ) ： 届气隙磁通密度( t ) ； s 7 电磁铁铁心一个磁极的截面积( m 2 ) ； s 电磁铁的铁心总磁极截面积( m 2 ) ，s = 2 s 7 ； 口广空气磁导率，庐4 ，【1 0 。7 ( h ) ； ，电磁铁平均磁路长度( m ) ： 1 4 ( 3 2 ) s 铁心柱截面积( m 2 ) ； 铁心柱硅钢片相对磁导率( h m ) ； ；电磁铁总气隙( m ) ； 占电磁铁一个磁极的实际气隙( m ) ； 占扩一电磁铁一个磁极的平均气隙( m ) ； x 铁心与衔铁的相对位移( m ) ； 万广铁心与衔铁的折算气隙( m ) 。 由式( 3 2 ) 看出；在磁通密度b 与磁动势( 或称安匝数) i n 成直线关系 的区段，电磁力f 与气隙磁通密度b 。的平方及磁极截面积s 成正比。同时也可 以看出：电磁力f 与电流平方成正比，与气隙平方成反比。因此，为了计算电 振机的电磁激振力，可以首先分析和求出电磁铁的气隙磁通密度，迸而计算电 磁激振力。 3 1 2 电振机的气隙磁通密度 因为电振机电磁铁气隙磁通密度的变化特性，是由电振机的电路方程式决 定的，因此，必须首先建立电振机的电路方程式。根据电磁学的理论：电磁铁 线圈供电电压( 包括交流电压和直流电压) ，等于电感和电流变化引起的电压降 及电阻引起的电压降之和。各类电振机的电路方程式，可以统一表示为以下形 式： 譬+ r j ：面l s i n 0 ) t + u 。 u l 或 晏( l i ) + 融= _ u l s i f lo ) t + u o( 3 3 ) u 、球= m = 时= ( 3 - 4 ) 式中一磁链： 卜电路内总电感( h ) ； 垂一当量总磁通( w b ) ； 卜当量总磁通密度( t ) ； 卜等效电阻( q ) ； “交流电压有效值( v ) ； 以直流电压( v ) ： 。电源圆频率( 1 s ) ； o 一电源频率( h z ) ： 卜_ 时间( s ) 。 因为电振机属于电感性负载( 电路内电感很大，而电阻很小) ，所以电路方 栏式中，等号左边的第一项远大十弟二坝。即电振机电路内阴电虚降，王蛋足 由于电感或电流变化引起的电压降。 电路内的总电感厶由气隙电感厶和漏感及其它电感厶两部分组成。 气隙电感厶为 。：垒孚 漏感及其它电感如为 厶：堡孚+ t 式中日漏磁通密度( r ) ；三f 一其它电感( 日) 。 总电感为三：厶+ 厶：垡生曼立坠+ 三， 总磁通密度与电感的关系为 曰咄嵋+ 急= 芸 因为厶= 旦i 篙 1 0 _ 6 ，占= 瓯一x ，所以可以将气隙电感表示为相对位移 x 的函数。 l = ! ：箜丝：釜! 1 0 一= 虹 其中和筹川。铲云口= 击 式中。0 _ 气隙为占。时的气隙电感( 肋； x 。相对位移x 与平均气隙j 。之比： 口一比例系数。 电路内的总电感，也可以表示为相对位移x 的函数： 扣高鸭= 高”) - 鼍 ( 3 _ 5 ) l - 似6卜耐d l - c d c j ”一“ 式中小受电感糸效，2 历三们 盯折算不变电感系数，盯= e ：口； 工。平均气隙j 。时，电路内的总电感，l o = l l o + l 2 电路内总磁通密度，可根据总电感换算求得： 嘲椰：州分小鲁兰导i 呐叶吒鲁瑚。普 臼一 1 6 因为岭n b n i = 罕及l _ l 。普 所以电路方程式可以改写为以下形式： 扣毒等占= 等枷+ 击， 。7 斫 三ol 一 心2 。 方程( 3 7 ) 的通解为 b ：c 鼍幽：c r 叫州。刮妒，武【= c f 酗t丑= c e 1 一5 = c p 一五r j f1 一f4 一盯j 。6 4 0 。d d 删= c e 一点r 脚 k u ：一 其中 式中k 等效阻抗比； c 积分常数，由初始条件决定。 上式取近似值后，其误差般不超过2 4 。 方程( 3 7 ) 的特解，可在近似求出等效值厨以后，得 b d = b 口os i n fc d l 一妒) + b o 其中= 急s 血y = 删畔，a n 去岛：志 式中如旷一未考虑影响的基本磁通密度； p 磁通密度落后于电压的相位差角； 岛未考虑影响时的直流磁通密度。 方程( 3 7 ) 的全解为 日= 一芷f ! 二堕姒 c e 、。5 + b 曲s i n ( 哦一i ；，) + b 驰当t = s s q 岛，当研= o 占，勖2 万 式中s 晶闸管触发角：8 0 晶闸管遏止角。 当r = 8 时，曰= b 。，可求出常数c ： c = 一吃os i n ( s 一少) p k 卢 将c 代回上式，得总磁通密度b 的一般表达式为 i 曰。o 【爿+ s i n ( 国f 一) ，当国f = s s o b = 一 ( 3 8 ) ib o ，当f = o 占，占o 2 万 。 其中 肚一s i n ( 卜咖嵋似叫+ 毒 式中彳电振机的特征数。 由式( 3 5 ) 及式( 3 8 ) ，得气隙磁通密度b 。为 丑= ! 二! 坚曰= 1 卜甜d 吃l 4 + s i n ( 鲥一妒) 】亡当耐= s 钿 l 嬲d 去 粉，”：厅。呻 其中吃= ( 1 一) 吃。= 警s i n y 耻( 1 - 吒即掣 式中玩考虑不变电感系数影响时的基本磁通密度； 曰d 旷一考虑不变电感系数影响时的直流磁通密度。 3 1 3 电磁铁的最大磁通密度 当s i n ( t 一1 l r ) = 1 时，可求出电磁铁气隙的最大磁通密度