电磁振动器（精选8篇）
电磁振动器 篇1
摘要：对生物实验中的过滤用管振动上料装置的振动料斗及支承弹簧进行分析计算, 通过公式推导和运算得出支承弹簧的具体尺寸参数。
关键词：电磁振动,上料装置,弹簧设计
0 引言
振动是机械中常见的物理现象, 多数情况下要消除振动保证机器平稳运行。但通过这个微小振动却可以进行物料的排序与进给。本文结合生物医药实验中常用的过滤用管的上料过程, 具体介绍一种电磁振动上料装置振动弹簧的设计与计算。
1 振动上料机的介绍及工作原理
电磁振动上料机由料斗、弹簧片、铁芯、衔铁等配套组成。电磁振动上料器被广泛应用于五金、电子、医药、食品等各个行业, 是解决工业自动化设备供料的必须设备。
圆周式振动料斗下面安装有脉冲电磁铁, 可以使料斗垂直方向上下振动, 同时由于弹簧片的倾斜安装, 使料斗绕其垂直中心轴作扭摆振动。
料斗内的物料, 由于受到振动力而沿螺旋轨道上升, 直到物料被送到下道工序。在对其进行原理分析时可以把螺旋料道简化成斜面, 抽象为如图1 (a) 所示力学模型来进行受力分析。当电磁铁吸合时, 料槽随着衔铁一起被牵引, 以加速度a向右下方下降, 工件受到一个与a方向相反的惯性力ma作用, 其中δ为料槽法线方向与弹簧弯曲中心之间的夹角, 这个惯性力的2个分量, 一个是与料槽垂直向上的N′分力, N′减少了工件与料槽之间的摩擦阻力;另一个分力是与料槽平行向左上方向的R分量, 当R足够大, 以致超过摩擦阻力f时, 工件便相对料槽斜面向左上方移动一小段距离。当电磁铁脱离吸合后, 物料向左上方升移, 物料所受的惯性力分量的作用恰好与上述图1 (a) 中情况相反, 此时惯性力在料槽垂直方向上的分力向下, 增加了工件与料槽的摩擦阻力;另一方面由于摩擦阻力增大, 惯性力沿料槽平行方向的分力克服不了摩擦阻力, 使工件不能移动只能随着料槽一起振动, 从而实现了物料沿螺旋料槽向上运动, 其运动情况如图1 (b) 所示。
2 支承弹簧的设计
在上料过程中弹簧的参数是上料速度、平稳性等的主要因素, 弹簧参数的确定十分重要。
2.1 弹簧倾角β的确定
支承弹簧是以螺旋料槽的反螺旋方向倾斜β角来安装的, 其水平投影中心线与料斗外圆的某个同心圆相切, 各切点均布于这个同心圆的圆周上, 并且各弹簧尺寸都应该一致, 只有这样料斗才会正常工作, 如图2 (a) 所示。
由图1 (a) 和图2 (a) 、图2 (b) 进行几何尺寸分析, 支承角β与料斗中径、螺旋升角α及惯性力作用方向角δ有如下的关系:
式中, α为螺旋升角, 初步定为1.2°;δ为惯性力作用方向角 (如图1 (a) ) , tgδ=μ, μ为过滤用管与不锈钢料槽之间的摩擦系数, 查表取μ=0.18;Dm为料斗中径, Dm=355 mm。R为支承弹簧水平投影中心线相切圆的半径, 这里R=52 mm。所以, 求得β=33°。
2.2 支承弹簧几何参数计算
由弹性力学得:
式中, i为支承弹簧的根数, i=4;K为支承弹簧的刚度;f为激振频率, f=50 Hz;fr为自振频率, fr= (1.05~1.25) f, 取fr=1.2f=1.2×50=60 Hz;m为系统折算到弹簧支承点上的折算质量, m=0.020 9 kg·s2/cm。
由材料力学可知:弹簧的刚度取决于其材料的弹性模量E、几何尺寸及固定方式, 对于两端紧固的支承弹簧, 其刚度K为:
式中, E为弹簧材料的弹性模量, 本设计中弹簧片材料为弹簧钢, 对弹簧钢材料其弹性模量E=2×106 kg/cm2;J为弹簧的截面惯性距 (cm4) ;L为弹簧的有效工作长度 (cm) 。
由公式 (2) 和 (3) 得:
进而可得到:
矩形截面J为:
将式 (6) 代入式 (5) 得到矩形截面弹簧片厚度h的计算公式:
式中, h为矩形截面弹簧片的厚度 (cm) ;b为矩形截面弹簧片的宽度, b=2 cm。
由最大弯曲应力σmax不超过允许的疲劳应力[σ-1]为原则来计算:
式中, W为弹簧抗弯截面模量, W=bh2/6;M弯为最大弯矩, , J为弹簧截面惯性矩, E为弹簧材料的弹性模量, y为挠度, y=0.88 mm=0.088 cm;对于弹簧钢材料, [σ-1]=3 000 kg/cm2。
对于矩形截面弹簧, 根据式 (8) 的条件得:
再将式 (9) 代入式 (7) 得:
代入数据计算得:L=10.037 cm。
将L值代入式 (7) 得:h=0.572 4 cm。
3 结语
本文通过公式的推导与计算, 得到了制备用管支承弹簧的具体尺寸。通过整体组装调试, 上料装置上料平稳, 工作流畅, 满足了制备用管振动上料的要求, 提高了装配生产效率。
参考文献
[1]胡海清, 刘雪雪.PLC与自动生产线技术[M].北京:北京理工大学出社, 2010
[2]邓奎刚, 张小国, 李广安.电磁振动料斗结构参数的优化设计[J].机械科学与技术, 1981, 27 (1)
[3]李燕玲.电磁振动料斗在电容电阻等设备中的应用[J].电子工业专用设备, 1993, 22 (2)
[4]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社, 2006
电磁振动器 篇2
【摘要】大型汽轮发电机定子端部绕组及其结构的安全性与可靠性直接影响着整个机组和电网的工作状况而电磁力激发下绕组结构的振动是导致端部事故的主要原因因此对定子端部绕组的振动问题进行研究以便为工程实际提供更加合理的设计方案具有非常重要的意义。
【关键词】汽轮发电机 定子端部绕组 振动 电磁固体效应 主共振
【中图分类号】0327 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0436-01
在现代社会中，电能是人们生产和生活中最必需、最重要的能源。因此，机电耦联系统涉及到广泛的工农业生产和科学技术领域，在国民经济发展中占有重要的地位。
1、背景
目前，火力发电和水力发电是电能的主要来源，约占全社会总动力能源的90以上，而原子能发电等高新技术也在逐渐引起人们的重视。随着现代科技的发展，为了合理地利用能源、提高经济效益、保护环境、更好地满足人们生产生活的需要，国内外电力系统日益向大机组、超高压和远距离输电方向发展。因此，电网容量不断增大，单机容量也在随之加大，发展迅速。五十年代，汽轮发电机的单机容量为10-20万千瓦，六十年代就发展到30、50万千瓦；最近几年，140万千瓦的大型汽轮发电机在国外已投产运行。我国的电力行业发展也很迅速，到1998年发电机组总装机容量和年发电量均居世界第二位，60万千瓦的汽轮发电机也已投产运行；此外，正在研制世界上最大的70万千瓦水轮发电机，2003年将在长江三峡水电站并网运行。可见，发电机的大容量、大输出是未来发展的必然趋势，必将推动国民经济的迅速发展。
电站的规模在扩大，电网的结构变得越来越复杂，保证机组、电网等安全稳定运行问题就显得尤为重要。世界上一些大电网曾相继发生过以电压崩溃为特征的电网瓦解事故，导致大面积停电，造成巨大的经济损失和社会紊乱。因此，电力系统及其机组的稳定问题引起了世界各国的广泛关注。
随着汽轮发电机组及水轮发电机组向超大型发展，特别是高压、大电流的进一步提高，会产生强大的磁场和电场。机组在强大的磁场、电场作用下会使定转子系统的机电耦联振动、稳定性及动强度出现新问题，同时也使得发电机定子端部绕组的磁固耦合振动和动力稳定性等问题尤为突出。
大型汽轮发电机端部绕组是一组庞大的载电流体，运行时这种载流导体在端区强大电磁场环境中将产生很大的电磁力，进而产生相应的振动。若发电机设计、制造工艺、安装及运行中存在问题，会带来安全生产的隐患，严重时会导致事故的发生。
汽轮发电机定子端部绕组及其结构件引发的事故在国内外时有发生。50年代末到60年代初，美、英、法、苏等国在20万千瓦级机组投入运行后，首次检修时均陆续发现定子端部绕组由于松动引起绝缘磨损甚至漏铜击穿等事故，引起人们很大震动，迫使几个主要制造厂家花了很大本钱对定子绕组的固定问题进行了研究。新南威尔士电厂在1971-1973年投入运行的4台汽轮发电机，其中3台在1981年的8个月内相继在端部发生事故，随后的试验中发现频谱中含有100Hz的固有频率成分，该频率是导致端部铜线疲劳断裂和损伤绝缘的主要原因。1987年10月我国哈尔滨某发电厂的20万千瓦1号机在运行中突然短路，定子端部线圈绝缘被击穿；短路部位在汽机侧c相9号线圈与A相10号线圈的鼻部接头绝缘盒处，9号线圈烧断实心导线10股，10号线圈烧断铜线25股。此外，非短路相的B相25号线圈对内端盖放电，c相20号线圈绝缘盒局部脱落，漏出铜线。该机于1988年3月又出现汇水管处20几个螺帽在运行中退扣，致使氢漏至内冷水内。1988年1月该电厂的2号机在运行中发生B、c相相间短路事故；其中B相25、26号线圈水接头烧毁。故障修复后仅十余天，事故再次发生，且励磁机侧汇水管烧出一个洞。1987年1月陡河发电厂的20万千瓦7号机在励磁机侧端部A、B两相引线处发生相间短路；运行后于同年5月再次出现相间短路；定子端部线圈被烧坏。1989年6月，该机多次发现内冷水箱中含有氢气，之后发现汽机侧3、4号线棒因绑扎及垫块松动，绝缘磨损几乎漏铜，并且3号上线棒端头铜箍内一根空心导线断裂等现象。
近些年来，事故的发生仍在不断进行。陕西渭河电厂的30万千瓦双水内冷汽轮发电机曾发生定子绕组端部的压板螺杆和固定支架松动，以及引线间绝缘垫块脱落卡入线棒间而振动磨损线棒绝缘等现象。该厂还有一台发电机才运行5、6年，就出现端部空心导线振裂喷水，造成三相短路、烧损线棒等现象。类似的定子端部事故在国内其它一些电厂中也时有发生。
2、发电机定子端区电磁特性与绕组动力学问题研究概述
2.1 端区磁场的研究
因定子端部结构比较复杂，对其磁场问题的研究还没有非常精确的解法。经过学者们几十年的研究工作，在对端部磁场的求解方法上主要形成了两大类，即解析法和数值计算法。
2.2 端部绕组电磁力的研究
随着发电机单机容量的增加，定子端部绕组所受的电磁力也在随之增大。在正常运行时，电磁力将导致绕组的振动和绝缘的磨损，而在发生短路时，电磁力将成倍增大，危及电网的安全。
因此，人们对绕组所受电磁力的研究工作一直在进行着，力求从中找到解决问题的办法。
2.3 端部绕组的振动问题
大型汽轮发电机在稳态运行时，定子端部绕组的振动主要由两部分组成，最主要的是载电流绕组在端区磁场中受到电磁力的作用，从而激发两倍系统频率100Hz的振动；另外还有绕组随定子铁心承受转子磁拉力而引起的振动，该振动的频率仍以两倍系统频率为主。可见，若定子绕组端部的固有频率接近于100Hz，将会在运行中产生共振现象或比较大的振动。众多事故分析表明，发电机定子绕组端部的振动是导致线圈绝缘磨损、绕组疲劳断裂、结构件破坏等现象，进而引发事故的主要原因。
由于大型汽轮发电机端部绕组及其固定结构极为复杂，又处于复杂的端部空间磁场中，其振动的力学模型及电磁场描述的模型都是较复杂的问题。多年来，国内外学者一直致力于这方面的理论与实验研究工作，为此问题的解决做了不懈的努力。
3、电磁固体动力学及应用
随着现代高新科学技术的迅速发展，电磁结构在众多高科技装置与设备中得到了广泛的应用。如：航空航天、化工和核工业装置的防护系统，超导发电机和超导蓄能装置，大型发电机装置，高速磁悬浮列车，微电子集成电路和电磁传感器等。在这些装置中，各结构件在电磁场环境中的力学行为直接影响着系统运行的安全性与可靠性，正是为解决这些工程实际问题的需要，在近三十年中形成了一门新兴的交叉学科，即电磁固体力学。电磁固体力学是研究电磁场同变形场的耦合，即研究在弹性固态物质中，电磁场和变形场相互作用的理论。该理论是在弹性理论和电动力学理论的基础上发展起来的。当弹性体位于电磁场环境中时，一方面弹性体在所受电磁力的作用下将产生相应的变形；另一方面弹性体的变形又导致体内及周围电磁场的改变，进而影响着弹性体本身的变形。两个场相互作用、相互影响，有时还会出现热效应等现象，形成了机械、磁、电、热相互作用的耦合机制。
结束语
电磁振动器 篇3
飞机在飞行过程中普遍存在振动。振动是影响航空装备性能和诱发故障的主要原因。因为飞机具有高速、机动、反复使用和长寿命要求, 其诱发的振动环境非常严酷, 振动对飞机及其机载设备的寿命和作战效能有重要影响, 甚至危及飞机的安全[1]。准确掌握飞机的振动状态可以有效的分析飞机的工作情况及安全性, 及时防止事故的发生, 减少损失。因此, 振动参数的精确测量对飞行安全至关重要。
振动传感器是测量飞机振动的关键设备, 在试飞前期, 需要对传感器进行实验室校准, 确定其灵敏度和误差范围, 最终提高整个测试系统结果的精度和可靠性。实验室主要利用振动台校准振动传感器。振动台本身的精度及性能将直接影响整个测试系统的可靠性和精度, 从而影响传感器的精确校准。
试飞测试中的振动参数种类多, 数目大, 且精度要求高。试飞前振动传感器的实验室校准主要利用振动校准台完成。振动校准台精度高, 但台面小, 加速度范围小。而面对型号任务多、时间紧迫的现实, 在保证工作质量的前提下, 提高工作效率具有重要意义。本文研究的电磁振动台C-10E功率大, 加速度大, 台面大且均匀度好, 可同时安装多个传感器, 且安装方便;但精度较振动校准台略低。用电磁振动台校准振动传感器的精度能否满足试飞测试的精度要求是本文研究的重点。
1 电磁振动台及校准简介
1.1 振动台简介
目前实验室校准振动传感器主要利用振动台, 它可以理解为一种振动模拟器, 其主要任务是通过一定的控制方式, 将规定的运动和能量不失真地传递给实验设备。用于振动实验的振动激振设备从其激振方式上主要可分为三类:机械式振动台、电液式振动台和电磁式振动台。在各类振动台中, 电磁振动台以其工作频段宽、承载范围广、波形好、易控制等诸多优点而备受青睐, 成为应用最广泛的一种振动台[2]。
1.1.1 结构及工作原理
电磁振动台测试系统包括信号源、功率放大器及振动台, 系统方框图如图1所示。
电磁式振动台是根据电磁感应原理制成的, 由恒定的磁场和位于磁场中通有一定交变电流的线圈相互作用而产生出交变的激磁力。具体来说就是, 通电导体处于恒定磁场中会受到力的作用, 半导体中通以交变电流时将产生振动。振动台的驱动线圈位于一个高磁感应强度的空隙中, 当需要的振动信号从信号发生器产生并经功率放大器放大后施加到驱动线圈上, 这时振动台就会产生需要的振动波形。
1.1.2 技术指标
电磁振动台C-10E主要技术指标如下表1:
根据不同校准对象, 电磁振动台允许的最大加速度值也不同。若台面未安装校准对象即可计算得到振动台自身的最大加速度值。若安装了校准对象, 则最大加速度值由公式 (1) 计算, 该公式适用于振动台面任何位置。
其中, Amax为最大加速度, 单位为g;Fr为正弦推力;WM.E为动圈质量;WO为校准对象质量。
1.2 振动传感器的校准
灵敏度是振动传感器的最基本技术指标, 其灵敏度数值的大小与准确直接影响到测量数据的准确。虽然传感器出厂的技术指标有灵敏度, 但要获得其具体值必须采用振动标准装置对其进行校准。
注:图中虚线部分表示根据实际情况选择是否使用
振动传感器的校准, 一般用正弦激励, 通过测量其相应的输出量, 获得传感器的基本特性。将被校振动传感器和经过绝对法校准的标准振动传感器平行地安装在标准振动台上 (即“肩并肩”的安装方式) , 被校振动传感器的输入量值由信号发生器及功率放大器组成的控制部分给出, 输出由信号调节器和交流数字电压表或采集记录装置所组成的标准测量系统测出, 从而获得振动传感器的基本特征。正弦激振比较法校准原理结构图如图2所示。
2 振动实验及结果分析
试飞测试中, 振动传感器的校准主要包括幅值线性度校准和幅频响应校准 (扫频) 。航空应用中, 飞机的结构强度要求对飞机进行测振, 振动频率大于2000Hz时由于能量低而对飞机破坏性小, 不作为重点分析。
2.1 实验过程
实验过程采用“肩并肩”地安装方式, 用KAM500采集器CDC101采集板卡进行数据采集, 结果用码值表示。根据式 (1) , 计算出7703A-50和353B33在电磁振动台的最大加速度值约为66g, 校准过程中控制振动幅值在此范围内。实验结束并卸载数据, 利用origin软件提取测量码值, 根据编码范围及其对应的传感器输出范围, 代入式 (2) 计算传感器的测量输出量, 具体参数见表2。
幅值线性度校准及幅频响应校准过程中, 分别将传感器的实际测量输出与利用灵敏度计算的理论输出对比, 计算精度。
2.2 结果分析
分别对7703A-50在60Hz频率点下进行幅值线性度校准, 2g振动幅值下进行幅频响应校准, 结果分别见表3、表4。幅值线性度及幅频响应校准曲线如图3、图4所示。
353B33由采集板卡提供恒流源供电, 在40Hz频率点下进行幅值线性度校准, 8g振动幅值下进行幅频响应校准, 结果分别见表5、表6。幅值线性度及幅频响应校准曲线如图5、图6所示。
结果表明, 在固定频率下, 两种传感器的幅值线性度及2000Hz以内的幅频响应曲线精度小于5%, 满足试飞测试中5%的精度要求。
3 结语
电磁振动台C-10E在振动范围内对振动传感器进行校准, 振动幅值较低时 (振幅小于3g) 信噪比较低, 测量精度也较低;随振幅增大精度趋于平稳。幅频响应校准中, 20Hz时精度较低, 基准频率附近精度较高, 随振动频率升高精度逐渐降低, 当频率达到1700Hz时精度急剧下降。实验结果表明, 电磁振动台的测量精度满足试飞测试中5%的精度要求, 可以进行试飞前期的振动传感器校准工作。
参考文献
[1]王光芦.飞机飞行振动预计技术现状与发展.中国航空综合技术研究所
浅谈电磁振动送料机技术 篇4
电磁振动送料机是由电磁铁激振的一种振动机械, 由于具有定向性能优良、物料间相互摩擦小、不易损伤物料、通用性好、改换品种方便等优点, 因而广泛应用于轻工、电子产品的自动加工、装配, 粮食、商品的自动称量、包装, 以及粉状或颗粒状物料的运输等领域。
1 电磁振动送料机简介
目前, 轻工业生产中应用的电磁振动送料机主要有直线料槽往复式和螺旋料槽扭动式两种形式。前者简称直线振动输送器, 料槽作往复直线运动, 一般适合于不需要定向排队的轻小物料的供送, 或用于多物料进行清洗、筛选、烘干、加热或冷却的操作机;后者简称圆盘式电磁振动给料机或振动料斗, 带有螺旋槽的圆形料斗, 作扭转振动, 适合于需要定向排队的单件物料的供送, 多用于具有一定形状和尺寸的物料传输的场合, 但是两者的工作原理基本相同[1]。
2 电磁振动送料机全球专利申请状况分析
图1为全球专利申请量和申请人申请量年份统计数据[2]。从图中可以看出, 涉及电磁振动送料机技术的国外专利申请从20世纪60年代就已经开始存在, 从总体上看, 专利申请量呈递增状态, 专利申请量随时间变化的曲线与专利申请人数量随时间变化曲线的变化趋势基本一致。1997年达到顶峰, 随后进入一个相对稳定的发展期;从2008年开始到2011年, 申请量再次进入快速增长期, 2011年达到第二次顶峰。
图2为全球地域申请量的分布图。从图中看出, 全球专利申请排名第一的是日本, 其申请量占比为66.4%, 排名第二的是中国, 其申请量占比为12.3%, 排名第三的是苏联 (俄罗斯) , 其申请量占比为7.4%;日本的申请量已经超过了全球申请总量的一半, 可见, 日本对于电磁振动送料机技术领域的投入较大, 具有较高的技术优势, 并比较重视利用专利权对其进行保护, 日本的申请量占有绝对优势。
3 电磁振动送料机专利技术发展脉络
电磁振动送料机专利技术从20世纪70年代开始发展, 不同时期其发展侧重的技术角度有所不同。20世纪70至80年代末, 其发展主要侧重于提高装置运行的稳定性;从20世纪80年代末开始, 其专利技术重点开始侧重于降噪方面;进入20世纪后, 其技术发展逐渐转移至振动装置的振动频率和幅度的调节等方面。
3.1 电磁振动送料机运行稳定性研究
早在1981年, 日本昕芙旎雅有限公司提出了一种直线往复式振动输送机 (JP57-141308A) , 其在底座上设置两个对称的送料槽, 以消除料槽振动时产生的相互作用力, 实现稳定运行。1985年申请人曹培生提出了一种非线性电磁振动装置 (CN85102855A) , 其利用分段的波形板弹簧组和电磁铁、底板等部件构造稳定平行四边形结构式的导向系统, 以获得高精度的定向往复直线振动。1988年天津大学的陈予恕等人提出一种低频稳幅电磁共振给料机 (CN2035347U) 。1989年无锡轻工业学院提出一种复槽自平衡电磁振动供料机 (CN2064353U) 。1990年, 苏联的TULA POLY公司提出了一种振动式料槽 (SU1790541 A3) 。2001年日本神钢电机提出了一种压电驱动型振动送料器以及压电元件驱动型送料器 (JP2002302232A) 。2009年南京创优科技有限责任公司提出一种三振子直线振动送料器 (CN101648646A) 。
3.2 电磁振动送料机降噪技术研究
1986年航天工业部第七零二研究所提出了一种低噪声电磁振动给料机 (CN86201613U) , 其在电磁振动器和料槽之间的连接处装有弹性元件, 并在料槽的后板和加筋板上开孔。同年, 河北省邯郸市峰峰红星机械厂提出了一种小型低噪声电磁振动给料机 (CN86207808U) 。1989年, 日本的株式会社村上精机工作所提出了一种电磁振动装置 (JP3-3813A) 。1994年日本神钢电机株式会社提出了一种即使由高频率驱动也能大幅度减少噪音的振动零件送料器装置 (JP7-206126A) 。1996年日本的株式会社光辉等提出了一种压电驱动型搬送装置 (JP8-108917A) 。2004年日本株式会社三共制作所提出了一种振动输送设备 (JP2006124080A) 抑制由振动引起的噪音。
3.3 电磁振动送料机振动频率和幅度的调节
2001年日本的YKK株式会社提出一种部件供给装置的控制方法 (JP2002-292337A) , 通过控制电路将规定的驱动频率设定为规定的通常频率, 进行从部件排出部分供给部件的操作, 同时, 在每个规定的动作周期, 将驱动频率变更为与上述通常频率不同的暂时频率, 在该期间对部件排出部分的动作控制进行调整, 与以往用暂时停止的方式停止驱动信号相比, 可输出不同频率的驱动信号。2004年日本神钢电机株式会社提出一种压电驱动式送料器 (JP4345744B2) 。2006年深圳职业技术学院提出了一种定向传送振动盘 (CN200999155Y) 。2007年徐州五洋科技有限公司提出一种双质体近亚共振式振动给料机 (CN201056417Y) , 其直接利用变频调速系统来控制振动电机的振动频率。同年日本NTN株式会社提出了一种振动式零件运送装置 (JP2009-57124A) 。2010年日本NTN株式会社提出 (JP2012-71956 A) 减小因槽水平方向的振动而引起垂直方向的振动振幅。2011年日本神钢电机株式会社又进一步提出了一种振动输送设备 (JP2012-229118A) , 通过分别设置振幅调整回路和位相调整回路来对振动频率和振动幅度进行调整。同年又提出 (JP2013-95563A) 通过设置相位差检测单元, 检测振动传感器检测信号与振动励磁电压之间的相位差, 由振动频率设定单元根据相位差的偏差值和基准值来设定振动频率值, 振动频率可依据振动台固有频率的上限值和下限值调整。
4 结语
对电磁振动送料机的申请状况进行了统计分析, 并对其发展路线进行梳理分析。
分析可知, 电磁振动送料机技术从20世纪90年代初开始进入快速发展期, 而该领域技术发展主要集中在日本, 在中国的专利申请中, 也有很大一部分来自日本申请人, 可见, 该领域技术主要掌握在日本的少数几个龙头企业手里, 如日本神钢电机株式会社等。
目前, 电磁振动送料机领域技术应用已经相对成熟, 广泛应用于各行各业生产中。在这种情况下, 中国申请人需要投入更多精力在该领域的技术研究中, 可考虑加大个人、企业与大学、研究所之间的合作, 进一步拓宽产学研结合的技术创新之路。
摘要：电磁振动送料机广泛应用于各个领域, 通过对电磁振动送料机技术领域的申请状况进行统计分析, 从全球的专利申请量以及申请人的分布阐述了电磁振动送料机技术领域的专利申请发展趋势, 从而追踪该领域最前沿技术的研究重点, 并对其技术方向和技术手段的发展脉络进行了梳理。
关键词：电磁振动送料机,专利申请,统计分析,稳定性,降噪
参考文献
[1]黄凤.电磁震动给料机的振幅的自适应控制[D].南京:河海大学, 2007.
电磁振动器 篇5
目前,国内煤矿大量使用电磁启动器对电动机的启动、运行和制动进行控制,同时电磁启动器具有故障检测功能,在电动机及线路发生短路、断相及漏电故障情况下,进行闭锁保护,电动机电磁启动器具不能启动,确保故障点不会出现产生火花、电弧等,避免瓦斯、煤尘爆炸事故的发生。长期工作是的温度变化是衡量电磁启动器性能的重要参数,现有电磁启动器不具有远距离温度监测功能,因此结合CAN通讯技术开展矿用多回路电磁启动器温度监测技术研究具有十分重要的意义。
二、监测系统设计
矿用多回路电磁启动器温度监测系统包括温度传感器、信号处理单元、DSP、CAN通讯单元、电源单元、时钟单元和编程单元等(如图1所示),具有同时对多回路温度变化信息进行采集、处理和数据传输的功能。温度传感器负责采集各个回路的接线端子、导线、动触头等部位的温度信息。信号处理单元负责将温度原始信息进行隔离处理,转换成DSP能够识别的信息。DSP负责数据采集、运算和传输,同时对采样频率、计算精度、传输速度等进行设置。电源单元为DSP和温度传感器提供电能。时钟单元用于为监测系统提供数据采样和传输时钟信号。编程单元实现DSP和编程计算机之间的连接,用于软件程序编译、调试和烧录。
2.1 T型热电偶
选用T型热电偶作为温度传感器监测矿用多回路电磁启动器的温度,该热电偶是由两种不同成分的导体两端接合成回路,当两接合点存在温差就会在回路内产生热电流。T型热电偶又称铜-康铜热电偶,测量温度在-200~+350℃之间,具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,温度近似线性和复制性好,传热快,稳定性和均匀性较好等优点。T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差,故使用温度上限受到限制,不同规格的T型热电偶对应的最高温度不同,如表1所示。
2.2信号处理单元
T型热电偶的输出毫伏级电压信号,输出信号经过运算放大和光耦隔离后发送给DSP。运算放大器选择LM358,光耦隔离选用线性HCNR201光电耦合器,信号处理电路如图2所示。HCNR201是一种由三个光电元件组成的器件,具有±5%的传输增益误差和±0.05%的线性误差,DC~1MHz的带宽,绝缘电阻高达1013Ω,输入与输出回路之间的分布电容为0.4p F。
三、系统软件设计
温度监测系统软件主要实现DSP初始化(包括时钟、寄存器、事件管理器、AD转换模块等);然后开中断,监测温度传感器状态输出;最后采集温度传感器输出信号,并进行数据计算及传输。温度监测与数据通讯系统主程序如图9所示。
四、结束语
利用T型热电偶的抗干扰能力强、输出特性好等优点,开发一套分布式结构框架的矿用多回路电磁启动器温度监测系统。以DSP为核心采集温度数据,简化了系统硬件电路结构和走线,增加了可靠性及灵活性。系统并对温度传感器的数据进行运放处理、光耦隔离、运算与传输,能够对多回路的温度变化进行实时监测及数据传输,实现多回路的分散采集和集中管理,
参考文献
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小型电磁振动式小麦播种机的研制 篇6
目前,农业生产已向机械化和智能化方面发展,特别是在最近十几年,我国农业机械化程度越来越高,在小麦播种机方面出现了一些不同类型的小型播种机,减轻了农民的劳动强度,增加了播种效率。但是目前市场上广泛应用的小型小麦播种机能耗较高、播种效率低、购买费用大,不利于农民抢农时、提收益、促增长及解放生产力。因此,研究出一种更节能、更高效、成本更低的小型小麦播种机显得十分有必要[1]。
针对传统小型小麦播种机的缺点,设计了一种播种质量高、速度快、安全可靠、播种成本低、适应不同田间要求且能有效减少能耗的小型电磁振动式小麦播种机。该机田间作业时,可将开沟、播种、平土一次完成,大大简化了小麦播种时的生产流程,有利于进一步提高播种效率,解放生产力。本文介绍了小型电磁振动式小麦播种机的整体构造,分析了小型电磁振动式小麦播种机的工作原理,通过对此播种机的性能试验,验证了本机器的能耗低、效率高及播种流程简单等优势。经过进一步的改进,此机将在播种小麦方面有较好的发展前景,同时对各种低能耗播种机的研制也具有一定的参考作用。
1 设计原理及机构
1. 1 设计原理
针对传统小型小麦播种机普遍存在的播种能耗较高,播种效率较低,不能一次性将开沟、播种、平土全部完成,导致生产流程复杂等缺陷,研制了一种小型电磁振动式小麦播种机。该机前方安装有开沟器,可对地表进行开沟; 电磁振动式排种器安装在车身上,通过排种管将种子顺利排入开好的沟槽之中; 机器尾部安装有覆土器,可以将播种行旁边的土壤覆入排有种子的沟中,完成播种的全过程。
该小型电磁振动式小麦播种机的优点是动力消耗少、生产流程简单、机器制造比较简单、机器购买费用比较低,提高了小麦播种机的效率,减少了机具因为开沟、平土等需要再次进地的次数,降低了作业的成本,这对于小麦的抢时抢种和增收都将具有一定的效果。
1. 2 总体设计
小型电磁振动式小麦播种机总包括动力部分、行走机构、支架、电磁控制部分、排种部分、种子回收部分和配套部分等,如图1 所示[2]。
1) 动力部分: 以柴油机和发电机作为动力源。柴油机选用功率为3 ~ 5k W,发电机选用输出电压14V、输出功率500W无刷式小型硅整流发电机。
2) 行走机构: 由变速箱、前轮、后轮、方向盘等组成。其中,前轮和后轮可以根据地表情况进行更换不同类型的轮胎。
3) 支架: 主要作用是支承排种部分和种子回收部分。支架高度应满足小麦种入土深度要求。
4) 电磁控制部分: 包括控制盒、电磁铁等。其中,控制盒具有频率调节和功率调节功能,通过频率调节旋扭和功率调节旋扭可以方便地调整振动盘的振动频率和振幅; 电磁铁用来产生一个变化的吸力作用于振动盘,使其产生振动。
5) 排种部分: 通过排种管,分散和输送小麦种,并将种子排到田间。
6) 回收部分: 回收多余的小麦种。
7) 配套部分: 主要包括开沟器和覆土器,用来实现播种机的开沟和平土。
主要技术参数如下:
外形尺寸/mm:2 000×1 100×1 500
播种幅宽/mm:1 000
开沟深度/mm:95~105
开沟宽度/mm:48~55
作业速度/km·h- 1: 1. 69 ~ 2. 54
1.柴油机2.控制盒3.前轮4.开沟器5.离合器6.变速箱7.传动轴8差速器9.覆土器10.排种管11.排种器外盒(内部为排种器)12.遮阳顶棚13.支撑杆14.方向盘15.操纵杆16.后轮17.座椅18.离合器踏板19.前进踏板20.倒退踏板21.支架
2关键部件的设计
2. 1 排种器的设计
小型电磁振动式小麦播种机的关键部件是排种器。设计时,以电磁振动排种为基本原理,能有效减少能耗、提高播种效率、解放生产力。
排种器主要由漏斗、振动筛、电磁铁、排种盘和分流盘组成[3],如图2 所示。
1.漏斗2.振动筛3.连接圆柱4.振动后板5.后弹簧6.连接钢板7.连接弹簧8.电磁铁9.主振弹簧10.集种器11.接种器12.分流盘13.排种盘
2. 2 配套部分的设计
小型电磁振动式小麦播种机能将开沟、播种、平土一次完成。其中,开沟和平土的任务是通过配套部分实现的,配套部分( 见图3) 主要包括开沟器和覆土器,能方便地从开沟器安装柱和覆土器安装柱上装上和取下,便于损坏后的更换和维修[4]。
1.覆土器安装柱2.覆土器3.开沟器4.开沟器安装柱5.排种管
开沟器一般有滚动式和移动式两大类。为了方面开沟、减少阻力,选用滚动式开沟器。为了减轻开沟器质量、增强入土能力、简化结构,选用单圆盘式开沟器[5]。而传统的单圆盘式开沟器一般都存在所开沟底不平、在覆土时又出现干湿相混及侧压力过大等问题。所以,选用一种新的单圆盘式开沟器,基本上解决了上述缺点。单圆盘开沟器主要由圆盘和固定在一侧的护板及其输种筒等组成[6],如图4 所示。田间工作时,圆盘平面垂直地面并与前进方向有一个夹角α,一般为3° ~ 8°,目的是便于开出沟槽。单圆盘式开沟器的护板安装在圆盘的后部,目的是便于圆盘先入土。由新的单圆盘式开沟器的前进方向与圆盘面之间有一个夹角,所以开沟器在滚动的同时会做侧向滑移,使地面形成一个断面为半椭圆形的沟。新的单圆盘式开沟器的护板与靴子式开沟器相似,它和圆盘共同作用形成新的单圆盘式开沟器,开出的沟底十分平整,没有凸尖。
种沟的宽度为
其中,B为单圆盘切出的沟宽,随圆盘入土深度而变化。
式中H —圆盘入土深度;
R —圆盘半径;
α —圆盘与前进方向的夹角。
护板入土部位的外形与圆盘的外形相似,由其形成的沟槽宽C在不同入土深度基本不变,即
由此可知,单圆盘开沟器的沟槽宽与圆盘半径R 、牵引偏角 α 有关,且随着入土深度的加深而加宽,但沟底形状不变。
对于覆土器,由于小麦所需覆土量不大,所以选用简单的转盘式覆土器( 见图5) ,以节约成本。
1.安装螺纹2.爪型转盘3.固定方柱
安装螺纹用来将转盘式覆土器固定在覆土器安装柱上,爪型转盘可以绕固定方柱旋转,这样更加便于将两侧的土覆盖到小麦种上。
3 工作原理
3. 1 排种器的工作原理
排种器通过电磁振动来进行排种,如图6 所示。当电磁铁产生变化的电磁力作用于排种盘后,由于排种盘由弹簧片支撑,因而产生振动; 这时排种盘通过振动把来自种箱的种子向前推送; 当种子到达分流盘分流孔时,盘的振动使架空的种子振落、分流,落入集种器回收; 剩下的种子继续向前移动,种子到达分流盘出口时,落入接器种,经排种管播到田里。
1.漏斗2.接种盘3.分流盘4.接种器5.拍种管6.集种器7.电磁铁8.弹簧
3. 2 整机的工作原理
播种前,先在漏斗里放入需要播种的小麦种; 然后,根据农艺对小麦播种量的要求,在排种器上安装相应的分流盘; 调节振动频率( 接近共振频率为最佳) 、振幅大小( 电流大小) ,调好播种量,即可下田播种。播种时,播种机前进的同时打开控制盒开关,在底板下方的4 个开沟器开出4 条沟,小麦种子通过漏斗进入排种盘,电磁振动使其向前运动,到达分流盘。部分种子在分流孔分流,由集种器回收; 而另一部分种子经接种器、排种管播入开好的沟中,完成开沟和播种[7]。最后,转盘式覆土器通过拖动、旋转将两侧的土覆盖到小麦种上,从而将开沟、播种、平土一次性完成。
4 性能试验与结果
4. 1 试验基本条件与要求
柴油机选用功率为3 ~ 5k W; 发电机选用输出电压14V、输出功率500W无刷式小型硅整流发电机; 开沟器选用锄式锐角开沟器; 覆土器选用转盘式覆土器。试验地为平整的开阔地,年平均降水量550mm左右; 土壤质地为壤土,坚实度为( 237. 5 × 104) Pa; 土壤含水率为9. 5% ( 0 ~ 5cm) 和10. 6% ( 5 ~ 10cm) 。选用普通小麦种作为小型电磁振动式小麦播种机的性能试验材料。播种要求: 开沟器能顺利开沟; 排种器能高效、快速、低能耗地将小麦种顺利从排种管排下; 覆土器能把90% 以上的小麦种覆土成功[8]。
4. 2 试验结果
共进行7 次不同测试试验,每次试验小麦种0. 5kg,最后结果取平均值,测定结果如表1 所示。
由试验可知: 该小型电磁振动式小麦播种机播种质量高、速度快、成本低、安全可靠、适应不同田间要求,且能有效减少能耗; 同时,可以将开沟、播种、平土一次性完成,大大简化了小麦播种时的生产流程,有利于进一步提高播种效率,填补了目前市场上小型小麦播种机性能的不足,可在小型农厂、农业个体户等场合广泛地推广应用[9]。
5 结论
1 ) 与同等量的小麦种采用其他播种方式来比,电磁振动播种机播种速度较快,能耗较低。
2 ) 该小型电磁振动式小麦播种机的开沟器和覆土器的设计,简化了生产流程,便于农民抢农时。通过安装螺纹拆装开沟器和覆土器,方便了更换和维修。
3 ) 把小型电磁振动式小麦播种机的主体部分设计成类似于拖拉机的形式,能实现机器的前进( 前进踏板) 、后退( 后退踏板) 和转弯( 方向盘和差速器) 等功能,可充分适应不同情况下播种机的驾驶需求。
4 ) 由于依靠电磁振动播种调好之后,只需很小的电流就能产生较大的共振,用来播种,所以该小型电磁振动式小麦播种机所需的能耗较普通播种机低。
参考文献
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电磁振动器 篇7
斗式电磁振动给料器是轻工、电子产品自动加工和装配系统的一种供料装置,具有上料速度快、定向整列性能优良、工作平稳可靠和结构简单的特点。目前国内给料器产品主要有偏心电机和电磁铁两种振方式。因电磁铁安装和控制更为方便,电磁给料器的应用更为广泛。但由于物料体积、重量和摩擦系数的不同,该给料器的料斗结构、重量和驱动振幅对送料速度有很大影响[1,2]。
本研究主要通过分析振幅、振动方向角和料斗的料槽升角对送料速度的影响,为料斗设计提供理论依据。
1 电磁振动给料器的组成及给料原理
1—料斗;2—主振板弹簧;3—罩壳;4—橡胶弹簧垫;5—底座;6—磁铁线圈;7—托板;8—衔铁
斗式电磁振动给料器可以看成是二自由度二质体的强迫振动系统[3,4],它由料斗、主振弹簧、电磁铁线圈、衔铁、托板、减振弹簧和底座组成(如图1所示)。料斗1的内壁带螺旋槽,底部呈锥型,料斗的下部通过托板7与4组主振弹簧2相联,主振弹簧的下部联接在底盘5上,托板底下面中部,固定着衔铁8,电磁铁的铁心和线圈6安装在底盘中间,底盘下面安装减振橡胶垫4。其工作原理是:利用铁芯和衔铁之间的脉冲电磁力,驱动主振弹簧沿圆周切线方向向斜下方运动,同时主振弹簧储存势能。当磁力消失后,主振弹簧释放能量,使料斗沿切线方向向斜上方运动。如此反复,料斗不断沿主振弹簧切线方向作往返运动,相当于料斗作垂直振动和扭转振动相叠加的组合振动。因物料和料斗料道之间摩擦力的变化,使料斗中杂乱堆放的物料沿周边的螺旋滑道上升并进行自动定向排列[5]。
2 电磁振动给料器的力学模型
因减振弹簧的刚度远小于主振弹簧刚度,为简化计算,该给料器可看成单自由度有阻尼强迫振动系统[6]。设m为料斗质量,r为阻尼因数,k为弹簧系数,X为料斗位移,Psinωt为电磁铁激振力。根据机械振动理论,振动方程为:
求解方程得:
X=A1e-αtsin(ωt+θ1)+Asin(ωt+θ)
上式第1项属于有阻尼自由振动,将随着时间的推移和阻尼作用而逐渐消失,最后只剩下第2项,即X=Asin(ωt+θ)。
因为衔铁固定在料斗底部,料斗的位移为X=Asin(ωt+θ),给料器就是在该振动的作用下实现自动给料。
3 电磁振动给料器的平均给料速度
根据料斗的位移X=Asin(ωt+θ),可导出料斗工作面的速度和加速度公式为:
v=ωAcos(ωt+θ), a=-ω2Asin(ωt+θ)。
把加速度分解为平行料斗工作面和垂直工作面的两个分量ax和ay:
ax=acosβ,ay=asinβ (2)
式中 β—振动方向角。
设所输送的物料的重力为mg,物料与料斗间的摩擦力为F,α为料槽的平均螺旋升角。根据物料在料槽中的受力情况,可建立物料沿料槽滑移的微分方程:
工件对料斗工作面的正压力N为:
F=-Nμ
式中 μ—物料与料斗工作面间的摩擦系数。
当料斗向右下方运动时,惯性力的垂直分量与其重力方向相反,减少了物料与料斗间的摩擦阻力,当惯性力的水平分量超过物料与料斗间的摩擦阻力时,物料开始相对于料斗向前滑动,这时对应的相位角φk称为滑始角,物料向前滑动一小段距离后,滑移结束,此时对应相位角φm称为滑止角。滑移开始的瞬时,物料相对工作面的加速度
根据式(2)、式(3)、式(4)可得:
其中,“+”对应反向滑移,“-”对应正向滑移。
滑移开始的瞬时,
由φk=ωtk+θ求得正向滑移的起始时间tk。
对式(5)积分,可得出相对速度:
根据滑移终止条件
滑移平均速度为:
4 主要参数的确定
由式(6)可知,输送速度主要受振动频率ω、振幅A、振动方向角β、料斗的平均螺旋升角α、物料与料斗工作面摩擦系数μ的影响。电磁振动给料器采用调压调幅的工作方式,频率ω保持不变,摩擦系数μ取决于物料和料道的材料和表面物理特性,当物料和料道确定后,μ值不变。所以只需分析振幅A、振动方向角β、料槽的平均螺旋升角α的确定方法。
4.1 振幅A
给料器工作方式有滑移给料和抛掷给料两种。振幅大小不仅影响给料速度,而且还影响给料方式,为了使三极管在输送过程中不产生相互撞击,避免损坏三极管,故采用滑移方式给料。
工件在料槽上连续滑移,有两种情况:
(1) 当料斗在电磁力的作用下向右下方运动时,这时A大于临界值A1,才能使物料在惯性力mω2A1sin(ωt+θ)的作用下产生滑移,所以要使物料产生滑移,A不能小于临界值A1。该临界值可通过以下方法求得:
在滑移开始的瞬时,
(2) 当A增大并且料斗在弹簧力作用下向左上方运动时,若A大于某一临界值时A2,物料将产生向下滑移。同理,可求得临界值A2:
(3) 当A继续增大,若超过另一临界值A3时,物料的运动方式将改变,产生抛掷运动。抛掷运动由于料道向右下方运动时,料道突然离开工件,这时N≤0,因抛掷开始的瞬时,
mgcosα-mω2A3sin(βωt+θ)sinβ≤0
所以,要使物料获得连续滑移(只有正向滑移,没有反向滑移)运动,必须使A1<A<A2<A3。
4.2 振动方向角β
在其他条件不变的情况下,要使物料滑移速度最大,可将平均速度
(-sinβ+μcosβ)=0
β=tg-1μ
4.3 料斗的料槽升角α
料槽升角α是料槽工作面与水平面的夹角,α越小,送料速度越快,α越大,工件滑移越困难,送料速度越慢。但α太小,会使料斗直径增大,而且α越小,使相邻料槽的间距也越小,容易使物料卡在料槽中。通常料槽间距大于物料最大尺寸,对于圆形料斗,通常取α=1°～3°。
另外,摩擦系数μ虽不是给料器的设计参数,但它对料斗设计也有很大影响,它是确定振动方向角的依据,又影响振幅和给料速度,它取决于物料和料槽的材料及表面物理特性。
5 结束语
为使料斗参数设计合理,根据对料斗力学模型的建立与分析,导出电磁振动给料平均速度的计算公式,并对该公式中影响给料速度的3个参数进行分析,提出最佳振幅、振动方向角和料槽平均升角的确定依据。
由式(1)可知,振幅的大小与电磁振动给料器的重量、激振力、主振弹簧的刚度和阻尼系数有关,而激振力的大小又与电磁铁的气隙、电压等因素有关,所以最佳振幅也成为上述参数的设计依据。
如果给料器的参数选择适当,可使工件在不产生抛掷条件下,连续地沿着料槽滑移,既可获得平稳的运动,又能获得较高的给料速度,这就是本研究追求的设计目标。
参考文献
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电磁振动器 篇8
微机电系统 (MEMS) 技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业, 在几乎所有领域中, 包括煤机设备、汽车、航空、航天、环境监控等, 采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等都有着十分广阔的应用前景。围绕MEMS技术正在兴起一个巨大的产业[1]。
目前, 典型的电子产品方便使用的同时也存在着电源运行费用高、循环周期短的问题, 而且电子产品大部分重量被电源占据。所以减轻系统重量、延长电池运行寿命的需求已经对微动力发电系统的发展提出了更大的挑战。如果这项技术能够成功应用于煤矿上, 将给目前不景气煤矿行业节约很大成本。
振动能量在人们日常生活、生产环境中广泛存在, 如井下设备产煤过程中各种机械的振动, 工业生产中设备运转时引起设备自身和厂房振动, 各类输送管道的振动, 汽车、火车等交通工具行驶过程中会产生振动, 以及路面和列车轨道的受迫振动, 家用电器工作时会产生微弱的振动。
1 研究现状
1) 2007年英国University of Southampton的SP Beeby等[2]研制了动圈式振动发电机, 机构总体尺寸0.15 cm3, 在固有频率52 Hz附近, 振幅0.59g, 外接负载4 kΩ, 发电机输出功率达46μW, 结构如图1所示。
采用悬臂梁拾振机构, 线圈固定在梁自由端, 两个永磁铁NS极相对, 在气隙中形成近似均匀磁场, 线圈振动产生动生电动势。此种结构仅能收集到固有频率附近的振动能量, 对振动频率随时间变化的环境的适应性较差。
2) 山东理工大学咸化彩等[1]2008年研制一种永磁体内置发电机, 结构如图2所示。
1.壳体2.非导磁连接件3.绕组4.永磁体5.弹簧6.非导磁弹簧座7.整流桥8.超级电容9.引线10.电阻
采用典型的弹簧振子机构, 结构简单、使用方便。采用铁氧体永磁材料, 尺寸为直径14 mm, 长度18 mm, 剩磁0.495 T, 在外部振动为2 H时, 最大输出电压12 V, 输出电压经整流后, 可用于多种低压供电系统。
3) 2009年University of Michigan, USA的Tzeno Galchev等[3], 针对低频大振幅的环境, 研制的发电机, 结构图如图3所示, 系统总体积3.74 cm3, 当输入信号时, 将输出最大功率288μW, 平均功率5.8μW。
工作原理:中部质量块和弹性膜组成低频机构, 上部和下部由磁铁和弹性膜组成高频振动机构, 环境中的低频振动信号引起低频机构的共振, 当质量块运动接近上下磁铁时, 对磁铁产生激励作用, 引起上下高频机构的自由振动。
其创新之处在于收集环境中的低频振动, 经机构转换成高频振动, 从而提高转换效率。
4) 2003年国内重庆大学温中泉[4]提出一种方案, 拾振机构如图4所示, 这种机构优点是在第一、二、三阶模态下, 都能产生感应电动势, 即能收集到一、二、三阶固有频率附近的能量, 从而扩大响应频宽。
拾振机构尺寸:在4.1 mm×4.1 mm面积内, 梁宽200μm, 厚50μm, 质量块1 mm×1 mm×1 mm, 其一阶固有频率为103 Hz, 二阶固有频率为236 Hz, 三阶固有频率为238 Hz[6]。采用开路测试, 外部激励振幅为50μm时, 感应电压在100 m V以上的激励频率范围为118~126 Hz、205~213 Hz。两个频带值相差太大, 机构对环境振动响应频带不连续。
综合以上研究可知, 国内外学者对电磁式能量采集装置做了大量的研究, 提出了多种机构, 实现了振动能向电能的转换。
3 存在的困难和面临的挑战
虽然做了大量的微型电磁式振动能量采集器的研究, 但是要进一步发展, 仍需克服诸多困难和挑战。环境振动通常是由一系列不同频率的振动信号组成, 在不同场合振动信号差异是非常大的, 当前研究中的电磁式振动能量采集器, 其拾振机构只可收集固有频率附近的振动, 远离固有频率的振动获取能力弱。即使宽带响应机构, 频率范围是固定的, 对于超出其频带范围的振动信号响应微弱。当前研究的结构存在对环境的适应性较差, 振动能向电能转换效率低下等问题。
1) 建模仿真问题。目前, 采用现有的电磁场分析软件建立3D模型对电磁式振动能量采集器进行分析仍存在很多不足, 仿真结果精度不高, 对模型性能预测有较大偏差, 这方面有待提高。
2) 结构性能优化问题。为实现微型电磁式振动能量采集器的实用化和产业化, 尤其是在特大型矿井煤机设备上使用, 安全系数要求高, 必须要求输出稳定的电压和功率, 如何在小尺度下提高输出功率和输出电压, 对器件的结构和性能进行优化, 仍然需要进一步研究。
3) 微操作与微装配问题。微型电磁式振动能量采集器结构复杂, 零件尺寸小, 微型线圈的制作目前工艺还不成熟。另外微型零件的精确装配对人工操作要求很高。但是现有装配技术不成熟, 很难实现按设计要求精密装配, 引起仿真结果的误差。
4 结语
国内外各研究机构对电磁式微型振动发电机的研究, 实现了把环境中的振动能转换成电能。环境中的振动是复杂的, 如何在小体积的前提下, 设计一种高效换能结构, 并且能适应多种复杂环境, 将是接下来重点需要研究的内容。
摘要：介绍了国内外微型电磁式振动能获取装置的研究意义、现状和进展, 综述了各个研究单位所研制的发电装置的结构特点和性能, 分析了不同拾振结构的优缺点, 总结了微型电磁式振动能获取装置面临的挑战和发展趋势。
关键词：电磁式振动,发电装置,拾振结构,获取装置
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