相关申请的交叉引用
本申请要求2018年3月20日提交的美国临时专利申请no.62/645,369的优先权，该专利申请的公开内容以引用的方式整体并入本文。
本文的主题总体上涉及一种用于减少车辆中的振动的力产生器(fg)或致动器的设计和操作。本文的主题更具体地涉及一种宽频宽(widebandwidth)圆周力(circularforce)产生器装置、系统和方法。
背景技术：
为了减少或抵消结构中的振动，在一些类型的机械结构上使用圆周力产生器(cfg)来产生振动载荷。在某些应用中，cfg必须遵循这样的基准：其频率变化迅速和/或在宽范围上变化。然而，在转子加速或减速期间转子惯性可能引起不期望的功率消耗或再生。另外，对于必须在相对高频率下操作的cfg应用，轴承摩擦阻力可能导致进一步的不希望的功率消耗。另外，cfg转子的相对对准可能产生旋转力矩，这在设计成将振动降低到非常低水平的cfg应用中是不期望的。
因此，需要改进的cfg装置、系统和方法，这些cfg装置、系统和方法可操作为在减轻这些影响的同时能控制振动。
技术实现要素：
在一个方面，圆周力产生器包括第一转子组件和第二转子组件。第一转子组件包括：第一旋转轴承，其在第一位置处围绕轴安装；以及第一偏心块，其沿第一轴向远离第一位置而延伸。第二转子组件包括：第二旋转轴承，其在第二位置处围绕轴安装，该第二位置与第一位置沿第一轴向间隔开；以及第二偏心块，其沿第二轴向远离第二位置而延伸，其中，第二轴向与第一轴向相反。第一偏心块和第二偏心块均能够围绕轴旋转以产生组合旋转力。能够选择性地调节第一偏心块与第二偏心块之间的相对角位置，以改变组合旋转力的大小和相位。
在另一方面，圆周力产生器包括第一转子组件，第一转子组件包括：第一旋转轴承，其在第一位置处围绕轴安装；第一偏心块，其沿第一轴向远离第一位置而延伸；以及第一移相轴承，其在第二位置处连接到第一偏心块，第二位置与第一位置沿第一轴向间隔开。该圆周力产生器还包括第二转子组件，第二转子组件包括：第二旋转轴承，其在第二位置处或附近围绕轴安装并且可旋转地联接到第一移相轴承；第二偏心块，其沿第二轴向远离第二位置而延伸，其中，第二轴向与第一轴向相反；以及第二移相轴承，其连接到第二偏心块并且在第一位置处或附近可旋转地联接到第一旋转轴承。第一偏心块和第二偏心块均能够围绕轴旋转以产生组合旋转力。第一偏心块的第一质心围绕轴沿第一路径旋转，第二偏心块的第二质心围绕轴沿第二路径旋转，并且第一路径和第二路径基本上共面。第一移相轴承和第二移相轴承允许选择性地调节第一偏心块与第二偏心块之间的相对角位置，以改变组合旋转力的大小和相位。
在又一方面，产生圆周力的方法包括：将第一转子组件围绕轴安装，第一转子组件包括：第一旋转轴承，其在第一位置处围绕轴安装；以及第一偏心块，其沿第一轴向远离第一位置而延伸。该方法还包括将第二转子组件围绕轴安装，第二转子组件包括：第二旋转轴承，其在第二位置处围绕轴安装，第二位置与第一位置沿第一轴向间隔开；以及第二偏心块，其沿第二轴向远离第二位置而延伸，其中，第二轴向与第一轴向相反。该方法还包括使第一偏心块和第二偏心块围绕轴旋转以产生组合旋转力，以及调节第一偏心块和第二偏心块之间的相对角位置，以改变组合旋转力的大小和相位。
尽管上文已经陈述了本文所公开的主题的一些方面，并且这些方面全部或部分地由本公开的主题实现，但当结合如下文最佳描述的附图进行描述时，其它方面将变得明显。
附图说明
图1a是示例性圆周力产生器的旋转组件的透视侧视图。
图1b是图1a所示的示例性圆周力产生器的旋转组件的剖面透视侧视图。
图2是示例性圆周力产生器的转子组件的透视侧视图。
图3和图4是示例性圆周力产生器的转子组件的透视端视图。
图5是示例性圆周力产生器的局部分解俯视图。
图6是示例性圆周力产生器的两个转子组件的分解侧视图。
图7是安装在壳体中的示例性圆周力产生器的透视侧视图。
具体实施方式
图(也称为“附图”)1a至图7示出了与改进的圆周力产生器、系统和/或方法相关联的各个方面、视图和/或特征。改进的圆周力产生器、系统和/或方法可用于多种减振应用。例如，减振应用可以包括在各种商用车辆(诸如非公路设备、汽车、卡车、船舶、越野装置或施工车辆等)中的座椅。本文所述的改进的圆周力产生器装置和系统使与车辆的操作相关联的振动衰减，使得车辆乘员在车辆中体验到更安全和更柔和的乘坐，而不管车辆的操作状态如何。其它应用包括存在需要被减振的不期望的或过度的振动的任何情况。一个实例是使用本发明来减少航空器座椅上和座椅中的振动。本发明的其它用途可以包括减少由任何发动机推进车辆或驱动机械所产生的振动。示例性平台包括航空器、船舶、工业设备等。
在一些实施例中，本文公开的改进的圆周力产生器装置、系统和方法构造为相对于常规cfg构造提供转子惯性和轴承摩擦阻力的显著减小，并且本架构的一些实施例产生实际上为零的旋转力矩。为了实现这些益处，在一些实施例中，总体上标示为100的cfg装置包括第一转子组件110和互补的第二转子组件120，第一转子组件110和第二转子组件120可以围绕共用轴102一起旋转，但具有相对于彼此可调节的旋转位置。
如图1a至图2所示，在一些实施例中，圆周力产生器装置100的第一转子组件110包括：第一旋转轴承111，其在第一位置p1处围绕轴102安装；以及第一偏心块114，其沿第一轴向d1远离第一位置p1而延伸。在一些实施例中，第一旋转轴承111是精密的、单排的径向滚珠轴承，但本领域的普通技术人员将理解的是，可以使用各种其它轴承类型或构造中的任何一种来满足特定应用的设计考虑。在一些实施例中，第一偏心块114具有相对大的轴向长度l和相对小的半径r，从而与常规的cfg结构相比具有较低的转子惯性。例如，当设计用于这种类型应用的cfg时，使用能够处理给定实施方式所需的载荷的最小轴承是有利的，并且在一些情况下轴承的尺寸限制偏心块的内半径。相反地，也可以期望第一偏心块具有与应用中可以封装的长度一样长的轴向长度。这种长度的优化使第一偏心块在仍然满足质心位置或施力能力的要求的同时第一偏心块的外半径最小化。在一些实施例中，这些设计考虑导致第一偏心块114的轴向长度至少是第一偏心块114的外半径的1.5倍，尽管本领域普通技术人员将认识到，本文公开的构思不限于第一偏心块114的尺寸的任何特定比率。在任何构造中，通过使第一转子组件110的惯性矩减小，使可变速功率消耗和/或再生最小化。
在一些实施例中，第一偏心块114围绕轴102的旋转由第一马达115驱动，第一马达115联接到第一转子组件110并构造成驱动第一偏心块114围绕轴102旋转。在图3至图5所示的一个实施例中，第一马达115是无框环形马达，其具有联接到第一转子组件110的端部的第一马达转子116。在一些实施例中，第一马达转子116是集成到第一转子组件110中的外转式(outrunner)马达的元件。或者，在其它实施例中，第一马达115是附接到第一转子组件110的(环形无框)内转式(inrunner)马达。在任一构造中，无框环形马达的使用有助于消除任何马达轴承摩擦阻力。在一些实施例中，第一马达115选自具有固有低转矩脉动的各种马达类型中的任何类型，这些马达诸如为永磁同步马达(pmsm)、同步磁阻马达(synrm)或交流感应马达(acim)，第一马达115用于最小化由扭转谐波产生的噪声。
在一些实施例中，与第一转子组件110通信的第一位置传感器117构造成识别第一偏心块114相对于轴102的位置。在一些实施例中，第一位置传感器117被用于提供高的角分辨率，从而提高马达效率。参考图3至图5所示的实施例，在一些实施例中，第一位置传感器117是非接触式传感器，其与具有多个第一齿119的第一转速脉冲轮(tonewheel)118相关联，第一齿119安装在第一转子组件110的端部周围，例如在第一旋转轴承111处或附近。在一些实施例中，第一位置传感器117是霍尔效应装置。在该布置中，第一位置传感器117构造为基于第一转速脉冲轮118的感测位置来识别第一转子组件110的位置。第一转速脉冲轮118被设计为具有足够数量的第一齿或目标部119(这取决于第一马达115的马达类型和规格)，以允许有效的马达换向。在一些实施例中，第一转速脉冲轮118结合有第一分度齿119a以提供与第一偏心块114对准的每转一周的分度。在图4所示的一个实施例中，第一分度齿119a设置为两个裂齿以提供这种分度。
在一些实施例中，第二转子组件120构造为具有与第一转子组件110互补的特征。在图1a、图1b和图6所示的实施例中，第二转子组件120具有第二旋转轴承121，第二旋转轴承121构造为在第二位置p2处围绕轴102安装，第二位置p2与第一位置p1沿第一轴向d1间隔开。第二偏心块124沿第二轴向d2远离第二位置p2而延伸，其中，第二轴向d2与第一轴向d1相反。在一些实施例中，第二转子组件120由联接到第二转子组件120的第二马达125驱动，诸如联接到第二转子组件120的端部的第二无框环形马达，并且第二马达125构造成驱动第二偏心块124围绕轴102旋转。在一些实施例中，第二位置传感器127(诸如与第二转速脉冲轮128相关联的霍尔效应传感器等)与第二转子组件120通信并且构造为识别第二偏心块124相对于轴102的位置。在一些实施例中，第二转速脉冲轮128包括多个第二齿或目标部129。在一些实施例中，第二齿129包括一个或多个第二分度齿，第二分度齿在构造上可类似于图4所示的第一转子组件110的第一分度齿119a。
在一些实施例中，如图1a、图1b和图6所示，cfg装置100的元件被布置成使得第二转子组件120相对于第一转子组件110被倒置并与第一转子组件110交错以便一起围绕轴102旋转。如图1a和图1b所示，这种布置包括第一转子组件110和第二转子组件120，它们被定位成使得第一偏心块114和第二偏心块124分别与轴102的公用部分对准并平行于该公用部分延伸。在一些实施例中，第一转子组件110包括第一移相轴承113，第一移相轴承113连接到第一偏心块114并在第二位置p2处或附近可旋转地联接到第二转子组件120，并且第二移相轴承123连接到第二偏心块124并在第一位置p1处或附近可旋转地联接到第一转子组件110。在图1b、图2和图6所示的实施例中，第一转子组件110包括第一轴环112，第一轴环112附接到第一旋转轴承111或者以其它方式定位在第一位置p1处或附近，其中第二移相轴承123构造成围绕第一轴环112安装。第二转子组件120类似地包括第二轴环122，第二轴环122附接到第二旋转轴承121或者以其它方式定位在第二位置p2处或附近，其中第一移相轴承113构造成围绕第二轴环122安装。在这种布置中，第一移相轴承113和第二移相轴承123有助于将第一转子组件110和第二转子组件120联接在一起，并且将这两个元件保持在期望的相对轴向位置，同时允许第一偏心块114和第二偏心块124之间的相对旋转。另外，在一些实施例中，在第一偏心块114沿第一方向d1远离第一旋转轴承111而延伸并且第二偏心块124沿第二方向d2远离第二旋转轴承121而延伸的情况下，偏心块以悬臂布置的方式有效地联接到相应的旋转轴承。在这种布置中，第一移相轴承113和第二移相轴承123有助于去除旋转轴承的径向扭矩。
在这样的实施例中，尽管交错的转子组件包括四个径向轴承，但仅第一旋转轴承111和第二旋转轴承121以操作速度旋转，而第一移相轴承113和第二移相轴承123仅在圆周力大小变化期间以相对低的速度选择性地可旋转。在一些实施例中，第一旋转轴承111和第二旋转轴承121承受所产生的圆周力的径向载荷，而第一移相轴承113和第二移相轴承123承受离心转子力的其余部分。这样，通过减少旋转轴承的数量以及它们承载的载荷，连续的功率消耗和轴承摩擦阻力被最小化。
在一些实施例中，第二转子组件120具有与第一转子组件110的形状和构造相同或基本相同的形状和构造。在一些实施例中，这种相似性或同一性涉及第二旋转轴承121的尺寸、第二移相轴承123的尺寸、第二偏心块124的轴向长度或第二偏心块124的半径中的一者或多者，其中第二旋转轴承121的尺寸、第二移相轴承123的尺寸、第二偏心块124的轴向长度或第二偏心块124的半径分别与第一旋转轴承111的尺寸、第一移相轴承113的尺寸、第一偏心块114的轴向长度或第一偏心块114的半径相同或基本相似。这种构造允许第一转子组件110和第二转子组件120可互换，其中这两个元件之间的唯一区别在于它们在cfg装置100内的相对布置。因此，在一些实施例中，第一转子组件110和第二转子组件120可以由相同的部件编号标识。
不管第一转子组件110和第二转子组件120的具体构造如何，第一偏心块114和第二偏心块124的质心都位于第一位置p1和第二位置p2之间。在一些实施例中，这些质心沿基本共面的路径旋转。也就是说，第一偏心块114的第一质心m1围绕轴102沿第一路径旋转，第二偏心块124的第二质心m2围绕轴102沿第二路径旋转，并且第一路径和第二路径基本上共面。由于两个转子组件的质心的这种基本对准，因此第一偏心块114和第二偏心块124的旋转不产生旋转力矩。
第一偏心块114与第二偏心块之间的相对角位置是可选择性调节的，以改变组合旋转力的大小和相位。在一些实施例中，第一马达115和第二马达125可独立地操作，使得马达中的一个的速度可以至少在瞬变基础上被选择性地改变，以使第一偏心块114和第二偏心块124相对于彼此旋转。在这方面，如果第一马达115和第二马达125中的一个以比额定速度稍快的速度运行，并且第二马达125和第一马达115中的另一个以比额定速度稍慢的速度运行，则第一偏心块114和第二偏心块124相应地移动靠近在一起或进一步分开。因此，旋转系统的总有效偏心距是可调节的，以实现所产生的旋转力的期望大小和相位。例如，偏心块可旋转至中性状态，在该中性状态下，第一偏心块114定位成相对于轴102与第二偏心块124相对。或者，偏心块可旋转至最大偏心状态，在该最大偏心状态下，第一偏心块114和第二偏心块124在轴102的一侧彼此相邻。此外，偏心块可旋转至中性状态与最大偏心状态之间的多个中间位置中的任何一个，以实现期望的旋转力大小和相位。一旦达到期望的偏心距，第一马达115和第二马达125可以以相同的速度运行，使得第一转子组件110和第二转子组件120以相同的频率围绕轴102共同旋转。
参照图5和图7，在一些实施例中，第一转子组件110和第二转子组件120安装在壳体130内，该壳体构造成连接到要控制振动的车辆的车架。在一些实施例中，轴102、第一马达转子116的第一马达定子、第一传感器117、第二马达转子126的第二马达定子和/或第二传感器127中的一者或多者安装于壳体130。
无论具体的构造如何，第一偏心块114和第二偏心块124均可围绕轴102旋转，以产生组合旋转力。在一些实施例中，cfg装置100的这种构造在40hz至90hz的范围内产生200n的力。然而，该构造可容易地缩放，使得第一偏心块114和第二偏心块124的尺寸可调节以获得所需的力。例如，cfg装置100的其它构造可设计成产生200ncfg的大约一半大小的100n的力。
通过考虑本说明书或本文所公开的本发明的实践，本发明的其它实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，前述说明书仅被认为是本发明的示例，并且本发明的真实范围由所附权利要求限定。
1.一种圆周力产生器，包括：
第一转子组件，包括：
第一旋转轴承，其在第一位置处围绕轴安装；以及
第一偏心块，其沿第一轴向远离所述第一位置而延伸；以及
第二转子组件，包括：
第二旋转轴承，其在第二位置处围绕所述轴安装，所述第二位置与所述第一位置沿所述第一轴向间隔开；以及
第二偏心块，其沿第二轴向远离所述第二位置而延伸，其中，所述第二轴向与所述第一轴向相反；
其中，所述第一偏心块和所述第二偏心块均能够围绕所述轴旋转以产生组合旋转力；并且
能够选择性地调节所述第一偏心块与所述第二偏心块之间的相对角位置，以改变所述组合旋转力的大小和相位。
2.根据权利要求1所述的圆周力产生器，其中，所述第一偏心块的第一质心围绕所述轴沿第一路径旋转，所述第二偏心块的第二质心围绕所述轴沿第二路径旋转，并且所述第一路径与所述第二路径基本上共面。
3.根据权利要求1所述的圆周力产生器，包括：
第一马达，其联接到所述第一转子组件并且构造成驱动所述第一偏心块围绕所述轴旋转；以及
第二马达，其联接到所述第二转子组件并且构造成驱动所述第二偏心块围绕所述轴旋转。
4.根据权利要求3所述的圆周力产生器，其中，所述第一马达包括联接到所述第一转子组件的第一无框环形马达；
所述第一转子组件包括第一位置传感器，所述第一位置传感器与所述第一转子组件通信并且构造成识别所述第一偏心块相对于所述轴的位置；
所述第二马达包括联接到所述第二转子组件的第二无框环形马达；并且
所述第二转子组件包括第二位置传感器，所述第二位置传感器与所述第二转子组件通信并且构造成识别所述第二偏心块相对于所述轴的位置。
5.根据权利要求1所述的圆周力产生器，包括：
第一移相轴承，其连接到所述第一偏心块并且在所述第二位置处或附近可旋转地联接到所述第二转子组件；以及
第二移相轴承，其连接到所述第二偏心块并且在所述第一位置处或附近可旋转地联接到所述第一转子组件；
其中，所述第一移相轴承和所述第二移相轴承允许所述第一偏心块和所述第二偏心块之间的相对旋转。
6.根据权利要求1所述的圆周力产生器，其中，所述第二转子组件具有与所述第一转子组件的形状和构造相同的形状和构造。
7.一种圆周力产生器，包括：
第一转子组件，包括：
第一旋转轴承，其在第一位置处围绕轴安装；
第一偏心块，其沿第一轴向远离所述第一位置而延伸；以及
第一移相轴承，其在第二位置处连接到所述第一偏心块，所述第二位置与所述第一位置沿所述第一轴向间隔开；以及第二转子组件，包括：
第二旋转轴承，其在所述第二位置处或附近围绕所述轴安装并且可旋转地联接到所述第一移相轴承；
第二偏心块，其沿第二轴向远离所述第二位置而延伸，其中，所述第二轴向与所述第一轴向相反；以及
第二移相轴承，其连接到所述第二偏心块并且在所述第一位置处或附近可旋转地联接到所述第一旋转轴承；
其中，所述第一偏心块和所述第二偏心块均能够围绕所述轴旋转以产生组合旋转力；
所述第一偏心块的第一质心围绕所述轴沿第一路径旋转，所述第二偏心块的第二质心围绕所述轴沿第二路径旋转，并且所述第一路径和所述第二路径基本上共面；并且
所述第一移相轴承和所述第二移相轴承允许选择性地调节所述第一偏心块与所述第二偏心块之间的相对角位置，以改变所述组合旋转力的大小和相位。
8.根据权利要求7所述的圆周力产生器，包括：
第一马达，其联接到所述第一转子组件并且构造成驱动所述第一偏心块围绕所述轴旋转；以及
第二马达，其联接到所述第二转子组件并且构造成驱动所述第二偏心块围绕所述轴旋转。
9.根据权利要求8所述的圆周力产生器，其中，所述第一马达包括联接至所述第一转子组件的第一无框环形马达；
其中，所述第一转子组件包括第一位置传感器，所述第一位置传感器与所述第一转子组件通信并且构造成识别所述第一偏心块相对于所述轴的位置；
所述第二马达包括联接到所述第二转子组件的第二无框环形马达；并且
所述第二转子组件包括第二位置传感器，所述第二位置传感器与所述第二转子组件通信并且构造成识别所述第二偏心块相对于所述轴的位置。
10.根据权利要求7所述的圆周力产生器，其中，所述第二转子组件具有与所述第一转子组件的形状和构造相同的形状和构造。
11.一种产生圆周力的方法，所述方法包括：
将第一转子组件围绕轴安装，所述第一转子组件包括：
第一旋转轴承，其在第一位置处围绕所述轴安装；以及
第一偏心块，其沿第一轴向远离所述第一位置而延伸；
将第二转子组件围绕所述轴安装，所述第二转子组件包括：
第二旋转轴承，其在第二位置处围绕所述轴安装，所述第二位置与所述第一位置沿所述第一轴向间隔开；以及
第二偏心块，其沿第二轴向远离所述第二位置而延伸，其中，所述第二轴向与所述第一轴向相反；
使所述第一偏心块和所述第二偏心块围绕所述轴旋转以产生组合旋转力；以及
调节所述第一偏心块和所述第二偏心块之间的相对角位置，以改变所述组合旋转力的大小和相位。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一偏心块的第一质心围绕所述轴沿第一路径旋转，所述第二偏心块的第二质心围绕所述轴沿第二路径旋转，并且所述第一路径和所述第二路径基本上共面。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，旋转所述第一偏心块包括通过联接到所述第一转子组件的第一马达驱动所述第一偏心块围绕所述轴的旋转；并且
旋转所述第二偏心块包括通过联接到所述第二转子组件的第二马达驱动所述第二偏心块围绕所述轴的旋转。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一马达包括联接到所述第一转子组件的第一无框环形马达；
所述第一转子组件包括第一位置传感器，所述第一位置传感器与所述第一转子组件通信并且构造成识别所述第一偏心块相对于所述轴的位置；
所述第二马达包括联接到所述第二转子组件的第二无框环形马达；并且
所述第二转子组件包括第二位置传感器，所述第二位置传感器与所述第二转子组件通信并且构造成识别所述第二偏心块相对于所述轴的位置。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述第一转子组件安装到所述轴包括在所述第二位置处或附近将连接到所述第一偏心块的第一移相轴承可旋转地联接到所述第二转子组件；并且
将所述第二转子组件安装到所述轴包括在所述第一位置处或附近将连接到所述第二偏心块的第二移相轴承可旋转地联接到所述第一转子组件；
所述第一移相轴承和所述第二移相轴承允许所述第一偏心块和所述第二偏心块之间的相对旋转。
技术总结