專利名稱：電磁地震勘測(cè)振動(dòng)器系統(tǒng)和方法
電磁地震勘測(cè)振動(dòng)器系統(tǒng)和方法相關(guān)申請(qǐng)的相互引用本申請(qǐng)要求享有于2009年3月16日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/160，405的利益和優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)通過(guò)引用方式被完全納入本文，并且構(gòu)成本文的一部分。
背景技術(shù)：
如本領(lǐng)域已知的，連續(xù)振動(dòng)法(vibroseis)是在探測(cè)地震學(xué)(exploration seismology)中使用的方法，用來(lái)在一個(gè)持續(xù)時(shí)間段內(nèi)將能量信號(hào)傳播進(jìn)大地，與由沖擊源 (諸如爆炸物或重物下落卡車(chē))提供的近似瞬時(shí)能量不同。以這種方式記錄的數(shù)據(jù)可被關(guān)聯(lián)，以將持續(xù)的源信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖。通常，所述信號(hào)由安裝在一個(gè)移動(dòng)基底單元上的伺服控制的液壓振動(dòng)器或振動(dòng)機(jī)單元產(chǎn)生。使用地震波來(lái)探測(cè)石油儲(chǔ)量或其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)和/或地球的異?，F(xiàn)象的技術(shù)正變得相當(dāng)復(fù)雜。這項(xiàng)工作的關(guān)鍵是需要一個(gè)力、頻率和相位能夠得到準(zhǔn)確控制的高保真度的地面振動(dòng)機(jī)。目前，液壓振動(dòng)機(jī)在該行業(yè)占主導(dǎo)地位。這些設(shè)備可被安裝在卡車(chē)上以獲得移動(dòng)性。通常，對(duì)于液壓振動(dòng)機(jī)，小的機(jī)械致動(dòng)器控制高壓力的液壓流體流動(dòng)，以向基板(base plate)施加正弦壓縮力。使用這樣的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)大的力。然而，液壓振動(dòng)機(jī)存在一些缺點(diǎn)。使用液壓流體會(huì)在泄漏和溢出方面引起環(huán)境問(wèn)題。此外，液壓振動(dòng)機(jī)相對(duì)響應(yīng)緩慢，這會(huì)導(dǎo)致降低輸入信號(hào)的保真度。因此，期望有能夠克服本領(lǐng)域中的挑戰(zhàn)(其中一些如上所述)的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本文描述了電磁系統(tǒng)的實(shí)施方案，所述電磁系統(tǒng)可用于替代致動(dòng)物塊(mass)運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)液壓油系統(tǒng)。本文所述的實(shí)施方案提供了寬頻率范圍工作、具有高保真度的地面力(ground force)應(yīng)用以及小的環(huán)境影響。本文描述的實(shí)施方案可用于地震探測(cè)及連續(xù)振動(dòng)應(yīng)用，還有其他用途。附加優(yōu)點(diǎn)將在以下的說(shuō)明中部分給出，或者可通過(guò)實(shí)踐得知。這些優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)尤其在隨附權(quán)利要求中指出的元件和其組合被實(shí)現(xiàn)和獲得。應(yīng)理解，上文的總體說(shuō)明和下文的詳細(xì)說(shuō)明僅是示例和解釋性的，不像權(quán)利要求是限制性的。


包含在本說(shuō)明書(shū)中且構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)一部分的附圖示出了一些實(shí)施方案，并且與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋所述方法和系統(tǒng)的原理。圖1示出了安裝在卡車(chē)上的電磁振動(dòng)器(vibrator)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案，包括電源、控制系統(tǒng)和換能器(transducer)；圖2示出了換能器的一個(gè)示例實(shí)施方案；圖3是換能器的一個(gè)實(shí)施方案的截面圖；圖4進(jìn)一步示出了導(dǎo)致?lián)Q能器的一個(gè)實(shí)施方案運(yùn)動(dòng)的磁力；
圖5示出了逆變器方案的電學(xué)示意圖的一個(gè)實(shí)施方案，該逆變器方案可用于產(chǎn)生 AC電能以及控制電磁振動(dòng)器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案；圖6示出了來(lái)自逆變器的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)可與鋸齒波結(jié)合以產(chǎn)生期望的正弦波；圖7A和7B示出了來(lái)自如圖5中所示的逆變器的實(shí)施方案的仿真輸出和實(shí)際輸出；圖8A-8C示出了仿真模型的一個(gè)示意圖；圖8D示出了一個(gè)控制示意圖；圖8E示出了一個(gè)掃描力(swe印force)控制圖；圖8F示出了振動(dòng)器電學(xué)波形；圖8G是譜功率密度(spectral power density)的一個(gè)圖表；圖8H是反應(yīng)塊(reaction mass)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)圖表；圖81和8J是隨機(jī)相位地面力(ground force)比較的圖表；圖8K和8L是隨機(jī)相位譜功率比較的例示圖；圖8M和8N是隨機(jī)振幅地面力比較的例示圖；圖80和8P是隨機(jī)振幅譜功率比較的例示圖；圖8Q、8R和8S是針對(duì)固定頻率掃描的譜功率圖的例示圖；圖9A是適于大沖程的電磁振動(dòng)機(jī)(shaker)的一個(gè)例示圖；圖9B是反并聯(lián)連接兩個(gè)線圈與兩個(gè)線圈中的一個(gè)短路相比將在較高頻率下產(chǎn)生較大電感的一個(gè)例示圖；圖9C是用于從鋼結(jié)構(gòu)上的固定場(chǎng)繞組產(chǎn)生提升力的幾何結(jié)構(gòu)(geometry)的一個(gè)例示圖；圖9D是對(duì)于沿圖10-4中的突出顯示部分的各個(gè)位置當(dāng)電流形成提升力時(shí)產(chǎn)生的力的一個(gè)例示圖；圖9E是對(duì)于沿圖10-5中的突出顯示部分的各個(gè)位置當(dāng)電流形成向下力時(shí)產(chǎn)生的力的一個(gè)例示圖；圖9F是對(duì)于恒定電流，力隨位移變化的一個(gè)例示圖；圖9G是基準(zhǔn)設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)的一個(gè)例示圖；圖9H是對(duì)優(yōu)化過(guò)程中干擾的變量的一個(gè)例示圖；圖91是被構(gòu)建為用于將優(yōu)化變量鏈接至問(wèn)題幾何結(jié)構(gòu)的三維表面的一個(gè)例示圖；圖9J示出了要求在一個(gè)區(qū)域上涂抹(smear)電流的磁優(yōu)化；圖9K示出了作為β的函數(shù)的電流密度乘數(shù)，其中β代表由dc (穩(wěn)態(tài)重量)分量構(gòu)成的總力負(fù)載的比例；圖9L示出了優(yōu)化的設(shè)計(jì)尺寸；圖9M示出了在最大激勵(lì)時(shí)針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)圖；圖9N示出了使用兩個(gè)并聯(lián)電路的電樞線圈布圖；圖90示出了 dc提升線圈(lift coil)被最佳布置在電樞堆棧(stack)的中心；圖9P示出了穿過(guò)電樞間隙(gap)的中間的磁場(chǎng)；
圖9Q(a)、(b)和(c)示出了電流密度如何隨頻率以及在銅補(bǔ)償器存在的情況下變化的示意圖；圖9R示出了針對(duì)具有相等電樞線圈激勵(lì)(225Hz，最大激勵(lì))的薄補(bǔ)償器和厚補(bǔ)償器的功率和電壓需求；圖9S示出了用來(lái)代表電樞電路的等效梯形網(wǎng)絡(luò)；圖9T示出了對(duì)電樞的功率消耗建模的梯形等效電路的性能；圖9U示出了計(jì)算dc場(chǎng)和ac電樞激勵(lì)下的力的瞬時(shí)分析；圖9V示出了將兩列磁體放置在電樞間隙的任一側(cè)；圖9W示出了在磁體激勵(lì)下遠(yuǎn)離電樞間隙的泄漏場(chǎng)；圖IOA示出了絕緣系統(tǒng)的熱撓曲(heat deflection)溫度和玻璃轉(zhuǎn)變(glass transition)溫度；圖IOB示出了一個(gè)絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)；圖1IA示出了一個(gè)EMV基準(zhǔn)設(shè)計(jì)；圖1IB示出了一個(gè)鋼反應(yīng)塊；圖IlC示出了一個(gè)EMV基板；圖IlD 示出了場(chǎng)線圈(field coils)；圖 IlE 示出了 EMV 力線圈(force coils)；圖1IF示出了其他EMV部件；圖IlG示出了附有力線圈的EMV基板；圖IlH示出了在放置到頂部反應(yīng)塊鋼之前的場(chǎng)線圈；圖IlI示出了在放置銅圈之前的外部鋼鑄件；圖IlJ示出了在放置銅圈之前的中心鋼鑄件；圖IlK示出了插有基板的EMV反應(yīng)塊；圖1IL示出了 EMV基板導(dǎo)向軸承；圖12A示出了控制系統(tǒng)的一個(gè)框圖；圖13A示出了放置有新部件的Merts卡車(chē)；圖1 示出了 Merts卡車(chē)的俯視圖；圖13C示出了 Merts卡車(chē)的側(cè)視圖；圖14A示出了在動(dòng)態(tài)分析中使用的地和基板的一個(gè)有限元模型；圖14B是在靜態(tài)分析中使用的地和基板的有限元模型的一個(gè)細(xì)節(jié)視圖，其示出了負(fù)載施加區(qū)域；圖14C示出了在靜態(tài)分析中使用的基板的一個(gè)有限元網(wǎng)(mesh)；圖14D示出了在靜態(tài)分析中使用的基板的有限元網(wǎng)的一個(gè)放大圖；圖14E示出了在正弦負(fù)載向上施加的過(guò)程中上升離地的基板；圖14F示出了在動(dòng)態(tài)分析中遇到的最大Von Mises應(yīng)力——該應(yīng)力是14. 3ksi ；圖14G示出了在基板的上圓柱形部分中遇到的最大Von Mises應(yīng)力——該應(yīng)力是 7. 5ksi ；圖14H示出了在靜態(tài)分析中來(lái)自橫向負(fù)載的最大Von Mises應(yīng)力；圖141示出了來(lái)自橫向負(fù)載的橫向撓曲；
圖14J示出了具有加固肋的改型基板；圖15A示出了乙二醇水溶液的沸騰溫度和凍結(jié)溫度(ASHRAE手冊(cè))；圖15B示出了一個(gè)場(chǎng)線圈冷卻設(shè)計(jì)；圖15C示出了一個(gè)電樞提升線圈和補(bǔ)償板冷卻設(shè)計(jì)；圖15D示出了一個(gè)針對(duì)場(chǎng)線圈的有限元熱模型網(wǎng)；圖15E示出了針對(duì)提升線圈和補(bǔ)償板的有限元熱模型網(wǎng)；圖15F示出了一個(gè)場(chǎng)線圈穩(wěn)態(tài)(steady state)溫度分布(使用平均冷卻劑溫度)；圖15G示出了一個(gè)場(chǎng)線圈穩(wěn)態(tài)溫度分布(使用出口冷卻劑溫度)；圖15H示出了一個(gè)提升線圈穩(wěn)態(tài)溫度分布(使用平均冷卻劑溫度)；圖151示出了一個(gè)提升線圈穩(wěn)態(tài)溫度分布(使用出口冷卻劑溫度)；圖15J示出了一個(gè)補(bǔ)償板穩(wěn)態(tài)溫度分布(使用平均冷卻劑溫度)；圖15K示出了一個(gè)補(bǔ)償板穩(wěn)態(tài)溫度分布(使用出口冷卻劑溫度)；圖16A示出了空氣間隙中的一個(gè)磁場(chǎng)圖；圖16B示出了在IOHz的P麗的一個(gè)電流檢出(check out)；圖16C示出了在50Hz的PWM轉(zhuǎn)換器的一個(gè)檢出；圖17A示出了添加在基板和反應(yīng)塊之間的彈簧；圖17B示出了一個(gè)處于完全下降位置的振動(dòng)器；圖17C示出了一個(gè)處于完全上升位置的振動(dòng)器；圖17D示出了用0. 125英寸管重新設(shè)計(jì)的導(dǎo)體；以及圖17E示出了一個(gè)具有Roebel TM配置的導(dǎo)體。
具體實(shí)施例方式在公開(kāi)和描述本方法和系統(tǒng)之前，應(yīng)理解，所述方法和系統(tǒng)不限于特定的綜合方法、特定的部件或者具體的成分(compositions)。還應(yīng)理解，此處使用的術(shù)語(yǔ)僅用于說(shuō)明具體的實(shí)施方案，而不意在限制。如說(shuō)明書(shū)和隨附的權(quán)利要求中使用的，單數(shù)形式的“一(a，an) ” “該(the) ”包括復(fù)數(shù)指稱物，除非上下文清楚做出相反指示。本文中的范圍可被表示為從“大約”一個(gè)特定值和/或到“大約”另一個(gè)特定值。當(dāng)表示這樣一個(gè)范圍時(shí)，另一實(shí)施方案包括從該一個(gè)特定值和/或到該另一個(gè)特定值。類(lèi)似地，當(dāng)通過(guò)使用先行詞“大約”將值表示為近似值時(shí)， 應(yīng)理解，該特定值構(gòu)成另一實(shí)施方案。還應(yīng)理解，每個(gè)范圍的端點(diǎn)無(wú)論關(guān)聯(lián)于另一端點(diǎn)還是獨(dú)立于另一端點(diǎn)都是有意義的。“可選的”或“可選地”意味著接下來(lái)描述的事件或狀況可以發(fā)生也可以不發(fā)生， 從而本說(shuō)明書(shū)既包括所述事件或狀況發(fā)生的情形，也包括所述事件或狀況不發(fā)生的情形。在本申請(qǐng)的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括(comprise) ”以及其變體，諸如其現(xiàn)在進(jìn)行時(shí)(comprising)和第三人稱單數(shù)(comprises)，意味著“包含但不限于”，并且不意在排除例如其他附加物(additives)、部件、整數(shù)(integers)或步驟?！笆纠?exemplary)” 意味著“其中一個(gè)例子”，并且不意在表明是優(yōu)選或理想的實(shí)施方案?！爸T如”不以限制含義使用，而是用于解釋目的。
公開(kāi)了可用于實(shí)施所公開(kāi)的方法和系統(tǒng)的部件。這些部件和其他部件都被公開(kāi)在本文中，并且應(yīng)理解當(dāng)這些部件的組合、子集(subsets)、相互作用、組(groups)等被公開(kāi)時(shí)，盡管可能沒(méi)有明確公開(kāi)對(duì)這些部件中的每個(gè)各種個(gè)體的和集體的組合與排列，但應(yīng)認(rèn)為它們每一個(gè)都已針對(duì)所有方法和系統(tǒng)被具體設(shè)想到和描述。這適用于本申請(qǐng)的所有方面，包括但不限于所公開(kāi)的方法中的步驟。由此，如果存在多個(gè)可被執(zhí)行的附加步驟，則應(yīng)理解，這些附加步驟中的每一個(gè)都可與所公開(kāi)的方法的任何具體的實(shí)施方案或?qū)嵤┓桨傅慕M合一起來(lái)執(zhí)行。通過(guò)參照下文對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明及其中包括的實(shí)施例，以及參照附圖和它們的在先和在后說(shuō)明，可以更加容易理解本方法和系統(tǒng)。此處描述了電磁振動(dòng)器的系統(tǒng)和方法。如圖1所示，在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)電磁振動(dòng)器系統(tǒng)可包括電源202、控制系統(tǒng)204和換能器206。圖1的實(shí)施方案可選地被示為安裝在卡車(chē)上的配置，并且進(jìn)一步包括一個(gè)用于發(fā)電的原動(dòng)機(jī)(prime-mover) 208。圖2示出了換能器306的一個(gè)示例實(shí)施方案，其總體包括反應(yīng)塊302和基板304。圖3是換能器306的一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。如該圖所示，場(chǎng)繞組(field windings) 402被嵌入在反應(yīng)塊302內(nèi)。場(chǎng)繞組402中的場(chǎng)繞組電流形成一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與由電樞繞組404中的電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)反應(yīng)，電樞繞組404與基板304相聯(lián)。通過(guò)改變所述場(chǎng)繞組電流和/或所述電樞繞組電流的方向、頻率或大小(振幅)中的一個(gè)或多個(gè)， 所述基板和/或所述反應(yīng)塊可以沿向上或向下方向移動(dòng)。圖4進(jìn)一步示出了使換能器306的一個(gè)實(shí)施方案運(yùn)動(dòng)的磁力。如圖4所示，磁力致使反應(yīng)塊302和/或基板304(圖4中僅示出了該基板的一部分)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。電樞繞組電流(I) 502產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與由場(chǎng)繞組402中的場(chǎng)繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)(Bk)相互作用。在一個(gè)實(shí)施方案中，電樞繞組電流可以是正弦變化的電流。通過(guò)改變所述電樞繞組電流的方向、振幅或頻率中的一個(gè)或多個(gè)，可以控制由所述電樞繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。一方面，電樞繞組包括Roebel TM繞組或其他形式的換位繞組(transposed windings)，如本領(lǐng)域已知的。一方面，所述場(chǎng)繞組電流可以是直流(DC)。在一個(gè)示例實(shí)施方案中，振動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生60，000磅力(lbf)。一方面，它可具有 6-150HZ的動(dòng)態(tài)范圍。一方面，振動(dòng)塊或反應(yīng)塊可包括16，000磅重(Ibm)，并且所述基板可包括3，000磅重?；仡檲D1，在一個(gè)實(shí)施方案中可以提供電源。盡管如從公用電網(wǎng)(utility grid) 可獲得的電力電源被設(shè)想為處于此處所述的實(shí)施方案的范圍內(nèi)，但是一方面，可以提供例如驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)(prime-mover)，諸如內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)。通常，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流 (AC)電。一方面，發(fā)電機(jī)可以是單相的。另一方面，發(fā)電機(jī)可以是多相的，諸如三相，如本領(lǐng)域已知的。圖5示出了逆變器方案的電學(xué)示意圖的一個(gè)實(shí)施方案，該逆變器方案可用于產(chǎn)生 AC電以及控制電磁振動(dòng)器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案。如圖5中所示，所述逆變器通常包括二極管橋和功率晶體管。在這個(gè)實(shí)施方案中，使用了絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，但是本領(lǐng)域已知的其他功率晶體管也被設(shè)想為處于所述發(fā)明的實(shí)施方案的范圍內(nèi)。一方面，由于大的功率需求，二極管和/或功率晶體管可以并聯(lián)工作。通過(guò)功率晶體管的工作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)過(guò)負(fù)載的電流(以及電壓極性)的方向和持續(xù)時(shí)間的控制。
8
圖5的逆變器的輸出可用作換能器的電樞繞組的輸入，以控制所述換能器的工作。例如，參照?qǐng)D6可以看到，來(lái)自逆變器(諸如圖5中所示的逆變器)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(用*表示)可與鋸齒波(用+號(hào)表示)結(jié)合，以產(chǎn)生期望的正弦波(用·■表示)。該正弦變化的電流可用作換能器(電樞繞組)的輸入，從而致使所述換能器的反應(yīng)塊以正弦方式向上或向下運(yùn)動(dòng)。通常，與液壓振動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)的相比，該電磁換能器的實(shí)施方案的反應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)具有更高的保真度，從而對(duì)連續(xù)振動(dòng)分析施加較少的諧波。圖7A和7B示出了來(lái)自如圖5中所示的逆變器的實(shí)施方案的仿真的和實(shí)際的電壓輸出和電流輸出。在此處所述的一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)電磁振動(dòng)器系統(tǒng)包括:AC電源，其由內(nèi)燃機(jī)諸如柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)；功率單元，其能夠向電磁換能器提供所需的電驅(qū)動(dòng)；電磁換能器系統(tǒng)，其將電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化為待被傳遞到大地中的機(jī)械振動(dòng)；以及控制和傳感電路，其確保傳輸進(jìn)大地中的能量如實(shí)地代表了期望的輸出。在一個(gè)方面，該系統(tǒng)的一個(gè)所描述的實(shí)施方案可以輸出一般的線性和非線性的連續(xù)振動(dòng)掃描、以及為多源獲取記錄而設(shè)計(jì)的特殊的隨機(jī)掃描， 以及輸出60，000磅力的持續(xù)完全地面力(sustained full ground foree)，該地面力具有在完全地面力的_3dB點(diǎn)定義的大約4Hz的下端頻率以及在完全地面力的_3dB點(diǎn)定義的至少125Hz的上端頻率。電磁振動(dòng)器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案具有下列參數(shù)低失真；4Hz到 225Hz能力；從4Hz到125Hz的60，000磅力的輸出；從125Hz到225Hz的力漸弱(force taper)；大約16，500磅的反應(yīng)塊；大約4，707磅重的基板；線性、非線性及特殊的隨機(jī)連續(xù)振動(dòng)掃描；為持續(xù)工作而冷卻的水(或其他液體)；以及大約6英寸到6又3/4英寸的總沖程。實(shí)施例提出了下面的實(shí)施例，以向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員提供關(guān)于如何制造和評(píng)估此處所要求保護(hù)的化合物、成分、物品、設(shè)備和/或方法的完整公開(kāi)和說(shuō)明，并且這些實(shí)施例純粹是示例性的，不意在限制本方法和系統(tǒng)的范圍。已經(jīng)努力確保數(shù)值方面(例如，量、溫度等) 的準(zhǔn)確性，但是應(yīng)考慮到一些誤差和偏差。除非另有說(shuō)明，份數(shù)指的是重量份數(shù)，溫度的單位是。C，壓力是大氣壓或近似大氣壓。仿真建模為了提供一種用于對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電學(xué)和機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)估的工具，采用了仿真碼 (simulation code) 0所述碼是使用Simulink TM軟件實(shí)現(xiàn)的，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的，所述軟件包括電能區(qū)塊元件(block elements) 0 Simulink TM采用圖形編程環(huán)境，使得仿真布圖(layout)是視覺(jué)上可見(jiàn)的，并且被用來(lái)例示下列討論。該仿真模型的結(jié)構(gòu)被示出在圖8A-8C中。頂層模塊(top modular blocks)包括一個(gè)可以于其中設(shè)置運(yùn)行參數(shù)(rim parameters)的區(qū)塊(block)掃描時(shí)間、起始和終止頻率、部件質(zhì)量(component masses)、大地模型彈簧常量以及阻尼常量等等。這些常量被輸入至另一區(qū)塊，該另一區(qū)塊建立了針對(duì)反應(yīng)塊和基板的初始機(jī)械條件。該仿真的另一部分(section)(圖8B)使用初始條件，連同關(guān)于反應(yīng)塊和基板的實(shí)際算得運(yùn)動(dòng)的信息，以及關(guān)于振動(dòng)器的電學(xué)信息，來(lái)計(jì)算被施加的電磁力，并計(jì)算由大地產(chǎn)生的作用于基板的力。大地模型包括彈簧和阻尼器，它們聯(lián)接至基板，總體托住重量。用于仿真的彈簧常量被設(shè)置為，要么建模一個(gè)硬粘土表面，要么建模一個(gè)較軟的響應(yīng)表面諸如沙地。磁力模塊既包括力線圈(force coil)中的電流又包括力線圈相對(duì)于基板的位置。以這樣的方式，在模型中包括了力產(chǎn)生的空間依賴性，其是由有限元分析(FEA)提供的。另外，采用雙向彈簧模型來(lái)尋找諧波失真效應(yīng)。該大地模型針對(duì)受壓的大地使用硬彈簧常量，并且當(dāng)大地從受壓狀態(tài)釋放時(shí)使用較小的常量。第三個(gè)碼部分(圖8C)包括振動(dòng)器控制模塊、AC發(fā)電機(jī)原動(dòng)力、整流器，該整流器接收發(fā)電機(jī)功率并且給DC鏈路電容器充電。對(duì)于該仿真，鏈路電壓是650V。參照?qǐng)D8C，控制器向PWM逆變器發(fā)送一個(gè)需求電壓信號(hào)(demand voltage signal)，該P(yáng)WM逆變器在振動(dòng)器力線圈的輸入端產(chǎn)生需求電壓。所述PWM模塊采用如下的算法，該算法不需要使用實(shí)際的開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體閘流管(thyristors)就能產(chǎn)生真實(shí)的輸出電壓脈沖。該P(yáng)WM架構(gòu)是全H橋。近來(lái)的運(yùn)行針對(duì)該P(yáng)WM使用12kHz的切換頻率。實(shí)際的振動(dòng)器負(fù)載被初始建模為簡(jiǎn)單的電感器和電阻器。更近期的運(yùn)行采用了電感器和電阻器的更復(fù)雜的梯形網(wǎng)絡(luò)，以獲得在該振動(dòng)器設(shè)計(jì)中采用的被動(dòng)補(bǔ)償方案 (passive compensation scheme)的動(dòng)態(tài)。該電學(xué)建模是非常詳細(xì)的，并且包括非線性元件以產(chǎn)生力，以及PWM切換頻率效應(yīng)。A.振動(dòng)器控制器說(shuō)明圖8D中示出了該控制架構(gòu)的框圖。該框圖具有一個(gè)將反應(yīng)塊從初始休止位置提升至如下高度的模塊，在該高度，力線圈在DC磁空氣間隙中居中。這是振動(dòng)掃描開(kāi)始的起始點(diǎn)。該提升模塊使用開(kāi)環(huán)算法來(lái)產(chǎn)生對(duì)該起始位置的提升力。即，使用提升位置-時(shí)間曲線(lift position versus time profile)來(lái)產(chǎn)生力需求。所使用的曲線不具有初始或最終速率。它具有如下形式AST=爭(zhēng){l-cos(;r"")}對(duì)于 t < At(1 — 1)該提升模塊產(chǎn)生一個(gè)電流需求信號(hào)。仿真結(jié)果表明，用該提升算法不會(huì)產(chǎn)生起始位置過(guò)沖(over-shoot)。一旦完成提升，該模塊繼續(xù)產(chǎn)生力需求，該力需求供給足夠的力來(lái)補(bǔ)償作用在反應(yīng)塊上的重力。即，該模塊產(chǎn)生力來(lái)使反應(yīng)塊懸浮起來(lái)。掃描控制模塊接受一個(gè)包含需求力的文件作為輸入，所述需求力是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。到目前為止，這些文件包括線性掃描、隨機(jī)相位掃描以及隨機(jī)振幅掃描。所述模塊采用前饋部件和反饋部件來(lái)產(chǎn)生電流需求信號(hào)。圖8E中示出了掃描控制結(jié)構(gòu)的一個(gè)框圖。需求力直接饋入前饋模塊。通過(guò)使用位置積分控制器(position-integral controller)，從需求力和實(shí)際力之間的差產(chǎn)生一個(gè)附加的電流指令。把這兩個(gè)指令相加， 以產(chǎn)生一個(gè)總的電流指令。已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)如下方式可以幾乎完全實(shí)現(xiàn)反應(yīng)塊的位置控制選擇反應(yīng)塊的初始起始位置，以及附加地，在需求力被初始化之前的0. Is內(nèi)向反應(yīng)塊施加一個(gè)初始速率。尤其已發(fā)現(xiàn)，該初始速率在限制運(yùn)動(dòng)范圍方面非常有效。這在分析論證中得到了支持。通過(guò)需求力表的二重積分，所述初始位置和速率被輕易確定。這是在剛要掃描之前完成的，以在控制器中設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)。所述總的電流指令(其是來(lái)自提升模塊和掃描模塊的指令之和) 被輸入至電流控制模塊。所述電流控制模塊的架構(gòu)與圖8E中的相似。該指令電流產(chǎn)生一個(gè)前饋電壓指令以及一個(gè)反饋電壓指令。總的電壓指令被輸出，作為發(fā)送至該P(yáng)WM的電壓需求信號(hào)，該P(yáng)WM然后產(chǎn)生到振動(dòng)器力線圈的輸入電壓。
10
B.總體性能該仿真編碼被用來(lái)產(chǎn)生如下主要系統(tǒng)部件的電學(xué)性能特征發(fā)電機(jī)、PWM以及振動(dòng)器。采用以2. 5Hz起始并達(dá)到225Hz的具有20s持續(xù)時(shí)間的線性掃描。地面力振幅是 60，000磅。圖8F示出了該仿真振動(dòng)器的電學(xué)波形。負(fù)載功率在掃描結(jié)束時(shí)增加至接近300kW。峰值電流水平總是小于3. 2kA，并且峰值電壓為500V。圖8G中示出了地面力譜功率密度。地面力隨頻率而增大，反映出力控制器的增益特性。這是通過(guò)改變控制器而可修正的。力控制增益在較高頻率導(dǎo)致比所需求的更多的輸出。這導(dǎo)致輸出功率在200Hz時(shí)高了大約ldB。該譜相當(dāng)平坦，顯示所述功率在4Hz時(shí)下降小于3dB。圖8H中示出了反應(yīng)塊針對(duì)該掃描的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的總范圍稍小于6英寸。使用初始位置和速率脈沖的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制使反應(yīng)塊的任何推遲漂移(late time drift)保持為小。C.掃描變化電磁振動(dòng)器的實(shí)施方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，其有能力以良好的保真度跟蹤復(fù)雜的需求曲線圖。線性掃描的情況已在上文進(jìn)行討論。還可利用更加復(fù)雜的波形。在一個(gè)方面，仿真兩個(gè)不同類(lèi)型的需求波形。一個(gè)其中波形相位隨時(shí)間而隨機(jī)變化(隨機(jī)相位掃描)的曲線圖。另一個(gè)是其中波形振幅以隨機(jī)方式變化(隨機(jī)振幅掃描) 的曲線圖。對(duì)于隨機(jī)相位掃描，峰值振幅被保持為大約60，000磅。圖81和8J分別示出了需求的地面力和實(shí)際產(chǎn)生的地面力的圖。圖8K和8L示出了對(duì)于這兩個(gè)波形(需求的和實(shí)際的)的譜功率之間的比較。圖8L示出了一個(gè)較小的頻率范圍，以顯示振動(dòng)器輸出對(duì)需求信號(hào)的良好跟蹤。圖8M和8N以及圖80和8P示出了針對(duì)隨機(jī)振幅情況的相似結(jié)果。再次，譜功率比較是良好的。為了獲得關(guān)于大地模型非線性如何可以在振動(dòng)器地面力輸出中產(chǎn)生諧波失真的信息，采用雙向彈簧模型(上文已述)。彈簧常量的變化被設(shè)為4 1。彈簧常量還被設(shè)置為仿真沙地條件，即，較軟的彈簧常量。然后在固定頻率對(duì)40，000磅力的掃描進(jìn)行仿真。 即，輸出被設(shè)置為單頻的(monochromatic)。6Hz、25Hz和125Hz的頻率值被仿真。圖8Q、8R和8S示出了針對(duì)所有三種情況的譜功率圖。在6Hz和25Hz的掃描中沒(méi)有觀察到諧波。在125Hz情況中觀察到非常低振幅的第二和第三諧波。對(duì)于所有運(yùn)行，THD 基本為零。磁分析和設(shè)備優(yōu)化A.地磁振動(dòng)機(jī)地磁振動(dòng)機(jī)(geomagnetic shaker)應(yīng)具有振動(dòng)大質(zhì)量經(jīng)過(guò)大沖程的能力。圖9A 示出了適合用于該任務(wù)的設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)施方案[2-4]。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以針對(duì)場(chǎng)線圈具有DC電源，并且針對(duì)產(chǎn)生AC的電樞線圈具有分立的PWM電源。在一個(gè)方面，電樞繞組中的DC繞組產(chǎn)生提升，但是在其他方面，來(lái)自PWM的De分量穿過(guò)所有電樞線圈以產(chǎn)生提升。 在另一個(gè)實(shí)施方案中，PWM產(chǎn)生AC電樞電流的DC偏移(offset)以提供該提升。在一個(gè)方面，僅有一個(gè)電樞電路，并且所有的線圈都是串聯(lián)的。場(chǎng)線圈攜帶dc電流，并且電樞既攜Sac電流又?jǐn)y帶dc電流。該線圈上的電壓需求可以不可接受地升高，除非采用如下兩個(gè)措施之一。第一個(gè)措施是在電樞線圈的任一側(cè)放置一個(gè)被動(dòng)銅(passive copper)(注銅鍍)帶。感應(yīng)電流的相位與電樞中的電流的相位基本相反。第二個(gè)選項(xiàng)是在中心以及外磁極(pole)上卷繞一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)的第二繞組。該所謂的主動(dòng)(active)補(bǔ)償器僅在其遮住電樞線圈時(shí)是有效的。由此，其具有兩個(gè)消極特征在涉及較大沖程時(shí)不能進(jìn)行補(bǔ)償； 以及，對(duì)安裝有場(chǎng)線圈安裝的相同結(jié)構(gòu)增加了運(yùn)行電樞電流的構(gòu)造難度。在考慮是使用被動(dòng)補(bǔ)償器還是主動(dòng)補(bǔ)償器的取舍上，實(shí)際上存在一個(gè)更加根本方面，其與理論限制有關(guān)。B.被動(dòng)補(bǔ)償與主動(dòng)補(bǔ)償相比，被動(dòng)補(bǔ)償在較高頻率可以具有較低電感。圖9B示出了可以在兩個(gè)線圈上執(zhí)行的一個(gè)設(shè)想試驗(yàn)，以支持該論述。為了簡(jiǎn)化該分析，考慮L1 = !^且隊(duì)=&的情況。在角頻率為ω時(shí)，跨越圖9Β(a) 中的兩個(gè)線圈的電壓為
權(quán)利要求
1.一種用于地震勘測(cè)應(yīng)用的電磁振動(dòng)器，包括電源；換能器；以及控制系統(tǒng)，其中所述換能器能夠向地震勘測(cè)結(jié)構(gòu)施加高達(dá)50，000磅力或更大的力，以提供用于地震探測(cè)的連續(xù)振動(dòng)掃描。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中所述換能器進(jìn)一步包括反應(yīng)塊、基板、場(chǎng)繞組以及電樞繞組，并且所述換能器具有至少5英寸的沖程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁振動(dòng)器，其中所述反應(yīng)塊是大約16，500磅，所述基板是大約4，707磅，并且所述換能器具有大約6英寸到6又3/4英寸的沖程。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁振動(dòng)器，其中所述電樞繞組中的電樞繞組電流產(chǎn)生電樞繞組磁場(chǎng)，所述電樞繞組磁場(chǎng)與由所述場(chǎng)繞組中的場(chǎng)繞組電流產(chǎn)生的場(chǎng)繞組磁場(chǎng)相互作用，以使得所述反應(yīng)塊或所述基板運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁振動(dòng)器，其中所述電樞繞組電流是受所述控制系統(tǒng)控制的正弦變化電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁振動(dòng)器，其中所述控制系統(tǒng)控制下列中的一個(gè)或多個(gè) 所述電樞繞組電流的方向、振幅或頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁振動(dòng)器，其中所述場(chǎng)繞組電流是直流(DC)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁振動(dòng)器，其中所述場(chǎng)繞組被一個(gè)或多個(gè)永磁體替代或輔助。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磁振動(dòng)器，其中所述換能器是彈簧輔助的。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁振動(dòng)器，其中所述基板允許在地傳輸點(diǎn)附近施加力，并且提供高硬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中所述電源是發(fā)電機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中所述電源是單相電源。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中所述電源是三相電源。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中所述換能器能夠向地震勘測(cè)結(jié)構(gòu)施加 60，000磅力或更大的力，以在從大約4Hz到大約125Hz的范圍內(nèi)提供用于地震探測(cè)的連續(xù)振動(dòng)掃描。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中所述換能器能夠向地震勘測(cè)結(jié)構(gòu)施加力， 以在從大約4Hz到大約225Hz的范圍內(nèi)提供用于地震探測(cè)的連續(xù)振動(dòng)掃描。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中所述換能器能夠向地震勘測(cè)結(jié)構(gòu)施加力， 以提供用于地震探測(cè)的連續(xù)振動(dòng)掃描，其中所述連續(xù)振動(dòng)掃描可以是線性的、非線性的或者特殊隨機(jī)的連續(xù)振動(dòng)掃描。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電磁振動(dòng)器，其中所述連續(xù)振動(dòng)掃描不能用液壓振動(dòng)器系統(tǒng)執(zhí)行。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中所述換能器進(jìn)一步包括反應(yīng)塊、基板、永磁體以及電樞繞組，其中所述電樞繞組中的電樞繞組電流產(chǎn)生電樞繞組磁場(chǎng)，所述電樞繞組磁場(chǎng)與由所述永磁體產(chǎn)生的永磁場(chǎng)相互作用，以使得所述反應(yīng)塊或所述基板運(yùn)動(dòng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電磁振動(dòng)器，其中所述換能器進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)彈簧，并且所述反應(yīng)塊或所述基板的運(yùn)動(dòng)是彈簧輔助的。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中所述換能器進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)彈簧， 并且所述換能器的運(yùn)動(dòng)是彈簧輔助的。
21.
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中所述換能器被配置為以高保真度再現(xiàn)對(duì)所述控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，其中至少所述換能器為了便攜性被安裝在可移動(dòng)平臺(tái)上。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁振動(dòng)器，進(jìn)一步包括車(chē)輛，其中所述電源、所述換能器以及所述控制系統(tǒng)被安裝在所述車(chē)輛上。
25.一種地震探測(cè)方法，包括用電磁振動(dòng)器執(zhí)行連續(xù)振動(dòng)掃描，其中所述電磁振動(dòng)器包括電源、換能器以及控制系統(tǒng)，并且其中所述換能器能夠向地震勘測(cè)結(jié)構(gòu)施加高達(dá)50，000磅力或更大的力，以提供用于地震探測(cè)的連續(xù)振動(dòng)掃描。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中用所述電磁振動(dòng)器執(zhí)行連續(xù)振動(dòng)掃描包括所述換能器向地震勘測(cè)結(jié)構(gòu)施加力，以在從大約4Hz到大約225Hz的范圍內(nèi)提供用于地震探測(cè)的連續(xù)振動(dòng)掃描。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了電磁系統(tǒng)的實(shí)施方案，所述電磁系統(tǒng)可用于替代致動(dòng)物塊運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)液壓油系統(tǒng)。本發(fā)明公開(kāi)的實(shí)施方案提供了寬頻范圍工作、具有高保真度的地面力應(yīng)用以及小的環(huán)境影響。本發(fā)明公開(kāi)的實(shí)施方案可用于地震探測(cè)和連續(xù)振動(dòng)應(yīng)用，還有其他用途。
文檔編號(hào)G01V1/155GK102428389SQ201080021394
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者B·班克斯基, C·佩尼, D·普拉特, H-P·劉, J·烏戈魯姆, J·猶普肖, K·戴維, R·澤瓦卡, S·曼尼福爾德 申請(qǐng)人:德克薩斯大學(xué)體系董事會(huì)