電磁式主動吸振器磁場結構優化設計

【基礎理論與應用研究】

電磁式主動吸振器磁場結構優化設計

刁愛民，楊慶超

(海軍工程大學 科研部，武漢430033)

摘要：建立了電磁式主動吸振器磁場優化模型，對初步確定結構尺寸的磁場進行了仿真分析；在此基礎上，以提高吸振器的力密度和材料利用率，減小漏磁通為優化目標，以永磁體高度、永磁體半徑和導磁板厚度為優化變量，對磁場結構進行了優化設計，在相同體積下，優化后的主動吸振器最大輸出力由150 N提升至178 N。

關鍵詞：電磁式；主動吸振器 ；磁場結構優化

作者簡介：刁愛民(1980—)，男，高級工程師，主要從事艦船裝備維修保障研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.037

中圖分類號：TN514

文章編號：1006-0707(2015)09-0149-05

本文引用格式：刁愛民，楊慶超.電磁式主動吸振器磁場結構優化設計[J].四川兵工學報，2015(9):149-153.

Citation format:DIAO Ai-min, YANG Qing-chao.Electromagnetic Active Vibration Magnetic Structure Optimization[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(9):149-153.

Electromagnetic Active Vibration Magnetic

Structure Optimization

DIAO Ai-min, YANG Qing-chao

(Office of Research and Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract:An magnetic field simulation optimization model was established and the initial size magnetic field was analyzed. In order to improve the force density and material utilization of the vibration absorber, reduce the leakage flux, the magnetic field structure was optimized via modifying parameters including the height and radius of the permanent magnet and the thickness of magnetizer. In the same volume, the maximum output power of the active vibration absorber increased from 150 N to 178 N.

Key words: electromagnetic; active vibration absorber; magnetic structure optimization

隨著科學技術的發展，人們對振動噪聲控制的要求越來越高，主動吸振器由于在寬頻范圍內均具有良好的吸振效果而備受青睞[1-5]。電磁式主動吸振器通過改變勵磁線圈的電流改變電磁彈簧的電磁剛度，從而改變吸振器固有頻率，具有結構緊湊、安裝方便、調諧迅速的特點，具有廣闊的應用前景[6-7]。電磁結構是主動吸振器的核心組成部分，其設計及相關參數的選取關系到主動吸振器能否按照控制器的要求執行相應的輸出，對主動吸振器的性能具有重要影響[8]。為能夠設計出結構緊湊，輸出力大的電磁式主動吸振器，本文對磁場結構開展了優化設計研究。

1主動吸振器磁路結構設計

電磁式吸振器的磁路結構有動圈式和動磁式兩種，為保證系統的可靠性，本文采用動磁式磁路結構。主動吸振器的物理模型如圖1所示，可歸納為受電磁激勵作用下的單自由度受迫振動問題，其中m為動子質量，X為動子質量的位移，k為彈簧剛度，c為阻尼，Fa為洛倫茲力，Ft為主動吸振器總的輸出力。系統的振動微分方程為

(1)

主動吸振器的總輸出力Ft為洛倫茲力、彈簧力和阻尼力的合力，可以表示為

(2)

即，輸出力Ft完全由動子質量產生的慣性力提供。

(3)

圖1　主動吸振器物理模型

主動吸振器的輸出力和洛倫茲力關系曲線如圖2所示。當頻率比等于1時，系統中的彈力、阻尼力及慣性力都很大；當ω/ωn?1時，輸出力和洛倫茲力的比值近似為1，即輸出力基本上完全由洛倫茲力提供。

圖2　輸出力與洛倫茲力關系曲線

通電線圈在磁場中受洛倫茲力的作用，大小可表示為

Fa=BgIl

(3)

式(3)中，Bg為氣隙中的磁感應強度，I為導線中流過的電流，l為磁場中導線的有效長度。將式(3)代入到式(2)中，可得

(4)

結合基爾霍夫電壓定律，可推導出作動力Ft與線圈輸入電壓U的傳遞關系，如式(5)所列

(5)

本文采用3級永磁體串接的磁路結構形式，如圖4所示，τp為兩極之間的中心距離，τm為永磁體的實際寬度，τf為極靴寬度τf=τp-τm，g為動圈磁靴和線圈內表面間距，hw為繞線圈厚度，rm為極靴半徑，rmm為永磁體半徑，ri為線圈內表半徑，rs為定圈內表半徑，re為定圈外表半徑，hy為定圈厚度。

圖4　主動吸振器的磁路模型

2磁場結構仿真模型

因主動吸振器磁路結構具有軸對稱性，簡化后的分析模型如圖5所示。磁路主要由永磁體、上部導磁板、中間導磁板、下部導磁板、線圈保持架、線圈以及導磁外筒等組成。上下導磁板、中間導磁板以及導磁外筒為電工純鐵DT4，線圈保持架選用不導磁的鋁合金材料，線圈材料選用銅材。該主動吸振器選用釹鐵硼N48作為永磁材料，其標稱參數如表1所列。為了使永磁磁力線向線圈聚集，相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反，因此4個線圈要產生合力，相鄰兩個繞組的通電方向也必須相反，如圖6所示。

圖5　簡化后的主動吸振器磁路仿真模型

圖6主動吸振器磁路

牌號剩磁Br/mT矯頑力Hcb/(klA·m-1)內稟矯頑力Hcj/(kA·m-1)最大磁能積(BH)max/(kJ·m-3)最高工作溫度Tw/℃N481380～1420≥835≥876366～39080

電工純鐵主要起導磁、聚磁的作用，將永磁體產生的磁場導向線圈，線圈通電后，產生安培力，其反作用力驅動主動吸振器動子運動。DT4材料的直流磁化曲線如圖7所示，由圖可知，當磁密大于1.6T以后，材料開始進入飽和，磁導率下降明顯，聚磁能力也隨之下降。

圖7　電工純鐵DT4直流磁化性能

根據技術要求，初步確定主動吸振器物理尺寸如圖8所示，針對初步確定的模型尺寸展開結構磁場有限元分析。在主動吸振器有限元分析中，剖分單元采用一階三角元，為了滿足計算精度的同時降低計算量，主動吸振器網格劃分如圖9所示，由圖可知，氣隙周圍網格設置較密，其他部位網格設置較疏，為模擬無窮遠邊界，設定邊界條件為氣球邊界。

圖8　主動吸振器尺寸

圖9　主動吸振器網格剖分

3磁路結構參數優化

磁路結構參數優化的目標是提高吸振器的力密度和材料利用率，減小漏磁通，本文設計了3個優化方案，如圖10所示。

圖10　磁路結構優化方案

1) 保證上下2塊DT4和N48尺寸不變，改變中間1塊永磁體以及2塊導磁板的厚度。一方面，增加永磁體高度，可以增加漏磁通的磁阻，減小漏磁通，另一方面，增加永磁體高度會導致導磁板變薄，飽和程度加深，磁導率下降，增加漏磁通，優化方案圖圖10(a)所示。因此，永磁體高度、導磁板厚度關系必然存在最優解。

設中間2塊導磁板的厚度為c，永磁體厚度即為35-2c，其他結構的參數不變。對c進行參數化掃描，范圍為0.5～17 mm，步長為0.5 mm，線圈電流為10 A，結果輸出為動子所受的電磁力。圖10(a)中的約束關系為

(6)

電磁力隨幾何變量c的關系如圖11所示，當導磁板的厚度為10.1 mm時，電磁力達到最大，約為152.6 N。

2) 增加永磁體直徑，那么永磁體離線圈越近，漏磁路變窄，因此漏磁阻變大，也可達到減小漏磁通的目的，優化方案如圖10(b)所示。設所有永磁體半徑為d，其他結構的參數不變。對d進行參數化掃描，范圍為40～43 mm，步長為0.1 mm，線圈電流為10 A，結果輸出為動子所受的電磁力。圖10(b)中的約束關系為

c1=c2=c3=c4=c5=c6=d

(7)

電磁力隨幾何變量d的關系如圖12所示，永磁體半徑越大，輸出的電磁力越大，當永磁體半徑為42.9 mm時，電磁力達到最大，約為177 N，比原有方案提高了27 N，主動吸振器力密度提升接近20%。

圖11　電磁力隨幾何變量 c之間的關系

圖12　電磁力隨幾何變量 d的關系

3) 將優化方案1和優化方案2綜合，進行多變量協同優化，優化方案如圖10(c)所示。設所有永磁體半徑為d，中間2塊導磁板的厚度為c，那么永磁體厚度為35-2c，其他結構的參數不變。現在對c、d進行參數化掃描，c范圍為0.5～17 mm，步長為0.5 mm，d范圍為40～43 mm，步長為0.1 mm，線圈電流為10 A，結果輸出為動子所受的電磁力。圖10(c)中的約束關系為

(3)

使用ANSOFT/MAXWELL11 2D計算了1 054個不同c、d排列組合的有限元模型，導出其電磁力，得到電磁力與c、d的關系如圖13所示，為了方便觀察本文給出了電磁力的等值線圖，如圖14所示，由圖可知，當c=9 mm，d=43時，電磁力取得極大值177.9 N，這一極值與優化方案2的結果相當接近。

圖13　電磁力隨幾何變量 c、 d的關系

圖14　電磁力等值曲線

其中優化前后磁力分布線如圖15所示，由圖可知，優化后，主動吸振器上中下3塊永磁體的漏磁都有所減少，有更多的磁力線與線圈交鏈，單位電流產生的電磁力增大。

圖15　優化前后磁力線對比

4結束語

為能夠設計出結構緊湊，輸出力大的電磁式主動吸振器，本文對電磁式主動吸振器的主要結構部件磁場結構開展了優化設計研究。建立了電磁式主動吸振器磁場優化模型，以提高吸振器的力密度和材料利用率，減小漏磁通為優化目標，以永磁體高度、永磁體半徑和導磁板厚度為優化變量，對磁場結構進行了優化設計，在相同體積下，優化后的主動吸振器最大輸出力由150 N提升至178 N，為電磁式主動吸振器的工程應用提供了有效指導。

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(責任編輯楊繼森)