新型電磁主動吸振器的設計及分析

魏云毅,趙存生,閆政濤,李東昱

(1.海軍工程大學 艦船與海洋學院， 武漢 430033；2.中科振聲(蘇州)電子科技有限公司，江蘇 蘇州 215163)

1 引言

艦船低速巡航時輻射到水中的低頻線譜特征嚴重影響其聲隱身性能，削減低頻振動對艦船綜合能力的提升意義重大。傳統的被動隔振裝置無需外輸能量，設計制造簡單，但其缺乏自適應性，且低頻隔振效果較差。主動吸振技術由控制系統和執行器組成，受控對象被實時監控具有良好的自適應性，能針對性地消除低頻線譜。為提高主動吸振效果前人對控制算法進行了大量的研究，而電磁主動吸振器作為執行器因創新難度較大，而缺少深入研究。

一款性能優良的吸振器應具備控制頻帶范圍寬，結構緊湊，輸出力與自重比大，輸出力與電流的線性度高，工作穩定性強，安裝方便等特點。前人以軸對稱結構吸振器為研究對象，通過調整原有結構特征、選用不同材料、主被動結構組合來優化吸振器性能。以上研究不足之處在于：1.吸振器為了輸出盡可能大的力而難以兼顧體積小巧及輸出力與電流線性度高的標準；2.傳統軸對稱作動器由于結構設計及材料加工工藝的局限性，主體由一體成型軟磁材料組成，導磁體內部形成閉合回路產生渦流，導致作動器在大于150 Hz條件下產生集膚效應，在此背景下吸振器長時間工作將造成局部高溫、永磁鐵退磁、性能降低甚至失效等后果，目前只是通過更換不同的軟磁材料進行改善，但局部高溫影響其工作穩定性的問題仍就沒有實質性解決。新型吸振器通過結構及磁路創新設計，解決了上述問題。

2 理論及分析

2.1 結構設計

吸振器結構如圖1所示，總質量6.21 kg(動子4.52 kg),長、寬、高為89.5 mm×119.6 mm×102 mm。其主要由1.上蓋板、2.定子支撐塊、3.輔助配重、4.上硅鋼、5.上矩形銷、6.主配重、7.永磁鐵、8.“C”型動子扼、9.定子、10銅線圈、11.線圈支架、12.下硅鋼、13.主體外殼、14.下矩形銷、15.定子夾緊塊、16.下蓋板組成，其中作動器由厚度為0.35 mm的硅鋼片堆疊而成。

圖1 吸振器結構示意圖

2.2 工作原理

新型吸振器工作原理如圖2所示，其與自主研發的控制器配合工作時，電磁作動器通交流電，線圈產生的交變磁場，定子兩端隨著交變磁場的變化而呈現N極和S極變化。定子的變化磁極與動子上的永磁鐵磁極相互吸引、排斥，動子模組由于電磁力的作用產生以定子為中軸的往復運動，此期間通過上下彈簧組進行限位，因此吸振器可以提供持續的作動力。

圖2 吸振器工作原理示意圖

2.3 磁路分析

磁路設計合理與否，極大程度上影響著吸振器性能，此型作動器左右結構相同，取模型左邊二分之一(虛線框部分)進行分析。如圖3所示，電磁作動器的磁路由永磁鐵激發的直流磁路和通電線圈激發的交流磁路組成，定子與動子之間的氣隙分為A1，B1，A2，B2。以左上角永磁鐵直流磁路為分析對象，直流磁路由N極發出，經過上硅鋼分為兩條回路：1) 向左進入空氣區域再經過“C”型硅鋼，最后回到S極形成閉合回路；2) 向右進入氣隙A1，經定子后進入氣隙B1，再經過“C”型硅鋼，最后回到S極形成閉合回路。以左邊通電線圈的交流磁路為分析對象，根據右手定則可知交流磁路經過定子進入氣隙B2，再由“C”型硅鋼進入B1，最后回到定子形成閉合回路。

圖3 作動器磁阻劃分及磁路走向示意圖

氣隙磁通表達式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

建立二分之一等效磁路如圖4所示，作動器等效磁路由上、下永磁鐵激發的直流磁路(虛線框部分)與通電線圈激發的交流磁路進行并聯，由于線圈漏磁可忽略不計，因此不予考慮。

圖4 二分之一模型等效磁路圖

其中：-線圈磁通；-永磁鐵磁通；-“C”型動子扼磁阻；4.-定子磁阻；-線圈磁阻；，-氣隙磁阻；-上、下硅鋼磁阻；-永磁鐵磁阻;-永磁鐵漏磁。

2.4 動力學分析

吸振器動力學模型如圖5所示。

(5)

式中：為動子質量，為動子位移，為系統剛度，為阻尼系數，為電磁力。

圖5 吸振器動力學模型示意圖

設為作動力，建立平衡方程可得：

(6)

(-++)exp=exp

(7)

-exp=

(8)

傳遞函數為：

(9)

3 電磁仿真

相較于其他電磁仿真軟件，本文使用的Jmag不僅擁有龐大的材料數據庫，而且具備網格精確劃分及高精度快速計算的優勢。吸振器大致結構已經確定，但仍需進一步對永磁鐵、硅鋼塊、線圈的幾何尺寸進行仿真優化，為了得到更精確的結果，使用Jmag建好模型對網格劃分時，需通過局部細化、多層劃分、集膚效應劃分、尖角細邊特殊化等方式處理。

圖6為二分之一作動器在對應條件下磁通密度分布情況(線圈隱去)，定子及靠近定子部分的硅鋼磁通密度較大，最大值在相應結構的銳邊或尖角。大于150 Hz條件下作動器無集膚效應及相關趨勢，這得益于新型作動器由厚度為0.35 mm硅鋼片堆疊而成，硅鋼片之間存在絕緣涂層不能形成閉合回路產生渦流，因此結構設計解決了傳統軸對稱結構因局部高溫引起工作穩定性差的問題。

圖6 磁通密度分布云圖

圖7為仿真電磁力輸出特性，電磁力隨電流的增大而增大，隨頻率的增大而減小，總體輸出范圍：45.665 N≤≤280.404 N。

圖7 仿真輸出電磁力曲線

4 實驗

如圖8所示，將力傳感器固定在基座上，吸振器通過轉接板固定在力傳感器上。測試頻率為30～210 Hz、電流為1～5 A的工況下輸出力的大小和輸出力與電流的線性度。

圖8 吸振器輸出力特性實驗裝置圖

如圖9所示，作動力輸出特性與電磁力輸出特性保持一致，作動力輸出：45.596 N≤≤280.725 N。實驗數值與仿真數值基本一致，主要區別如表1的(=-)所示：110～150 Hz,1～5 A條件下-≤13.667 N，190～210 Hz，5 A條件下-≤11.856 N。以上差異主要由不同剛度的上下限位彈簧組造成，實際工程應用中可以根據應用的場景，更換不同剛度的彈簧組進行調整。

輸出力與電流的線性度和吸振效果、能量轉化率成正相關，是吸振器性能優劣與否的重要指標之一，其技術難點為30～180 Hz的條件下≥90%。由圖10可知，電流越小輸出力與電流的線性度越高，總體維持在93.58%≤≤98.38%，由此可見新型吸振器具備良好的輸出力與電流的線性度。

圖9 實驗輸出力曲線

表1 輸出力與仿真力差值

圖10 輸出力與電流的線性度與頻率的關系曲線

5 結論

1) 與傳統軸對稱吸振器相比，所設計的新型吸振器具備結構緊湊、輸出力與自重比大、穩定性好、輸出力與電流線性度高的特點。

2) 理論分析誤差僅為6.97%，證實了研究方法的可行性，這對電磁吸振器的設計具有參考價值。