振動(dòng)臺(tái)漏磁屏蔽應(yīng)用研究

汪 榮，晏效鋒

（中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065）

振動(dòng)臺(tái)漏磁屏蔽應(yīng)用研究

汪 榮，晏效鋒

（中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065）

根據(jù)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的工作原理，詳細(xì)分析電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)磁路結(jié)構(gòu)及漏磁場的來源，通過進(jìn)行測量分析，并提出一種有效的漏磁場屏蔽措施。

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)；磁路結(jié)構(gòu)；漏磁場；屏蔽

引言

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)工作原理實(shí)際是電磁感應(yīng)原理，“電動(dòng)”的含義是指振動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生的激振力是由恒定磁場和內(nèi)裝線圈通以高交變電流相互作用的結(jié)果。振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)時(shí)就需要很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，且由于振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)的特殊性，因此振動(dòng)臺(tái)工作時(shí)臺(tái)面上必定存在漏磁場，這種磁場的強(qiáng)度對(duì)于儀表、陀螺、伺服加計(jì)等磁場敏感試件會(huì)產(chǎn)生干擾。

本文提出基于振動(dòng)臺(tái)磁路結(jié)構(gòu)而采取相應(yīng)的接地和屏蔽等措施，來降低臺(tái)面上的漏磁強(qiáng)度，以消除漏磁對(duì)儀表、陀螺、伺服加計(jì)等磁場敏感試件的干擾。

1 振動(dòng)臺(tái)工作原理

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的基本工作原理是基于載流導(dǎo)體（即動(dòng)圈）在磁場中受到電磁力的安培定律。由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的恒定磁場和位于磁場中通有一定交變電流的動(dòng)圈相互作用而產(chǎn)生交變的激振力。動(dòng)圈所受電磁力與動(dòng)圈中的電流、動(dòng)圈在磁場中的有效長度以及動(dòng)圈所處磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。電磁力的方向用左手定則決定，如圖1所示。

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的推力為：

式中，B為環(huán)形氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度（Wb/m2）；

l為動(dòng)圈繞線的有效長度；

I為動(dòng)圈中電流。

圖1 電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)工作原理示意圖

2 磁路結(jié)構(gòu)和漏磁場產(chǎn)生原理

2.1 磁路結(jié)構(gòu)

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)主要由活動(dòng)系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)線圈和工作臺(tái)）、磁路系統(tǒng)、彈性支撐系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)及冷卻裝置等組成?；顒?dòng)系統(tǒng)是指在帶有工作臺(tái)面的骨架上繞制驅(qū)動(dòng)線圈，并用環(huán)氧樹脂將兩者固封在一起的組合件，通常亦稱之為動(dòng)圈。磁路系統(tǒng)通常由勵(lì)磁線圈、導(dǎo)磁體及工作氣隙組成。構(gòu)成磁路的導(dǎo)磁體通常用低碳鋼或工業(yè)純鐵制成。工作氣隙的作用在于放置驅(qū)動(dòng)線圈，并提供線圈運(yùn)動(dòng)必須的強(qiáng)磁場?，F(xiàn)在大部分電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)都采用的是雙磁路結(jié)構(gòu)（見圖2），即兩組勵(lì)磁線圈繞組分別置于工作磁隙的上下兩側(cè)，在工作磁隙的磁場相互疊加，而在工作臺(tái)面上的磁場相互抵消。由于雙磁路工作氣隙中磁通密度沿軸向可對(duì)稱分布，因而也有利于改善波形的失真度。

針對(duì)工作氣隙在上方振動(dòng)臺(tái)的磁路結(jié)構(gòu)（工作氣隙在上方的漏磁比工作氣隙在下方的漏磁要大），一般制造商會(huì)采用消磁線圈進(jìn)行消磁，主要是利用消磁線圈產(chǎn)生與漏磁方向相反的磁場，可抵消大部分漏磁的影響，但是沒有被消磁線圈抵消掉的磁場還是對(duì)電子儀表、陀螺、伺服加計(jì)等磁場敏感試件產(chǎn)生干擾。合理選擇消磁線圈的位置及其匝數(shù)，可將臺(tái)面周圍的漏磁限制在最小限度。

消磁線圈安匝計(jì)算方法為：

式中，B為工作臺(tái)面的允許的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度；

I為消磁線圈中的電流；

W為消磁線圈的匝數(shù)；

l為消磁線圈的寬度；

b為工作臺(tái)面厚度；

a為消磁線圈中心與動(dòng)圈中心軸線間的距離。

2.2 振動(dòng)臺(tái)漏磁場產(chǎn)生原理

在振動(dòng)臺(tái)工作時(shí)，磁場分為兩個(gè)部分，一是恒定磁場部分，它由勵(lì)磁線圈中的直流電流激發(fā)產(chǎn)生；二是交變磁場部分，它由勵(lì)磁線圈中的交變成分以及動(dòng)圈驅(qū)動(dòng)電流激發(fā)產(chǎn)生。如果包圍勵(lì)磁線圈和動(dòng)圈的外部材料的材質(zhì)是連續(xù)的、均勻的，則材料的磁感應(yīng)線將被約束在材料中，磁通是平行于材料表面的（如圖3所示），幾乎沒有磁感應(yīng)線從振動(dòng)臺(tái)表面穿出，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面沒有磁場，但是，由于振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)的特殊性，振動(dòng)臺(tái)的骨架材料材質(zhì)不是連續(xù)，且有縫隙（安裝孔和工作氣隙），所以就會(huì)存在材料表面缺陷，而缺陷的磁導(dǎo)率小，磁阻很大，使磁路中的磁通發(fā)生畸變，磁感應(yīng)線流向會(huì)發(fā)生變化，除了部分磁通直接通過缺陷或通過材料內(nèi)部來繞過缺陷外，還有部分的磁通會(huì)泄漏到振動(dòng)臺(tái)表面上空，從而使振動(dòng)臺(tái)表面缺陷處形成漏磁場。

3 采取的抗干擾措施

通常對(duì)付電磁干擾的措施有兩種，一是接地，二是屏蔽。

3.1 接地

圖2 電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)磁路結(jié)構(gòu)圖

圖3 漏磁場形成示意圖

為了消除漏磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢（即干擾電壓）對(duì)產(chǎn)品及夾具的干擾，我們采取就近接地措施，將振動(dòng)臺(tái)外殼、產(chǎn)品夾具以及功放、控制器、電荷放大器的地線接入振動(dòng)臺(tái)旁邊的一個(gè)專用接地體上，讓干擾電壓通過接地線泄放進(jìn)入大地。

3.2 屏蔽

對(duì)于振動(dòng)臺(tái)漏磁場來說，主要是直流和5KHz～2KHz的低頻磁場，所以我們可以采取磁場屏蔽來降低振動(dòng)臺(tái)面上方的漏磁強(qiáng)度。

3.2.1 選取磁屏蔽材料

磁屏蔽主要依靠高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻，對(duì)磁通起著分路作用，使得振動(dòng)內(nèi)部的磁通不泄露到振動(dòng)臺(tái)面上。通常，磁屏蔽體要求采用相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1的鐵磁材料，常用的材料有普通低碳鋼（含碳量小于0.25%）、硅鋼、電工純鐵、鐵鎳合金和鐵鋁合金等金屬軟磁材料。幾種常用屏蔽材料的基本性能（見表1）。

由于屏蔽裝置必須安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面，與產(chǎn)品一起進(jìn)行振動(dòng)，所以要求選用的屏蔽材料力學(xué)性能好，這樣才不會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)波形失真。根據(jù)振動(dòng)臺(tái)磁屏蔽裝置要求高磁導(dǎo)率和力學(xué)性能好的特點(diǎn)，我們分別選取0.31mm硅鋼片和6mm厚度20#鋼（普通低碳鋼）作為磁屏蔽材料進(jìn)行了比較，它們特點(diǎn)都是成本低、加工方便，在低頻磁場屏蔽應(yīng)用較多，考慮到振動(dòng)臺(tái)磁場主要是5KHz～2KHz的低頻磁場，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)屏蔽效能沒影響。

3.2.2 設(shè)計(jì)屏蔽板

用選取的20#鋼和硅鋼片磁屏蔽材料做成與振動(dòng)臺(tái)面大小一樣，與振動(dòng)臺(tái)面安裝孔位置吻合的圓形屏蔽板。在振動(dòng)試驗(yàn)中，我們把屏蔽板墊在振動(dòng)臺(tái)面上，在屏蔽板上安裝過渡板，使得內(nèi)部漏磁場直接被屏蔽板分路返回到振動(dòng)臺(tái)內(nèi)部。一般來說，針對(duì)振動(dòng)臺(tái)這種低頻低阻抗磁路結(jié)構(gòu)來說，20#鋼和硅鋼片可以提供20dB以上的屏蔽效能，但是由于屏蔽板上的孔洞或縫隙引起屏蔽板的導(dǎo)電不連續(xù)性，會(huì)增大屏蔽體的磁阻，從而使得屏蔽效能降低。另外，屏蔽板接觸面安裝不牢固也會(huì)導(dǎo)致屏蔽效能的降低。

1）對(duì)于屏蔽板上的孔洞或縫隙應(yīng)該注意以下事項(xiàng)：

①減少孔洞或縫隙的數(shù)目。應(yīng)采用盡可能合理的設(shè)計(jì)裝配結(jié)構(gòu)使安裝孔或縫隙數(shù)目最少。在孔洞面積相同的情況下，圓孔的屏蔽效果比方孔的屏蔽效果好。因?yàn)槊娣e相同的情況下圓孔的線徑最短；

②在設(shè)計(jì)屏蔽裝置時(shí)，為了減小過渡板上面的漏磁，可適當(dāng)增加屏蔽板的厚度；屏蔽板的安裝孔要盡量分散開，以避免造成屏蔽板的磁阻分布不均。

2）對(duì)于屏蔽板的安裝應(yīng)該注意以下事項(xiàng)：

①注意接觸面的處理，使之具有良好的電氣接觸。操作時(shí)，除表面清理除銹外，還可以在接觸面鍍以不易氧化、導(dǎo)電性能又好的金屬層；

②安裝屏蔽板時(shí)，最好墊上彈性墊圈，連接螺釘穿過安裝孔后留下的縫隙盡可能小，為了保證安裝牢靠，連接螺釘應(yīng)足夠多，安裝面之間接觸盡可能緊密。

4 屏蔽板的屏蔽效能實(shí)測值

在采取接地和屏蔽措施后，在兩個(gè)不同的振動(dòng)臺(tái)上，分別對(duì)硅鋼片屏蔽板和20#鋼屏蔽板的屏蔽效能進(jìn)行實(shí)測對(duì)比。對(duì)安裝屏蔽板前后漏磁場強(qiáng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)測，按照《電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)檢定規(guī)程》中要求，總共選取9個(gè)安裝孔（見圖4），在正上方距臺(tái)面安裝螺孔的最大分布直徑的1/4高處的平面用高斯計(jì)進(jìn)行測量，圖5和圖6分別為硅鋼片屏蔽板和20#鋼屏蔽板在不同狀態(tài)下的測量結(jié)果。

1）硅鋼片屏蔽板的屏蔽效能

屏蔽體的性能是以屏蔽效能來度量，其計(jì)算公式為：

式中，SEdB——屏蔽效能，用分貝（dB）表示；

H0——無屏蔽體時(shí)某一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度；

Ht——安裝屏蔽后同一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度。

在振動(dòng)臺(tái)加勵(lì)磁，不振動(dòng)時(shí)，其漏磁場主要是勵(lì)磁線圈中的直流電流激發(fā)產(chǎn)生，為直流成分，此時(shí)屏蔽效能為：

其中，H0和Ht取平均值。

2） 20#鋼屏蔽板的屏蔽效能

在振動(dòng)臺(tái)加勵(lì)磁，不振動(dòng)時(shí)，其漏磁場主要是勵(lì)磁線圈中的直流電流激發(fā)產(chǎn)生，為直流成分，此時(shí)屏蔽效能為：

其中，H0和Ht取平均值。

圖4 安裝孔位置示意圖

圖5 硅鋼片屏蔽板不同狀態(tài)下各點(diǎn)的磁場強(qiáng)度

圖6 20#鋼屏蔽板不同狀態(tài)下各點(diǎn)的磁場強(qiáng)度

在采取上述屏蔽措施后，通過實(shí)測，用硅鋼片和20#鋼做成的圓形屏蔽板，分別可使振動(dòng)臺(tái)面上的磁場強(qiáng)度降低了6dB和4dB，基本上消除了電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)漏磁對(duì)有儀表、陀螺、伺服加計(jì)的被測產(chǎn)品的干擾，保證了振動(dòng)試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

5 結(jié)束語

目前，電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)在振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用越來越廣泛，它固有的電磁干擾應(yīng)當(dāng)引起一定的重視。本文基于被試件為一些對(duì)干擾較為敏感的部件所采用振動(dòng)臺(tái)漏磁屏蔽的方法，安全可靠，操作簡單，在不改變振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的前提下，可以有效降低振動(dòng)臺(tái)上方的漏磁場強(qiáng)度，保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

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汪榮，男，1978年12月28日生，四川萬源人，學(xué)士學(xué)位，工程師，工作于中航工業(yè)集團(tuán)西安飛行自動(dòng)控制研究所，主要從事環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備管理及維修工作。

Application Research on Leakage Magnetic Shielding of Vibration Table

WANG Rong, YAN Xiao-feng
(AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute, Xi’an 710065)

According to the working principle of electric vibration table, this paper detailedly analyzes the magnetic circuit structure of electric vibration table and the source of leakage magnetic field. Through the measurement analysis, it puts forward a kind of effective leakage magnetic field shielding measure.

electric vibration table; magnetic circuit structure; leakage magnetic field; shielding

O441

B

1004-7204（2015）03-0036-04