主被動一體化隔振裝置設(shè)計研究

石 慧 閆政濤 李 赫 葉 曦

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院 武漢430032）

引 言

艦船水下輻射噪聲指標是影響艦船戰(zhàn)時生命力乃至作戰(zhàn)能力的重要指標，機艙空間設(shè)備集中、噪聲源密集，故其聲學(xué)性能指標最難實現(xiàn)。針對這一難題，國內(nèi)外艦船普遍選擇采用浮筏隔振技術(shù)［1-2］降低振動向基底的傳遞，但由于受被動隔振技術(shù)自身理論的局限，對于高聲學(xué)指標（尤其低頻線譜有較高控制需求）的艦船還需進一步采用主動控制技術(shù)［3］。作動執(zhí)行機構(gòu)作為主動控制技術(shù)的關(guān)鍵要素之一［4-5］，不僅關(guān)系到理論模型建立，而且直接受到工程應(yīng)用的實際環(huán)境影響，是主動控制能否實現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，對作動執(zhí)行機構(gòu)的研究主要集中在液壓、氣動、電磁、磁致伸縮、壓電等，著重研究不同原理、結(jié)構(gòu)的作動性能，以及在不同控制系統(tǒng)中的作動表現(xiàn)。本文考慮基于浮筏隔振設(shè)計構(gòu)建主動控制系統(tǒng)，設(shè)計滿足浮筏隔振、承載、安裝要求以及主動控制次級振源出力特性需求的主被動一體化隔振裝置。對該裝置的磁場性能、磁路優(yōu)化、發(fā)熱性能等開展理論研究、仿真分析，對其出力特性進行試驗驗證。

1 電磁作動器初步設(shè)計

1.1 磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真優(yōu)化

通過對各類永磁材料性能對比分析可知：釹鐵硼相對其他類型磁鐵磁性最強，SH型永磁體具有耐高溫性。故選用型號為N48SH釹鐵硼永磁體來產(chǎn)生恒定磁場，采用動磁鐵式磁路結(jié)構(gòu)以提升電磁作動輸出力，永磁徑向偏置的磁路結(jié)構(gòu)有利于實現(xiàn)力輸出線性化。建立磁路結(jié)構(gòu)仿真模型如圖1所示，磁軛為1020鋼，永磁體材料為NdFeB52MG0e，中間為18AWG規(guī)格線圈，線圈匝數(shù)140匝。

通過仿真得到該磁路結(jié)構(gòu)電磁力與輸入電流的關(guān)系（靜態(tài)0 Hz）如圖2。由圖2可知，最大電磁力輸出為817 N，電磁力與電流之間呈線性關(guān)系。

圖1 電磁作動器磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 電磁力與電流關(guān)系曲線

1.2 磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

基于磁路仿真模型，考慮改變磁路的動子形狀、定子形狀、動定子間距離以及線圈匝數(shù)等參數(shù)，對比輸出力變化特征，實現(xiàn)對磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1.2.1 改變動子和定子間間隙

仿真得到間距與最大輸出力關(guān)系如表1所示。由表可知：在一定范圍內(nèi)，動子和定子間隙越小，最大輸出力越大。由于工程實際限制，最小間距不能低于0.6 mm。

表1 動子和定子間隙與出力關(guān)系

1.2.2 改變線圈匝數(shù)

仿真得到線圈匝數(shù)與最大輸出力關(guān)系如表2。由表可知，線圈匝數(shù)越大，作動器的最大輸出力越大。但是，考慮到匝數(shù)越大，線圈電感越大，高頻處的最大電流值將下降。

表2 線圈匝數(shù)與出力關(guān)系

1.2.3 改變倒角處的形式

仿真得到不同倒角形式與最大輸出力關(guān)系如表3。由表可知，倒角處形狀下面為梯形、上面為三角形時輸出力最大。

表3 倒角形式與出力關(guān)系

1.2.4 改變倒角大小

仿真得到頂角間距與最大輸出力關(guān)系如表4。由表可知，頂角間距越小，最大輸出力越大。根據(jù)實際加工需要，確定頂角間隔為12 mm較為合適。

表4 倒角大小與出力關(guān)系

1.2.5 改變動定子形狀

仿真得到改變定子套筒外徑、動子內(nèi)徑和動子高度時最大輸出力變化如表5。由表可知，動子上下各增加2 mm時，最大輸出力約1 741.5 N，可以根據(jù)工程需要適當增大間隙。

表5 動定子形狀與出力關(guān)系

綜上所述，考慮實際加工性，最終選取動子和定子間距0.6 mm和2 mm來滿足兩型作動裝置的輸出力要求。0.6 mm時，最大輸出力約1 741.5 N；2 mm時，最大輸出力1 091.9 N。

1.3 磁路仿真分析

在COMSOL建立磁場電場仿真模型（見圖3），對作動部分動子軸向中心橫截面進行分析。磁通密度仿真結(jié)果如圖4所示。其中，定子線圈的匝數(shù)為140，線圈電導(dǎo)率為5.8×107s/m。永磁體的剩余磁通密度為1.4 T。

圖3 電磁作動器磁路仿真

圖4 磁通密度仿真

由圖4可以看出，當線圈中電流方向與圖3中電流方向（垂直于紙面向內(nèi)）一致時，磁通量最大處出現(xiàn)在動子永磁體與動子軟鐵的下端接觸處。根據(jù)電磁感應(yīng)原理可以計算得到理論輸出力。在實際設(shè)計過程中，只考慮電流輸出大小和頻率對輸出力的影響。因此，通過COMSOL建模仿真計算可以得到600 N作動裝置輸出電磁力與電流和頻率的關(guān)系曲線，見圖5、圖6。

圖5 600 N輸出力與電流關(guān)系

圖6 600 N輸出力與頻率關(guān)系

由圖5可知，輸出力與電流大小成線性關(guān)系，即電流越大，輸出力越大。當電流達到10 A時，作動器的最大輸出力可達到1 100 N左右。由圖6可知，輸入電流為10 A時，輸出電磁力的幅值隨電流頻率增大而減小，這一現(xiàn)象主要是由于電渦流引起的能量損耗所導(dǎo)致。當電流頻率增加至200 Hz時，作動器的最大輸出力下降至720 N左右。

同理，可得到1 000 N作動裝置輸出電磁力與電流和頻率的關(guān)系曲線，見圖7、圖8。

圖7 輸出力與線圈電流關(guān)系圖

圖8 電流頻率與輸出力關(guān)系圖

由圖7、圖8可知，輸出力與電流大小成線性關(guān)系。當電流達到10 A左右時，作動器的最大輸出力可達到1 500 N左右。當電流頻率增加至200 Hz時，作動器的最大輸出力下降至960 N左右。

2 電磁發(fā)熱特性仿真分析

2.1 磁路熱場建模

通過建立電磁發(fā)熱模型進行熱場分析計算［6］，可以發(fā)現(xiàn)電磁作動器電渦流發(fā)熱滿足式（1）關(guān)系：

式中：ω為電流頻率，rad/s；j為復(fù)變量因子；為梯度算子；ρ為密度，kg/m3；Cp為比熱容，J/（kg·℃）；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·k；Q為電渦流產(chǎn)生的熱量，J；T為域中的實際溫度，℃；μ為磁導(dǎo)率，H/m；A為有效磁極面積，m2。

銅的電導(dǎo)率σ由式（2）給出：

式中：ρ0為參考溫度Tref=293K時的電阻率，Ω；a為電阻率的溫度系數(shù)，1/℃；T′為域中的實際溫度，K。

一段時間內(nèi)感應(yīng)加熱的時間平均值由式（3）給出，式中E為電渦流損耗。

基于COMSOL Multiphysics仿真環(huán)境建立作動裝置磁路部分的二維軸對稱幾何模型，通過仿真分析，重點研究磁路部分的傳熱。

2.2 磁路熱場分析

交變磁場在鐵芯中由于電渦流效應(yīng)產(chǎn)生熱量，熱量隨即在內(nèi)部傳播，通過外殼、空氣等進行熱傳導(dǎo)。在分析過程中，鐵芯是唯一熱源，傳熱過程包含有固體傳熱和輻射傳熱。隨著時間的推移，鐵芯的溫度逐漸升高，通過輻射傳熱和流體傳熱將熱量傳遞到磁路系統(tǒng)，而磁路系統(tǒng)是通過固體傳熱方式來傳導(dǎo)熱量，這樣整個系統(tǒng)的溫度逐步升高。本文選擇瞬態(tài)熱力學(xué)分析法，分析的一般方程為：

式中： 為系數(shù)矩陣，包括熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱對流系數(shù)及熱輻射系數(shù)和形狀系數(shù)； 為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)部能量的增加； 代表各個節(jié)點的溫度向量； 是該節(jié)點的溫度對時間的導(dǎo)數(shù)； 是節(jié)點的熱流向量，包括熱生成。

通過設(shè)置仿真時間、步長和頻率等進行瞬態(tài)求解。通過多物理場耦合，在滿足輸出力的條件下調(diào)節(jié)電流和頻率進行瞬態(tài)分析。仿真得電流10 A、100 Hz時，600 s時長下的磁路結(jié)構(gòu)三維溫度分布圖和二維溫度等值線分布如圖9、圖10所示。

同理，電流5 A、100 Hz時，3 600 s時長下的磁路結(jié)構(gòu)三維溫度分布如圖11、圖12所示。由此可見，鐵芯溫度最高，外表面為室溫293 K（20℃）。

圖9 600 s時長下的磁路結(jié)構(gòu)三維溫度圖

圖10 600 s時長下的磁路二維溫度等值線

圖11 3 600 s時長下的磁路結(jié)構(gòu)三維溫度圖

圖12 3 600 s時長下的磁路二維溫度等值線

3 主被動一體化隔振裝置設(shè)計

3.1 被動隔振部分選型

為滿足主被動一體化隔振裝置對于靜載荷承載能力、隔振量、安裝空間的需求，需要對被動式隔振器進行合理的選擇?？紤]工程加工和通用性，對市面上現(xiàn)有的被動隔振器進行篩選測試，綜合考慮作動裝置主動部分和被動部分結(jié)構(gòu)形式，最終選擇JSD橡膠隔振器作為本文一體化裝置的被動隔振部分。主要參數(shù)如表6，滿足裝置承載、隔振量、安裝空間要求。

表6 被動隔振部分選型及性能參數(shù)

3.2 主被動一體化隔振裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過綜合考慮磁路部分結(jié)構(gòu)特點以及被動隔振器外形尺寸，設(shè)計得到主被動一體化隔振裝置結(jié)構(gòu)形式如圖13所示。

圖13 主被動一體化隔振器結(jié)構(gòu)

4 主被動一體化隔振裝置性能測試

圖14 性能測試試驗原理圖

如圖14所示，搭建主被動一體化隔振裝置性能測試系統(tǒng)，對主被動集成隔振器中的電磁作動部分的輸出力特性及非線性度等進行測試。 使用ICP式壓電力傳感器測試主被動一體化隔振裝置的出力特性。動子與力傳感器通過螺釘與連接件相連，定子通過螺釘固定在測試基座上，力傳感器安裝在測試基座上。測試基座與底座通過4個BE型橡膠隔振器相連，隔離基座擾動。功率放大器由直流電源供電，信號發(fā)生器模擬出不同頻率、幅值的信號給功率放大器，功率放大器前置于一體化隔振裝置提供電流驅(qū)動其工作。

圖15 性能測試試驗實物圖

4.1 600 N主被動一體化隔振裝置測試結(jié)果

作動器輸出力與線圈電流關(guān)系如圖16所示，兩者成線性關(guān)系。在20 Hz時，當給作動器輸入15 A電流時，最大輸出力可達700 N以上。

圖16 輸出力與線圈電流關(guān)系

作動器輸出力與電流頻率關(guān)系曲線如圖17所示。實驗系統(tǒng)的最大輸出電壓一般均為有限值，因此由于線圈電感作用，隨著電流頻率的升高，功率放大器能提供給線圈的最大電流的幅值將減小。當頻率大于100 Hz后，實際最大輸出電流將低于理論設(shè)計的15 A。在200 Hz時，實際最大輸出電流只有10 A左右。

最大輸出力與頻率關(guān)系如圖18所示。在10 Hz與20 Hz附近最大輸出力達到700 N左右。在200 Hz時，最大輸出力可以接近400 N（10 A電流）。

作動裝置在不同頻率下輸出力與輸入電流間的非線性度曲線如圖19所示。在整個工作范圍內(nèi)，作動器輸出力的非線性度表現(xiàn)良好，均在-2%～2.5%之間。

圖17 輸出力與頻率關(guān)系

圖18 最大輸出力與電流頻率關(guān)系

圖19 非線性度曲線

電磁作動裝置的最大功耗主要指在電磁作動器的最大允許電流下所產(chǎn)生的能量損耗。根據(jù)功率電流計算公式可得600 N主被動一體化作動裝置最大功耗為382.5 W，滿足工程使用要求。

4.2 1 000 N主被動一體化隔振裝置測試結(jié)果

圖20 輸出力與線圈電流關(guān)系

圖21 輸出力與頻率關(guān)系

作動器輸出力與線圈電流以及頻率的關(guān)系如下頁圖20和圖21所示。當輸入15 A電流時，最大輸出力在50 Hz以下均可達到1 200 N以上。同理，由于線圈電感作用，在頻率大于100 Hz后，實際最大輸出電流將低于理論設(shè)計的15 A。在200 Hz時，實際最大輸出電流只有不到10 A。

最大輸出率與電流頻率關(guān)系如圖22所示，在10 Hz與20 Hz附近最大輸出力可達1 300 N。在200 Hz時，最大輸出力最?。ń咏?00 N），如圖23所示。在整個工作范圍內(nèi)，作動器輸出力的非線性度表現(xiàn)良好，均為-3%～2.5%。

圖22 最大輸出力與電流頻率關(guān)系

圖23 非線性度曲線

5 結(jié) 語

本文針對基于浮筏設(shè)計的振動主動控制系統(tǒng)設(shè)計研制了主被動一體化隔振裝置。該裝置既滿足次級力源出力需求，又同時兼顧隔振量、承載能力、安裝空間等要求。通過仿真分析及試驗性能測試可知，該裝置具備良好的出力特性與發(fā)熱特性，為基于浮筏設(shè)計的主動控制系統(tǒng)奠定了一定的理論與工程基礎(chǔ)。