振动台漏磁屏蔽应用研究

汪 荣，晏效锋

（中航工业西安飞行自动控制研究所，西安 710065）

振动台漏磁屏蔽应用研究

汪 荣，晏效锋

（中航工业西安飞行自动控制研究所，西安 710065）

根据电动振动台的工作原理，详细分析电动振动台磁路结构及漏磁场的来源，通过进行测量分析，并提出一种有效的漏磁场屏蔽措施。

电动振动台；磁路结构；漏磁场；屏蔽

引言

电动振动台工作原理实际是电磁感应原理，“电动”的含义是指振动发生器产生的激振力是由恒定磁场和内装线圈通以高交变电流相互作用的结果。振动台振动时就需要很强的磁感应强度，且由于振动台结构的特殊性，因此振动台工作时台面上必定存在漏磁场，这种磁场的强度对于仪表、陀螺、伺服加计等磁场敏感试件会产生干扰。

本文提出基于振动台磁路结构而采取相应的接地和屏蔽等措施，来降低台面上的漏磁强度，以消除漏磁对仪表、陀螺、伺服加计等磁场敏感试件的干扰。

1 振动台工作原理

电动振动台的基本工作原理是基于载流导体（即动圈）在磁场中受到电磁力的安培定律。由励磁线圈产生的恒定磁场和位于磁场中通有一定交变电流的动圈相互作用而产生交变的激振力。动圈所受电磁力与动圈中的电流、动圈在磁场中的有效长度以及动圈所处磁场的磁感应强度成正比。电磁力的方向用左手定则决定，如图1所示。

电动振动台的推力为：

式中，B为环形气隙中磁感应强度（Wb/m2）；

l为动圈绕线的有效长度；

I为动圈中电流。

图1 电动振动台工作原理示意图

2 磁路结构和漏磁场产生原理

2.1 磁路结构

电动振动台主要由活动系统（驱动线圈和工作台）、磁路系统、弹性支撑系统、导向系统及冷却装置等组成。活动系统是指在带有工作台面的骨架上绕制驱动线圈，并用环氧树脂将两者固封在一起的组合件，通常亦称之为动圈。磁路系统通常由励磁线圈、导磁体及工作气隙组成。构成磁路的导磁体通常用低碳钢或工业纯铁制成。工作气隙的作用在于放置驱动线圈，并提供线圈运动必须的强磁场。现在大部分电动振动台都采用的是双磁路结构（见图2），即两组励磁线圈绕组分别置于工作磁隙的上下两侧，在工作磁隙的磁场相互叠加，而在工作台面上的磁场相互抵消。由于双磁路工作气隙中磁通密度沿轴向可对称分布，因而也有利于改善波形的失真度。

针对工作气隙在上方振动台的磁路结构（工作气隙在上方的漏磁比工作气隙在下方的漏磁要大），一般制造商会采用消磁线圈进行消磁，主要是利用消磁线圈产生与漏磁方向相反的磁场，可抵消大部分漏磁的影响，但是没有被消磁线圈抵消掉的磁场还是对电子仪表、陀螺、伺服加计等磁场敏感试件产生干扰。合理选择消磁线圈的位置及其匝数，可将台面周围的漏磁限制在最小限度。

消磁线圈安匝计算方法为：

式中，B为工作台面的允许的漏磁感应强度；

I为消磁线圈中的电流；

W为消磁线圈的匝数；

l为消磁线圈的宽度；

b为工作台面厚度；

a为消磁线圈中心与动圈中心轴线间的距离。

2.2 振动台漏磁场产生原理

在振动台工作时，磁场分为两个部分，一是恒定磁场部分，它由励磁线圈中的直流电流激发产生；二是交变磁场部分，它由励磁线圈中的交变成分以及动圈驱动电流激发产生。如果包围励磁线圈和动圈的外部材料的材质是连续的、均匀的，则材料的磁感应线将被约束在材料中，磁通是平行于材料表面的（如图3所示），几乎没有磁感应线从振动台表面穿出，振动台台面没有磁场，但是，由于振动台结构的特殊性，振动台的骨架材料材质不是连续，且有缝隙（安装孔和工作气隙），所以就会存在材料表面缺陷，而缺陷的磁导率小，磁阻很大，使磁路中的磁通发生畸变，磁感应线流向会发生变化，除了部分磁通直接通过缺陷或通过材料内部来绕过缺陷外，还有部分的磁通会泄漏到振动台表面上空，从而使振动台表面缺陷处形成漏磁场。

3 采取的抗干扰措施

通常对付电磁干扰的措施有两种，一是接地，二是屏蔽。

3.1 接地

图2 电动振动台磁路结构图

图3 漏磁场形成示意图

为了消除漏磁场产生的感应电动势（即干扰电压）对产品及夹具的干扰，我们采取就近接地措施，将振动台外壳、产品夹具以及功放、控制器、电荷放大器的地线接入振动台旁边的一个专用接地体上，让干扰电压通过接地线泄放进入大地。

3.2 屏蔽

对于振动台漏磁场来说，主要是直流和5KHz～2KHz的低频磁场，所以我们可以采取磁场屏蔽来降低振动台面上方的漏磁强度。

3.2.1 选取磁屏蔽材料

磁屏蔽主要依靠高导磁材料所具有的低磁阻，对磁通起着分路作用，使得振动内部的磁通不泄露到振动台面上。通常，磁屏蔽体要求采用相对磁导率远大于1的铁磁材料，常用的材料有普通低碳钢（含碳量小于0.25%）、硅钢、电工纯铁、铁镍合金和铁铝合金等金属软磁材料。几种常用屏蔽材料的基本性能（见表1）。

由于屏蔽装置必须安装在振动台台面，与产品一起进行振动，所以要求选用的屏蔽材料力学性能好，这样才不会导致振动波形失真。根据振动台磁屏蔽装置要求高磁导率和力学性能好的特点，我们分别选取0.31mm硅钢片和6mm厚度20#钢（普通低碳钢）作为磁屏蔽材料进行了比较，它们特点都是成本低、加工方便，在低频磁场屏蔽应用较多，考虑到振动台磁场主要是5KHz～2KHz的低频磁场，其饱和磁感应强度对屏蔽效能没影响。

3.2.2 设计屏蔽板

用选取的20#钢和硅钢片磁屏蔽材料做成与振动台面大小一样，与振动台面安装孔位置吻合的圆形屏蔽板。在振动试验中，我们把屏蔽板垫在振动台面上，在屏蔽板上安装过渡板，使得内部漏磁场直接被屏蔽板分路返回到振动台内部。一般来说，针对振动台这种低频低阻抗磁路结构来说，20#钢和硅钢片可以提供20dB以上的屏蔽效能，但是由于屏蔽板上的孔洞或缝隙引起屏蔽板的导电不连续性，会增大屏蔽体的磁阻，从而使得屏蔽效能降低。另外，屏蔽板接触面安装不牢固也会导致屏蔽效能的降低。

1）对于屏蔽板上的孔洞或缝隙应该注意以下事项：

①减少孔洞或缝隙的数目。应采用尽可能合理的设计装配结构使安装孔或缝隙数目最少。在孔洞面积相同的情况下，圆孔的屏蔽效果比方孔的屏蔽效果好。因为面积相同的情况下圆孔的线径最短；

②在设计屏蔽装置时，为了减小过渡板上面的漏磁，可适当增加屏蔽板的厚度；屏蔽板的安装孔要尽量分散开，以避免造成屏蔽板的磁阻分布不均。

2）对于屏蔽板的安装应该注意以下事项：

①注意接触面的处理，使之具有良好的电气接触。操作时，除表面清理除锈外，还可以在接触面镀以不易氧化、导电性能又好的金属层；

②安装屏蔽板时，最好垫上弹性垫圈，连接螺钉穿过安装孔后留下的缝隙尽可能小，为了保证安装牢靠，连接螺钉应足够多，安装面之间接触尽可能紧密。

4 屏蔽板的屏蔽效能实测值

在采取接地和屏蔽措施后，在两个不同的振动台上，分别对硅钢片屏蔽板和20#钢屏蔽板的屏蔽效能进行实测对比。对安装屏蔽板前后漏磁场强度的数据进行了实测，按照《电动式振动试验台检定规程》中要求，总共选取9个安装孔（见图4），在正上方距台面安装螺孔的最大分布直径的1/4高处的平面用高斯计进行测量，图5和图6分别为硅钢片屏蔽板和20#钢屏蔽板在不同状态下的测量结果。

1）硅钢片屏蔽板的屏蔽效能

屏蔽体的性能是以屏蔽效能来度量，其计算公式为：

式中，SEdB——屏蔽效能，用分贝（dB）表示；

H0——无屏蔽体时某一点的磁场强度；

Ht——安装屏蔽后同一点的磁场强度。

在振动台加励磁，不振动时，其漏磁场主要是励磁线圈中的直流电流激发产生，为直流成分，此时屏蔽效能为：

其中，H0和Ht取平均值。

2） 20#钢屏蔽板的屏蔽效能

在振动台加励磁，不振动时，其漏磁场主要是励磁线圈中的直流电流激发产生，为直流成分，此时屏蔽效能为：

其中，H0和Ht取平均值。

图4 安装孔位置示意图

图5 硅钢片屏蔽板不同状态下各点的磁场强度

图6 20#钢屏蔽板不同状态下各点的磁场强度

在采取上述屏蔽措施后，通过实测，用硅钢片和20#钢做成的圆形屏蔽板，分别可使振动台面上的磁场强度降低了6dB和4dB，基本上消除了电动振动台漏磁对有仪表、陀螺、伺服加计的被测产品的干扰，保证了振动试验的顺利进行。

5 结束语

目前，电动振动台在振动试验应用越来越广泛，它固有的电磁干扰应当引起一定的重视。本文基于被试件为一些对干扰较为敏感的部件所采用振动台漏磁屏蔽的方法，安全可靠，操作简单，在不改变振动台结构及力学性能的前提下，可以有效降低振动台上方的漏磁场强度，保证试验的正常进行。

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汪荣，男，1978年12月28日生，四川万源人，学士学位，工程师，工作于中航工业集团西安飞行自动控制研究所，主要从事环境试验设备管理及维修工作。

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