电磁式主动吸振器磁场结构优化设计

【基础理论与应用研究】

电磁式主动吸振器磁场结构优化设计

刁爱民，杨庆超

(海军工程大学 科研部，武汉430033)

摘要：建立了电磁式主动吸振器磁场优化模型，对初步确定结构尺寸的磁场进行了仿真分析；在此基础上，以提高吸振器的力密度和材料利用率，减小漏磁通为优化目标，以永磁体高度、永磁体半径和导磁板厚度为优化变量，对磁场结构进行了优化设计，在相同体积下，优化后的主动吸振器最大输出力由150 N提升至178 N。

关键词：电磁式；主动吸振器 ；磁场结构优化

作者简介：刁爱民(1980—)，男，高级工程师，主要从事舰船装备维修保障研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.037

中图分类号：TN514

文章编号：1006-0707(2015)09-0149-05

本文引用格式：刁爱民，杨庆超.电磁式主动吸振器磁场结构优化设计[J].四川兵工学报，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

随着科学技术的发展，人们对振动噪声控制的要求越来越高，主动吸振器由于在宽频范围内均具有良好的吸振效果而备受青睐[1-5]。电磁式主动吸振器通过改变励磁线圈的电流改变电磁弹簧的电磁刚度，从而改变吸振器固有频率，具有结构紧凑、安装方便、调谐迅速的特点，具有广阔的应用前景[6-7]。电磁结构是主动吸振器的核心组成部分，其设计及相关参数的选取关系到主动吸振器能否按照控制器的要求执行相应的输出，对主动吸振器的性能具有重要影响[8]。为能够设计出结构紧凑，输出力大的电磁式主动吸振器，本文对磁场结构开展了优化设计研究。

1主动吸振器磁路结构设计

电磁式吸振器的磁路结构有动圈式和动磁式两种，为保证系统的可靠性，本文采用动磁式磁路结构。主动吸振器的物理模型如图1所示，可归纳为受电磁激励作用下的单自由度受迫振动问题，其中m为动子质量，X为动子质量的位移，k为弹簧刚度，c为阻尼，Fa为洛伦兹力，Ft为主动吸振器总的输出力。系统的振动微分方程为

(1)

主动吸振器的总输出力Ft为洛伦兹力、弹簧力和阻尼力的合力，可以表示为

(2)

即，输出力Ft完全由动子质量产生的惯性力提供。

(3)

图1　主动吸振器物理模型

主动吸振器的输出力和洛伦兹力关系曲线如图2所示。当频率比等于1时，系统中的弹力、阻尼力及惯性力都很大；当ω/ωn≫1时，输出力和洛伦兹力的比值近似为1，即输出力基本上完全由洛伦兹力提供。

图2　输出力与洛伦兹力关系曲线

通电线圈在磁场中受洛伦兹力的作用，大小可表示为

Fa=BgIl

(3)

式(3)中，Bg为气隙中的磁感应强度，I为导线中流过的电流，l为磁场中导线的有效长度。将式(3)代入到式(2)中，可得

(4)

结合基尔霍夫电压定律，可推导出作动力Ft与线圈输入电压U的传递关系，如式(5)所列

(5)

本文采用3级永磁体串接的磁路结构形式，如图4所示，τp为两极之间的中心距离，τm为永磁体的实际宽度，τf为极靴宽度τf=τp-τm，g为动圈磁靴和线圈内表面间距，hw为绕线圈厚度，rm为极靴半径，rmm为永磁体半径，ri为线圈内表半径，rs为定圈内表半径，re为定圈外表半径，hy为定圈厚度。

图4　主动吸振器的磁路模型

2磁场结构仿真模型

因主动吸振器磁路结构具有轴对称性，简化后的分析模型如图5所示。磁路主要由永磁体、上部导磁板、中间导磁板、下部导磁板、线圈保持架、线圈以及导磁外筒等组成。上下导磁板、中间导磁板以及导磁外筒为电工纯铁DT4，线圈保持架选用不导磁的铝合金材料，线圈材料选用铜材。该主动吸振器选用钕铁硼N48作为永磁材料，其标称参数如表1所列。为了使永磁磁力线向线圈聚集，相邻两块永磁体的充磁方向相反，因此4个线圈要产生合力，相邻两个绕组的通电方向也必须相反，如图6所示。

图5　简化后的主动吸振器磁路仿真模型

图6主动吸振器磁路

牌号剩磁Br/mT矫顽力Hcb/(klA·m-1)内禀矫顽力Hcj/(kA·m-1)最大磁能积(BH)max/(kJ·m-3)最高工作温度Tw/℃N481380～1420≥835≥876366～39080

电工纯铁主要起导磁、聚磁的作用，将永磁体产生的磁场导向线圈，线圈通电后，产生安培力，其反作用力驱动主动吸振器动子运动。DT4材料的直流磁化曲线如图7所示，由图可知，当磁密大于1.6T以后，材料开始进入饱和，磁导率下降明显，聚磁能力也随之下降。

图7　电工纯铁DT4直流磁化性能

根据技术要求，初步确定主动吸振器物理尺寸如图8所示，针对初步确定的模型尺寸展开结构磁场有限元分析。在主动吸振器有限元分析中，剖分单元采用一阶三角元，为了满足计算精度的同时降低计算量，主动吸振器网格划分如图9所示，由图可知，气隙周围网格设置较密，其他部位网格设置较疏，为模拟无穷远边界，设定边界条件为气球边界。

图8　主动吸振器尺寸

图9　主动吸振器网格剖分

3磁路结构参数优化

磁路结构参数优化的目标是提高吸振器的力密度和材料利用率，减小漏磁通，本文设计了3个优化方案，如图10所示。

图10　磁路结构优化方案

1) 保证上下2块DT4和N48尺寸不变，改变中间1块永磁体以及2块导磁板的厚度。一方面，增加永磁体高度，可以增加漏磁通的磁阻，减小漏磁通，另一方面，增加永磁体高度会导致导磁板变薄，饱和程度加深，磁导率下降，增加漏磁通，优化方案图图10(a)所示。因此，永磁体高度、导磁板厚度关系必然存在最优解。

设中间2块导磁板的厚度为c，永磁体厚度即为35-2c，其他结构的参数不变。对c进行参数化扫描，范围为0.5～17 mm，步长为0.5 mm，线圈电流为10 A，结果输出为动子所受的电磁力。图10(a)中的约束关系为

(6)

电磁力随几何变量c的关系如图11所示，当导磁板的厚度为10.1 mm时，电磁力达到最大，约为152.6 N。

2) 增加永磁体直径，那么永磁体离线圈越近，漏磁路变窄，因此漏磁阻变大，也可达到减小漏磁通的目的，优化方案如图10(b)所示。设所有永磁体半径为d，其他结构的参数不变。对d进行参数化扫描，范围为40～43 mm，步长为0.1 mm，线圈电流为10 A，结果输出为动子所受的电磁力。图10(b)中的约束关系为

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

(7)

电磁力随几何变量d的关系如图12所示，永磁体半径越大，输出的电磁力越大，当永磁体半径为42.9 mm时，电磁力达到最大，约为177 N，比原有方案提高了27 N，主动吸振器力密度提升接近20%。

图11　电磁力随几何变量 c之间的关系

图12　电磁力随几何变量 d的关系

3) 将优化方案1和优化方案2综合，进行多变量协同优化，优化方案如图10(c)所示。设所有永磁体半径为d，中间2块导磁板的厚度为c，那么永磁体厚度为35-2c，其他结构的参数不变。现在对c、d进行参数化扫描，c范围为0.5～17 mm，步长为0.5 mm，d范围为40～43 mm，步长为0.1 mm，线圈电流为10 A，结果输出为动子所受的电磁力。图10(c)中的约束关系为

(3)

使用ANSOFT/MAXWELL11 2D计算了1 054个不同c、d排列组合的有限元模型，导出其电磁力，得到电磁力与c、d的关系如图13所示，为了方便观察本文给出了电磁力的等值线图，如图14所示，由图可知，当c=9 mm，d=43时，电磁力取得极大值177.9 N，这一极值与优化方案2的结果相当接近。

图13　电磁力随几何变量 c、 d的关系

图14　电磁力等值曲线

其中优化前后磁力分布线如图15所示，由图可知，优化后，主动吸振器上中下3块永磁体的漏磁都有所减少，有更多的磁力线与线圈交链，单位电流产生的电磁力增大。

图15　优化前后磁力线对比

4结束语

为能够设计出结构紧凑，输出力大的电磁式主动吸振器，本文对电磁式主动吸振器的主要结构部件磁场结构开展了优化设计研究。建立了电磁式主动吸振器磁场优化模型，以提高吸振器的力密度和材料利用率，减小漏磁通为优化目标，以永磁体高度、永磁体半径和导磁板厚度为优化变量，对磁场结构进行了优化设计，在相同体积下，优化后的主动吸振器最大输出力由150 N提升至178 N，为电磁式主动吸振器的工程应用提供了有效指导。

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(责任编辑杨继森)