电磁阻尼器磁铁形状与阵列方式优化研究

2021-06-02郭保全栾成龙

兵器装备工程学报 2021年5期

丁宁，郭保全，常亚，栾成龙，黄通

(1.中北大学机电工程学院，太原 030051； 2.中北大学火炮技术研究中心，太原 030051)

电磁阻尼器是利用电涡流阻尼原理的一种非接触式阻尼器，与传统摩擦式阻尼器相比，具有节能环保、无需润滑、无需密封、阻尼可调、可靠性高等优点[1-2]。近年来得到了国内外相关学者的广泛关注。

目前，国内外学者对板型电磁阻尼器的结构参数、磁路形式等已经开展深入的研究。王昊等[3]针对航空领域需要，对比了四种不同构型电磁阻尼器的磁场分布，得出了最优构型方案。Sodano H A[4]研究了双永磁体、单涡流板的电磁阻尼器，分析了磁铁个数对对阻尼力的影响。汪志昊[5-6]利用试验和有限元仿真的方法，对板型电磁阻尼器的磁路和构型进行了优化分析。Zhang he等[7]研究了双排平板式电磁阻尼器，实验测试了不同方向上的电磁阻尼力。陈政清等[8-9]提出了一种电涡流阻尼系数的测试方法，以等效阻尼系数为性能指标，优化了板型电磁阻尼器的永磁体间距、磁极布置及导体板厚度等参数。Huang等[10]综合解析分析模型和三维电磁场有限元分析方法研究表明，在永磁体及导体铜板外侧附加导磁钢板可大幅提升PECD阻尼性能。但是，国内外学者对电磁阻尼器的轻量化研究较少，而在永磁铁式电磁阻尼器中，永磁铁质量占总质量的比重很大。因此，对电磁阻尼器磁铁形状和阵列方式进行设计，研究电磁阻尼器磁铁形状和阵列方式对其阻尼性能和阻尼效率的影响，对进行电磁阻尼器的质量优化研究具有一定的指导意义。

本文利用Ansys Maxwell电磁仿真软件，建立了板型电磁阻尼器在高冲击载荷下的二维数值仿真模型。以某火炮后坐力为加载载荷，研究了电磁阻尼器在相同磁铁质量，不同磁铁形状、不同阵列方式条件下的阻尼效率，得出了磁铁形状以及磁铁阵列方式对阻尼器效率的影响。

1 基本结构

本文所研究的板型电磁阻尼器示意图如图1。主要由导体板(包括导电板、导磁板)、磁铁、磁靴等组成。其中，定子由导体板组成；动子由永磁铁组以及磁靴组成，在其一端施加冲击载荷。当动子和定子发生相对运动时，导电板产生电涡流，做切割磁感线的运动，从而产生涡流阻力。

图1 板型电磁阻尼器示意图

2 模型建立

针对图2所示的电磁阻尼器模型，在Ansys Maxwell中建立计算模型，结构参数如表1所示。其中，磁铁材料为 Ndfe35，密度ρ磁=7.40 g/cm3;导电板材料为copper，密度为ρ铜=8.93 g/cm3;磁靴和导磁板材料为iron，密度ρ铁=7.87 g/cm3。为保证计算精度，导电板、导磁板、磁铁以及磁靴，采用基于趋肤深度的网格画法，划分网格较密，空气域网格采用基于长度的网格画法，网格划分较疏。局部网格示意图如图3所示。

图2 板型电磁阻尼器示意图(主视)

表1 结构参数

图3 局部网格示意图

本文以某火炮在任意时刻的炮膛合力为输入载荷，如图4所示。其最大冲击力可达2 489 kN，为典型的高冲击载荷。

图4 高冲击载荷曲线

用电磁阻尼力比冲来描述电磁阻尼器阻尼性能，即单位质量磁铁在单位时间内所提供的电磁阻尼冲量的大小，如式(1)所示：

(1)

(2)

其中，Ii为电磁阻尼力产生的总冲量；F为电磁阻尼力；ti为电磁阻尼器工作时间；n1为磁铁数量；F为单个磁铁质量。

总模型质量如式(3)所示：

Mi=n1·l1·h1·w·ρ磁+n2·l1·h2·w·ρ铁+

n3·l2·h0·w·ρ铜+n4·l3·h0·w·ρ铁

(3)

(4)

3 参数分析

本节内容研究在磁铁质量一定的条件下，磁铁尺寸参数对电磁阻尼器阻尼效率的影响。其中，模型0、1、2、3、4保证磁铁长度l1不变，改变磁铁的宽高比；模型0、5、6、7、8保证磁铁高度h1不变，改变磁铁的长宽比；模型0、9、10、11、12保证磁铁的宽度w不变，改变磁铁的长高比。磁铁形状参数和电磁阻尼器质量M如表2所示。

表2 模型参数

为了更好地描述电磁阻尼器磁铁阻尼性能，定义磁铁效率为任一模型的比冲与0号模型比冲的比值。如式(5)所示：

(5)

其中，μi为磁体效率；Pi为电磁阻尼比冲；i为模型号。

同时，由于磁铁外形改变，磁靴、导电层、导磁层的形状也会相应改变，从而整个电磁阻尼器质量发生变化。考虑磁铁形状改变而引起的整个阻尼器质量的变化，定义总模型效率，如式(6)所示：

(6)

(7)

3.1 磁铁宽高比的影响

图5给出了模型1、2、0、3、4的电磁阻尼力随时间变化规律。由图可知，随着磁铁宽高比的减少，电磁阻尼力呈变大趋势，并逐渐稳定。图6描述了磁铁效率和总模型效率随着随磁铁宽高比变化规律。随着磁铁宽高比减少，磁铁效率先上升后有下降趋势，是由于在励磁面积一定的情况下，随着磁铁高度增加，磁铁的磁感应强度增加，磁铁效率升高。磁靴高度不变时，随着宽高比继续降低，磁铁长度方向尺寸反而开始占主导地位，使得磁铁效率降低。当磁铁宽高比为120/25时，磁铁效率最高。随着磁铁宽高比减少，引起总模型质量大幅度减少，总模型效率呈上升趋势，这时可以通过增加磁铁数量，来满足阻尼器性能要求。

图5 电磁阻尼力曲线

图6 阻尼效率随磁铁宽高比变化曲线

3.2 磁铁宽长比的影响

图7表示了模型5、6、0、7、8的电磁阻尼力随时间变化规律。由图可知，随着磁铁宽长比的减少，电磁阻尼力呈减小趋势。是由于励磁面积减小的影响大于由磁铁长度增加引起的磁感应强度增加的影响。图8描述了磁铁效率和总模型效率随着随磁铁宽长比变化规律。随着磁铁宽长比减少，磁铁效率出现下降趋势。由式(3)可得：随着模型宽长比减少，总模型质量会减少，因此总总模型效率呈上升趋势。

图7 电磁阻尼力曲线

图8 阻尼效率随磁铁宽长比变化曲线

3.3 磁铁长高比的影响

图9表示了模型9、10、0、11、12的电磁阻尼力随时间变化规律。由图9可知：随着磁铁长高比的增加，电磁阻尼力呈减小趋势。

图9 电磁阻尼力曲线

图10描述了磁铁效率和总模型效率随磁铁长高比变化规律。随着磁铁长高比增加，磁铁效率和总模型效率变化规律一致，并存在最优值。磁铁效率出现峰值是由于磁靴高度一定，磁靴磁畴先处于饱和状态，当增加一定量磁铁长度方向尺寸时，磁靴尺寸相应变大，磁铁效率反而先增大，之后，由于磁铁长度增加，高度减少，磁铁磁感应强度降低，励磁面积减少。磁铁效率和总模型效率开始快速降低。

图10 阻尼效率随磁铁长高比变化曲线

3.4 阵列方式影响

图11为磁铁不同阵列方式示意图，模型0、13、14、15的阵列方式分别为1×24、2×12、3×8、4×6。图12描述了模型0、13、14、15的电磁阻尼力随时间变化规律。由图12可知，夹层数量对电磁阻尼力的影响较小。图13描述了磁铁效率和总模型效率随着夹层数量的变化规律。随着夹层数量增加，总模型质量增加较快，总模型效率降低。但夹层式可以在满足阻尼要求的情况下，减少阻尼器工作方向尺寸。