石 慧 閆政濤 李 赫 葉 曦

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院 武漢430032）

引 言

艦船水下輻射噪聲指標(biāo)是影響艦船戰(zhàn)時(shí)生命力乃至作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo)，機(jī)艙空間設(shè)備集中、噪聲源密集，故其聲學(xué)性能指標(biāo)最難實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這一難題，國(guó)內(nèi)外艦船普遍選擇采用浮筏隔振技術(shù)［1-2］降低振動(dòng)向基底的傳遞，但由于受被動(dòng)隔振技術(shù)自身理論的局限，對(duì)于高聲學(xué)指標(biāo)（尤其低頻線譜有較高控制需求）的艦船還需進(jìn)一步采用主動(dòng)控制技術(shù)［3］。作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為主動(dòng)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(shí)際環(huán)境影響，是主動(dòng)控制能否實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，對(duì)作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究主要集中在液壓、氣動(dòng)、電磁、磁致伸縮、壓電等，著重研究不同原理、結(jié)構(gòu)的作動(dòng)性能，以及在不同控制系統(tǒng)中的作動(dòng)表現(xiàn)。本文考慮基于浮筏隔振設(shè)計(jì)構(gòu)建主動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)滿足浮筏隔振、承載、安裝要求以及主動(dòng)控制次級(jí)振源出力特性需求的主被動(dòng)一體化隔振裝置。對(duì)該裝置的磁場(chǎng)性能、磁路優(yōu)化、發(fā)熱性能等開展理論研究、仿真分析，對(duì)其出力特性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 電磁作動(dòng)器初步設(shè)計(jì)

1.1 磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

通過(guò)對(duì)各類永磁材料性能對(duì)比分析可知：釹鐵硼相對(duì)其他類型磁鐵磁性最強(qiáng)，SH型永磁體具有耐高溫性。故選用型號(hào)為N48SH釹鐵硼永磁體來(lái)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，采用動(dòng)磁鐵式磁路結(jié)構(gòu)以提升電磁作動(dòng)輸出力，永磁徑向偏置的磁路結(jié)構(gòu)有利于實(shí)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(guò)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(dòng)器磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)

基于磁路仿真模型，考慮改變磁路的動(dòng)子形狀、定子形狀、動(dòng)定子間距離以及線圈匝數(shù)等參數(shù)，對(duì)比輸出力變化特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2.1 改變動(dòng)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(dòng)子和定子間隙越小，最大輸出力越大。由于工程實(shí)際限制，最小間距不能低于0.6 mm。

表1 動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)定子形狀

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

表5 動(dòng)定子形狀與出力關(guān)系

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

1.3 磁路仿真分析

在COMSOL建立磁場(chǎng)電場(chǎng)仿真模型（見圖3），對(duì)作動(dòng)部分動(dòng)子軸向中心橫截面進(jìn)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(dòng)器磁路仿真

圖4 磁通密度仿真

由圖4可以看出，當(dāng)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(shí)，磁通量最大處出現(xiàn)在動(dòng)子永磁體與動(dòng)子軟鐵的下端接觸處。根據(jù)電磁感應(yīng)原理可以計(jì)算得到理論輸出力。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，只考慮電流輸出大小和頻率對(duì)輸出力的影響。因此，通過(guò)COMSOL建模仿真計(jì)算可以得到600 N作動(dòng)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(dāng)電流達(dá)到10 A時(shí)，作動(dòng)器的最大輸出力可達(dá)到1 100 N左右。由圖6可知，輸入電流為10 A時(shí)，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(dāng)電流頻率增加至200 Hz時(shí)，作動(dòng)器的最大輸出力下降至720 N左右。

同理，可得到1 000 N作動(dòng)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(dāng)電流達(dá)到10 A左右時(shí)，作動(dòng)器的最大輸出力可達(dá)到1 500 N左右。當(dāng)電流頻率增加至200 Hz時(shí)，作動(dòng)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(chǎng)建模

通過(guò)建立電磁發(fā)熱模型進(jìn)行熱場(chǎng)分析計(jì)算［6］，可以發(fā)現(xiàn)電磁作動(dòng)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(shí)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(shí)的電阻率，Ω；a為電阻率的溫度系數(shù)，1/℃；T′為域中的實(shí)際溫度，K。

一段時(shí)間內(nèi)感應(yīng)加熱的時(shí)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(dòng)裝置磁路部分的二維軸對(duì)稱幾何模型，通過(guò)仿真分析，重點(diǎn)研究磁路部分的傳熱。

2.2 磁路熱場(chǎng)分析

交變磁場(chǎng)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(guò)外殼、空氣等進(jìn)行熱傳導(dǎo)。在分析過(guò)程中，鐵芯是唯一熱源，傳熱過(guò)程包含有固體傳熱和輻射傳熱。隨著時(shí)間的推移，鐵芯的溫度逐漸升高，通過(guò)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(guò)固體傳熱方式來(lái)傳導(dǎo)熱量，這樣整個(gè)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(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度向量； 是該節(jié)點(diǎn)的溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)； 是節(jié)點(diǎn)的熱流向量，包括熱生成。

通過(guò)設(shè)置仿真時(shí)間、步長(zhǎng)和頻率等進(jìn)行瞬態(tài)求解。通過(guò)多物理場(chǎng)耦合，在滿足輸出力的條件下調(diào)節(jié)電流和頻率進(jìn)行瞬態(tài)分析。仿真得電流10 A、100 Hz時(shí)，600 s時(shí)長(zhǎng)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(shí)，3 600 s時(shí)長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)下的磁路結(jié)構(gòu)三維溫度圖

圖10 600 s時(shí)長(zhǎng)下的磁路二維溫度等值線

圖11 3 600 s時(shí)長(zhǎng)下的磁路結(jié)構(gòu)三維溫度圖

圖12 3 600 s時(shí)長(zhǎng)下的磁路二維溫度等值線

3 主被動(dòng)一體化隔振裝置設(shè)計(jì)

3.1 被動(dòng)隔振部分選型

為滿足主被動(dòng)一體化隔振裝置對(duì)于靜載荷承載能力、隔振量、安裝空間的需求，需要對(duì)被動(dòng)式隔振器進(jìn)行合理的選擇?？紤]工程加工和通用性，對(duì)市面上現(xiàn)有的被動(dòng)隔振器進(jìn)行篩選測(cè)試，綜合考慮作動(dòng)裝置主動(dòng)部分和被動(dòng)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(dòng)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(dòng)隔振部分選型及性能參數(shù)

3.2 主被動(dòng)一體化隔振裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖13 主被動(dòng)一體化隔振器結(jié)構(gòu)

4 主被動(dòng)一體化隔振裝置性能測(cè)試

圖14 性能測(cè)試試驗(yàn)原理圖

如圖14所示，搭建主被動(dòng)一體化隔振裝置性能測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)主被動(dòng)集成隔振器中的電磁作動(dòng)部分的輸出力特性及非線性度等進(jìn)行測(cè)試。 使用ICP式壓電力傳感器測(cè)試主被動(dòng)一體化隔振裝置的出力特性。動(dòng)子與力傳感器通過(guò)螺釘與連接件相連，定子通過(guò)螺釘固定在測(cè)試基座上，力傳感器安裝在測(cè)試基座上。測(cè)試基座與底座通過(guò)4個(gè)BE型橡膠隔振器相連，隔離基座擾動(dòng)。功率放大器由直流電源供電，信號(hào)發(fā)生器模擬出不同頻率、幅值的信號(hào)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(dòng)其工作。

圖15 性能測(cè)試試驗(yàn)實(shí)物圖

4.1 600 N主被動(dòng)一體化隔振裝置測(cè)試結(jié)果

作動(dòng)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(shí)，當(dāng)給作動(dòng)器輸入15 A電流時(shí)，最大輸出力可達(dá)700 N以上。

圖16 輸出力與線圈電流關(guān)系

作動(dòng)器輸出力與電流頻率關(guān)系曲線如圖17所示。實(shí)驗(yàn)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(dāng)頻率大于100 Hz后，實(shí)際最大輸出電流將低于理論設(shè)計(jì)的15 A。在200 Hz時(shí)，實(shí)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(dá)到700 N左右。在200 Hz時(shí)，最大輸出力可以接近400 N（10 A電流）。

作動(dòng)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(gè)工作范圍內(nèi)，作動(dòng)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(dòng)裝置的最大功耗主要指在電磁作動(dòng)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(jì)算公式可得600 N主被動(dòng)一體化作動(dòng)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(dòng)一體化隔振裝置測(cè)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(dòng)器輸出力與線圈電流以及頻率的關(guān)系如下頁(yè)圖20和圖21所示。當(dāng)輸入15 A電流時(shí)，最大輸出力在50 Hz以下均可達(dá)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(shí)際最大輸出電流將低于理論設(shè)計(jì)的15 A。在200 Hz時(shí)，實(shí)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(dá)1 300 N。在200 Hz時(shí)，最大輸出力最?。ń咏?00 N），如圖23所示。在整個(gè)工作范圍內(nèi)，作動(dòng)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(yǔ)

本文針對(duì)基于浮筏設(shè)計(jì)的振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制了主被動(dòng)一體化隔振裝置。該裝置既滿足次級(jí)力源出力需求，又同時(shí)兼顧隔振量、承載能力、安裝空間等要求。通過(guò)仿真分析及試驗(yàn)性能測(cè)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(jì)的主動(dòng)控制系統(tǒng)奠定了一定的理論與工程基礎(chǔ)。