錢炫言 何其偉 李東昱 黃 璨

（1.海軍工程大學(xué)船舶與海洋學(xué)院 武漢 430033）（2.92638部隊 湛江 524057）

1 引言

艦艇在航行過程中，艇機(jī)械設(shè)備會產(chǎn)生振動，嚴(yán)重時將影響艦艇聲隱身性能。隔振作為一種有效消減設(shè)備振動的措施被廣泛應(yīng)用［1］。傳統(tǒng)被動隔振技術(shù)不需外置能源、簡單易安裝，但其低頻振動控制效果不佳，而主動隔振對中低頻振動有較好的控制效果，因此工程應(yīng)用中常將兩者結(jié)合，以期達(dá)到寬頻控制效果。國內(nèi)各科研單位及院校已經(jīng)對此展開了廣泛的研究，取得了豐富的成果［2～6］。針對艦船上設(shè)備體積大、振動強(qiáng)等特點，需要設(shè)計負(fù)載能力強(qiáng)、輸出力大、控制帶寬長、時延小的復(fù)合隔振器。李雨時等［7］設(shè)計了一款壓電堆與橡膠的主被動復(fù)合隔振器用于飛行器的精密儀器隔振，該隔振器主動部分由壓電堆擔(dān)任，被動部分則是橡膠隔振器。限于主動隔振材料的選擇，該款復(fù)合隔振器僅適用于輸出力要求不太大的隔振場景，如飛行器和小型精密儀器隔振等；涉及到大型艦船的回轉(zhuǎn)設(shè)備隔振，復(fù)合隔振器中的主動作動器需要滿足具有一定的輸出力和控制頻率的要求，因此電磁式主動隔振器因響應(yīng)速度快且易于控制的優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注。專利［8］公開了一種電磁式主被動復(fù)合隔振器，該款復(fù)合隔振器的主動單元（電磁作動器）與被動單元（根據(jù)被控對象選擇不同的被動隔振器）在結(jié)構(gòu)上組成串聯(lián)的形式，主動隔振器的外殼和被動隔振器可以一起提供對設(shè)備靜載荷的支撐作用。但其主動單元（電磁作動器）和被動單元（如橡膠隔振器）在高度方向是串聯(lián)的，所以整個隔振器集成度較低，空間占用較大（主要是高度方向占用空間大），浪費空間較多；基于以上考慮，專利［9］提出了一種并聯(lián)式的電磁氣囊主被動復(fù)合隔振器，該款混合隔振器性能可靠、耗能少、占用空間較小、對各類隔振場景的適應(yīng)性好，可以實現(xiàn)寬頻振動和低頻振動的有效控制。但是其主動單元（電磁作動器）處于被動單元（氣囊隔振器）的內(nèi)部，故電磁作動器的尺寸收到氣囊內(nèi)徑限制，從而限制了其能產(chǎn)生的最大電磁輸出力。

根據(jù)上述三種復(fù)合隔振器的結(jié)構(gòu)與形式上的優(yōu)劣分析，結(jié)合本文的隔振對象為大型艦船的回轉(zhuǎn)設(shè)備，本文選擇各項性能優(yōu)良的電磁作動器與簡單實用的橡膠隔振器進(jìn)行組合，提出一種并聯(lián)式的電磁橡膠主被動一體化的隔振器，將電磁作動器放置在橡膠隔振器的外側(cè)，這樣電磁作動器尺寸及磁極的面積可以被設(shè)計的更大，就可以輸出更大的電磁力來滿足各類隔振場景的需要，經(jīng)過測試該款隔振器最大輸出力可達(dá)700N，非線性度為-2%～2.5%，擁有非常良好的輸出力與輸入電流線性度。

2 隔振原理

隔振就是在設(shè)備和基座在之間安裝隔振器，從而隔離或減少設(shè)備與基座間的振動信號傳遞。被動隔振，即在設(shè)備與基礎(chǔ)之間安裝被動隔振器，該被動隔振器只能提供彈性支撐，以減少基礎(chǔ)的振動對機(jī)械設(shè)備的影響程度。主動隔振，則是安裝主動隔振器，其有外置輸入能源，可以產(chǎn)生振動，從而與原振動抵消，最終減小甚至消除原振動。一般來說，這兩種隔振措施各有運用場景，被動隔振器對高頻振動有良好的抑制效果，但在原振動低于一定頻率后，被動隔振將失效。主動隔振因其使用“以振消振”方法從而消除低頻振動的極佳效果，現(xiàn)在已經(jīng)在各類隔振工程領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。主被動一體化隔振器則是將作動器與被動隔振器相結(jié)合，以期達(dá)到高頻段由被動單元負(fù)責(zé)、低頻段由主動作動器負(fù)責(zé)的寬頻控制效果。相對于其他作動器，電磁式作動器擁有輸入能源來源簡單、輸出力與體積或者質(zhì)量的比值較大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，所以在主動控制領(lǐng)域得到了廣泛運用。

與吸振器中基于洛倫茲力（Lorentz Force）原理的電磁式作動器不同，本文所提的電磁式作動器基于的原理是：磁場之間相互作用［10］。在該電磁式作動器中，電磁鐵可控，從而可以產(chǎn)生可控電磁場，此時將永磁體放入電磁場中，電磁場與永磁體中之間，因為有分子電流相互作用，可以產(chǎn)生吸力或者斥力。因為電磁鐵要和永磁體進(jìn)行相互作用，故磁力模型要比基于洛倫茲力原理磁力模型復(fù)雜得多。這種電磁式作動器常運用于小磁隙的場合，所以在輸入小的動載荷和能量的情況下，就可以產(chǎn)生相對大的電磁力，磁力轉(zhuǎn)換效率要明顯高于前一種電磁式作動器［11］。

本文所設(shè)計電磁式主被動一體化隔振器，就是將基于磁場相互作用原理的電磁作動器（主動單元）和被動隔振器（橡膠隔振器）進(jìn)行結(jié)合，其基本工作原理是：在一定振動頻段內(nèi)，通過被動隔振器進(jìn)行隔振；在低于某振動頻率時，被動隔振失效后，需要采集被控對象的振動信號進(jìn)入控制器，實施主動隔振，主動作動器利用電磁力輸出次級振動，達(dá)到在某興趣點抵消原振動的目的。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

主被動一體化隔振器設(shè)計的關(guān)鍵是主動執(zhí)行器（作動器）。一般來說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，在滿足體積和質(zhì)量前提下，作動器輸出力需要盡可能大。同時為了方便主動控制器設(shè)計，作動器也要在一定范圍內(nèi)工作，需要讓作動器輸入和輸出仍然保持較好的線性關(guān)系。

根據(jù)上文的多種作動器分析對比，當(dāng)設(shè)計電磁隔振器的機(jī)構(gòu)參數(shù)時，應(yīng)該參照以下原則：

1）在隔振器尺寸一定的條件下，盡量增加線圈的直徑，以增加氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，達(dá)到提高作動器的輸出力的最終目的；

2）“漏磁”現(xiàn)象會改變磁場，導(dǎo)致大量的輸出力耗散，所以要合理使用材料，以防止該現(xiàn)象發(fā)生；

3）合理配置氣隙的高度，以保持作動器的線性度；

4）進(jìn)行主被動隔振器結(jié)合設(shè)計時，應(yīng)使用主被動并聯(lián)的形式，以使隔振器的整體結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間。

根據(jù)以上原則，本文設(shè)計了一種新型并聯(lián)式電磁主被動一體化隔振器，如圖1所示，其中電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計為在電磁力與線圈電流之間存在線性關(guān)系，可以簡化后期控制器設(shè)計過程。在所提出混合隔振結(jié)構(gòu)中，橡膠隔振器安裝在電磁作動器內(nèi)部。因此，電磁作動器尺寸不受被動隔振器限制，可以通過合理設(shè)計，產(chǎn)生更大的電磁力，使復(fù)合隔振裝置達(dá)到更好性能。

所提出復(fù)合隔振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，樣機(jī)實物圖如圖2所示。此復(fù)合隔振器主要由橡膠隔振器、電磁作動器、底座、安全檔蓋和連接器組成。電磁作動器部分包括定子部件和動子部件。其中，動子部分包括永磁鐵和動子磁軛；定子部分包括定子磁軛和被環(huán)氧樹脂骨架撐起的線圈。主動部分（電磁作動器）和被動部分（橡膠隔振器）并聯(lián)連接，在電磁作動器內(nèi)部安裝橡膠隔振器。電磁作動器的定子固定在底座上。上部的連接器用于在振動設(shè)備下安裝復(fù)合隔振器。采用鋁質(zhì)安全檔蓋和橡膠墊，來保護(hù)作動器的動子免受碰撞。將加速度計粘在復(fù)合隔振器的底座上，測量底座的加速度信號進(jìn)行后續(xù)的實時控制。電磁主被動一體化隔振器各部件名稱及作用如圖3和表1所示。

圖1 電磁式主被動一體化隔振器（剖面3D圖）

圖3 電磁式主被動一體化隔振器（部件）

表1 電磁式主被動一體化隔振器（部件及作用）

定子部分如圖4所示，其由定子上端蓋、下端蓋、骨架及線圈組成。

圖4 定子部分3D圖

其中，定子上下端蓋及骨架采用AISI 1020鋼制作。作為一種軟磁材料，該型號鋼相比于常用的硅鋼片，不僅加工十分方便，而且能夠快速成型。同時，使用這種軟磁材料還可以增加磁感、減小漏磁、防止外磁場干擾。

線圈是產(chǎn)生電磁作用的電線，當(dāng)電流經(jīng)過線圈的時候，可以產(chǎn)生激勵磁場，從而驅(qū)動作動器工作，所以它在整個結(jié)構(gòu)中起到至關(guān)重要的作用。本設(shè)計根據(jù)使用環(huán)境、條件等因素，采用漆包線線圈作為勵磁線圈，常用漆包線線圈分為油性、環(huán)氧、縮醛、聚酯、聚氨酯、聚酯亞胺、聚酰亞胺等漆包線。為使線圈能夠達(dá)到隔振器整體工作環(huán)境的耐沖擊、耐高溫、耐嚴(yán)寒等要求，且滿足經(jīng)久耐用、維護(hù)便利等基本準(zhǔn)則，勵磁線圈材料采用QY-1型聚酰亞胺漆包線，規(guī)格為14AWG，即線徑為1.63mm。

動子部分如圖5所示，其由永磁鐵和動子磁軛組成。

圖5 動子部分3D圖

動子磁軛材質(zhì)與定子磁軛同為AISI 1020鋼，以保證良好的磁感應(yīng)。

永磁鐵選擇決定了作動器輸出力，因而選擇一種合適的永磁體材料非常關(guān)鍵。常見永磁材料包括：金屬、鐵氧體、稀土永磁材料等。金屬永磁材料具有良好的磁特性，熱穩(wěn)定性好，但最大磁能積表現(xiàn)一般；鐵氧體永磁材料矯頑力高、適用高頻，但在溫差較大的環(huán)境下表現(xiàn)很差；稀土永磁材料盡管硬而脆、容易磕碰致壞，但其在磁能積和矯頑力方面表現(xiàn)非常出色，所以稀土永磁材料應(yīng)用最為廣泛［10］。

稀土永磁材料中，磁性最強(qiáng)的當(dāng)屬釹鐵硼永磁體［13］。釹鐵硼永磁體主要成分是稀土金屬釹、金屬元素鐵和非金屬元素硼三種元素，同時可以根據(jù)需要，按一定比例添加其他元素（鋁、鈷、鐠、鏑、鎵等），然后采用粉末冶金工藝，熔煉成合金，最后經(jīng)過粉碎、壓制成型、燒結(jié)之后形成永磁體，其具有非常高的磁能積矯頑力，尤其是在20℃～150℃環(huán)境下表現(xiàn)非常突出。而且，該永磁體還具有高能量密度的特點，因而被廣泛應(yīng)用于電聲、電子、電機(jī)、機(jī)械、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。

因此，在本文的設(shè)計中，選用N52釹鐵硼稀土永磁，該款永磁體最大磁能積可以達(dá)到52MGOe，是非常理想的永磁材料。

圖6 基座3D圖

圖7 安全檔蓋和橡膠墊3D圖

位于作動器底部的基座和頂部的安全檔蓋是直接與外界接觸的部位，必須具有良好的剛度與強(qiáng)度，以保證穩(wěn)定的輸出性能。為滿足這些條件，基座和安全檔蓋的選材為鋁合金6061-T6。鋁合金6061-T6是鋁合金6061的主要合金，經(jīng)過熱處理后，它的強(qiáng)度和耐腐蝕性高，均勻性較好。

鋁合金 6061 的具體成份為 Si，0.40～0.80；Fe，0.70；Cu，0.15～1.40；Mn，0.15，Mg，0.8～1.20，Cr，0.04～0.35，Zn，0.252。其在性能上的具體參數(shù)為，抗拉強(qiáng)度105Mpa～290Mpa，屈服強(qiáng)度85Mpa～240Mpa，延伸率8%～16%。鋁合金6061-T6型號中的T6則是指熱處理的狀態(tài)，主要適用于在固溶熱處理后，不再進(jìn)行冷加工（可以進(jìn)行矯直、矯平，但不能影響產(chǎn)品的力學(xué)性能極限）的產(chǎn)品。鋁合金6061-T6無沙眼氣孔，平整度較好，還可以提高加工效率，同時降低材料成本，所以它是作為作動器基座和安全檔蓋用材的極佳選擇。

橡膠墊主要用于保護(hù)動子，使其免受碰撞。本橡膠墊選材為性價比極高的聚亞安酯，其是由乙烷有機(jī)單元鏈聚合而成，質(zhì)地柔軟且富有彈性，可在-40℃～212℃條件下正常工作，比較符合作動器工作需求。

4 磁路設(shè)計

對于電磁作動器來說，磁路設(shè)計合理程度，不僅決定著該作動器所提供最大輸出力，同時也極大影響著主動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以就必須對作動器磁路結(jié)構(gòu)、磁場分布和輸出的電磁力之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

磁路是電磁作動器設(shè)計核心，本文所提電磁作動器磁路配置如圖8所示。給線圈通電后，線圈和定子磁軛相當(dāng)于電磁鐵在工作。如果線圈電流方向和永磁磁鐵的磁化方向與圖8中所示的相同，那么通過定子鐵芯流動磁通方向?qū)⑹琼槙r針的。然后，將在定子上下兩側(cè)分別生成一個N極和一個S極。電磁作動器動子將受到兩個力：下方氣隙的排斥力和上方氣隙的吸引力。因此，將在動子上生成正y方向合力。相應(yīng)，如果所通電流方向相反，則力的方向?qū)⑾鄳?yīng)地改變。

圖8 磁路配置

假設(shè)流經(jīng)上方磁極之間氣隙和在下方磁極之間氣隙的磁通量分別為Φ1和Φ2。那么對于圖8所示磁性配置，可以得出：

其中B1和B2分別是上方和下方氣隙磁通密度，Ac是磁極面積。和是永磁鐵產(chǎn)生的偏磁通量，是線圈產(chǎn)生的勵磁通量。

當(dāng)動子在中心位置處有非常小的位移時，磁通匝數(shù)的變化量可以通過下式得到：

因此總電磁輸出力可以得出：其中N是線圈匝數(shù)，Bm是氣隙中由永磁體偏磁通密度，dg是氣隙中心直徑，Ki是電磁力系數(shù)，而I是線圈電流幅值?？梢?，電磁作動器產(chǎn)生電磁力Fc與線圈電流幅值I成正比。

5 特性試驗

依據(jù)上文的結(jié)構(gòu)和磁路設(shè)計，制作了主被動一體化隔振器的樣機(jī)，對該樣機(jī)進(jìn)行了特性實驗。該實驗主要測試了樣機(jī)的以下特性：1）不同頻率下，線圈電流與輸出力關(guān)系曲線；2）不同電流下，輸出力與輸入電流頻率關(guān)系曲線；3）最大輸出力與電流頻率關(guān)系曲線；4）最大功耗與電流頻率關(guān)系曲線；5）輸出力非線性度分析。

5.1 特性試驗對象及方法

通過使用PCB公司的壓電式力傳感器來檢測電磁作動器的輸出力。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖9所示。作動器動子與力傳感器通過螺釘與連接件相連，力傳感器安裝在測試基座上。作動器的定子通過螺釘固定在測試基座上。測試基座與底座通過4個BE型橡膠隔振器相連。底座被放置與實驗室的水泥地面上。橡膠隔振器主要用于隔離來自地面的擾動對測試結(jié)果的影響。直流電源主要用于給功率放大器供電，信號發(fā)生器用于提供不同頻率與幅值的正弦信號給功率放大器，功率放大器用于給作動器提供電流驅(qū)動作動器工作。ICP式壓電式力傳感器的輸出信號需要經(jīng)過信號調(diào)理器后連接至示波器進(jìn)行顯示。在信號發(fā)生器上調(diào)節(jié)正弦信號的頻率與幅值，從而控制作動器線圈電流大小，記錄此時的功率放大器輸出電流、輸出電壓，力傳感器輸出電壓，信號發(fā)生器中正弦信號的幅值與頻率。作動器輸出力測量裝置及測試實驗系統(tǒng)如圖10及圖11所示。

圖9 電磁作動器輸出力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖10 電磁作動器輸出力測試裝置

圖11 電磁作動器輸出力測試實驗系統(tǒng)

5.2 特性試驗結(jié)果及分析

1）不同頻率下，線圈電流與輸出力關(guān)系曲線

作動器輸出力與線圈電流關(guān)系如圖12所示，兩者基本成線性關(guān)系。在20Hz時，當(dāng)給作動器輸入15A電流時，最大輸出力可達(dá)700N以上。

圖12 輸出力與線圈電流的關(guān)系

2）不同電流下，輸出力與電流頻率的關(guān)系曲線

作動器輸出力與電流頻率關(guān)系曲線如圖13所示。實驗系統(tǒng)的最大輸出電壓是有限的（低于200V），因此由于線圈電感作用，隨著電流頻率升高，線圈最大電流幅值將減小，在頻率大于100Hz后，實際最大輸出電流將低于理論設(shè)計的15A。在200Hz時，實際最大輸出電流只有9A左右，但此時依然有大于300N的輸出力。

理論上，隨著頻率增加，電磁力輸出將下降，在低頻段的輸出力應(yīng)高于高頻段輸出力。但是圖13中，在低頻段的5Hz時輸出力卻很低，甚至低于較高頻率段輸出力。經(jīng)分析，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能有以下兩種：

（1）壓電式力傳感器在低頻時增益較低，響應(yīng)較??；

（2）輸出力測試裝置的結(jié)構(gòu)模態(tài)特性影響了測試結(jié)果。

3）最大輸出力與電流頻率關(guān)系曲線

作動器的最大輸出力與頻率關(guān)系曲線如圖14所示。在10Hz與20Hz附近最大輸出力達(dá)到700N左右。在200Hz時，最大輸出力可以接近400N。

圖13 輸出力與頻率的關(guān)系

圖14 最大輸出力與頻率的關(guān)系

4）最大功耗與電流頻率關(guān)系曲線

作動器最大功耗與頻率關(guān)系曲線如圖15所示。功耗在80Hz～100Hz附近最大，在低頻與高頻時相對較小。分析原因如下：在低頻時，給作動器提供15A最大電流所需的電壓較低，在高頻時，給作動器所能提供的最大電流較低，而在80Hz～100Hz附近，最大電流與所需電壓均較大。

圖15 最大功耗與頻率的關(guān)系

5）輸出力非線性度分析

作動器在不同頻率下輸出力與輸入電流間的非線性度如圖16所示。在整個工作范圍內(nèi)，作動器輸出力非線性度均在-2%～2.5%之間，可見有良好的線性度。

圖16 輸出力與電流的非線性度與電流的關(guān)系

6 結(jié)語

本文重點針對主動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)展開研究，設(shè)計了一款新型電磁式主被動一體化隔振器，該款隔振器采用主被動單元并聯(lián)的方式，使隔振器整體更加緊湊，既節(jié)省空間，又降低成本；將主動作動器安裝在被動隔振器外側(cè)，既保證提供足夠靜載荷，又提高主動輸出力；經(jīng)過特性試驗分析，該款隔振器最大輸出力可達(dá)700N，非線性度為-2%～2.5%，擁有非常良好的輸出力與輸入電流線性度。