一种新型主被动一体化隔振器设计及特性试验研究*

钱炫言 何其伟 李东昱 黄 璨

（1.海军工程大学船舶与海洋学院 武汉 430033）（2.92638部队 湛江 524057）

1 引言

舰艇在航行过程中，艇机械设备会产生振动，严重时将影响舰艇声隐身性能。隔振作为一种有效消减设备振动的措施被广泛应用［1］。传统被动隔振技术不需外置能源、简单易安装，但其低频振动控制效果不佳，而主动隔振对中低频振动有较好的控制效果，因此工程应用中常将两者结合，以期达到宽频控制效果。国内各科研单位及院校已经对此展开了广泛的研究，取得了丰富的成果［2～6］。针对舰船上设备体积大、振动强等特点，需要设计负载能力强、输出力大、控制带宽长、时延小的复合隔振器。李雨时等［7］设计了一款压电堆与橡胶的主被动复合隔振器用于飞行器的精密仪器隔振，该隔振器主动部分由压电堆担任，被动部分则是橡胶隔振器。限于主动隔振材料的选择，该款复合隔振器仅适用于输出力要求不太大的隔振场景，如飞行器和小型精密仪器隔振等；涉及到大型舰船的回转设备隔振，复合隔振器中的主动作动器需要满足具有一定的输出力和控制频率的要求，因此电磁式主动隔振器因响应速度快且易于控制的优点，受到广泛关注。专利［8］公开了一种电磁式主被动复合隔振器，该款复合隔振器的主动单元（电磁作动器）与被动单元（根据被控对象选择不同的被动隔振器）在结构上组成串联的形式，主动隔振器的外壳和被动隔振器可以一起提供对设备静载荷的支撑作用。但其主动单元（电磁作动器）和被动单元（如橡胶隔振器）在高度方向是串联的，所以整个隔振器集成度较低，空间占用较大（主要是高度方向占用空间大），浪费空间较多；基于以上考虑，专利［9］提出了一种并联式的电磁气囊主被动复合隔振器，该款混合隔振器性能可靠、耗能少、占用空间较小、对各类隔振场景的适应性好，可以实现宽频振动和低频振动的有效控制。但是其主动单元（电磁作动器）处于被动单元（气囊隔振器）的内部，故电磁作动器的尺寸收到气囊内径限制，从而限制了其能产生的最大电磁输出力。

根据上述三种复合隔振器的结构与形式上的优劣分析，结合本文的隔振对象为大型舰船的回转设备，本文选择各项性能优良的电磁作动器与简单实用的橡胶隔振器进行组合，提出一种并联式的电磁橡胶主被动一体化的隔振器，将电磁作动器放置在橡胶隔振器的外侧，这样电磁作动器尺寸及磁极的面积可以被设计的更大，就可以输出更大的电磁力来满足各类隔振场景的需要，经过测试该款隔振器最大输出力可达700N，非线性度为-2%～2.5%，拥有非常良好的输出力与输入电流线性度。

2 隔振原理

隔振就是在设备和基座在之间安装隔振器，从而隔离或减少设备与基座间的振动信号传递。被动隔振，即在设备与基础之间安装被动隔振器，该被动隔振器只能提供弹性支撑，以减少基础的振动对机械设备的影响程度。主动隔振，则是安装主动隔振器，其有外置输入能源，可以产生振动，从而与原振动抵消，最终减小甚至消除原振动。一般来说，这两种隔振措施各有运用场景，被动隔振器对高频振动有良好的抑制效果，但在原振动低于一定频率后，被动隔振将失效。主动隔振因其使用“以振消振”方法从而消除低频振动的极佳效果，现在已经在各类隔振工程领域中得到广泛的应用。主被动一体化隔振器则是将作动器与被动隔振器相结合，以期达到高频段由被动单元负责、低频段由主动作动器负责的宽频控制效果。相对于其他作动器，电磁式作动器拥有输入能源来源简单、输出力与体积或者质量的比值较大、结构紧凑等优点，所以在主动控制领域得到了广泛运用。

与吸振器中基于洛伦兹力（Lorentz Force）原理的电磁式作动器不同，本文所提的电磁式作动器基于的原理是：磁场之间相互作用［10］。在该电磁式作动器中，电磁铁可控，从而可以产生可控电磁场，此时将永磁体放入电磁场中，电磁场与永磁体中之间，因为有分子电流相互作用，可以产生吸力或者斥力。因为电磁铁要和永磁体进行相互作用，故磁力模型要比基于洛伦兹力原理磁力模型复杂得多。这种电磁式作动器常运用于小磁隙的场合，所以在输入小的动载荷和能量的情况下，就可以产生相对大的电磁力，磁力转换效率要明显高于前一种电磁式作动器［11］。

本文所设计电磁式主被动一体化隔振器，就是将基于磁场相互作用原理的电磁作动器（主动单元）和被动隔振器（橡胶隔振器）进行结合，其基本工作原理是：在一定振动频段内，通过被动隔振器进行隔振；在低于某振动频率时，被动隔振失效后，需要采集被控对象的振动信号进入控制器，实施主动隔振，主动作动器利用电磁力输出次级振动，达到在某兴趣点抵消原振动的目的。

3 结构设计

主被动一体化隔振器设计的关键是主动执行器（作动器）。一般来说，在结构设计方面，在满足体积和质量前提下，作动器输出力需要尽可能大。同时为了方便主动控制器设计，作动器也要在一定范围内工作，需要让作动器输入和输出仍然保持较好的线性关系。

根据上文的多种作动器分析对比，当设计电磁隔振器的机构参数时，应该参照以下原则：

1）在隔振器尺寸一定的条件下，尽量增加线圈的直径，以增加气隙中的磁感应强度，达到提高作动器的输出力的最终目的；

2）“漏磁”现象会改变磁场，导致大量的输出力耗散，所以要合理使用材料，以防止该现象发生；

3）合理配置气隙的高度，以保持作动器的线性度；

4）进行主被动隔振器结合设计时，应使用主被动并联的形式，以使隔振器的整体结构紧凑，节省空间。

根据以上原则，本文设计了一种新型并联式电磁主被动一体化隔振器，如图1所示，其中电磁执行机构设计为在电磁力与线圈电流之间存在线性关系，可以简化后期控制器设计过程。在所提出混合隔振结构中，橡胶隔振器安装在电磁作动器内部。因此，电磁作动器尺寸不受被动隔振器限制，可以通过合理设计，产生更大的电磁力，使复合隔振装置达到更好性能。

所提出复合隔振器的结构如图1所示，样机实物图如图2所示。此复合隔振器主要由橡胶隔振器、电磁作动器、底座、安全档盖和连接器组成。电磁作动器部分包括定子部件和动子部件。其中，动子部分包括永磁铁和动子磁轭；定子部分包括定子磁轭和被环氧树脂骨架撑起的线圈。主动部分（电磁作动器）和被动部分（橡胶隔振器）并联连接，在电磁作动器内部安装橡胶隔振器。电磁作动器的定子固定在底座上。上部的连接器用于在振动设备下安装复合隔振器。采用铝质安全档盖和橡胶垫，来保护作动器的动子免受碰撞。将加速度计粘在复合隔振器的底座上，测量底座的加速度信号进行后续的实时控制。电磁主被动一体化隔振器各部件名称及作用如图3和表1所示。

图1 电磁式主被动一体化隔振器（剖面3D图）

图3 电磁式主被动一体化隔振器（部件）

表1 电磁式主被动一体化隔振器（部件及作用）

定子部分如图4所示，其由定子上端盖、下端盖、骨架及线圈组成。

图4 定子部分3D图

其中，定子上下端盖及骨架采用AISI 1020钢制作。作为一种软磁材料，该型号钢相比于常用的硅钢片，不仅加工十分方便，而且能够快速成型。同时，使用这种软磁材料还可以增加磁感、减小漏磁、防止外磁场干扰。

线圈是产生电磁作用的电线，当电流经过线圈的时候，可以产生激励磁场，从而驱动作动器工作，所以它在整个结构中起到至关重要的作用。本设计根据使用环境、条件等因素，采用漆包线线圈作为励磁线圈，常用漆包线线圈分为油性、环氧、缩醛、聚酯、聚氨酯、聚酯亚胺、聚酰亚胺等漆包线。为使线圈能够达到隔振器整体工作环境的耐冲击、耐高温、耐严寒等要求，且满足经久耐用、维护便利等基本准则，励磁线圈材料采用QY-1型聚酰亚胺漆包线，规格为14AWG，即线径为1.63mm。

动子部分如图5所示，其由永磁铁和动子磁轭组成。

图5 动子部分3D图

动子磁轭材质与定子磁轭同为AISI 1020钢，以保证良好的磁感应。

永磁铁选择决定了作动器输出力，因而选择一种合适的永磁体材料非常关键。常见永磁材料包括：金属、铁氧体、稀土永磁材料等。金属永磁材料具有良好的磁特性，热稳定性好，但最大磁能积表现一般；铁氧体永磁材料矫顽力高、适用高频，但在温差较大的环境下表现很差；稀土永磁材料尽管硬而脆、容易磕碰致坏，但其在磁能积和矫顽力方面表现非常出色，所以稀土永磁材料应用最为广泛［10］。

稀土永磁材料中，磁性最强的当属钕铁硼永磁体［13］。钕铁硼永磁体主要成分是稀土金属钕、金属元素铁和非金属元素硼三种元素，同时可以根据需要，按一定比例添加其他元素（铝、钴、镨、镝、镓等），然后采用粉末冶金工艺，熔炼成合金，最后经过粉碎、压制成型、烧结之后形成永磁体，其具有非常高的磁能积矫顽力，尤其是在20℃～150℃环境下表现非常突出。而且，该永磁体还具有高能量密度的特点，因而被广泛应用于电声、电子、电机、机械、医疗等诸多领域。

因此，在本文的设计中，选用N52钕铁硼稀土永磁，该款永磁体最大磁能积可以达到52MGOe，是非常理想的永磁材料。

图6 基座3D图

图7 安全档盖和橡胶垫3D图

位于作动器底部的基座和顶部的安全档盖是直接与外界接触的部位，必须具有良好的刚度与强度，以保证稳定的输出性能。为满足这些条件，基座和安全档盖的选材为铝合金6061-T6。铝合金6061-T6是铝合金6061的主要合金，经过热处理后，它的强度和耐腐蚀性高，均匀性较好。

铝合金 6061 的具体成份为 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。其在性能上的具体参数为，抗拉强度105Mpa～290Mpa，屈服强度85Mpa～240Mpa，延伸率8%～16%。铝合金6061-T6型号中的T6则是指热处理的状态，主要适用于在固溶热处理后，不再进行冷加工（可以进行矫直、矫平，但不能影响产品的力学性能极限）的产品。铝合金6061-T6无沙眼气孔，平整度较好，还可以提高加工效率，同时降低材料成本，所以它是作为作动器基座和安全档盖用材的极佳选择。

橡胶垫主要用于保护动子，使其免受碰撞。本橡胶垫选材为性价比极高的聚亚安酯，其是由乙烷有机单元链聚合而成，质地柔软且富有弹性，可在-40℃～212℃条件下正常工作，比较符合作动器工作需求。

4 磁路设计

对于电磁作动器来说，磁路设计合理程度，不仅决定着该作动器所提供最大输出力，同时也极大影响着主动控制系统稳定性，所以就必须对作动器磁路结构、磁场分布和输出的电磁力之间的关系进行分析。

磁路是电磁作动器设计核心，本文所提电磁作动器磁路配置如图8所示。给线圈通电后，线圈和定子磁轭相当于电磁铁在工作。如果线圈电流方向和永磁磁铁的磁化方向与图8中所示的相同，那么通过定子铁芯流动磁通方向将是顺时针的。然后，将在定子上下两侧分别生成一个N极和一个S极。电磁作动器动子将受到两个力：下方气隙的排斥力和上方气隙的吸引力。因此，将在动子上生成正y方向合力。相应，如果所通电流方向相反，则力的方向将相应地改变。

图8 磁路配置

假设流经上方磁极之间气隙和在下方磁极之间气隙的磁通量分别为Φ1和Φ2。那么对于图8所示磁性配置，可以得出：

其中B1和B2分别是上方和下方气隙磁通密度，Ac是磁极面积。和是永磁铁产生的偏磁通量，是线圈产生的励磁通量。

当动子在中心位置处有非常小的位移时，磁通匝数的变化量可以通过下式得到：

因此总电磁输出力可以得出：其中N是线圈匝数，Bm是气隙中由永磁体偏磁通密度，dg是气隙中心直径，Ki是电磁力系数，而I是线圈电流幅值。可见，电磁作动器产生电磁力Fc与线圈电流幅值I成正比。

5 特性试验

依据上文的结构和磁路设计，制作了主被动一体化隔振器的样机，对该样机进行了特性实验。该实验主要测试了样机的以下特性：1）不同频率下，线圈电流与输出力关系曲线；2）不同电流下，输出力与输入电流频率关系曲线；3）最大输出力与电流频率关系曲线；4）最大功耗与电流频率关系曲线；5）输出力非线性度分析。

5.1 特性试验对象及方法

通过使用PCB公司的压电式力传感器来检测电磁作动器的输出力。测试系统结构原理图如图9所示。作动器动子与力传感器通过螺钉与连接件相连，力传感器安装在测试基座上。作动器的定子通过螺钉固定在测试基座上。测试基座与底座通过4个BE型橡胶隔振器相连。底座被放置与实验室的水泥地面上。橡胶隔振器主要用于隔离来自地面的扰动对测试结果的影响。直流电源主要用于给功率放大器供电，信号发生器用于提供不同频率与幅值的正弦信号给功率放大器，功率放大器用于给作动器提供电流驱动作动器工作。ICP式压电式力传感器的输出信号需要经过信号调理器后连接至示波器进行显示。在信号发生器上调节正弦信号的频率与幅值，从而控制作动器线圈电流大小，记录此时的功率放大器输出电流、输出电压，力传感器输出电压，信号发生器中正弦信号的幅值与频率。作动器输出力测量装置及测试实验系统如图10及图11所示。

图9 电磁作动器输出力测试系统结构原理图

图10 电磁作动器输出力测试装置

图11 电磁作动器输出力测试实验系统

5.2 特性试验结果及分析

1）不同频率下，线圈电流与输出力关系曲线

作动器输出力与线圈电流关系如图12所示，两者基本成线性关系。在20Hz时，当给作动器输入15A电流时，最大输出力可达700N以上。

图12 输出力与线圈电流的关系

2）不同电流下，输出力与电流频率的关系曲线

作动器输出力与电流频率关系曲线如图13所示。实验系统的最大输出电压是有限的（低于200V），因此由于线圈电感作用，随着电流频率升高，线圈最大电流幅值将减小，在频率大于100Hz后，实际最大输出电流将低于理论设计的15A。在200Hz时，实际最大输出电流只有9A左右，但此时依然有大于300N的输出力。

理论上，随着频率增加，电磁力输出将下降，在低频段的输出力应高于高频段输出力。但是图13中，在低频段的5Hz时输出力却很低，甚至低于较高频率段输出力。经分析，产生此现象的原因可能有以下两种：

（1）压电式力传感器在低频时增益较低，响应较小；

（2）输出力测试装置的结构模态特性影响了测试结果。

3）最大输出力与电流频率关系曲线

作动器的最大输出力与频率关系曲线如图14所示。在10Hz与20Hz附近最大输出力达到700N左右。在200Hz时，最大输出力可以接近400N。

图13 输出力与频率的关系

图14 最大输出力与频率的关系

4）最大功耗与电流频率关系曲线

作动器最大功耗与频率关系曲线如图15所示。功耗在80Hz～100Hz附近最大，在低频与高频时相对较小。分析原因如下：在低频时，给作动器提供15A最大电流所需的电压较低，在高频时，给作动器所能提供的最大电流较低，而在80Hz～100Hz附近，最大电流与所需电压均较大。

图15 最大功耗与频率的关系

5）输出力非线性度分析

作动器在不同频率下输出力与输入电流间的非线性度如图16所示。在整个工作范围内，作动器输出力非线性度均在-2%～2.5%之间，可见有良好的线性度。

图16 输出力与电流的非线性度与电流的关系

6 结语

本文重点针对主动控制系统中的执行机构展开研究，设计了一款新型电磁式主被动一体化隔振器，该款隔振器采用主被动单元并联的方式，使隔振器整体更加紧凑，既节省空间，又降低成本；将主动作动器安装在被动隔振器外侧，既保证提供足够静载荷，又提高主动输出力；经过特性试验分析，该款隔振器最大输出力可达700N，非线性度为-2%～2.5%，拥有非常良好的输出力与输入电流线性度。