磁悬浮主动隔振器漏磁分析与优化

    近50年来,国内外诸多学者对舰船减振降噪问题进行了广泛而深入的研究,而主动隔振技术是舰船减振降噪问题中研究最多的一项振动控制技术[1-2]。主动隔振技术的关键是主动隔振器的设计与研究,因此设计性能良好的新型主动隔振器将是主动隔振技术发展的趋势。

    磁悬浮支承技术是20世纪60年代发展起来的一种典型的高性能机电一体化技术,具有无接触、无磨损和寿命长等优点,其支承刚度能够根据控制参数而改变[3]。国外学者EMDADUL等提出将磁悬浮支承引入隔振系统,并推导了相应的控制规律[4-7]。

    影响磁悬浮主动隔振器性能的一个重要指标是电磁力的大小,而漏磁是影响电磁力大小的主要因素。目前关于磁悬浮主动隔振器漏磁分析的文章较少,但国内有学者采用有限元方法对磁力轴承的漏磁进行了分析计算[8]。因此,笔者通过有限元方法研究磁悬浮主动隔振器的漏磁,实验验证该计算方法的正确性,并改进隔振器的结构,以减少漏磁。这种分析方法对磁悬浮主动隔振器的设计与研究具有指导意义。

    1 磁悬浮主动隔振器的基本原理

    磁悬浮主动隔振器主要包括支架、E型磁铁、缠绕线圈、衔铁以及推力盘组件(转子)等部分,其结构示意图如图1所示。在实际工作中,推力盘组件与隔振设备刚性连接,支架固连在基础上。隔振设备和基础上装有加速度传感器,可以检测负载和基础的加速度信号,推力盘组件正下方装有位移传感器,可以检测负载与基础的相对位移信号,该相对位移即为E型电磁铁与衔铁之间的气隙大小。

    磁悬浮隔振器主动隔振的原理是,隔振设备受到外部激励产生振动时,能根据测得的加速度信号和位移信号,采用一定的控制算法计算出所需的控制电流,使经过功率放大器通入线圈的电流为所需的控制电流,产生抑制振动的反作用电磁力,即可达到隔离振动向基础传递的目的。

    磁悬浮主动隔振器的结构设计,采用简化磁路算法[9],即不考虑漏磁,忽略铁芯与导磁材料的磁阻,认为磁势全部降落在设计工作气隙上,且该气隙中磁通密度均匀分布。按照这种理想情况给出的计算公式与实际情况有差距,这种算法必然导致对隔振器的特性和结构参数分析不够全面和精确。如漏磁场的存在会使隔振器磁场的空间分布趋于复杂,影响电磁力的大小和方向,进而影响磁悬浮主动隔振器的隔振性能。故该方法不适用于要求高精度的场合。因此,需要分析隔振器的漏磁大小,并优化结构以减小漏磁。

    2 磁悬浮主动隔振器的磁场分析

    磁悬浮主动隔振器的线圈缠绕在E型磁铁的中间支柱上,与E型磁铁之间有2. 5 mm的气隙。衔铁由上下两部分组成,中间有一层隔磁片,以防止上下线圈励磁磁场的耦合。当缠绕线圈通入直流电流时,线圈周围便会产生励磁磁场。根据隔振器的结构和磁路的有关定律,线圈励磁磁场的磁力线分布如图2所示。