电动振动台的气隙磁通和台面漏磁是两个重要的性能指标。要求台面漏磁尽可能小，气隙磁通尽可能大。目前增大气隙磁通的一般方法是增加励磁线圈的安匝数，但是这样会导致台面漏磁同步增大。可以通过在台面上添加消磁线圈的方式来减小台面的漏磁，但这种方法在设计、制造和使用中不太方便，甚至会在某些位置产生更大的杂散磁场。根据使用经验，适当减小上下励磁线圈的安匝数之比可以有效减小台面漏磁的大小。本文针对此现象，仿真研究了在相同励磁安匝数下，不同的上下励磁安匝比对气隙磁通和台面漏磁的影响。本文综合考虑气隙磁场和台面漏磁，确定了振动台设计时平衡气隙磁通与台面漏磁的一种新方法。 Air gap magnetic flux and magnetic flux leakage on the table are two important performance indicators of the electrodynamic vibration generator. It’s required that the magnetic flux leakage should be as small as possible and air gap magnetic flux should be as large as possible. At present, the general method of increasing the air gap magnetic flux is to increase the ampere-turns of the excitation coil, but the magnetic flux leakage will increase synchronously. The magnetic flux leakage can be reduced by adding a degaussing coil, but it is inconvenient in the design, manufacture and use, and even generates larger stray magnetic fields in some locations. According to the use experience, appropriately reducing the ampere-turns ratio of upper and lower excitation coil can effectively reduce the magnetic flux leakage. Aiming at this phenomenon, it’s simulated that the influence of different upper and lower excitation ampere-turns ratio on air gap flux and magnetic flux leakage when the when the number of ampere-turns remains unchanged. In this paper, considering the air gap magnetic field and the surface magnetic flux leakage, a new method of balancing the air gap flux and the surface leakage is established.
电动振动台的气隙磁通和台面漏磁是两个重要的性能指标。要求台面漏磁尽可能小，气隙磁通尽可能大。目前增大气隙磁通的一般方法是增加励磁线圈的安匝数，但是这样会导致台面漏磁同步增大。可以通过在台面上添加消磁线圈的方式来减小台面的漏磁，但这种方法在设计、制造和使用中不太方便，甚至会在某些位置产生更大的杂散磁场。根据使用经验，适当减小上下励磁线圈的安匝数之比可以有效减小台面漏磁的大小。本文针对此现象，仿真研究了在相同励磁安匝数下，不同的上下励磁安匝比对气隙磁通和台面漏磁的影响。本文综合考虑气隙磁场和台面漏磁，确定了振动台设计时平衡气隙磁通与台面漏磁的一种新方法。
电动振动台，气隙，磁通，漏磁
Yang Li1,2*, Xiaobo Cao1,2, Kuihua Zhang1,2, Shujie Xia1,2
1Beijing Institute of Structure & Environment Engineering, Beijing
2Beijing Vibration Test Equipment Engineering and Technology Research Center, Beijing
Received: Jun. 24th, 2022; accepted: Aug. 16th, 2022; published: Aug. 24th, 2022
Air gap magnetic flux and magnetic flux leakage on the table are two important performance indicators of the electrodynamic vibration generator. It’s required that the magnetic flux leakage should be as small as possible and air gap magnetic flux should be as large as possible. At present, the general method of increasing the air gap magnetic flux is to increase the ampere-turns of the excitation coil, but the magnetic flux leakage will increase synchronously. The magnetic flux leakage can be reduced by adding a degaussing coil, but it is inconvenient in the design, manufacture and use, and even generates larger stray magnetic fields in some locations. According to the use experience, appropriately reducing the ampere-turns ratio of upper and lower excitation coil can effectively reduce the magnetic flux leakage. Aiming at this phenomenon, it’s simulated that the influence of different upper and lower excitation ampere-turns ratio on air gap flux and magnetic flux leakage when the when the number of ampere-turns remains unchanged. In this paper, considering the air gap magnetic field and the surface magnetic flux leakage, a new method of balancing the air gap flux and the surface leakage is established.
Keywords:Electrodynamic Vibration Generator, Air Gap, Magnetic Flux, Magnetic Flux Leakage
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电动振动台是振动试验中最常用的激振设备。典型的振动台结构简图如图1所示。动圈所处气隙的磁通和台面的漏磁是振动台重要的性能指标。振动台气隙磁通越大，推力越大。气隙中的磁通由上下励磁线圈通入方向相反的直流电产生，通常会选择增大励磁线圈安匝数的方式来增大气隙磁通，但同时会导致台面漏磁增大。振动台台面漏磁过大不仅响信号采集，还可能会对某些敏感试件造成不利影响。国标要求距台面安装螺孔的最大分布圆直径1/4高度处的整个平面上(下文称之为A_LM平面)，漏磁应小于1 mT [
图1. 电动振动台结构简图
由于上铁芯要给动圈留出运动空间，上铁芯被分成八瓣，其俯视图见图2，留出了空气间隙，导致上台面有更多漏磁产生，现在一般采用安装消磁线圈的方式来抵消漏磁 [
图2. 上铁芯俯视图
本文借鉴磁场仿真分析方法在振动台、电机等特性分析中的应用 [
如图1所示，电动振动台的磁路系统主要由上下励磁线圈、上下极板、磁钢环、上下铁芯和气隙组成。上下励磁线圈分别通入方向相反的直流电，会产生箭头所示的磁场。处在气隙中的动圈通入交流电，便会受到交变的磁场力，这个力就是振动台的推力，振动台的推力和气隙中的磁通大小呈正相关。受制于振动台的特殊结构，上铁芯被剖成八瓣，导致台面存在漏磁场。气隙磁通和台面漏磁均由励磁线圈产生，励磁电流越大，二者越强。漏磁还和材料的磁导率、工件的形状尺寸、表面缺陷的深度和方向有关。故减小漏磁的思路一方面是增大材料的磁导率，减小工件表面及内部的缺陷，另一种方法是减小励磁电流，但这样会使气隙磁通受到损失。
振动台主要部件的材料及其相对磁导率见表1。上下极板、磁钢环和铁芯是主要的导磁结构，导磁率为非线性变化的曲线，见图3。动圈骨架、动圈线圈、内外短路环的相对磁导率都近似为1，可以认为与空气相同，将四者等效为空气建模。利用电动振动台磁路的对称性，建立1/4计算模型。模型及网络划分见图4。
| 部件 | 动圈骨架 | 动圈线圈 | 内外短路环、励磁线圈 | 上下极板、磁钢环、铁芯 |
|---|---|---|---|---|
| 材料 | 铸铝 | 纯铝 | 紫铜 | 优质碳素结构钢08F |
| 相对磁导率 | 1.000022 | 1.000022 | 0.99990 | B-H曲线 [
|
表1. 零部件材料及相对磁导率
图3. 08F钢的B-H曲线(磁化曲线)
图4. (a) 几何模型；(b) 网格划分
为提高计算效率与精度，采用20节点六面体单元solid236对台体进行网络划分。同时为了计算漏磁，在台体外部建立了半径6米的球形空气模型，见图5，并细化了台面漏磁观测区域(即A_LM平面)和动圈所处气隙的网络。在外边界和对称平面上设置通量平行边界条件。
上下励磁线圈总共320匝，励磁电流为400安培，分析中保证上下励磁线圈的安匝数为320 × 400 = 128,000 [安匝]不变，只改变上下励磁的安匝数之比，测量气隙磁通与台面的漏磁大小。计算条件见表2。
图5. 外围空气有限元模型
Table2. Upper and lower excitation ampere-turn ratio and number of turns
表2. 上下励磁安匝比与匝数
不同安匝比下气隙的磁通大小见表3与图6，其数值为气隙中磁通密度的均值。计算结果表明：当上下励磁线圈的安匝数之和一定时，气隙磁通密度随安匝比的变化呈拱形：安匝比在1附近时，气隙磁通最大，安匝比越偏离1，气隙磁通越小，下降速度越快。气隙磁通的分布整体上较为均匀，磁感线方向垂直于气隙，图7显示其磁通密度的分布情况。
安匝比为0.8时，气隙磁通为1.7391 T，其值是最大值1.7532 T的99.2% (安匝比为1时)。可见，当安匝比在0.8~1.2之间，没有过分远离1时，气隙磁通的值可保持在高位。这说明小幅调整上下励磁的安匝数之比不会使气隙磁通明显下降。
仿真后测量A_LM平面的最大漏磁，不同安匝比下的台面漏磁见表4和图8，其值为漏磁通的最大值。计算结果显示：当上下励磁的安匝数之和一定时，台面漏磁在上下励磁安匝比为0.7时最小，其值为1.098 mT，安匝比越偏离0.7，台面漏磁越大。这也证实了引言中所述的现象：适当减小上下励磁安匝
| 安匝比 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 气隙磁通密度/T | 1.6544 | 1.7134 | 1.7391 | 1.7512 | 1.7532 | 1.7512 | 1.7448 |
表3. 不同安匝比下的气隙磁通密度
图6. 不同安匝比下的气隙磁通密度
图7. 气隙磁通密度分布(安匝比 = 1.0)
比可以减小台面的漏磁。
漏磁平面的磁通分布见图9，依次是安匝比为0.6、0.7、0.8、1.0的漏磁结果。安匝比大于0.7时，漏磁平面最大漏磁点在漏磁平面的正中间，即台面的正上方，通常也是被试件放置的位置；安匝比小于0.7时，漏磁平面正中间的漏磁通反而最小。
| 安匝比 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 台面漏磁/mT | 1.462 | 1.098 | 1.925 | 3.039 | 3.866 | 4.705 | 5.467 |
表4. 不同安匝比下的台面漏磁
图8. 不同安匝比下的台面漏磁
图9. 漏磁平面的磁通分布(单位：T)，安匝比：(a) 0.6；(b) 0.7；(c) 0.8；(d) 1.0
电动振动台气隙磁通在上下励磁安匝比为1时最大，台面漏磁在安匝比为0.7时最小。通过研究不同励磁安匝比下台体的磁通分布，来解释产生上述现象的原因。图10为励磁安匝比为0.6、0.7、1.0、1.2时，台体的磁通分布，图11为励磁安匝比为0.6、0.7、1.0、1.2时，台体的磁感线分布。结果表明：当台体上下励磁安匝比为1时，台体的磁感线为典型的双涡形；当增大或减小上下励磁安匝比，磁感线密度则在上励磁或下励磁周围增大。
可以进行如下解释：上励磁产生的磁场部分经过气隙，部分经过下极板构成回路；下励磁产生的磁场则部分经过气隙，部分经过上极板和上铁芯构成回路。上下励磁产生的磁场在气隙发生叠加，在上极板和上铁芯互相抵消。当安匝比为0.7时，上下励磁产生的磁场会在上极板和铁芯处彼此抵消，降低了此处的磁感线密度，故而减少了台面漏磁。当安匝比偏离1时，由于会增大台体局部磁路的磁通密度，从而导致磁阻增大，故而减小了气隙磁通。
图10. 台体磁通密度分布，安匝比：(a) 0.6；(b) 0.7；(c) 1.0；(d) 1.2
图11. 台体磁感线分布，安匝比：(a) 0.6；(b) 0.7；(c) 1.0；(d) 1.2
对比电动振动台在不同上下励磁安匝比下的磁路仿真计算结果，得到以下结论：
1) 气隙磁通密度在上下励磁安匝比为1时最大，并且安匝比在0.8~1.2之间可保持高位；安匝比远离1，气隙的磁通密度会显著下降。整体上看，气隙中的磁通分布均匀，磁场方向与气隙垂直。
2) 适当减小上励磁安匝数可以减小台面漏磁，其原因是：上下励磁产生的磁场在上极板和上铁芯处彼此抵消，降低了该处的磁感线密度，从而减小了台面漏磁。
3) 气隙磁通和台面漏磁是电动振动台的两个重要性能指标。振动台磁路设计时，可以考虑通过改变上下励磁安匝比的方法，使得漏磁降至最低，同时保证有较大的气隙磁通。
李 杨,曹小波,张奎华,夏树杰. 电动振动台气隙磁通和台面漏磁优化研究Optimization Research of Air Gap Flux and