振動臺漏磁屏蔽應用研究

汪 榮，晏效鋒

（中航工業西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

振動臺漏磁屏蔽應用研究

汪 榮，晏效鋒

（中航工業西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

根據電動振動臺的工作原理，詳細分析電動振動臺磁路結構及漏磁場的來源，通過進行測量分析，并提出一種有效的漏磁場屏蔽措施。

電動振動臺；磁路結構；漏磁場；屏蔽

引言

電動振動臺工作原理實際是電磁感應原理，“電動”的含義是指振動發生器產生的激振力是由恒定磁場和內裝線圈通以高交變電流相互作用的結果。振動臺振動時就需要很強的磁感應強度，且由于振動臺結構的特殊性，因此振動臺工作時臺面上必定存在漏磁場，這種磁場的強度對于儀表、陀螺、伺服加計等磁場敏感試件會產生干擾。

本文提出基于振動臺磁路結構而采取相應的接地和屏蔽等措施，來降低臺面上的漏磁強度，以消除漏磁對儀表、陀螺、伺服加計等磁場敏感試件的干擾。

1 振動臺工作原理

電動振動臺的基本工作原理是基于載流導體（即動圈）在磁場中受到電磁力的安培定律。由勵磁線圈產生的恒定磁場和位于磁場中通有一定交變電流的動圈相互作用而產生交變的激振力。動圈所受電磁力與動圈中的電流、動圈在磁場中的有效長度以及動圈所處磁場的磁感應強度成正比。電磁力的方向用左手定則決定，如圖1所示。

電動振動臺的推力為：

式中，B為環形氣隙中磁感應強度（Wb/m2）；

l為動圈繞線的有效長度；

I為動圈中電流。

圖1 電動振動臺工作原理示意圖

2 磁路結構和漏磁場產生原理

2.1 磁路結構

電動振動臺主要由活動系統（驅動線圈和工作臺）、磁路系統、彈性支撐系統、導向系統及冷卻裝置等組成。活動系統是指在帶有工作臺面的骨架上繞制驅動線圈，并用環氧樹脂將兩者固封在一起的組合件，通常亦稱之為動圈。磁路系統通常由勵磁線圈、導磁體及工作氣隙組成。構成磁路的導磁體通常用低碳鋼或工業純鐵制成。工作氣隙的作用在于放置驅動線圈，并提供線圈運動必須的強磁場。現在大部分電動振動臺都采用的是雙磁路結構（見圖2），即兩組勵磁線圈繞組分別置于工作磁隙的上下兩側，在工作磁隙的磁場相互疊加，而在工作臺面上的磁場相互抵消。由于雙磁路工作氣隙中磁通密度沿軸向可對稱分布，因而也有利于改善波形的失真度。

針對工作氣隙在上方振動臺的磁路結構（工作氣隙在上方的漏磁比工作氣隙在下方的漏磁要大），一般制造商會采用消磁線圈進行消磁，主要是利用消磁線圈產生與漏磁方向相反的磁場，可抵消大部分漏磁的影響，但是沒有被消磁線圈抵消掉的磁場還是對電子儀表、陀螺、伺服加計等磁場敏感試件產生干擾。合理選擇消磁線圈的位置及其匝數，可將臺面周圍的漏磁限制在最小限度。

消磁線圈安匝計算方法為：

式中，B為工作臺面的允許的漏磁感應強度；

I為消磁線圈中的電流；

W為消磁線圈的匝數；

l為消磁線圈的寬度；

b為工作臺面厚度；

a為消磁線圈中心與動圈中心軸線間的距離。

2.2 振動臺漏磁場產生原理

在振動臺工作時，磁場分為兩個部分，一是恒定磁場部分，它由勵磁線圈中的直流電流激發產生；二是交變磁場部分，它由勵磁線圈中的交變成分以及動圈驅動電流激發產生。如果包圍勵磁線圈和動圈的外部材料的材質是連續的、均勻的，則材料的磁感應線將被約束在材料中，磁通是平行于材料表面的（如圖3所示），幾乎沒有磁感應線從振動臺表面穿出，振動臺臺面沒有磁場，但是，由于振動臺結構的特殊性，振動臺的骨架材料材質不是連續，且有縫隙（安裝孔和工作氣隙），所以就會存在材料表面缺陷，而缺陷的磁導率小，磁阻很大，使磁路中的磁通發生畸變，磁感應線流向會發生變化，除了部分磁通直接通過缺陷或通過材料內部來繞過缺陷外，還有部分的磁通會泄漏到振動臺表面上空，從而使振動臺表面缺陷處形成漏磁場。

3 采取的抗干擾措施

通常對付電磁干擾的措施有兩種，一是接地，二是屏蔽。

3.1 接地

圖2 電動振動臺磁路結構圖

圖3 漏磁場形成示意圖

為了消除漏磁場產生的感應電動勢（即干擾電壓）對產品及夾具的干擾，我們采取就近接地措施，將振動臺外殼、產品夾具以及功放、控制器、電荷放大器的地線接入振動臺旁邊的一個專用接地體上，讓干擾電壓通過接地線泄放進入大地。

3.2 屏蔽

對于振動臺漏磁場來說，主要是直流和5KHz～2KHz的低頻磁場，所以我們可以采取磁場屏蔽來降低振動臺面上方的漏磁強度。

3.2.1 選取磁屏蔽材料

磁屏蔽主要依靠高導磁材料所具有的低磁阻，對磁通起著分路作用，使得振動內部的磁通不泄露到振動臺面上。通常，磁屏蔽體要求采用相對磁導率遠大于1的鐵磁材料，常用的材料有普通低碳鋼（含碳量小于0.25%）、硅鋼、電工純鐵、鐵鎳合金和鐵鋁合金等金屬軟磁材料。幾種常用屏蔽材料的基本性能（見表1）。

由于屏蔽裝置必須安裝在振動臺臺面，與產品一起進行振動，所以要求選用的屏蔽材料力學性能好，這樣才不會導致振動波形失真。根據振動臺磁屏蔽裝置要求高磁導率和力學性能好的特點，我們分別選取0.31mm硅鋼片和6mm厚度20#鋼（普通低碳鋼）作為磁屏蔽材料進行了比較，它們特點都是成本低、加工方便，在低頻磁場屏蔽應用較多，考慮到振動臺磁場主要是5KHz～2KHz的低頻磁場，其飽和磁感應強度對屏蔽效能沒影響。

3.2.2 設計屏蔽板

用選取的20#鋼和硅鋼片磁屏蔽材料做成與振動臺面大小一樣，與振動臺面安裝孔位置吻合的圓形屏蔽板。在振動試驗中，我們把屏蔽板墊在振動臺面上，在屏蔽板上安裝過渡板，使得內部漏磁場直接被屏蔽板分路返回到振動臺內部。一般來說，針對振動臺這種低頻低阻抗磁路結構來說，20#鋼和硅鋼片可以提供20dB以上的屏蔽效能，但是由于屏蔽板上的孔洞或縫隙引起屏蔽板的導電不連續性，會增大屏蔽體的磁阻，從而使得屏蔽效能降低。另外，屏蔽板接觸面安裝不牢固也會導致屏蔽效能的降低。

1）對于屏蔽板上的孔洞或縫隙應該注意以下事項：

①減少孔洞或縫隙的數目。應采用盡可能合理的設計裝配結構使安裝孔或縫隙數目最少。在孔洞面積相同的情況下，圓孔的屏蔽效果比方孔的屏蔽效果好。因為面積相同的情況下圓孔的線徑最短；

②在設計屏蔽裝置時，為了減小過渡板上面的漏磁，可適當增加屏蔽板的厚度；屏蔽板的安裝孔要盡量分散開，以避免造成屏蔽板的磁阻分布不均。

2）對于屏蔽板的安裝應該注意以下事項：

①注意接觸面的處理，使之具有良好的電氣接觸。操作時，除表面清理除銹外，還可以在接觸面鍍以不易氧化、導電性能又好的金屬層；

②安裝屏蔽板時，最好墊上彈性墊圈，連接螺釘穿過安裝孔后留下的縫隙盡可能小，為了保證安裝牢靠，連接螺釘應足夠多，安裝面之間接觸盡可能緊密。

4 屏蔽板的屏蔽效能實測值

在采取接地和屏蔽措施后，在兩個不同的振動臺上，分別對硅鋼片屏蔽板和20#鋼屏蔽板的屏蔽效能進行實測對比。對安裝屏蔽板前后漏磁場強度的數據進行了實測，按照《電動式振動試驗臺檢定規程》中要求，總共選取9個安裝孔（見圖4），在正上方距臺面安裝螺孔的最大分布直徑的1/4高處的平面用高斯計進行測量，圖5和圖6分別為硅鋼片屏蔽板和20#鋼屏蔽板在不同狀態下的測量結果。

1）硅鋼片屏蔽板的屏蔽效能

屏蔽體的性能是以屏蔽效能來度量，其計算公式為：

式中，SEdB——屏蔽效能，用分貝（dB）表示；

H0——無屏蔽體時某一點的磁場強度；

Ht——安裝屏蔽后同一點的磁場強度。

在振動臺加勵磁，不振動時，其漏磁場主要是勵磁線圈中的直流電流激發產生，為直流成分，此時屏蔽效能為：

其中，H0和Ht取平均值。

2） 20#鋼屏蔽板的屏蔽效能

在振動臺加勵磁，不振動時，其漏磁場主要是勵磁線圈中的直流電流激發產生，為直流成分，此時屏蔽效能為：

其中，H0和Ht取平均值。

圖4 安裝孔位置示意圖

圖5 硅鋼片屏蔽板不同狀態下各點的磁場強度

圖6 20#鋼屏蔽板不同狀態下各點的磁場強度

在采取上述屏蔽措施后，通過實測，用硅鋼片和20#鋼做成的圓形屏蔽板，分別可使振動臺面上的磁場強度降低了6dB和4dB，基本上消除了電動振動臺漏磁對有儀表、陀螺、伺服加計的被測產品的干擾，保證了振動試驗的順利進行。

5 結束語

目前，電動振動臺在振動試驗應用越來越廣泛，它固有的電磁干擾應當引起一定的重視。本文基于被試件為一些對干擾較為敏感的部件所采用振動臺漏磁屏蔽的方法，安全可靠，操作簡單，在不改變振動臺結構及力學性能的前提下，可以有效降低振動臺上方的漏磁場強度，保證試驗的正常進行。

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汪榮，男，1978年12月28日生，四川萬源人，學士學位，工程師，工作于中航工業集團西安飛行自動控制研究所，主要從事環境試驗設備管理及維修工作。

Application Research on Leakage Magnetic Shielding of Vibration Table

WANG Rong, YAN Xiao-feng
(AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute, Xi’an 710065)

According to the working principle of electric vibration table, this paper detailedly analyzes the magnetic circuit structure of electric vibration table and the source of leakage magnetic field. Through the measurement analysis, it puts forward a kind of effective leakage magnetic field shielding measure.

electric vibration table; magnetic circuit structure; leakage magnetic field; shielding

O441

B

1004-7204（2015）03-0036-04