电磁阻尼器工作特性的理论模型与试验研究.pdf
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1、 年 月第 卷第 期西 北 工 业 大 学 学 报 :收稿日期:基金项目:南方电网科技项目()、国家自然科学基金青年项目()、江苏省高等学校自然科学基金面上项目()与扬州市校合作专项基金()资助作者简介:范圣平(),广东电网有限责任公司高级工程师,主要从事环境防护和治理研究。通信作者:李竞(),扬州大学讲师,主要从事机械结构动力学研究。:电磁阻尼器工作特性的理论模型与试验研究范圣平,李竞,李林勇,樊小鹏,李华亮,高南沙广东电网有限责任公司 电力科学研究院,广东 广州;扬州大学 机械工程学院,江苏 扬州;西北工业大学 航海学院,陕西 西安 摘 要:为了明确电磁阻尼器在不同工况下的工作特性,提出了
2、一种针对电磁阻尼器工作特性的分析模型。计算电磁阻尼器的惯性力和电磁阻尼力,测试电磁阻尼器的内部摩擦力;结合计算结果和测试数据,建立电磁阻尼器工作特性分析模型;运用该模型讨论多工况下电磁阻尼器的阻尼力输出特性与馈能特性,得到以回收能量和等效阻尼系数为坐标平面的电磁阻尼器工况特性曲面。结果表明:该模型计算结果与试验测试结果的误差小于;电磁阻尼器的阻尼力和输出电压均与激励频率和幅值呈正相关;激励幅值对馈能特性的影响较大,激励频率对阻尼特性的影响较大;负载电阻的减少将提升电磁阻尼器的馈能能力与减振能力。关 键 词:电磁阻尼器;阻尼特性;馈能特性;试验研究中图分类号:文献标志码:文章编号:()阻尼器是解
3、决工程振动的重要部件。按照其能量耗散方式,可以分为内能耗散型和电能耗散型等。其中,因具有能量回收功能,易于实现半主动和主动控制,并对低频率大幅值振动具有良好的抑制作用,以电磁阻尼器为代表的电能耗散型阻尼器目前受到了广泛关注,并在车辆、建筑、航空航天等领域有着良好应用价值。为实现振动的能量回收、控制与抑制,电磁阻尼器应具有 个核心模块,即能量转化模块、负载电路模块、运动转化模块。其中,能量转化模块的作用是将由振动引起的动能转化为电能,以此耗散振动能量,并形成阻尼力。能量转化必然带来转化效率的问题。王庆年等提出了一种基于高馈能效率的电磁阻尼器参数匹配设计方法。研究表明,根据馈能电机的工作特性对峰值
4、功率、转速、基速比以及传动结构参数进行匹配,可有效提升电磁阻尼器的能量回收效率。负载电路模块根据其功能不同可分为 类,即负载电阻电路、电路以及超级电容电路。其中,负载电阻电路利用电阻的伏安特性,改变电回路中的电流,从而控制发电机产生的阻力转矩,进而控制电磁阻尼器的阻尼特性。通过对负载电阻电路进行设计,不仅可以设计出具有非对称阻尼特性的电磁阻尼器,还可以对电磁阻尼器的阻尼特性进行半主动控制。在电磁阻尼器中应用 电路不仅能够改善其阻尼特性,还能够对其进行主动控制。超级电容电路则能够对所收集的振动能量进行存储。传动模块的功用主要有三方面:将振动引起的运动进行放大;对发电机产生的阻尼力进行放大;将往复
5、直线运动转化为旋转运动以驱动发电机。为实现上述传动功能,研究人员应用液压传动、齿轮齿条传动、滚珠丝杆传动等方式,设计了多种类型的电磁阻尼器。等认为液压传动式电磁阻尼器的输出力主要由四部分组成,分别是电磁阻尼力、结构摩擦力、运动件惯性力以及液压阀的弹性力。彭虎等将电磁阻尼器的阻尼力分解为基础力和电磁阻力两部分,建立了该结构的理论模型,分析了不同激励速度下的阻尼力输出特性。进一步第 期范圣平,等:电磁阻尼器工作特性的理论模型与试验研究地,刘松山等研究了惯性质量对电磁阻尼器的影响。结果表明,惯性质量会使电磁阻尼器的阻尼特性和示功特性分别出现滞环和相位差,且滞环和相位差会随着激励频率增加而增大。等通过
6、定速加载试验对电磁阻尼器的内部摩擦力进行测量。结果表明,当速度保持不变时,内部摩擦力略有波动。等对电磁阻尼器运动时形成的内部摩擦力进行了理论和试验研究。他们指出摩擦力对电磁阻尼力的输出特性有着重要影响。此外,等讨论了不同激励频率和阻尼系数下,电磁阻尼器的馈能功率。综上所述,发电机的机电耦合参数、负载电路的伏安特性、以及传动结构的内摩擦特性均对电磁阻尼器的输出特性有着重要影响。尽管多数文献建立了较为准确的电磁阻尼器理论模型,同时也分析了不同工况下电磁阻尼器的力电特性,但是这种分析往往局限于阐述某一工况下某一特性的变化规律,未能从多工况多特性的角度分析电磁阻尼器的工作特性。针对这一问题,本文采用理
7、论分析和试验测试相结合的方法,建立了电磁阻尼器阻尼特性的理论分析模型,讨论了不同工况下电磁阻尼器的阻尼特性与馈能特性;在以回收能量与阻尼系数作为坐标轴的平面内,得到了多工况下电磁阻尼器的工作特性曲线;利用多工况工作特性曲线,分析了特定工况区域下,电磁阻尼器工作特性所能达到的范围;得到了提升电磁阻尼器工作特性的手段。电磁阻尼器的多工况工作特性曲线为电磁阻尼器阻尼特性的理论和工程设计提供依据,也为电磁阻尼器在不同工况下的阻尼特性计算提供准确的理论依据。电磁阻尼器的结构和工作原理基于电磁转换原理的电磁阻尼器由发电机、齿轮箱、联轴器以及齿轮齿条副组成,其结构模型如图 所示。其中齿轮齿条副将阻尼器两端的
8、直线运动转化为旋转运动,同时将阻尼转矩转化为阻尼力;联轴器实现齿轮箱和齿轮齿条副运动与转矩的传递;齿轮箱将齿轮齿条形成的低转速运动变为高转速运动,同时将发电机产生的小转矩转化为大转矩;直流发电机将旋转运动中的动能转化为电能并输出,同时给系统提供阻尼转矩。通过分析电磁阻尼器的传动结构,可以建立电磁阻尼器的集总模型,如图 所示。观察图 不难得到电磁阻尼器的工作原理。当电磁阻尼器受到外界的位移激励时,齿条结构产生上下往复运动。该运动经过齿轮齿条副、联轴器和齿轮箱最终驱动电机进行往复旋转运动。电机旋转时转子中的线圈切合磁场形成感应电动势。感应电动势经过电回路形成交变电流。电流流经电机转子中的线圈时产生
9、阻尼转矩。阻尼转矩回溯运动传导方向并最终作用于齿条,进而形成阻尼力。图 电磁阻尼器结构图图 电磁阻尼器的集总模型 电磁阻尼器的测试平台为了测试电磁阻尼器工作时内部产生的摩擦力,以及验证该阻尼器的阻尼特性和能量回收特性,本文设计并搭建了电磁阻尼器工作特性测试平台,如图 所示。测试平台包括加载机、力传感器、位移传感器、变阻箱、静电计、数据采集卡、上位机和工控柜等部件,其中工控柜中包含数据采集器和信号发生器。工控柜中的数据采集器与力传感器和位移传感器相连,信号发生器与加载机的作动机构相连。测试前,调节变阻箱电阻值至所需电阻值,将变阻箱与发电机串联,与静电计并联。测试时,在上位机中的动力学测试软件内输
10、入位移激励信号的相关参数,包括激励频率和激励幅值。随后动力学测试软件将位移激励信号输出给工控柜中的信号发生西 北 工 业 大 学 学 报第 卷图 电磁阻尼器性能测试平台器,信号发生器驱动加载机产生相应的位移。加载机对电磁阻尼器进行作动时,位移传感器和力传感器实时测量减振器的动力学状态,将位移信号和力信号传递给工控柜中的数据采集器。数据采集器将位移数据和力数据传输给上位机。动力学测试软件对上述数据进行分析和处理,得到电磁阻尼器的阻尼特性。静电计采集电阻箱两端的电压信号并将该数据通过 数据采集卡传输到上位机中。上位机中的 软件对该电压数据进行分析处理,得到电磁阻尼器的发电特性。电磁阻尼器的理论模型
11、电磁阻尼器的输出阻尼力可根据其来源分为三部分,即结构内部运动部件运动状态改变时产生的惯性力、结构内部运动件运动时产生的摩擦力以及发电机转子受迫运动时产生的电磁力,即 ()式中,和 分别表示电磁阻尼器的输出阻尼力、惯性力、电磁力和摩擦力。惯性力计算电磁阻尼器作动时产生的惯性力为其内部所有运动部件的惯性力之和,即 ()式中,和分别表示第 个运动部件的等效质量和等效加速度。对于直线运动的齿条而言,其等效质量和等效加速度分别等于其质量和加速度,对于其他旋转部件而言,其等效质量与转动惯量有关,等效加速度与角加速度和传动比有关。电磁力计算当外力驱动直流发电机内的转子旋转时,转子线圈中将产生感应电动势,即
12、()式中:表示直流发电机的反电动势常数;表示发电机转子的转速。转子线圈中的感应电动势将在电路中产生电流,即 ()式中:表示发电机内阻;表示负载电路中的电阻。当电流经过转子线圈时,发电机转子将产生阻力转矩,即()式中,表示发电机的转矩常数。发电机形成的阻力转矩最终通过齿轮箱和齿轮齿条副形成电磁阻尼力,即()式中:表示齿轮箱的传动比;表示齿轮齿条副中齿轮半径。将()()式代入()式可得()()式中,表示电磁阻尼器中齿条的运动速度。由()式可知,驱动发电机运动产生的电磁阻尼力可视为黏性阻尼,其阻尼系数可等效为()()摩擦力分析由于电磁阻尼器内部运动件较多,摩擦成因复杂。因此作者采用试验方法测量电磁阻
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- 电磁 阻尼 工作 特性 理论 模型 试验 研究
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