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用于电站用泵振动抑制的磁致伸缩执行器研究

高震东  
【摘要】:电站用泵的安全运行与水电站的整体运行效率息息相关,但电站用泵在运行过程中往往会产生振动危害,振动过大时会对泵造成损坏。目前常见的减振方法是采用被动的阻尼减振或提高泵的设计装配精度,但这些方法不能够对泵振动进行实时的主动抑制。在此基础上结合振动主动抑制理论对主动抑制电站用泵振动系统展开研究。研究振动主动抑制系统关键在于执行器的研究。由于磁致伸缩材料在驱动过程中具有驱动力大、响应时间快、性能输出稳定等优点,所以选择其为执行器的驱动元件。但是磁致伸缩材料存在涡流损耗、磁场分布不均匀、高励磁磁场和低输出位移等问题。这些问题都会影响磁致伸缩执行器的综合性能。本文针对这些问题展开研究,首先通过经典涡流损耗模型及有限元分析方法设计了三种不同结构的磁致伸缩复合棒。然后对纤维复合结构棒进行加工制备,最后通过测试系统对不同结构的Tb-Dy-Ho-Fe和执行器常用的Terfenol-D材料进行特性测试。实验及计算数据表明,Tb-Dy-Ho-Fe复合纤维材料可以有效的减少涡流损耗和提高低磁场下的输出性能。在确定了驱动材料之后,对磁致伸缩执行器结构进行设计,其设计关键在于驱动磁场、磁路结构、整体配合设计,通过对执行器数学模型计算和有限元分析方法确定了磁致伸缩棒的大小、驱动线圈的匝数、磁路的结构以及各个零件的尺寸。通过计算和仿真结果可知其磁场分布均匀,输出性能稳定。在设计完成之后,开始对磁致伸缩执行器进行加工并搭建好实验测试平台,对执行器的静、动态进行性能测试。测试了静态性能驱动电流为0A~4A静态位移的变化量和动态性能在不同驱动电流(2A、2.8A)和不同频率下的动态位移变化量。结果表明,其静态最大输出位移为13μm,其动态在相同驱动电流不同频率下,频率越大其峰峰值越小,在相同频率不同电流下,其电流越大峰峰值越大,最大可测量到的频率分别为600Hz、800Hz。测试结果与仿真结果及计算结果相差不大,能有效的提高执行器的输出频率和整体输出性能。最后搭建振动主动抑制实验平台,通过Matlab/Simulink模拟仿真抑制电站用泵振动实验。模拟仿真结果表明,该执行器可以达到主动振动抑制效果,为磁致伸缩执行器在抑制电站用泵振动的开发与应用提供了一些参考,有一定的研究意义。


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