電磁阻尼器氣隙磁通密度對(duì)力矩特性的影響
王燕芳1，羅玲2
(1鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州450015；2西北工)lk大學(xué)，陜西西安710072）
摘要：電磁阻尼器氣隙磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度是影啊阻尼力矩大小的重要因素�；谟邢拊姶艌龇治鲕浖agnet建立三維仿真模型，在0~5 000 r/rn，n轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行三維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真，通過改變磁鋼材料和磁極對(duì)數(shù)，研究了氣隙磁通密度變化對(duì)力矩特性的影響。仿真獲知電磁阻尼器阻尼力矩與氣隙磁密基波幅值的平方成正比關(guān)系。
關(guān)鍵詞：電磁阻尼器；氣隙磁通密度；三維仿真；力矩特性
中圖分類號(hào)：tm33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1004-7018(2010)07-oov,-03
0引言
本文研究的電磁阻尼器依據(jù)空心杯電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要用于飛船及空間站的交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)中，阻尼器與壓縮運(yùn)動(dòng)裝置組成電磁對(duì)接減振系統(tǒng)，在兩個(gè)航天器進(jìn)行空間對(duì)接的過程中，吸收對(duì)接機(jī)構(gòu)之間接觸撞擊產(chǎn)生的巨大能量，使交會(huì)對(duì)接過程平穩(wěn)。
電磁阻尼器的阻尼力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系稱為力矩特性。阻尼力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的比值為力矩特性斜率如下：
力矩特性是電磁阻尼器最重要的外特性，其特性的好壞直接影響著阻尼器對(duì)能量的吸收和耗散。當(dāng)電磁阻尼器力矩特性為線性時(shí)，研究阻尼力矩與某參數(shù)的關(guān)系可以轉(zhuǎn)化為研究力矩特性斜率與該參數(shù)的關(guān)系。
1結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
電磁阻尼器轉(zhuǎn)子為一特殊結(jié)構(gòu)的金屬體電樞杯，定子采用內(nèi)磁式分立結(jié)構(gòu)，由外定子和內(nèi)定子組成，稀土永磁體位于內(nèi)定子上，轉(zhuǎn)子杯位于稀土永磁體和外定子之間。機(jī)殼、內(nèi)定子、永磁體和工作氣隙構(gòu)成了阻尼器的閉合磁路，在工作氣隙中建立一個(gè)工作磁場。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，金屬轉(zhuǎn)子杯切割定子磁場，從而在轉(zhuǎn)子杯中感應(yīng)出渦電流，渦電流與定子磁場相互作用產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子杯轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力矩，這個(gè)力矩具有阻礙電樞轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的作用，稱其為阻尼轉(zhuǎn)矩3j。該電磁阻尼器的工作原理相當(dāng)于一臺(tái)內(nèi)部短路的杯形電樞發(fā)電機(jī)。
該電磁阻尼器具備了空心杯電機(jī)體積小、重量輕、低慣量、驅(qū)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，又因其結(jié)構(gòu)的特殊性，還具有以下特點(diǎn)：
(1)比起繞線式轉(zhuǎn)子杯結(jié)構(gòu)，金屬轉(zhuǎn)子杯工藝難度較小，電樞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好；
(2)內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)可以使轉(zhuǎn)子直徑較大，提高單位長度出力；
(3)轉(zhuǎn)子杯為金屬體，其結(jié)構(gòu)簡單，不需要外部電源和控制，使用比較安全。
2三維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真模型的簡化
由于電磁阻尼器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為一特殊的金屬杯，其端部除了兩端的外定子機(jī)殼，還包含了轉(zhuǎn)子杯的杯底部分。軟件的二維仿真無法實(shí)現(xiàn)不同軸向變化的動(dòng)態(tài)求解。在此，特采用magnet有限元電磁場分析軟件進(jìn)行電磁阻尼器的三維仿真。
為準(zhǔn)確仿真電磁阻尼器力矩特性，需建立與樣機(jī)完全一致的樣機(jī)整體模型，如圖1所示。
三維運(yùn)動(dòng)仿真要求硬件配置高、耗時(shí)長，為降低仿真硬件的配置和加快三維運(yùn)動(dòng)求解的速度，在此去掉樣機(jī)兩側(cè)端部的外定子機(jī)殼，建立樣機(jī)簡化三維仿真模型，如圖2所示。
模型求解建立三維空間坐標(biāo)，z軸位于轉(zhuǎn)心線上，轉(zhuǎn)子杯開口方向設(shè)為正方向，過磁鋼軸點(diǎn)垂直z軸的橫截面設(shè)為xoy坐標(biāo)平面。
過xoy坐標(biāo)平面作切片，獲取電磁阻尼器向剖面圖，如圖3所示。
在轉(zhuǎn)子杯與內(nèi)定子之間的氣隙內(nèi)，沿軸向圓周半徑為11. 675 mm上的氣隙磁通密度波圖4 |
