基于脉冲液流换能器的振动能量回收原理与实现技术

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磁流变阻尼器在桥梁等大型工程结构的安全运行中发挥着重要的作用,它在运行过程中需要外部电源为其控制系统供电,但是自然灾害和意外事故会造成外部供电系统失效。在传统阻尼器中,振动能量大部分转化为液流中的热能耗散在空气中而被浪费掉。为了解决自然灾害和意外事故导致磁流变阻尼器供电失效这一问题,将振动能量转换为电能来为磁流变阻尼器控制系统供电。   本文针对大型结构振动的特点,利用阻尼器油缸中交变的脉冲液流压力,提出了一种基于脉冲液流换能器的振动能量回收方法。对脉冲液流换能器的工作原理进行了探讨,理论推导了脉冲液流换能器的效率,并仿真分析了换能器结构参数对换能器效率的影响。针对输出电压特性设计了稳压模块,并对该振动能量回收方法进行了实验验证。具体研究内容如下:   (1)对基于脉冲液流换能器的振动能量回收方法进行了总体设计。设计制造了为验证本文所述的振动能量回收方法所需要的驱动油缸,并对液压马达和发电机进行了选型。基于流体力学原理,分析了齿轮马达的内部泄漏量,进而分析了齿轮马达的容积效率。对三相永磁发电机的内部工作原理进行了分析,利用发电机的性能测试曲线,拟合出发电机的结构参数,分析了负载和转速对发电机输出功率的影响。   (2)结合齿轮马达和三相永磁发电机的工作原理,推导了在正弦激励下的发电机的电压波形表达式。建立了换能器效率的分析模型,推导了换能器效率与其结构参数的关系表达式。仿真分析了发电机的输出电压波形,以及在不同工况下,换能器结构参数和负载对换能器效率的影响,为换能器结构参数的优化作铺垫。   (3)阐述了升降压控制器LTC3780的工作原理,设计了基于IXC3780的大功率稳压模块,对PCB样板进行了合理的布局,并制成样板,对电路进行了调试。   (4)对基于脉冲液流换能器的振动能量回收方法进行了实验验证。在J95-I型油压减振器试验台上对本文所述的振动能量回收方法的输出电压特性进行了测试;计算了在不同工况下的瞬时输出功率,对电压波形的特点和瞬时输出功率的特点进行了误差分析。分析了在不同工况下,实验所测的最大瞬时电压、最大瞬时功率、平均输入功率、平均输出功率以及换能器效率随活塞运动速度幅值的变化;实验测试了稳压模块的稳压功能以及其所能承载的功率。
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