烏建中，陳策輝

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

設(shè)計(jì)技術(shù)

風(fēng)電葉片電磁脈沖式疲勞加載裝置設(shè)計(jì)

烏建中，陳策輝

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

針對(duì)目前常見(jiàn)的擺錘共振式葉片疲勞加載系統(tǒng)存在的定幅加載及液壓式疲勞加載方式存在效率較低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)電葉片電磁脈沖式疲勞加載裝置。計(jì)算了電磁脈沖式疲勞加載裝置的相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了電磁脈沖式疲勞加載的可行性。電磁脈沖式加載方式具有設(shè)備簡(jiǎn)單、可控性好、系統(tǒng)質(zhì)量較小等優(yōu)點(diǎn)。

風(fēng)電葉片；疲勞加載；電磁脈沖

對(duì)于新設(shè)計(jì)、新工藝、新材料的風(fēng)機(jī)葉片，疲勞加載是保證葉片質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。通過(guò)疲勞試驗(yàn)，可以將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以掌握葉片的疲勞性能。常見(jiàn)疲勞加載方式如擺錘共振式葉片疲勞加載系統(tǒng)存在定幅加載及液壓式疲勞加載方式存在效率較低的缺點(diǎn)。此外，上述兩種加載方式需要將試驗(yàn)裝置放置在葉片上，造成葉片有一定的負(fù)重而會(huì)影響疲勞加載試驗(yàn)的效果。

電磁脈沖式疲勞加載系統(tǒng)能夠克服上述問(wèn)題。電磁脈沖式疲勞加載裝置三維模型如圖1所示。通過(guò)控制螺管式線圈通斷電狀態(tài)，在葉片振動(dòng)過(guò)程中以脈沖力的形式不斷補(bǔ)充能量，維持葉片振動(dòng)，并且結(jié)合螺管式電磁鐵的電磁力特性，通過(guò)調(diào)節(jié)通斷電的不同時(shí)機(jī)，對(duì)葉片的振幅及頻率實(shí)現(xiàn)有效控制。葉片電磁脈沖式疲勞加載系統(tǒng)具有可控性好，實(shí)時(shí)性較高，裝置簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，具備良好的應(yīng)用前景[1]。

圖1 電磁脈沖式疲勞加載裝置三維模型

在葉片往復(fù)振動(dòng)過(guò)程中，電磁加載方式可選擇單向加載或雙向加載，兩種加載方式示意圖如圖2所示。

圖2 電磁脈沖加載方式示意圖

雙向加載時(shí)，在葉片的每個(gè)振動(dòng)周期中分別施加一次拉力及推力，其主要優(yōu)點(diǎn)是電磁力對(duì)稱加載，電磁做功較大，但缺點(diǎn)是線圈需要通斷電兩次，電感損耗能量較多，效率較低；單向加載時(shí)，在葉片的每個(gè)振動(dòng)周期中只施加一次拉力(或推力)，其主要優(yōu)點(diǎn)是效率較高，缺點(diǎn)是單周期內(nèi)電磁力做功較小。因此可以根據(jù)實(shí)際加載情況選擇不同的加載方式。

1 電磁疲勞加載系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

1.1 葉片振幅、加載力與電磁做功關(guān)系

對(duì)于某一葉片而言，若其加載要求規(guī)定加載點(diǎn)振幅為X，最大加載力為Fmax，而其加載力可以近似認(rèn)為在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)呈正弦變化，瞬時(shí)加載力F與x當(dāng)前振幅關(guān)系為

在一個(gè)周期內(nèi)，葉片振動(dòng)需要補(bǔ)充的能量為

1.2 葉片振幅與電磁線圈鐵芯長(zhǎng)度之間的關(guān)系

電磁作動(dòng)器主要由鐵芯線圈組成，其中鐵芯直徑略小于線圈內(nèi)徑。電磁線圈示意圖如圖3所示。

圖3 電磁線圈示意圖

假設(shè)葉片加載點(diǎn)處振幅為A，鐵芯移動(dòng)的距離總共為2A，鐵芯長(zhǎng)度為l，直徑為d；線圈長(zhǎng)度為L(zhǎng)，內(nèi)徑為D.根據(jù)電磁力的變化規(guī)律，隨著鐵芯在線圈中位置的改變，電磁力也發(fā)生相應(yīng)的變化，加載過(guò)程示意圖如圖4所示。當(dāng)鐵芯逐漸進(jìn)入線圈時(shí)，電磁力逐漸增大。當(dāng)鐵芯進(jìn)入到線圈內(nèi)位于位置2時(shí)線圈通電開(kāi)始加載，當(dāng)鐵芯下頂端處于線圈中間位置時(shí)，即鐵芯位于位置3時(shí)，電磁力達(dá)到最大值，在此段加載過(guò)程中電磁力逐漸增大，并設(shè)加載距離為l1.之后電磁力逐漸減小，當(dāng)鐵芯正好處于線圈中間位置時(shí)即鐵芯位于位置4時(shí)電磁力為0，并控制線圈斷開(kāi)，在此段加載過(guò)程中電磁力逐漸減小，并設(shè)加載距離為l2.之后葉片在慣性作用下繼續(xù)往下進(jìn)行自由振動(dòng)。因此，在整個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)可以利用的加載區(qū)間為鐵芯的受力方向指向線圈中心的部分。結(jié)合上述分析，把鐵芯開(kāi)始進(jìn)入線圈作為加載開(kāi)始點(diǎn)，當(dāng)鐵芯運(yùn)動(dòng)至線圈中心時(shí)，即當(dāng)電磁力為0時(shí)結(jié)束加載。

圖4 電磁疲勞加載過(guò)程示意圖

電磁加載設(shè)計(jì)時(shí)首先選定加載方式，電磁設(shè)計(jì)中電磁鐵的結(jié)構(gòu)因數(shù)Kφ為

上式中，F(xiàn)為加載力（N）；δ表示加載距離（cm）。其中對(duì)于螺管式電磁鐵而言，為了盡量提高電磁鐵的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)增強(qiáng)電磁力，應(yīng)當(dāng)將電磁鐵的結(jié)構(gòu)因數(shù)Kφ控制在2以下，并盡可能的減小Kφ值?？梢源致杂?jì)算Kφ以便確定采用的加載方式。此外在電磁疲勞加載系統(tǒng)中，為了改善電磁鐵的吸力特性，在滿足加載要求的前提下，可以適當(dāng)?shù)脑黾蛹虞d距離、減小加載力。為了能夠?qū)崿F(xiàn)有效加載，加載距離的最大值需滿足的前提為

暫定鐵芯長(zhǎng)度等于葉片加載點(diǎn)振幅A，線圈長(zhǎng)度等于2A，加載區(qū)域長(zhǎng)度l1+l2最大等于1.5A，同時(shí)按照脈沖等效原理，為了補(bǔ)充單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)需要的能量W，在加載期間，可得電磁力的平均值為

1.3 加載力與電磁線圈直徑之間的關(guān)系

對(duì)于此類無(wú)擋板螺管式電磁鐵而言，其最大電磁力為

式中：I為線圈電流；n為線圈匝數(shù)。電磁力達(dá)到最大值的范圍在鐵芯進(jìn)入線圈長(zhǎng)度的40%至80%之間。

從上式可以看出，影響此類螺管式電磁鐵吸力的主要因數(shù)是鐵芯直徑，當(dāng)電磁鐵的最大加載力F1與線圈長(zhǎng)度已經(jīng)確定了以后，首先預(yù)設(shè)一個(gè)鐵芯直徑d，并根據(jù)鐵芯直徑設(shè)計(jì)相應(yīng)的氣隙值t，并得到線圈內(nèi)徑D=d+t.

2 葉片疲勞加載系統(tǒng)算例分析

2.1 電磁加載裝置相關(guān)參數(shù)計(jì)算

對(duì)于某大型風(fēng)電葉片而言，其疲勞加載大綱要求加載點(diǎn)振幅達(dá)到0.405 m，固有頻率為0.47 Hz，最大加載力為5 000 N，由此加載要求可以計(jì)算單周期內(nèi)為了維持葉片振動(dòng)需要補(bǔ)充的能量為

這也就是在單個(gè)周期內(nèi)電磁作動(dòng)器需要給葉片補(bǔ)充的能量。單側(cè)加載距離最大約為0.6 m，此時(shí)加載力均值約為7.3 kN，其中，電磁力的幅值會(huì)大于7.3 kN，可將電磁力幅值暫取為8 kN進(jìn)行電磁線圈設(shè)計(jì)。計(jì)算Kφ約為0.47，滿足螺管式電磁鐵設(shè)計(jì)要求，可以采用單向加載方式進(jìn)行電磁鐵設(shè)計(jì)。暫定線圈長(zhǎng)度為0.81 m，取線圈直徑rw為0.2 m，鐵芯直徑d為0.19 m，線圈匝數(shù)為2 000，根據(jù)電磁力計(jì)算公式可以求得需要的電流大小為90 A.為了驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性，采用電磁仿真軟件Ansoft Maxwell對(duì)該電磁作動(dòng)器系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。電磁作動(dòng)器簡(jiǎn)易仿真模型如圖5所示[3]。

圖5 電磁作動(dòng)器簡(jiǎn)易仿真模型

其中外部為線圈，中間圓柱為鐵芯。設(shè)置鐵芯的相對(duì)位置與線圈的匝數(shù)和電流。先進(jìn)行靜態(tài)力仿真，即固定線圈與鐵芯的相對(duì)位置，觀察電磁力仿真結(jié)果。在上述的參數(shù)下，鐵芯在伸入不同的長(zhǎng)度時(shí)的初次電磁力仿真結(jié)果如圖6所示。

可以看出仿真結(jié)果小于理論計(jì)算結(jié)果，電磁力偏小約25%，修改線圈相關(guān)參數(shù)，將線圈鐵芯尺寸在原有基礎(chǔ)上增加25%，取線圈長(zhǎng)度為1 m，鐵芯長(zhǎng)度為0.5 m，保持線圈匝數(shù)和電流不變，計(jì)算靜態(tài)電磁力，電磁作動(dòng)器尺寸修正后的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 鐵芯在不同位置時(shí)的電磁力

在調(diào)整尺寸之后，可以發(fā)現(xiàn)電磁力依舊有些偏小，在不改變尺寸結(jié)構(gòu)的情況下，增加電流，取電流值為100 A、110 A、120 A.進(jìn)行仿真計(jì)算，與之前結(jié)果相比，不同電流下電磁力仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同電流下的電磁力仿真結(jié)果

從上述分析結(jié)果中，取各計(jì)算區(qū)域兩端電磁力平均值為該區(qū)域等效加載力，分別計(jì)算在不同電流強(qiáng)度下電磁力做功總和，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同電流下電磁力做功總和

因此，在經(jīng)過(guò)尺寸及電流修正之后可以看出已找到合適的電磁作動(dòng)器參數(shù)及電流。通過(guò)理論計(jì)算可以得到初始的線圈相關(guān)參數(shù)及需要的電流，但由于理論計(jì)算只能大致估算最大電磁力的數(shù)值，而無(wú)法精確計(jì)算鐵芯在不同位置的電磁力，借助于電磁仿真軟件計(jì)算得到了鐵芯在不同位置時(shí)的電磁力進(jìn)而求得了單個(gè)周期內(nèi)電磁線圈的做功總和。通過(guò)不斷改善線圈尺寸及電流強(qiáng)度，最后得到需要的設(shè)計(jì)方案。

2.2 葉片電磁疲勞加載系統(tǒng)整體仿真

在完成電磁疲勞加載系統(tǒng)線圈部分參數(shù)設(shè)計(jì)之后，借助于Ansoft Maxwell Circuit Editor實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片等效系統(tǒng)的疲勞加載。其中，根據(jù)疲勞加載點(diǎn)的等效剛度及阻尼在鐵芯處設(shè)置與葉片相應(yīng)的二階阻尼系統(tǒng)，依據(jù)上述分析計(jì)算給線圈接入合適的脈沖電源。經(jīng)過(guò)仿真可以得到等效二階阻尼系統(tǒng)的振動(dòng)曲線如圖8所示。

圖8 葉片等效系統(tǒng)振動(dòng)曲線

取圖中穩(wěn)定振幅處的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)matlab繪制詳細(xì)的振動(dòng)波形圖如圖9所示。

圖9 穩(wěn)定振幅處波形圖

圖中曲線為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，各點(diǎn)是在仿真過(guò)程中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，從系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果可以看出，電磁脈沖式疲勞加載系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)葉片的啟振，并在振動(dòng)過(guò)程中具有較好的正弦擬合性，能夠維持需要的振幅，電磁力能夠有效地對(duì)系統(tǒng)做功補(bǔ)充能量。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)葉片電磁脈沖式疲勞加載系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)、靜態(tài)電磁力仿真修正、整體系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真三個(gè)方面進(jìn)行了電磁疲勞記載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。借助于電磁仿真軟件對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)修正，最終設(shè)計(jì)了一套電磁加載系統(tǒng)，為電磁加載系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。相比于現(xiàn)有的風(fēng)電葉片疲勞加載裝置，電磁脈沖式疲勞加載系統(tǒng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用前景。

[1]烏建中，于永軍，胡康.風(fēng)電葉片脈沖式疲勞加載試驗(yàn)特性研究[J].風(fēng)能，2015，（03）：86-88.

[2]蔡國(guó)廉.電磁鐵[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1965.

[3]趙博，張洪亮，等.Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

Electromagnetic Pulse Fatigue Loading System for Wind Turbine Blades

WU Jian-zhong，CHEN Ce-hui
（School of Mechanical and Energy Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Considering there are many disadvantages existing in the common fatigue loading test systems such as rotating fatigue loading system and hydraulic fatigue loading system，this paper designs a new kind of electromagnetic pulse fatigue loading system for wind turbine blades.Related parameters are calculated and the feasibility analysis of the system design is presented.Electromagnetic pulse fatigue loading system has the advantages of simple equipment，controllable，low mass.

wind turbine blades；fatigue loading system；electromagnetic pulse

TM315

：A

：1672-545X（2017）01-0023-03

2016-10-25

烏建中（1953-），男，上海人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)電液控制技術(shù)、工程機(jī)械動(dòng)力控制技術(shù)、新能源產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)。