電磁阻尼說明

電磁阻尼驗證方法一

目的：演示靈敏電流計的短路保護(hù)。

器材：靈敏電流計，導(dǎo)線等。

(1)將靈敏電流計搖動后，使指針有較大的擺動幅度。停止搖動后，可觀察指一針要擺動多次，經(jīng)一定時間才能停止下來。

(2)再次搖動靈敏電流計，使其有較大的擺幅。立即在兩個接線柱上接上一根導(dǎo)線(短路線)，可發(fā)現(xiàn)指針擺幅迅速減小，比不連短路線時擺動的時間短得多。這是由于與指針相連的線圈在磁場中擺動時產(chǎn)生了感應(yīng)電流，線圈受到安培力形成的阻力矩的作用，使指針擺幅迅速衰減。這樣能起到阻尼保護(hù)的作用。

(3)再搖動已連上短路線的靈敏電流計，可見指針擺動幅度很小，且迅速停下。理由同操作(2)。

說明

(1)通常JD409或JD409-1型靈敏電流計的阻尼時間小于4S，因為此種靈敏電流計的動圈鋁框是閉合的，已有一定的阻尼作用。所以本演示中最好采用老式的靈敏電流計(內(nèi)部動圈鋁框是不閉合的)，演示短路阻尼效果更好。

(2)實驗說明靈敏電流計不用時，應(yīng)在兩接線柱上加上短路線，以達(dá)到阻尼保護(hù)的作用。防止在搬動或運輸過程中，電流計受到振動，指針振幅過大而被撞彎或軸尖脫落等情況。

電磁阻尼驗證方法二

目的：演示電動機(jī)的短路制動方法。

器材：玩具電機(jī)，單刀雙位開關(guān)，干電池，導(dǎo)線等。

(1)將玩具電動機(jī)、兩節(jié)干電池、單刀雙位開關(guān)用導(dǎo)線連接如圖。

(2)將單刀雙位開關(guān)扳到a，電動機(jī)即高速轉(zhuǎn)動。切斷電源，可見電動機(jī)斷電后，仍能較長時間保持轉(zhuǎn)動。記下從切斷電源到完全停轉(zhuǎn)的時間。

(3)再次將開關(guān)扳到a，電動機(jī)高速轉(zhuǎn)動后，即將單刀雙位開關(guān)扳到b。發(fā)現(xiàn)電動機(jī)會迅速停止轉(zhuǎn)動。與操作(2)形成明顯對比。這是因為已經(jīng)高速轉(zhuǎn)動的電動機(jī)轉(zhuǎn)子，在切斷供電后，仍在磁場中高速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。若這時將外電路閉合(如開關(guān)打到b)，在電路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這時相當(dāng)于一個發(fā)電機(jī)。具有感應(yīng)電流的轉(zhuǎn)子線圈，受到安培力力偶矩的制動作用，會使轉(zhuǎn)動迅速停止下來。故這時電動機(jī)外部的短路線起到了對轉(zhuǎn)子的電磁阻尼作用。 2100433B

在磁場中轉(zhuǎn)動的線圈，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。若線圈的外電路閉合，則在線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。磁場對感應(yīng)電流將產(chǎn)生安培力，形成與原來轉(zhuǎn)動方向相反的力偶矩，對線圈的轉(zhuǎn)動起阻尼作用。下列兩種方法，分別演示短路線接上后，對靈敏電流計和電動機(jī)的電磁阻尼效果。

電磁阻尼現(xiàn)象廣泛應(yīng)用于需要穩(wěn)定摩擦力以及制動力的場合，例如電度表、電磁制動機(jī)械，甚至磁懸浮列車等。

為了簡單可靠地增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抑制轉(zhuǎn)子的共振峰值．提出了一種新型的被動式電磁阻尼器．它的結(jié)構(gòu)類似于電磁軸承．但無需閉環(huán)控制，采用直流電工作。通過分析發(fā)現(xiàn)，電磁阻尼器線圈內(nèi)由于轉(zhuǎn)子渦動時變化的磁場而產(chǎn)生的波動電流與轉(zhuǎn)子位移間的相位差是產(chǎn)生阻尼的原因，推導(dǎo)了波動電流、阻尼系數(shù)的計算公式。實驗結(jié)果顯示該阻尼器提供的阻尼能夠有效地抑制共振振幅。

斜拉索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，其在風(fēng)荷載或風(fēng)雨荷載與支座激勵的作用下極易發(fā)生大幅振動，從而縮短其疲勞壽命并加速其銹蝕，因而需采取措施來控制其過大振動。目前不少斜拉索減振采用半主動控制的方式，但半主動控制對外部能源的依賴卻限制了其在實橋中的推廣應(yīng)用。本項目擬研究利用新型電磁阻尼器實現(xiàn)斜拉索自供能半主動控制中的關(guān)鍵問題。通過電磁阻尼器回收斜拉索的振動能量給其控制電路供電，控制電路通過阻尼器輸出電壓反饋進(jìn)行在線計算，以實時調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)從而達(dá)到半主動控制的目標(biāo)。本項目擬建立電磁阻尼與能量收集效率的理論模型；提出考慮隨機(jī)荷載作用下斜拉索電磁阻尼器輸出功率的理論估算公式；推導(dǎo)考慮慣性質(zhì)量的斜拉索阻尼器最優(yōu)阻尼值；提出基于電磁阻尼器電壓輸出信號的半主動控制算法；最后通過斜拉索縮尺模型實驗和實橋試驗進(jìn)一步驗證方法的正確性。本項目研究成果可為實現(xiàn)斜拉索高效率減振與自供能半主動控制提供理論基礎(chǔ)。

斜拉橋拉索在風(fēng)（雨）荷載與支座激勵作用下極容易發(fā)生大幅振動而威脅橋梁的安全，因而斜拉索的減振控制是斜拉橋設(shè)計與建造的關(guān)鍵問題之一。近年，我國興建了多座千米級跨徑斜拉橋，并且跨度還有繼續(xù)增長的趨勢，然而傳統(tǒng)的減振技術(shù)為超長斜拉索提供的模態(tài)阻尼比有限。本項目從理論、數(shù)值分析與足尺實驗三個方面系統(tǒng)研究了基于新型電磁阻尼器的斜拉索減振控制問題。主要研究成果包括：（1）建立了電磁慣性質(zhì)量阻尼器（EIMD）的非線性本構(gòu)模型和能量收集效率理論模型；（2）推導(dǎo)了考慮隨機(jī)激勵下斜拉索電磁阻尼器輸出功率的理論公式；（3）提出了考慮慣質(zhì)效應(yīng)的斜拉索阻尼器最優(yōu)參數(shù)分析方法；（4）進(jìn)行了基于EIMD的斜拉索縮尺和足尺減振實驗，實現(xiàn)了比傳統(tǒng)粘滯阻尼減振技術(shù)高165%的減振控制效果；（5）首次提出了利用電磁阻尼器回收斜拉索的振動能量，并可給半主動阻尼器供電。本項目的研究成果為自供能半主動控制提供了理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支撐?；贓IMD的斜拉索振動控制技術(shù)利用慣質(zhì)效應(yīng)極大地提升了斜拉索的減振效率。本項目實現(xiàn)了重要的技術(shù)突破，為千米級跨徑斜拉橋拉索的減振控制提供了新的方法，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。通過項目研究發(fā)表了8篇學(xué)術(shù)論文，其中國際一流SCI期刊論文6篇，并多次被他引。項目研究成果獲得了2018年湖北省技術(shù)發(fā)明二等獎和香港第十九屆卓越結(jié)構(gòu)大獎研發(fā)類提名獎。項目研究成果在大跨度斜拉橋拉索減振控制上得到了實際應(yīng)用。 2100433B