基于磁流变脂的微型磁电发电机转速控制

常 辉，代 俊，黄 珏，吴青云，何 涛

(1.北京理工大学机电工程与控制国家级重点实验室，北京 100081；2.北京市海淀实验中学，北京 100081；3.江西省九江第一中学，江西 九江 332000)

0 引言

引信电源是引信的重要组成部分，在一般武器中，引信电源为控制电路提供电能，在精确制导武器中，还要为修正弹药的飞行姿态提供电能[1]。微型磁电发电机是物理引信电源中的一种，由于功率密度大、轴向尺寸小，具有较好的发电性能，在引信电源领域有着很好的应用前景[2]。磁电式风力发电机是较为常用的一种发电机，风力驱动涡轮旋转，涡轮带动发电机转子转动。发电机的转速受到风速的控制，风速越高，转速越高；但是发电机转速过高可能会导致发电机结构不稳定，甚至造成元件的损坏。

在实际使用中，必须要控制风力发电机的转速不能超过规定值，目前控制转速的方法大致有三种：一是通过气动力学理论设计合理的内流场，减小涡轮的驱动力矩，二是通过机械摩擦或机械装置限制涡轮转速的升高，三是提高转子的阻力矩[3-4]。第一种方法需要设计复杂的流道，很难实现大效率的转速控制；第二种方法需要比较大的转速控制装置；第三种方法的实现方式有很多种。本文提出使用新型智能材料磁流变脂来控制转子的阻力矩，不需要很大的控制装置但可以有效地降低发电机的转速。

1 微型风力磁电发电机

磁电式风力发电机主要由涡轮、转轴、转子(磁体和磁轭)和定子(线圈绕组)组成。当高速气流推动涡轮转动时，转子磁体随之转动，定子线圈中的磁通量产生规律性变化，输出正弦波周期电压，如图1所示。对发电机转速进行检测时，直接测量转速是比较困难的，发电机的输出电压的幅值及频率与其转速时成正比的，所以测量其输出电压的频率就可以计算得到其转速。实验用发电机转子磁体为三极对，设每个波形的周期为T，则转子转一圈的时间为3T，发电机的转速n计算公式为：

(1)

图1 发电机结构及输出信号Fig.1 Generator structure and output signal

2 基于磁流变脂的转速控制装置

2.1 发电机整体结构及转速控制原理

微型磁电式风力发电机的整体结构方案如图2所示，主要由涡轮、发电机主体(转子磁体和定子线圈)、转速控制装置(基座、励磁线圈和磁流变材料)和反馈控制电路四部分组成。涡轮在风力作用下高速转动，带动转子磁体转动，与定子线圈之间产生磁通量变化，根据法拉第电磁感应定律，发电机产生感生电动势。产生的电流部分通过反馈电路流入励磁线圈，在转速控制装置中产生磁场，MRF/MRG在磁场的作用下输出较大阻尼力矩，从而限制发电机的转速。

图2 发电机整体结构Fig.2 Generator overall structure

自反馈转速控制方案流程如图3所示。发电机输出电压经过稳压模块稳定后，通过电压比较器来和预先设定好的电压进行比较。如果低于设定电压，则直接输出到负载；如果高于设定电压，则电压开关闭合，部分电流流入励磁线圈，使得磁流变液/脂输出较大阻尼力矩，降低发电机的转速。

图3 电压负反馈控制原理图Fig.3 Schematic diagram of voltage negative feedback control

2.2 磁流变脂控制转速的机理

磁流变脂由磁性颗粒、粘性载体和添加剂组成。处于零磁场时，磁性颗粒在载体中无序排列，发电机转轴仅受到载体的粘性阻尼作用。当磁流变脂处于磁场中时，磁性颗粒由于极化产生偶极矩，极化粒子在磁场作用下相互吸引，沿磁场方向排列成链状结构。磁性颗粒链化之后，磁流变脂粘度升高几个数量级，呈现出宾汉塑性体的特性。当磁场撤去，磁流变脂粘度恢复零磁场时的表现，响应时间仅为几毫秒[5-10]。

发电机的转轴处于磁流变液/脂中，受到阻尼力矩的作用。由于发电机转轴为圆筒形，并且为了使得设计的转速控装置结构简单，轴向尺寸小，便于与发电机配合，因此本文主要应用圆筒式剪切模型。如图4所示，转速控制装置模型由半径为R2的内筒和半径为R1的发电机轴组成，转子的旋转速度为ω，零磁场下，磁流变脂的粘度为η。

由于磁流变脂的阻力矩T与磁流变脂的外加磁场激励，以及定子(内筒)半径R2和圆柱形转子(发电机轴)半径R1，转子的旋转速度为ω，零磁场下磁流变脂的粘度为η有关。

图4 圆筒剪切模型Fig.4 Cylinder shear model

假设线圈产生的磁场在MRF/MRG中均匀分布，其输出力矩如下公式描述：

(2)

式(2)中，Le是发电机转轴浸入MRF/MRG的长度，τy(H)是MRF/MRG的磁致屈服应力。

当发电机的转速稳定，即达到平衡状态时，式(2)可化为：

(3)

Tb的大小取决于发电机转轴受到的驱动力矩的大小。一般认为磁流变液的屈服应力τy(H)是其剪切应力- 应变曲线图中的应力最大值。根据单链模型偶极子理论[11-12]，磁流变液的磁致切应力最大值可近似表示为：

(4)

式(4)中，μ0是真空导磁率，R是磁性颗粒半径，d0是磁性颗粒之间的距离。将(4)式代入(3)中可得：

(5)

3 实验过程与结果分析

3.1 磁流变液/脂的制备及流变特性测试

磁流变液是直接购买的成品，零磁场黏度η为1.5 Pa·s，饱和磁化强度Ms为379.64 kA/m。磁流变脂是由磁性颗粒和高温润滑脂经过机械研磨制得的，高温润滑脂是由美孚公司生产的SCH100，其针入度为350，黏度等级1.5，磁性颗粒由磁流变液加速离心得到。

按照磁性颗粒体积占比分别为10%，30%，50%，70%和90%配制5种磁流变脂，然后使用奥地利Anton Paar公司生产的MCR-301流变仪进行流变性能测试。图5展示了MRF和MRG的剪切应力随剪切速率的变化曲线，可以看出，在低剪切速率(低于200 s-1)时 ，剪切应力的增长是非线性的。但是当剪切速率超过200 s-1后，剪切应力的增长呈线性，这个由非线性到线性的增长说明磁流变脂存在着屈服应力，屈服应力的大小与磁性颗粒的体积分数有着一定的关系。

图5 MRG与MRF流变特性曲线Fig.5 Rheological curve of MRG and MRF

Bingham塑性模型是一种经常用来描述流变行为的模型[13-14]：

(6)

从图6可以看出，用Bingham模型拟合的体积分数为10%和30%的MRG以及MRF的图线与实验数据吻合比较良好；而体积分数为50%，70%和90%MRG拟合曲线出现了一定的偏离。

图6 Bingham模型拟合结果与实验数据对比Fig.6 Bingham model fitting results compared with the experimental data

3.2 实验平台

在进行转速控制实验时，搭建了如图7所示的实验平台。利用风机来驱动涡轮，示波器检测发电机输出的正弦信号。为了观察磁场强度变化对发电机转速控制效果的影响，需要给励磁线圈外接稳压源，以便对线圈电流进行调节。

图7 测试实验平台Fig.7 Test experiment platform

3.3 MRF和MRG控速效果对比实验

实验时控制其他因素不变，观察磁流变脂和磁流变液对发电机转速的控制效果。该对比实验不加反馈控制电路，利用风机吹动涡轮，使发电机转动，发电机的初始转速为11 000 r/min，给控制装置的励磁线圈接入外接电源，改变通入励磁线圈的电流，记录发电机的输出电压，利用式(5)计算得到发电机转速，实验结果如图8所示。

图8 MRG与MRF控制效果对比实验Fig.8 Comparison of speed control effect between MRG and MRF

由图8可以看出，最终发电机的转速可以降低60%左右。磁流变脂的转速控制效果要优于磁流变液，且磁流变液的性能不是很稳定，控制效果随磁场强度变化的趋势不是很稳定。

3.4 电压负反馈控制电路的自动控制效果

将反馈控制电路接入发电机和转速控制装置之间，用风机吹动发电机涡轮，开关闭合之前(即电压反馈控制电路未导通)，发电机的输出电压为32 V左右，开关闭合之后(即反馈控制电路导通)，发电机的输出电压降为20 V左右，如图9所示。且可以看到开关闭合之前发电机的输出电压存在波动，原因是利用风机来模拟吹风，存在不稳定因素，且风压分布不均匀。

图9 开关闭合前后发电机转速变化Fig.9 Generator speed changes before and after the switch opened

3.5 磁场强度和发电机轴径对输出阻尼力矩的影响

磁流变脂中的磁场大小与流入励磁线圈的电流大小成正比关系，为了得到磁场强度变化对磁流变脂输出阻尼力矩的影响，将励磁线圈接到外部电源上，改变电流的大小，记录发电机的输出电压，计算得到发电机的转速。设置发电机的转轴直径为4 mm、6 mm和8 mm分别进行实验。实验结果如图10所示，发电机的转速随着通入励磁线圈电流的增大而降低；同一电流下，发电机的轴径越大，转速降低幅度越大。

将式(4)变形为：

Tb=K1H2+K2ωb

(7)

式(7)中，K1，K2与R1有关。当R1增大时，K1与K2增大。在Tb与H一定的情况下，R1越大，ωb越小，即转速控制效果越好。实验结果符合圆通剪切模型理论公式(5)。

图10 不同轴径下发电机转速随励磁线圈通入电流大小的变化Fig.10 The change of Generator speed with the exciting current of the exciting coil under different shaft diameters

调节风机使发电机的初始输出电压为30 V左右，然后不断加大通入励磁线圈的电流，记录发电机的输出变化，如图11，励磁线圈电流增大后，发电机的输出电压变小，频率变小。

图11 发电机转速控制效果图Fig.11 Generator speed control effect

4 结论

本文提出了基于磁流变脂的微型磁电式风力发电机转速控制方案。该方案基于所用控制装置结构简单，反应灵敏，并且阻尼力矩连续精确可调，控制功率小，适用于磁电式风力发电机在弹道中不同风速下的工作模式。磁流变脂对于发电机转速的控制效果可以由磁场强度进行调节，增大励磁线圈的电流(即增大磁场强度)，发电机的转速可以显著降低，最高可降低60%左右；增大发电机转轴的轴径，也可以使发电机的转速控制效果增强；将电压负反馈电路接入装置中，可以通过设定预置电压来实现发电机转速的自反馈控制，实验中成功地将发电机的输出电压由32 V降至20 V左右。