基于脉冲液流换能器的振动能量回收原理与实验研究

袁四美，廖昌荣，赵丹侠，刘 琼，韩 亮

(重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室智能结构中心，重庆 沙坪坝 400030)

近年来，磁流变液阻尼器在建筑结构振动控制领域得到广泛应用，并取得了良好的控制效果。磁流变液阻尼器依靠外加电源来实现阻尼通道的励磁，控制磁流变液的流变学特性，以实现其阻尼参数的调节。在台风、海啸与地震等自然灾害条件下，建筑结构的供电系统失效的可能性极大，依靠振动能量来为磁流变液阻尼器供电，实现自供电磁流变阻尼调节系统是磁流变技术领域和振动控制领域研究的前缘课题，其关键技术之一是振动能量的回收技术。自20世纪90年代开始，国内外研究学者就对馈能式减振系统进行了大量的研究。Choi等［1］提出一种基于电磁线圈感应式磁流变阻尼器的自供电减振系统;陈政清等［2-3］提出了一种自供电磁流变智能减振系统，该系统由齿条齿轮加速器带动永磁直流电机，完成结构振动能量到磁流变阻尼器所需的电能的转换;Choi等［4］设计了采用齿条齿轮加速器、直流发电机自供能的电流变阻尼器;孙作玉等［5-6］设计制作了静液蓄能式隔震换能系统;武汉理工大学的徐琳等［7-8］提出了一种基于液压传动的液电馈能式液压减振器系统。鉴于桥梁结构振动能量大、振动频率低和振幅较大等特点，在减振器运行过程中工作缸内两腔形成低频脉冲压力，该脉冲液流携带能量表现为压力能和动能。因此，研究基于低频脉冲液流换能器的振动能量回收方法，对自供电型磁流变液阻尼系统的应用具有重要的学术价值。

1 换能器工作原理

如图1所示，振动能量回收系统由液压油缸、液压齿轮马达、三相永磁同步发电机、飞轮、电压处理电路组成，其中，液压马达、飞轮、永磁发电机组成脉冲液流换能器。油缸、液压马达和单向阀 v1，v2，v3，v4，v5，v6组成的封闭液压回路。单向阀v1、v2、v3、v4连接于液压马达进出油口与油缸之间，保证液压马达单向旋转;单向阀v5、v6连接于液压马达泄油口与液压缸之间，使马达泄漏的油液流回油缸。当外界振动引起油缸活塞杆运动，以活塞杆向左运动(压缩行程)为例。活塞推动油液向左流动，将振动能转换为液压能，产生脉冲液流，油缸左腔压力高于右腔，单向阀v1、v4、v6开启，油液经导油管流向液压马达，一部分油液通过马达泄油口经单向阀v6流回液压缸;另一部分油液推动齿轮马达转动，然后经单向阀v4流回油缸。同理，在活塞杆向右运动时，单向阀v2、v5、v3开启。马达将一部分液压能转换为机械能，带动飞轮与永磁发电机转动。飞轮将旋转的机械能转换为高速转动的动能，发电机将机械能转换为电能，经电压处理电路后为蓄电池充电或向外供电。

图1 基于脉冲液流换能器的能量回收系统装置图Fig.1 The energy harvesting system schematic diagram based on pulse fluid flow transducer

2 能量转换器回收理论分析

脉冲液流换能器工作简化图如图2所示。流入马达的总流量记为Qg，泄漏量记为ΔQ;推动马达转动，然后从出油口流出的这部分流量记为Qm。马达带动飞轮与发电机旋转，马达与飞轮、发电机同轴相连，旋转角速度分别为ωd，ωf，ωd，马达与发电机转矩分别记为Tm，Td，马达、飞轮、发电机的惯量记为Jm，Jf，Jd。

图2 脉冲液流换能器模型Fig.2 The model of the pulse fluid flow transducer

2.1 流量分析模型

设工作缸内活塞以正弦运动，位移为x=xmsin(ωt)，速度为v=dx/dt，其中，xm为活塞振幅，ω=2πf为活塞振动角频率，f为活塞振动频率。

忽略油缸的泄露，流入马达的流量为活塞推动油液流动产生的流量:

式中:A为活塞有效面积。

根据齿轮马达的工作原理，忽略马达齿面接触处(啮合处)的泄漏，马达的泄漏量为:

式中:s为齿轮端面间隙;θ为高压腔包角;μ为油液的动力粘度;Ri齿根圆半径;Rz齿轮轴半径;z0为过渡区的齿数;z为马达齿数;b为齿宽;δ为齿顶间隙;se为齿顶厚;Δpm为马达进出油口压差。推动马达转动，将液压能转换为机械能的流量表示为

式中:q为马达的理论排量。根据流量连续方程，有Q=Qg=ΔQ+Qm，得到:

2.2 力学分析模型

马达与飞轮、飞轮与永磁发电机之间为刚性连接，则马达、飞轮、发电机的角速度相同:

油液推动马达旋转，马达将液流能转换为机械能，带动飞轮与发电机转动，马达的输出转矩为:

式中:bm为马达的粘滞阻尼系数。

忽略发电机的空载转矩，则发电机转矩仅由电磁转矩构成:

由于液流不稳定，必须考虑惯性转矩，则力矩平衡方程为:

等式右端第一项为马达惯性转矩，第二项为飞轮惯性转矩，第三项为发电机的惯性转矩。

根据式(4)、(5)、(8)得到:

利用Matlab进行仿真，所涉及的参数如表1。

表1 脉冲液流换能器仿真参数表Tab.1 Simulation parameters of the pulse fluid flow transducer

图 3(a)为R=30 Ω，f=2 Hz、3.2 Hz、4.8 Hz、6 Hz情况下发电机角速度波动图。由图可以发现，在相同负载下，频率越大，角速度幅值越大。图3(b)为f=3.6 Hz，R=1 Ω、30 Ω、150 Ω 与空载情况下发电机角速度波动图。由图可知，在同一频率下，空载时角速度幅值最大，带负载情况下，阻值越大发电机角速度幅值越大。

图3 发电机角速度波动图Fig.3 The angle speed fluctuation diagram of generator

2.3 电气分析模型

发电机三相接负载R，采用Y型接法。发电机单相输出电压为:

带载情况下，发电机单相输出功率为:

图4 发电机单相输出电压特性仿真图Fig.4 Simulation diagrams of generator's single-phase output voltage characteristic

图 4 为f=3.6 Hz，空载，R=150 Ω、30 Ω 情况下，发电机单相电压输出特性。由图可知，电压幅值分别为196.5 V，113.2 V，85.76 V，空载时发电机输出电压幅值最大。图5 为f=3.6 Hz，R=150 Ω、30 Ω 情况下，发电机瞬时功率特性。通过计算得到其平均功率分别为 20.86 W，49.52 W。

图5 发电机瞬时输出功率特性仿真图Fig.5 Simulation diagrams of generator's instantaneous output power characteristic

2.4 转换效率分析模型

发电机三相总的输出功率为:

在T时间内，发电机输出电能为:

外界振动推动活塞运动，将振动能转换为液流能，在T时间内，产生的液流能为:

式中:Δp为液压缸内高低压腔压差。

忽略导油管沿程压差损失，有Δp=Δpm。能量转换器的转换效率为:

由式(16)可知，换能器的转换效率由负载与活塞频率决定。图6为换能器在不同频率、不同负载下的转换效率。由图可得出结论，在同一负载下，换能器随着频率的增加而减小;在同一频率下，换能器随着负载的增大先增大后减小。

3 实验测试

为了检验理论分析的正确性，将减振器换能系统在J95-I振动测试平台上进行测试，实验装置图如图7所示。试验用齿轮马达型号为GM5，永磁发电机型号FF-50W，示波器型号DPO2012。实验现场如图7所示。

图6 能量转换效率仿真图Fig.6 The simulation diagram of energy conversion efficiency

图7 振动能量回收装置图Fig.7 The vibration energy harvesting device diagram

采用正弦激励振动，振幅为 ±25 mm，频率为:2 Hz，2.4 Hz，2.8 Hz，3.2 Hz，3.6 Hz，4 Hz，4.4 Hz，4.8 Hz，5.2 Hz，5.6 Hz，6 Hz。分别在空载、带载情况下，对换能器进行实验测试。

3.1 发电机输出电压与输出功率特性

图8 为f=3.2 Hz，空载，R=150 Ω、30 Ω 的情况下测试的电压输出特性。从图中可以看出，最大输出电压分别为178 V，104 V，80 V;在带载情况下，发电机出现停转;带负载阻值越大，发电机停转时间反而越短。发电机产生停转的主要原因有:油液回路中油液不满，活塞运动出现空程;活塞运动速度较小时，所提供的能量不能带动马达转动。与仿真图4相比，其波形幅值要小，主要由于系统摩擦损耗、发电机空载损耗、导油管沿程损耗等造成的;在单幅图中一个周期内波形不对称，这是由于油液不满，发电机开始转动时，活塞运动速度不为零造成的。

图9为实测发电机瞬时功率，与仿真图5相比，一个实测周期内的瞬时功率图窄于仿真图，主要由油液不满、活塞运动产生的阻尼力不足以带动马达转动，发电机出现停转导致的;每个周期实测瞬时功率不相同且幅值小于仿真值，从上面的分析可知，主要是由于系统存在摩擦损耗、空载损耗、导油管沿程损耗等情况造成的。经过计算其平均功率分别为5.82 W，12.53 W。

由实测电压及瞬时功率图可以说明该换能方案是可行的，换能器能将部分振动能转换为电能。

图8 发电机输出电压特性实测图Fig.8 Experimental test diagrams of generator's output voltage characteristic

图9 发电机输出瞬时功率实测图Fig.9 Experimental test diagrams of generator's instantaneous output power

3.2 换能效率

图10为不同频率下的换能效率测试与仿真对比图。由图可以看出:在同一负载下，随着活塞频率的增大换能系统的效率减小;在同一频率下，R=30 Ω时的效率大于R=150 Ω时的效率。活塞频率越大换能效率越低的主要原因有:活塞频率越大，发电机转子角频率越大，发电机的绕组感抗越大，导致负载上分压减小，发电机输出功率减小;活塞频率增大，马达泄漏量增加，马达输出功率减小，使得发电机输入功率减小。

图10 换能效率Fig.10 Energy conversion efficiency

仿真值与实测值吻合较好，但还存在着一定误差，分析主要原因:没有考虑系统的摩擦、导油管沿程等损耗;没有考虑发电机机械损耗、铁芯损耗和杂散损耗;仿真计算参数，特别是泄漏系数取值存在一定误差;存在测试误差等。

从实验值可以看出，效率最大可以达到46.85%，由计算可以得到发电机三相最大总输出平均功率可以达到37.4 W。

4 结论

为了摆脱MR阻尼器控制系统对外界电源的依赖，本文提出了一种基于脉冲液流换能器的能量回收方案，在供电失效的情况下，能为其供电。在本文中，分析了换能器的工作原理，对系统进行理论仿真，并进行实验测试。通过理论分析与实验研究得到以下结论:

(1)理论仿真图与实测图能较好的吻合，说明理论分析是合理的。

(2)该换能器方案是可行的，能将部分振动能转换为电能，在带30 Ω电阻的情况下，转换效率可达到46.85%，最大输出功率可以达到37.4W。

(3)从理论分析可知，换能器的效率会随振动频率与负载变化，可通过改变负载来进行调节。

针对换能系统存在的问题，接下来要做的有:对系统进行优化，增加系统的稳定性;解决油液不满的问题;根据发电机输出电压特性设计稳压电路，为蓄电池充电等。

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