【某自供电新型智能减速顶发电储电系统设计案例分析4000字】

某自供电新型智能减速顶发电储电系统设计案例分析目录TOC\o"1-2"\h\u11106某自供电新型智能减速顶发电储电系统设计案例分析 1249351.1发电装置设计 126371.2发电量的计算 7123971.3储电装置设计 13发电装置由超级电容、蓄电池、液压电机、液流转换装置、行星增速齿轮和发电机构成，如图4-1所示。图4-1减速顶发电装置示意图图4-1中，1为超级电池和蓄电池组成的储电装置，2为液压电机；3为行星增速齿轮；4为液流变换装置；5为永磁发电机。1.1发电装置设计1.1.1永磁发电机概念结合当前广泛应用的直流电动机可知，通过直流电流获取主极磁场的方法即为电流励磁。当电流励磁通过永磁体置换获取主极磁场的电机就是永磁电动机。通常来讲，永磁发电机能够实现无刷化，因此被广泛应用于小型及微型电机。此次毕业设计以永磁发电机为主，包括下列四类优势：（1）结构简单，可靠性高在省去励磁绕组与滑环构造的同时，永磁发电机还避免了励磁式发电机的碳刷环节。整体构架简洁，既无需励磁绕组的断线与滑动，也不必具备烧毁与碳素刷结构。由此大幅提升了可靠性。（2）体积小，重量轻，大于电力以永磁转子结构为主，电机更加紧凑的内部结构设计不仅缩小了体积，而且降低了重量。在充分简化永磁转子结构的基础上，可以显著缩减转子的旋转惯性力矩，提高实际旋转速度，由此超出电力值。（3）中低速发电性能良好相较于励磁发电机而言，永磁发电机在功率水平持同时保持空转的电机输出功率是其两倍之多，可以理解为后者实际功率水平等前者。（4）效率高永磁发电机具有显著的节能优势。除了励磁功率和滑环磨损以外，永磁转子结构产生转子磁场期间还无需碳刷等，显著提升效率。1.1.2电磁感应发电的基本原理如图4-2所示为基于压力电磁感应发电的结构简图，图4-2电磁发电的简化结构图1—发电压板（2—永磁铁）3—发电线圈4—弹簧5—负载在这里，我们可以将此发电结构分成两个部分：一是由压板（含永磁体）和弹簧组成的机械振动系统，二是由永磁体和线圈构成的电磁发电系统。1、电磁发电系统电磁发电基本原理是法拉第电磁感应定律：当穿过闭合线圈的磁通量发生变化时，在线圈回路中就会产生感应电动势。法拉第电磁感应定律的表达式：所以我们从表达式可以知道，感应电动势的大小与线圈数，线圈面积，磁通量变化率，磁感应强度有关。2、机械振动系统我们可以将电磁发电结构抽象成如图所示一个等效模型，即弹簧-质量块-阻尼系统。如图4-3所示。图4-3减速顶发电结构模型与等效模型结构当减速顶滑动油缸被压下时，弹簧-质量块-阻尼系统可以看作是单自由度的自由振，其中阻尼C为电磁阻尼,K为弹簧的刚度系数。REF_Ref31883\w\h为由等效物理模型，当减速顶发电压板被压下时，建立振动方程：，或，，其中设时，解得或其中其中—无阻尼振动频率—阻尼固有频率—永磁铁质量—振动弹簧劲度系数-阻尼系数-无阻尼振动周期-有阻尼振动周期1.1.3结构设计储蓄设备中专设有液压电机。液压转换装置又被设立在液压电机之下。液流转换装置以齿轮式为主，将行星增速齿轮装置在输出轴中。液流变换装置设有永磁发电机，其转子和行星增速齿轮的小齿轮相连，确保发电机转子与发电机的旋转速度持平。永磁体不仅属于电机磁源，而且在磁电路中占据重要地位。除了生产制造过程、永磁体尺寸以及磁性填充方法以外，永磁体的磁性还受到永磁体形状以及充磁机容量的直接影响，性能数据的离散性较为显著。再者，磁电路余下部分材料性能和电机操作状态会对电机的磁运动势产生直接影响，相应尺寸变化也会波及永磁体的磁通量。同时，永磁发电机的磁电路形式多样，漏磁通所占比重较多，铁磁材料极易出现饱和现象，磁传导具有非线性特征。由此导致永磁发电机电磁计算的复杂程度上升，也无法提高计算结果精准水平。所以，构建新的设计概念尤为关键，既要深入分析磁电路结构，也要加大对控制系统的改进力度。在创新计算方法与引入先进制造过程的同时，为提高设计计算精准程度还需应用先进测试方法。1、整体结构设计在现有减速顶尺寸的基础下，对减速顶进行改造。根据查阅的资料，一般来说减速顶外壁直径有100mm，壁厚5mm，止冲座的直径大约为40mm，这样，我们计算得到减速顶底部剩余空间的厚度L为25mm。图4-4减速顶外壳底部空间示意图所以在了解外壳底部空间的情况下，判断需要安装多大的线圈，根据线圈的内径和高度，选择需要永磁铁的尺寸。最终设计的发电结构图如图4-5所示。图4-5线圈分布示意图根据线圈分布可知，一共有8个线圈。线圈最大外直径可达到20mm。根据减速顶通用技术，减速顶滑动油缸的行程一般为90mm，在油缸完全被压到底时，油缸底部距离壳体底部的距离为20mm，最后我们将线圈高度设计为20mm。如图4-6所示。图4-6线圈高度及相对位置2、永磁铁和线圈设计线圈绕组的设计，应该考虑通过线圈的磁通量的改变量（变化率），变化率越大感应电动势越大，同时还要考虑内阻大小（材料），内阻越小电路消耗就越少。在永磁体固定的情况下，磁通量的大小主要与线圈的大小有关系。查阅资料可知，线圈的面积（半径）和磁通量之间的关系为下图所示：图4-7间距L与磁通量的关系从上面的图片中，我们可以看出，永磁体不变（）的情况下，磁通量的大小与线圈大小呈反比关系，当时，磁通量基本不发生变化。所以为了充分利用预留的线圈空间，这里我们将永磁铁的的直径为10mm，高度和线圈高度设置为一样为20mm。线圈的厚度L为5mm,剩余的1.5mm为永磁铁与线圈空隙。如图4-8所示：图4-8线圈与永磁铁的尺寸另外，我们知道线圈匝数越多，则发电能力也就越强，但是同时电阻也会随线圈的增多而增多，这样内阻消耗的电量会越来越大，所以我们在增多线圈匝数的同时，应选择电阻率较小的材料。这里我们选择铜线线圈，因为铜的导电率高，电阻率很小。根据电阻率公式，，我们先假设线圈匝数为500匝，最后计算得到电阻。1.2发电量的计算1.2.1振动方程求解根据楞次定律，在永磁铁运动过程中，线圈会对永磁铁有力的作用可以看做是一种阻尼（电磁阻尼）。由第四章可知，很多参数都能影响感应电动势的大小，所以我们采用类似控制变量法的方法，我们先确定线圈长度及面积、匝数、电阻等，再求磁通量随时间的变化关系，最后求出在磁棒运动过程中的等效阻尼。由法拉第电磁感应定律可知，（1.5）代入,得（1.6）又因为减速顶工作时，永磁铁在滑动油缸引导下沿Z轴振动，则有则代入上式得代入阻尼公式，得1.2.2永磁铁仿真及磁通量变化又因为永磁体是做往复运动的，这就会导致同一地方的磁感应强度发生变化，阻尼大小也会变化，从而不能确定下来。分析线圈通过线圈时，线圈的磁通量变化（线圈与磁铁运动方向垂直），在这里，选取8mm的线圈半径，永磁铁从线圈中心上方下移到线圈下方，得到磁通量与距离的关系。如图4-9所示。图4-9运动永磁铁通过固定线圈的磁通量变化从图中我们可以看出，当永磁铁从线圈的正上方下移到线圈的正下方，在整个过程中，穿过线圈的磁通量的数值从小变到大再变到小，基本上是呈对称关系的。这里为了简化计算，可以将其看做线性的。由于在Z=0处，磁通量最大，所以由可知，此处磁感应强度最大，所以电磁阻尼系数达到最大，这里可以解出，所以解得电磁阻尼系数为1.2.3振动系统的方程根据《减速顶通用技术条件》可知，一般减速顶的行程为92mm，如图4-10所示，滑动油缸的运动70mm时，就会触碰到发电压板.此时需要对滑动油缸进行受分析，计算出压板的速度以及受到的最大压力。图4-9滑动油缸行程图4-10溜放车辆滚压减速顶时的速度和受力分析—溜放车辆的速度—滑动油缸下滑的速度—刚接触压板时油缸速度—车轮对油缸轴线方向的力—油缸对发电压板的力—车轮轮缘与滑动油缸的切入角由图中的几何关系可以得出考虑减速顶的安装角，油缸沿其轴线下滑的速度为：由直角三角形CBO可得：式中—车轮半径，—油缸的垂直工作高度对于溜放车辆压过单个减速顶而言，车辆速度并不会发生很大变化，可以说是忽略不计的。查阅资料可知Ⅰ档减速顶的临界速度在，这里我们取溜放车辆速度为为1.5，安装角为，为0.75m，为0.09m，代入上式得滑动油缸一开始的滑动速度由滑动油缸下滑速度曲线图可知图4-11滑动油缸下滑速度图滑动油缸接触到发电压板时，油缸速度为在周建新的文章中，测得在Ⅰ档减速顶速度的冲击下，冲击力约为16.6KN,冲击时间在135ms左右。由动量定理，设压板重量M为10kg可得振动系统的初始速度条件，设在平衡位置，则，而41.5m/s减速顶被压下时，滑动油缸能承受十六分之一车厢的重量，假设车辆的重量为20吨，即能承受1.25吨的重量，经过液压油、活塞杆等的卸力后，在触碰到发电压板时，作用到上面的力约为100N.而在发电系统中，弹簧能被压缩的距离h为20mm。由胡克定律可知，所以将以上求得的各个参数代入振动方程得，振动方程为1.2.4单个装置发电量计算根据法拉第电磁感应定律，感应电动势为感应电流为由前面可知，永磁铁振动幅度不同，则磁通量的变化率则不同，故令振动方程解得在一个振动周期内，对电流进行积分从能量守恒方面来说，产生的热能与电能的大小相同，这样可以算出减速顶发电装置在振动一次，减速顶发电结构能产生的电能为式中N为减速顶中发电装置的个数由上式可知减速顶被压一次产生的电能约为1.171焦耳。对于减速顶发电装置来说，每当车轮压过一次，之后便做自由振动，在系统阻尼作用下振幅逐渐减小至平衡位置，在完全停下之前差不多有8个完整的振动，则减速顶被眼压一次可以产生11.71焦耳。对于一般普通减速顶而言，滚压次数为300万次，使用年限一般为5.5年，折算下来，一个小时内减速顶被滚压62次，即单个每小时产生电能1005.1焦耳，即平均发电功率P=0.279w。1.3储电装置设计本设计使用超级电容和蓄电池通过DC/DC转换器连接，构成了蓄电设备。超级电容和蓄电池共同负载传输能量，两者用DC/DC转换器连接，构成储蓄设备，优化蓄电