横向电涡流阻尼器阻尼力的计算分析

　　电涡流阻尼器是基于导体在磁场中运动或在交变磁场中产生电涡流效应的原理来工作的,其具有非接触、无机械摩擦和磨损、无须润滑、寿命长及刚度与阻尼可控等优点,在振动控制领域中有着广泛的应用前景[1],引起了诸多学者的关注。祝长生[2]提出了一种用于转子系统的非接触式径向电涡流阻尼器,并对这种阻尼器在恒定磁场条件下的动力学特性以及对转子系统振动的控制能力进行了研究,最近又对时变磁场下径向电涡流阻尼器的动力学特性进行了研究[3]。Jae-Sung Bae等人[4]将由永磁体和导电薄片组成的电涡流阻尼器用于梁的振动控制,建立了此类电磁阻尼器的数学模型,并从理论和实验两个方面对其建模进行了论证。HenryA. Sodan等人[5]设计了一种新型电涡流阻尼器装置,其阻尼主要由变化的径向磁通产生,近期又采用电磁场理论与能量法,并结合边界条件建立了系统数学模型,理论分析和实验表明该阻尼器能有效地抑制悬臂梁的振动[6]。

　　旋转圆盘是广泛应用的一种基本机械构件,诸如齿轮、圆锯、计算机硬盘等,而发生在上述系统中的严重振动将引起机器工作性能变差、精度降低,甚至使圆盘元件或整台机器损坏,将造成不可估量的损失。目前,仍未见到将电涡流阻尼器用于旋转圆盘振动控制的相关文献,基于上述背景,本文将横向电涡流阻尼器引入旋转圆盘的振动控制,为非接触式圆盘振动控制的实现提供一种新途径。本文理论推导电涡流阻尼器的阻尼力公式,分析电磁阻尼与线圈电流、圆盘转速等参数的关系。

　　1　涡流阻尼器的结构及工作原理

　　横向电涡流阻尼器的装置如图1所示。薄的铜圆盘固定在电机转轴上,阻尼器由硅钢片叠合组装后,在其上绕漆包线而成。硅钢片内表面形成磁极,线圈内通电后构成磁场。阻尼器用支架夹持,与圆盘之间存在一定的间隙。该装置具有非接触、无机械摩擦和磨损、阻尼可控等优点。

　　当电涡流阻尼器线圈中通入电流时,将在如图1所示的空气间隙内形成磁场,旋转圆盘在该磁场作用下其表面感应出涡电流。当旋转圆盘发生横向(即指沿旋转轴的方向)振动时,电涡流阻尼器磁极与圆盘之间的气隙厚度发生改变,造成了磁场的变化,从而产生电磁阻尼作用。此时圆盘横向振动的方向与磁场方向一致,即阻尼力的方向与磁场方向一致,是一种横向电涡流阻尼器,因此旋转圆盘的横向振动可得到有效地控制。

　　2　电涡流阻尼器阻尼力的建模研究

　　阻尼器主要是由漆包线绕制在硅钢片上叠装而成,为了研究方便,将其等效为通电螺线管。如图2所示。设螺线管线圈的半径为b,长度为L,单位长度的匝数为n,电流为I。由于螺线管具有对称性,故只需计算yOz平面内磁场的分布,且y,z分量分别是径向和轴向分布。