基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置及控制方法与流程

本发明属于引信涡轮式发电机的转速控制领域，具体涉及一种采用磁流变材料作为转速控制关键执行元件的转速控制装置，及用于控制所述转速控制装置的控制方法。

背景技术：

从近代战争来看，武器系统正在向精确制导方向发展，因此精确制导炸弹的引信电源不仅要为控制电路提供电能，还要为修正炸弹的飞行方向和飞行姿态提供电能。涡轮式发电机是一种利用弹道空气压力作驱动力的电源，主体部分包括涡轮、转轴、转子和定子。由于其功率密度大、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。对于飞行速度跨度大的炮弹，涡轮式发电机需要在全弹道上都能正常可靠地为引信连续提供足够的电能。然而涡轮式发电机的转速与弹丸的飞行速度呈线性变化，当风速达400m/s时，涡轮式发电机的转速将会达到200000r/min以上，致使涡轮式发电机关键零件难以承受。为避免涡轮式发电机在高转速下转子部件(轴承、轴等)损坏或引信电子线路的电子元器件被击穿或烧坏，必须控制涡轮式发电机转速小于发电机轴承的极限转速、输出电压小于引信线路的耐压值。有效控制涡轮式发电机在高弹速下的转速成为了涡轮式发电机能否获得广泛应用的关键技术。一般采用限制转速的方法来解决涡轮式发电机适应高弹速的问题。限制转速的方法，一是通过调节气流，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。然而在低速段，通过调节气流往往会对转速带来不利影响，在高速段，摩擦制动的方法可能会损坏涡轮。因此需要发明出一种新型的转速控制方法，保证在低风速段涡轮式发电机涡轮转速不受影响，高风速段涡轮式发电机部件不被损坏。

磁流变材料是当前智能材料研究的一个重要分支，通常由分散的磁性颗粒、基体和添加剂等混合而成。在外加磁场作用下，磁流变材料发生磁流变效应，其中的铁磁颗粒被磁化而产生有序化的运动，在磁场力作用下相互吸引，沿着磁场方向形成链状结构，该过程能够在瞬间(毫秒级)引起磁流变材料黏度的变化，甚至在磁场强度达到某一临界值时，流体停止流动而达到固化，并具有抗剪切能力。目前磁流变材料主要有磁流变液和磁流变脂，磁流变液具有磁性颗粒分布均匀的优点，磁流变脂具有抗沉降性好的优点。本发明中采用磁流变液或磁流变脂。基于磁流变材料的转速控制装置具有结构简单、容易控制、响应速度快、力矩连续可调等优点。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本发明公开的基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置及控制方法要解决的技术问题是：提供一种采用磁流变材料作为关键的执行元件的转速控制装置，并提供一种用于控制所述转速控制装置的基于电压负反馈的转速控制方法，实现对引信用涡轮式发电机的转速控制，此外，还具有下述优点：(1)能够降低转速控制装置在低风速段对涡轮式发电机转速的影响；(2)能够提高高风速段涡轮式发电机结构的稳定性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置，包括上盖、内筒、外壳、底、励磁线圈和磁流变材料。所述的上盖、内筒、外壳、底组成基座。外围装置包括涡轮式发电机。所述转速控制装置与涡轮式发电机底部固定连接，转速控制装置基座上盖中心处开设直径略大于涡轮式发电机转轴直径的圆孔，涡轮式发电机转轴伸出涡轮式发电机壳体部分贯穿通过转速控制装置上盖中心圆孔，涡轮式发电机转轴悬空置于内筒中，涡轮式发电机转轴与内筒保持同轴度一致。所述上盖中心圆孔两侧对称开设两个小圆孔，励磁线圈两端穿过小圆孔与涡轮式发电机相连，上盖朝下一面设有直径与内筒内径相同的环状凸台。所述底中心处设有直径与内筒外径相同的圆形凹槽。所述内筒通过上盖环状凸台和底部凹槽定位，与上盖和底同轴紧密配合。所述磁流变材料填充于内筒中，作为转速控制的执行元件。上盖与外壳间加用于使得基座部分零件间紧密配合的橡胶垫，所述外壳与内筒成间隙配合，形成用于放置励磁线圈的空腔，内筒空腔用于盛放磁流变材料。所述上盖、外壳、底材料均为金属导磁材料。内筒材料采用非导磁材料。

由于所述上盖、外壳、底材料均为金属导磁材料，具有下述两个优点：1、有利于磁力线更加集中地穿过工作腔中的磁流变材料，形成闭合的磁力线，从而减少磁力线的密度损失，提高磁流变材料中的磁场强度；2、能够保证转速控制装置的结构力学要求。

内筒材料优选铝，铝不但有利于密封，还能够有效的防止磁力线通过内筒内部形成磁场回路而产生磁屏蔽现象，减弱通过工作间隙中磁流变材料的磁场强度。

所述的励磁线圈结构优选螺线管式结构、环形线圈结构或无刷电机线圈结构。

内筒、外壳、底采用分体加工或一体化加工。

所述磁流变材料填充于内筒中，作为转速控制的执行元件。具有下述三个优点：1、在励磁线圈磁场作用下，磁流变材料发生磁流变效应，其中的磁性颗粒被磁化而产生有序化的运动，在磁场力作用下相互吸引，沿着磁场方向形成链状结构，引起磁流变材料黏度的增大，甚至在磁场强度达到临界值时，流体停止流动而达到固化，并具有抗剪切能力，变化时间极短，所述的变化时间极短由磁流变材料特性而定，目前变化时间为毫秒级；2、变化过程可逆，当励磁线圈磁场消失之后，此磁流变材料在极短时间内转化为低粘度流体；3、基于磁流变材料的转速控制装置具有结构简单、容易控制、响应速度快、力矩连续可调等优点。

所述的磁流变材料采用磁流变液或磁流变脂。优选磁流变脂，磁流变脂能够克服颗粒沉降问题，具有稳定性好的优点。

本发明还公开一种用于控制所述基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置的基于电压负反馈的转速控制方法，具体实现方法如下：涡轮式发电机输出端并联分流支路，输出端通过稳压器给引信稳定供电，同时也为控制电路提供稳定的参考电压，参考电压值由涡轮式发电机所要控制的安全转速而定，此安全转速即涡轮式发电机所能承受的最大转速。当涡轮式发电机转速低于安全转速时，控制电路中的比较-开关不闭合，分流支路不导通；当涡轮式发电机转速高于安全转速时，控制电路中的比较-开关闭合，分流支路接通转速控制装置，产生对转轴的阻尼力矩，使作用在涡轮式发电机转轴上的主动力矩减小，阻止涡轮式发电机转轴转速的上升。并且随着涡轮式发电机的转速升高所产生的阻力矩增大，由此使涡轮式发电机转速稳定在安全转速以下。本发明公开的一种基于电压负反馈的转速控制方法控制一种用于控制所述基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置，具有下述优点：1、够降低转速控制装置在低风速段对涡轮式发电机转速的影响；2、够提高风速段涡轮式发电机结构的稳定性。

有益效果：

1、本发明公开的基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置及控制方法，所述磁流变材料填充于内筒中，作为转速控制的执行元件。具有下述三个优点：(1)在励磁线圈磁场作用下，磁流变材料发生磁流变效应，其中的磁性颗粒被磁化而产生有序化的运动，在磁场力作用下相互吸引，沿着磁场方向形成链状结构，引起磁流变材料黏度的增大，甚至在磁场强度达到临界值时，流体停止流动而达到固化，并具有抗剪切能力，变化时间极短，所述的变化时间极短由磁流变材料特性而定，目前变化时间为毫秒级；(2)变化过程可逆，当励磁线圈磁场消失之后，磁流变材料在极短时间内转化为低粘度流体；(3)基于磁流变材料的转速控制装置具有结构简单、容易控制、响应速度快、力矩连续可调等优点。

2、本发明公开的基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置及控制方法，由于所述上盖、底、外壳材料均为金属导磁材料，具有下述两个优点：(1)有利于磁力线更加集中地穿过工作腔中的磁流变材料，形成闭合的磁力线，从而减少磁力线的密度损失，提高磁流变材料中的磁场强度；(2)能够保证转速控制装置的结构力学要求。

3、本发明公开的基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置及控制方法，具有下述两个优点：(1)能够降低转速控制装置在低风速段对涡轮式发电机转速的影响；(2)能够提高风速段涡轮式发电机结构的稳定性。

附图说明

图1为发电机总体结构图；

图2为本发明公开的基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置结构示意图。

1-上盖、2-内筒、3-外壳、4-底、5-励磁线圈、6-磁流变材料、7-涡轮式发电机转轴。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步的详细说明：

实施例1：

本实施例公开的基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置，包括上盖1、内筒2、外壳3、底4、励磁线圈5和磁流变材料6。所述的上盖1、内筒2、外壳3、底4组成基座，内筒2、外壳3、底4采用分体加工或一体化加工。所述上盖1、外壳3、底4材料均为金属导磁材料，具有下述两个优点：1、有利于磁力线更加集中地穿过工作腔中的磁流变材料6，形成闭合的磁力线，从而减少磁力线的密度损失，提高磁流变材料6中的磁场强度；2、能够保证转速控制装置的结构力学要求。内筒2材料采用铝，铝不但有利于密封，还能够有效的防止磁力线通过内筒2内部形成磁场回路而产生磁屏蔽现象，减弱通过工作间隙中磁流变材料6的磁场强度。外围装置包括涡轮式发电机。所述转速控制装置与涡轮式发电机底部固定连接，转速控制装置基座上盖1中心处开设直径略大于涡轮式发电机转轴7直径的圆孔，涡轮式发电机转轴7伸出涡轮式发电机壳体部分贯穿通过转速控制装置上盖1中心圆孔，涡轮式发电机转轴7悬空置于内筒2中，涡轮式发电机转轴7与内筒2保持同轴度一致。所述上盖1中心圆孔两侧对称开设两个小圆孔，励磁线圈5两端穿过小圆孔与涡轮式发电机相连，上盖朝下一面设有直径与内筒2内径相同的环状凸台。所述的励磁线圈5结构为螺线管式结构。所述底4中心处设有直径与内筒2外径相同的圆形凹槽。所述内筒2通过上盖1环状凸台和底部凹槽定位，与上盖1和底4同轴紧密配合。所述磁流变材料6填充于内筒2中，作为转速控制的执行元件。上盖1与外壳3间加用于使得基座部分零件间紧密配合的橡胶垫，所述外壳3与内筒2成间隙配合，形成用于放置励磁线圈5的空腔，内筒2空腔用于盛放磁流变材料6。所述磁流变材料6填充于内筒2中，作为转速控制的执行元件，具有下述三个优点：1、励磁线圈5磁场作用下，磁流变材料6发生磁流变效应，其中的磁性颗粒被磁化而产生有序化的运动，在磁场力作用下相互吸引，沿着磁场方向形成链状结构，引起磁流变材料6黏度的增大，甚至在磁场强度达到临界值时，流体停止流动而达到固化，并具有抗剪切能力，变化时间极短，所述的变化时间极短由磁流变材料6特性而定，目前变化时间为毫秒级；2、变过程可逆，当励磁线圈5磁场消失之后，此磁流变材料6在极短时间内转化为低粘度流体；3、于磁流变材料6的转速控制装置具有结构简单、容易控制、响应速度快、力矩连续可调等优点。所述的磁流变材料6采用磁流变液或磁流变脂。优选磁流变脂，磁流变脂能够克服颗粒沉降问题，具有稳定性好的优点。

本实施例还公开一种用于控制所述基于磁流变材料的涡轮式发电机转速控制装置的基于电压负反馈的转速控制方法，具体实现方法如下：涡轮式发电机输出端并联分流支路，输出端通过稳压器给引信稳定供电，同时也为控制电路提供稳定的参考电压，参考电压值由涡轮式发电机所要控制的安全转速而定，此安全转速即涡轮式发电机轴承等机械结构所能承受的最大转速。当涡轮式发电机转速低于安全转速时，控制电路中的比较-开关不闭合，分流支路不导通；当涡轮式发电机转速高于安全转速时，控制电路中的比较-开关闭合，分流支路接通转速控制装置，产生对涡轮式发电机转轴7的阻尼力矩，使作用在涡轮式发电机转轴7上的主动力矩减小，阻止发电机转速的上升。并且随着涡轮式发电机的转速升高所产生的阻力矩增大，由此使涡轮式发电机转速稳定在安全转速以下。转速控制装置对涡轮式发电机的转速控制是这样实现的：涡轮式发电机的涡轮式发电机转轴7贯穿通过上盖1的中心圆孔进入内筒2，与内筒2保持同轴度一致且不能触到内筒2的底。励磁线圈5的两端穿过上盖1中心孔两侧的小圆孔与控制电路相连，同时控制电路也和外围发电机相连。当涡轮式发电机转速低于安全转速时，控制电路中的开-关不闭合，励磁线圈5不通电，在内筒2和涡轮式发电机转轴7之间的磁流变材料6表现为牛顿流体特性，此时磁流变材料6对涡轮式发电机转轴7所产生的阻尼力矩仅为很小的黏性阻尼力矩，涡轮式发电机转轴7可以自由转动；当涡轮式发电机转速高于安全转速时，控制电路中的开-关闭合，励磁线圈5通电，螺线管式励磁线圈5在通入电流后中轴线上存在轴向磁场，圆柱形管壁上存在沿周向流动的磁场。内筒2中的磁流变材料6在磁场作用下瞬间发生磁流变效应，由流动良好的牛顿流体变为非牛顿流体。磁流变材料6中的磁性颗粒被磁化连结成链状，沿着励磁线圈5磁场分布排列，这种链状结构使得磁流变材料6的剪切应力增大，黏度发生变化，加大涡轮式发电机转轴7转动的阻力矩，使作用在涡轮式发电机转轴7上的主动力矩减小，对涡轮式发电机起到了限制转速的作用。磁流变效应随着磁场强度的增大而增强，因而可以通过调节励磁线圈5产生的磁场强度大小来控制磁流变材料6作用于涡轮式发电机转轴7阻尼力矩的大小。本实施例公开的一种基于电压负反馈的转速控制方法控制一种用于控制所述基于磁流变材料6的涡轮式发电机转速控制装置，具有下述优点：1、够降低转速控制装置在低风速段对涡轮式发电机转速的影响；2、够提高风速段涡轮式发电机结构的稳定性。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。