風電葉片電磁脈沖式疲勞加載裝置設計

烏建中，陳策輝

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

設計技術

風電葉片電磁脈沖式疲勞加載裝置設計

烏建中，陳策輝

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

針對目前常見的擺錘共振式葉片疲勞加載系統存在的定幅加載及液壓式疲勞加載方式存在效率較低的缺點，設計了一種新型風電葉片電磁脈沖式疲勞加載裝置。計算了電磁脈沖式疲勞加載裝置的相關參數，并通過仿真驗證了電磁脈沖式疲勞加載的可行性。電磁脈沖式加載方式具有設備簡單、可控性好、系統質量較小等優點。

風電葉片；疲勞加載；電磁脈沖

對于新設計、新工藝、新材料的風機葉片，疲勞加載是保證葉片質量的關鍵一環。通過疲勞試驗，可以將實際測量數據與設計數據進行比較，以掌握葉片的疲勞性能。常見疲勞加載方式如擺錘共振式葉片疲勞加載系統存在定幅加載及液壓式疲勞加載方式存在效率較低的缺點。此外，上述兩種加載方式需要將試驗裝置放置在葉片上，造成葉片有一定的負重而會影響疲勞加載試驗的效果。

電磁脈沖式疲勞加載系統能夠克服上述問題。電磁脈沖式疲勞加載裝置三維模型如圖1所示。通過控制螺管式線圈通斷電狀態，在葉片振動過程中以脈沖力的形式不斷補充能量，維持葉片振動，并且結合螺管式電磁鐵的電磁力特性，通過調節通斷電的不同時機，對葉片的振幅及頻率實現有效控制。葉片電磁脈沖式疲勞加載系統具有可控性好，實時性較高，裝置簡便等優點，具備良好的應用前景[1]。

圖1 電磁脈沖式疲勞加載裝置三維模型

在葉片往復振動過程中，電磁加載方式可選擇單向加載或雙向加載，兩種加載方式示意圖如圖2所示。

圖2 電磁脈沖加載方式示意圖

雙向加載時，在葉片的每個振動周期中分別施加一次拉力及推力，其主要優點是電磁力對稱加載，電磁做功較大，但缺點是線圈需要通斷電兩次，電感損耗能量較多，效率較低；單向加載時，在葉片的每個振動周期中只施加一次拉力(或推力)，其主要優點是效率較高，缺點是單周期內電磁力做功較小。因此可以根據實際加載情況選擇不同的加載方式。

1 電磁疲勞加載系統初步設計

1.1 葉片振幅、加載力與電磁做功關系

對于某一葉片而言，若其加載要求規定加載點振幅為X，最大加載力為Fmax，而其加載力可以近似認為在一個振動周期內呈正弦變化，瞬時加載力F與x當前振幅關系為

在一個周期內，葉片振動需要補充的能量為

1.2 葉片振幅與電磁線圈鐵芯長度之間的關系

電磁作動器主要由鐵芯線圈組成，其中鐵芯直徑略小于線圈內徑。電磁線圈示意圖如圖3所示。

圖3 電磁線圈示意圖

假設葉片加載點處振幅為A，鐵芯移動的距離總共為2A，鐵芯長度為l，直徑為d；線圈長度為L，內徑為D.根據電磁力的變化規律，隨著鐵芯在線圈中位置的改變，電磁力也發生相應的變化，加載過程示意圖如圖4所示。當鐵芯逐漸進入線圈時，電磁力逐漸增大。當鐵芯進入到線圈內位于位置2時線圈通電開始加載，當鐵芯下頂端處于線圈中間位置時，即鐵芯位于位置3時，電磁力達到最大值，在此段加載過程中電磁力逐漸增大，并設加載距離為l1.之后電磁力逐漸減小，當鐵芯正好處于線圈中間位置時即鐵芯位于位置4時電磁力為0，并控制線圈斷開，在此段加載過程中電磁力逐漸減小，并設加載距離為l2.之后葉片在慣性作用下繼續往下進行自由振動。因此，在整個振動周期內可以利用的加載區間為鐵芯的受力方向指向線圈中心的部分。結合上述分析，把鐵芯開始進入線圈作為加載開始點，當鐵芯運動至線圈中心時，即當電磁力為0時結束加載。

圖4 電磁疲勞加載過程示意圖

電磁加載設計時首先選定加載方式，電磁設計中電磁鐵的結構因數Kφ為

上式中，F為加載力（N）；δ表示加載距離（cm）。其中對于螺管式電磁鐵而言，為了盡量提高電磁鐵的氣隙磁感應強度來增強電磁力，應當將電磁鐵的結構因數Kφ控制在2以下，并盡可能的減小Kφ值。可以粗略計算Kφ以便確定采用的加載方式。此外在電磁疲勞加載系統中，為了改善電磁鐵的吸力特性，在滿足加載要求的前提下，可以適當的增加加載距離、減小加載力。為了能夠實現有效加載，加載距離的最大值需滿足的前提為

暫定鐵芯長度等于葉片加載點振幅A，線圈長度等于2A，加載區域長度l1+l2最大等于1.5A，同時按照脈沖等效原理，為了補充單個振動周期內需要的能量W，在加載期間，可得電磁力的平均值為

1.3 加載力與電磁線圈直徑之間的關系

對于此類無擋板螺管式電磁鐵而言，其最大電磁力為

式中：I為線圈電流；n為線圈匝數。電磁力達到最大值的范圍在鐵芯進入線圈長度的40%至80%之間。

從上式可以看出，影響此類螺管式電磁鐵吸力的主要因數是鐵芯直徑，當電磁鐵的最大加載力F1與線圈長度已經確定了以后，首先預設一個鐵芯直徑d，并根據鐵芯直徑設計相應的氣隙值t，并得到線圈內徑D=d+t.

2 葉片疲勞加載系統算例分析

2.1 電磁加載裝置相關參數計算

對于某大型風電葉片而言，其疲勞加載大綱要求加載點振幅達到0.405 m，固有頻率為0.47 Hz，最大加載力為5 000 N，由此加載要求可以計算單周期內為了維持葉片振動需要補充的能量為

這也就是在單個周期內電磁作動器需要給葉片補充的能量。單側加載距離最大約為0.6 m，此時加載力均值約為7.3 kN，其中，電磁力的幅值會大于7.3 kN，可將電磁力幅值暫取為8 kN進行電磁線圈設計。計算Kφ約為0.47，滿足螺管式電磁鐵設計要求，可以采用單向加載方式進行電磁鐵設計。暫定線圈長度為0.81 m，取線圈直徑rw為0.2 m，鐵芯直徑d為0.19 m，線圈匝數為2 000，根據電磁力計算公式可以求得需要的電流大小為90 A.為了驗證理論計算的正確性，采用電磁仿真軟件Ansoft Maxwell對該電磁作動器系統進行仿真計算。電磁作動器簡易仿真模型如圖5所示[3]。

圖5 電磁作動器簡易仿真模型

其中外部為線圈，中間圓柱為鐵芯。設置鐵芯的相對位置與線圈的匝數和電流。先進行靜態力仿真，即固定線圈與鐵芯的相對位置，觀察電磁力仿真結果。在上述的參數下，鐵芯在伸入不同的長度時的初次電磁力仿真結果如圖6所示。

可以看出仿真結果小于理論計算結果，電磁力偏小約25%，修改線圈相關參數，將線圈鐵芯尺寸在原有基礎上增加25%，取線圈長度為1 m，鐵芯長度為0.5 m，保持線圈匝數和電流不變，計算靜態電磁力，電磁作動器尺寸修正后的仿真結果如圖6所示。

圖6 鐵芯在不同位置時的電磁力

在調整尺寸之后，可以發現電磁力依舊有些偏小，在不改變尺寸結構的情況下，增加電流，取電流值為100 A、110 A、120 A.進行仿真計算，與之前結果相比，不同電流下電磁力仿真結果如圖7所示。

圖7 不同電流下的電磁力仿真結果

從上述分析結果中，取各計算區域兩端電磁力平均值為該區域等效加載力，分別計算在不同電流強度下電磁力做功總和，計算結果如表1所示。

表1 不同電流下電磁力做功總和

因此，在經過尺寸及電流修正之后可以看出已找到合適的電磁作動器參數及電流。通過理論計算可以得到初始的線圈相關參數及需要的電流，但由于理論計算只能大致估算最大電磁力的數值，而無法精確計算鐵芯在不同位置的電磁力，借助于電磁仿真軟件計算得到了鐵芯在不同位置時的電磁力進而求得了單個周期內電磁線圈的做功總和。通過不斷改善線圈尺寸及電流強度，最后得到需要的設計方案。

2.2 葉片電磁疲勞加載系統整體仿真

在完成電磁疲勞加載系統線圈部分參數設計之后，借助于Ansoft Maxwell Circuit Editor實現對葉片等效系統的疲勞加載。其中，根據疲勞加載點的等效剛度及阻尼在鐵芯處設置與葉片相應的二階阻尼系統，依據上述分析計算給線圈接入合適的脈沖電源。經過仿真可以得到等效二階阻尼系統的振動曲線如圖8所示。

圖8 葉片等效系統振動曲線

取圖中穩定振幅處的數據點，通過matlab繪制詳細的振動波形圖如圖9所示。

圖9 穩定振幅處波形圖

圖中曲線為標準正弦波形，各點是在仿真過程中的數據點，從系統整體動態仿真結果可以看出，電磁脈沖式疲勞加載系統可以有效實現葉片的啟振，并在振動過程中具有較好的正弦擬合性，能夠維持需要的振幅，電磁力能夠有效地對系統做功補充能量。

3 結束語

通過對葉片電磁脈沖式疲勞加載系統的初步設計、靜態電磁力仿真修正、整體系統動態仿真三個方面進行了電磁疲勞記載系統的設計及驗證。借助于電磁仿真軟件對理論計算結果進行相應的參數修正，最終設計了一套電磁加載系統，為電磁加載系統的實際應用提供了理論依據。相比于現有的風電葉片疲勞加載裝置，電磁脈沖式疲勞加載系統具有設備簡單、可控性好等優點，具有較大的應用前景。

[1]烏建中，于永軍，胡康.風電葉片脈沖式疲勞加載試驗特性研究[J].風能，2015，（03）：86-88.

[2]蔡國廉.電磁鐵[M].上海：上海科學技術出版社，1965.

[3]趙博，張洪亮，等.Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

Electromagnetic Pulse Fatigue Loading System for Wind Turbine Blades

WU Jian-zhong，CHEN Ce-hui
（School of Mechanical and Energy Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Considering there are many disadvantages existing in the common fatigue loading test systems such as rotating fatigue loading system and hydraulic fatigue loading system，this paper designs a new kind of electromagnetic pulse fatigue loading system for wind turbine blades.Related parameters are calculated and the feasibility analysis of the system design is presented.Electromagnetic pulse fatigue loading system has the advantages of simple equipment，controllable，low mass.

wind turbine blades；fatigue loading system；electromagnetic pulse

TM315

：A

：1672-545X（2017）01-0023-03

2016-10-25

烏建中（1953-），男，上海人，教授，博士生導師，研究方向為機電液控制技術、工程機械動力控制技術、新能源產業化關鍵技術。