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磁力馈能悬架的设计与实验研究

孙凤 李华辰 单光坤 周冉 李强 徐方超 金俊杰 张晓友

孙凤,李华辰,单光坤, 等. 磁力馈能悬架的设计与实验研究[J]. 机械科学与技术,2023,42(3):402-407 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200579
引用本文: 孙凤,李华辰,单光坤, 等. 磁力馈能悬架的设计与实验研究[J]. 机械科学与技术,2023,42(3):402-407 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200579
SUN Feng, LI Huachen, SHAN Guangkun, ZHOU Ran, LI Qiang, XU Fangchao, JIN Junjie, ZHANG Xiaoyou. Design and Experimental Study of Magnetic Energy-harvesting Suspension[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(3): 402-407. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200579
Citation: SUN Feng, LI Huachen, SHAN Guangkun, ZHOU Ran, LI Qiang, XU Fangchao, JIN Junjie, ZHANG Xiaoyou. Design and Experimental Study of Magnetic Energy-harvesting Suspension[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(3): 402-407. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200579

磁力馈能悬架的设计与实验研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200579
基金项目: 国家自然科学基金项目(52005345,52005344)、辽宁省教育厅项目 (LJGD2019011,LFGD2020002)、辽宁省 “兴辽英才计划”项目(XLYC1802077,XLYC1905003)及辽宁省重点实验室建设项目(2020JH6/10500048)
详细信息
    作者简介:

    孙凤(1978−),教授,博士,研究方向为机械系统多元驱动及其控制技术,sunfeng@sut.edu.cn

  • 中图分类号: U463.33

Design and Experimental Study of Magnetic Energy-harvesting Suspension

  • 摘要: 馈能悬架在完成被动悬架相关功能的同时,可实现对振动能量的回收。本文提出了一种在保留原被动悬架弹簧与阻尼结构的基础上,融入法拉第电磁感应馈能元件的磁力馈能悬架结构,保证原有悬架的安全性,同时实现无接触、无摩擦、无需润滑的馈能功能。本文阐述了该馈能悬架的工作原理与基本结构,并对悬架结构进行优化设计。进而研制了磁力馈能悬架的原理样机及馈能实验台架,研究在变频率、变幅值的正弦激励下,悬架系统的输出电压特性。实验结果表明:馈能悬架的输出电压与正弦激励的幅值和频率呈正相关。为了验证馈能悬架的自供电性与实用性,选用传感器作为负载,在7 Hz,4 mm的正弦激励下,馈能悬架可持续输出的电压为22 V成功地为传感器供电。
  • 图  1  磁力馈能悬架工作原理图

    图  2  磁力馈能悬架结构示意图

    图  3  磁力馈能装置参数示意图

    图  4  实验装置图

    图  5  原理样机零件图

    图  6  变频率下悬架动行程

    图  7  变频率下悬架输出电压

    图  8  变幅值下悬架动行程

    图  9  变幅值下悬架输出电压

    图  10  馈能电路图

    图  11  馈能应用实验图

    图  12  两种供电模式下幅值对比图

    图  13  负载两端电压

    表  1  五因素四水平正交表 mm

    水平磁环
    厚度A
    磁环
    环宽B
    铁环1
    厚度C
    铁环2
    厚度D
    气隙
    距离E
    11081288
    22010141010
    33012161212
    44014181414
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    表  2  正交试验方案及结果

    编号ABCDE磁通密度B/mT
    1 1 1 1 1 1 260.78
    2 1 2 2 2 2 227.90
    3 1 3 3 3 3 205.06
    4 1 4 4 4 4 185.67
    5 2 1 2 3 4 201.92
    6 2 2 1 4 3 261.76
    7 2 3 4 1 2 333.14
    8 2 4 3 2 1 432.44
    9 3 1 3 4 2 264.36
    10 3 2 4 3 1 356.78
    11 3 3 1 2 4 317.65
    12 3 4 2 1 3 396.04
    13 4 1 4 2 3 259.06
    14 4 2 3 1 4 295.40
    15 4 3 2 4 1 434.03
    16 4 4 1 3 2 450.59
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    表  3  正交试验结果分析

    ABCDE
    Kj1879.41986.121290.781285.361484.03
    Kj21229.261141.841259.891237.051275.99
    Kj31334.831289.881197.261214.351121.92
    Kj41439.081464.741134.651145.821000.64
    Kjp1219.85246.53322.70321.34371.01
    Kjp2307.32285.46314.97309.26319.00
    Kjp3333.71322.47299.32303.59280.48
    Kjp4359.77366.19283.66286.46250.16
    Rj139.92119.6639.0434.88120.85
    因素排列A > E > B > C > D
    最佳水平A4B4C1D1E1
    最佳组合A4B4C1D1E1
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    表  4  磁力馈能装置的最优参数 mm

    参数数值
    永磁铁厚度lm 33
    软铁环2厚度lr1 8
    软铁环1厚度的一半lr2 6
    线圈长度lc 40
    铝管半径rR 7
    永磁铁半径rm 21
    线圈内径rF 23.5
    线圈外径rc 28
    外铁环内径rb 29
    外铁环外径ra 33
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    表  5  馈能悬架系统参数

    参数数值
    簧载质量mc/kg 2.7
    簧下质量mw/kg 0.7
    悬架刚度kc/(N·m−1 1 731
    轮胎刚度kw/(N·m−1 4852
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    表  6  HG-C1050位移传感器参数

    测量范围 测量精度 工作电压
    ± 15 mm 30 μm DC 12 ~ 24 V
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-23
  • 网络出版日期:  2023-04-21
  • 刊出日期:  2023-03-25

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