CN101738300A - 一种产生正弦波电磁力的装置 - Google Patents

Abstract

一种产生正弦波电磁力的装置，固定架安装在风洞动导数调试实验室内，驱动电机与偏心轴固定连接，偏心轴又与传动接头连接，驱动电机的旋转通过偏心轴运动转化为传动接头的往复运动，传动接头的另一端抵顶天平，天平与十字铰链转动连接，在传动接头的驱动和十字铰链的限制共同作用下，天平绕十字铰链中心做角位移正弦振动。加载头安装在天平的前端，加载头的前端装设磁铁，通电铜线装在磁铁之间，通电铜线的两端分别与正弦波电流发生器的正负端子相连接。本发明创造能在风洞外对动导数测量装置进行调试条件，大大降低对风洞的占用时间。增加了测量系统的可靠性，省去了风洞吹风调试。

Description

一种产生正弦波电磁力的装置

技术领域

本发明涉及的是电磁力产生装置，具体的涉及的是在航空器实验中能够在风洞外对动导数测量装置进行调试的一种产生正弦波电磁力的装置。

背景技术

对航空器每一套动导数测量系统完成之后，都要经过地面振动调试和风洞试验论证。以前，我们在地面调试试验中只能对惯性力矩和振动角位移进行测量。由于地面测试中模型受到阻尼很小(或没有)，测量系统无法求出模型的阻尼。这样，地面调试试验只能确定天平受到的载荷大小和曲线规律，无法确定整套系统系数的测量处理能力。也就是说，地面调试成功，只是该套设备设计成功的一个最基本的必要条件，即使地面调试成功，也不一定保证风洞试验的成功。主要还是要依据风洞实验来进行调试，动导数测量设备复杂，在风洞中安装调试时间长，而由于系统的复杂性，很难保证安装、调试一次成功，这样就大大地增加了在风洞中的占用时间。如何想方设法把风洞试验中的调试工作移到地面调试试验中，降低在风洞中的占用时间，是我们致力的目标，正是基于此考虑，我们决定设计一套磁阻尼器，用于检测动导数测量系统的可靠性。

地面调试时，由磁阻尼器模型加电磁力，该电磁力模拟模型受到的阻尼(也就是我们所说得动导数)，由该系统测量求出的阻尼与施加的已知阻尼相比较就可确定该套测量系统的可行性。这样，就可以把动导数测量系统当作一个整体，加标准载荷进行检验，大大地增加了系统检验的可靠性，省去了风洞检验时间。

发明内容

本发明的目的是针对目前航空器风洞试验中存在上述的问题和缺欠，而提供能够在风洞外对动导数测量装置进行调试，大大降低对风洞的占用时间；准确、精度高的一种产生正弦波电磁力的装置。

为实现上述目的而采用的技术方案是：

一种产生正弦波电磁力的装置，是由硬件和软件两部分组成，硬件部分，包括固定架及装设在固定架内的驱动电机、偏心轴、天平、加载头、均匀磁场、通电铜线和电流发生器，所述固定架安装在风洞动导数调试实验室内，使天平平行于地面，驱动电机的出轴与偏心轴的一端固定连接，偏心轴的另一端与传动接头的一端固定连接，通过偏心轴将驱动电机的连续旋转运动转化为传动接头的往复运动，传动接头的另一端抵顶天平的后端，天平的前端与十字铰链转动连接，十字铰链固定装设在固定架上，在传动接头的驱动和十字铰链的限制共同作用下，天平绕十字铰链中心做角位移正弦振动。

上述加载头固定安装在天平的前端，加载头与固定架固定连接，加载头的前端装设一对磁铁，通电铜线设置在一对磁铁之间，通电铜线的两端分别与正弦波电流发生器的正负端子相连接。通电铜线在均匀磁场两个磁极之间，由正弦波电流发生器对铜线输入电流，通电铜线在磁场中受到安培力F＝BLI(B为磁场强度、L为导线长度、I为导线中的电流强度)。通电铜线(7)距离振动转心距离H，振动机构受到的电磁力矩为M＝BLIH，该电磁力矩模拟风洞试验中模型受到的阻尼力矩大小。

上述的加载头、十字铰链和天平均为公知技术和部件。

本发明的工作原理：

本发明原理是通过以下推导计算来实现的：

首先讨论直接导数，这里以俯仰直接导数为例。标准动导数俯仰测量装置模型振动方程为：

Jθ″+cθ′+Kθ＝M₀sin(ωt+λ)

这里θ＝θ₀sinωt，θ′＝θ₀ωcosωt，θ″＝-θ₀ω²cosωt-Jθ₀ω²sinωt+cθ₀ωcosωt+Kθ₀sinωt＝M₀sin(ωt+λ)     (1)

c＝M₀sinλ/θ₀ω，这就是俯仰直接导数(也叫俯仰阻尼导数)

做一个加载头，模拟试验模型。加载头上布置电线。调试时，将加载头置于一均匀磁场中，机构驱动加载头进行振动。电线里通电流I，电线长度为L，则其在磁场里感受到的电磁力为F_E＝BLI

B为均匀磁场的磁感应强度

通过不对陈布置电流位置，必能产生一个正比于B，L，I的磁力矩。

M_E＝C₁·BLI·C₁为常数

B，L固定不变，上式简写成M_E＝C₂·I·

电流为交变电流I＝I₀sinωt

产生的力矩为M_E＝C₂I₀sinωt·

加载头由天平驱动，分析加载头受力情况。以加载头为受力分析对象，加载头角振动方程为θ＝θ₀sinωt。

所受的力为：天平对其驱动力矩M_T，电磁力矩M_E，弹性力矩M_K。

Jθ″＝M_E+M_T+M_K    J：惯性矩

天平对其驱动力矩与加载头同频有一定相位差，写成

M_T＝M₀sin(ωt+λ₁)

调节电流为I＝-I₀cosωt，电磁力矩写为：M_E＝-C₂I₀cosωt

弹性力为M_K＝-Kθ则加载头振动方程为

Jθ″＝-C₂I₀cosωt-Kθ-M₀sin(ωt+λ₁)

将θ＝θ₀sinωt，θ′＝θ₀ωcosωt，θ″＝-θ₀ω²cosωt代入上式方程可化为

-Jθ₀ω²sinωt+C₂I₀cosωt+Kθ＝M₀sin(ωt+λ)

方程化为

-Jθ₀ω²sinωt+(C₂I₀/θ₀ω₀)θ₀ωcosωt+Kθ＝M₀sin(ωt+λ)

该方程形式与标准动导数振动方程(1)形式完全一致。方程左边第2项就是阻尼力矩，这样就达到了用电磁力矩模拟气动阻尼力矩的目的。

$c=\frac{C_2{I}_0}{{\mathrm{\θ}}_0\mathrm{\ω}}=\frac{M_0\sin \mathrm{\λ}}{{\mathrm{\θ}}_0\mathrm{\ω}}$ 得M₀sinλ＝C₂I₀  (2)  C₂和I₀为已知值。

由动导数测量系统测量计算得出

为施加的标准载荷。

两者得出的结果进行比较，就可验证动导数测量系统测量的导数是否准确。

本发明的特点：

由于整体采用了先进的控制技术，使本发明具有如下优点和效果：

1、控制方法采用开环控制，结构简单，调节方便。

2、整机效率高，节省能源，操作方便，使本发明能够圆满解决电磁力模拟模型受到的阻尼(也就是我们所说得动导数)，比较测量求出的阻尼与施加的已知阻尼验证测量系统正确性的问题。

3、大大地增加了测量系统的可靠性，省去了风洞吹风调试。

本发明设计科学、合理、富有创意，整体结构紧凑、成本低廉，性能稳定、可靠，实用性较强，具有较好的发展前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的俯视示意图。

具体实施方式

一种产生正弦波电磁力的装置，是由硬件和软件两部分组成，硬件部分，包括固定架1及装设在固定架1内的驱动电机2、偏心轴3、天平4、加载头5、均匀磁场6、通电铜线7和电流发生器8，所述固定架(1)安装在风洞动导数调试实验室内，使天平平行于地面，驱动电机2的出轴与偏心轴3的一端固定连接，偏心轴3的另一端与传动接头9的一端固定连接，通过偏心轴3将驱动电机2的连续旋转运动转化为传动接头9的往复运动，传动接头的另一端抵顶天平4的后端，天平4的前端与十字铰链10转动连接，十字铰链10固定装设在固定架1上，在传动接头9的驱动和十字铰链10的限制共同作用下，天平4绕十字铰链10的中心做角位移正弦振动。天平4内贴有应变片，通过导线应变片与外接计算机连接。相应的软件编程均装设在外接计算机内。

上述加载头5固定安装在天平4的前端，加载头5与固定架1固定连接，加载头5的前端装设一对磁铁6，通电铜线7装设在一对磁铁6之间，通电铜线7的两端分别与正弦波电流发生器8的正负端子相连接。通电铜线7在均匀磁场两个磁极之间，由正弦波电流发生器8对铜线输入电流，通电铜线7在磁场6中受到安培力F＝BLI(B为磁场强度、L为导线长度、I为导线中的电流强度)。通电铜线7距离振动转心距离H，振动机构受到的电磁力矩为M＝BLIH，该电磁力矩模拟风洞试验中模型受到的阻尼力矩大小。

调试时，将加载头置于均匀磁场(磁场强度一定)中，通过控制使驱动电机驱动加载头进行正弦运动。通过控制使电流发生器产生电流为I(铜导线里电流I)，电线长度为L，则其在磁场里感受到的电磁力为F_E＝BLI，通电铜导线距离振动转心距离H，振动机构受到的电磁力矩为M＝BLIH，该电磁力矩模拟风洞试验中模型受到的阻尼力矩大小。

天平受到驱动力矩，电磁力矩，弹性力矩。通过数据采集系统及公式计算就可以计算出阻尼力矩(电磁力矩)，动导数测量系统测量计算得出阻尼力矩(电磁力矩)与施加的标准力矩进行比较，就可以验证动导数测量系统测量的导数是否准确。

天平的输出端通过导线与本发明装置外的数据采集系统和控制器相连。

Claims (1)

1.一种产生正弦波电磁力的装置，是由硬件和软件两部分组成，硬件部分，包括固定架(1)及装设在固定架(1)内的驱动电机(2)、偏心轴(3)、天平(4)、加载头(5)、均匀磁场(6)、通电铜线(7)和电流发生器(8)；其特征在于：

所述固定架(1)安装在风洞动导数调试实验室内，使天平平行于地面，驱动电机(2)的输出轴与偏心轴(3)的一端固定连接，偏心轴(3)的另一端与传动接头(9)的一端固定连接，传动接头(9)的另一端抵顶天平(4)的后端，天平(4)的前端与十字铰链(10)转动连接，十字铰链(10)固定装设在固定架(1)上；

上述加载头(5)固定安装在天平(4)的前端，加载头(5)与固定架(1)固定连接，加载头(5)的前端装设一对磁铁(6)，通电铜线(7)设置在一对磁铁(6)之间，通电铜线(7)的两端分别与正弦波电流发生器(8)的正负端子相连接。

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