CN109751360B

CN109751360B - 用于风塔的磁致伸缩系统

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Publication number: CN109751360B
Application number: CN201811597616.6A
Authority: CN
Inventors: 刘廷瑞; 常林
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN109751360A

Abstract

本发明公开用于风塔的磁致伸缩系统，包括连接组件和PID智能控制系统，定位机构包括上定位框和下定位框，上定位框和下定位框之间设有连接组件和伸缩装置；伸缩装置包括磁致伸缩机构、顶出机构和内嵌机构，顶出机构包括第一固定罩和伸出杆；磁致伸缩机构包括第一套管和磁致伸缩杆，第一套管设在第一固定罩内并与上定位框相连，第一套管外端套有线圈；磁致伸缩杆设在第一套管内，磁致伸缩杆与上定位框相连；第一套管通过第一复位弹簧与伸出杆相连；内嵌机构包括连接在下定位框上的第二固定罩和嵌入杆，伸出杆的下部可穿过第一固定罩与嵌入杆的上部适配相接。该伸缩系统改变与本系统固连的风力机的塔筒的刚度，结构新颖，创造性高。

Description

用于风塔的磁致伸缩系统

技术领域

本发明涉及机械电子领域，具体涉及用于风塔的磁致伸缩系统。

背景技术

风能作为清洁能源，与其他类型的能源相比，特点非常明显：风能的利用和采集不受地域限制，且地球上的风能资源的本源来自于太阳能作用下的气体流动，可以说是取之不尽，用之不竭的，拥有较好的未来发展空间，所以尽可能的进行高效、安全的风能的开发、利用，能在环保的大前提下，在未来解决全球性能源危机。当前，风力发电是风能利用的主要形式，原理为利用空气资源，将风的动能转化为电能，从而获得电力能源。现在运用的风力机设备种类最多和研究最成熟的是水平轴三叶片风力发电机。风力机机组在风的作用下本身会产生振动，当振动异常时极有可能对风力机的叶片和塔筒造成损害甚至使机组失效。

现在所用的风力机塔筒类型主要为锥台型塔筒，该种塔筒的生产过程相对简单，为分段生产，将各段塔筒节生产好之后逐次叠加安装，纵向间以法兰相连。物体在外部载荷作用下均会产生振动，在许可范围内的振动不会对物体本身造成危险。

如果以抵抗振动为目的而直接增加物体的刚度，一般以选取较大刚度材料或者增加物体的结构材料用量。上述方式带来的不良后果有：增加物体的制造和生产、安置、组装、运输和维护等方面的成本；会降低物体本身的韧性和塑性，使之容易发生脆性断裂。所以，并非物体的刚度越大带来的结果越好，且一般而言，物体一旦建成，其刚度不可改变。例如建筑物在增加结构刚度时，一般考虑采用高强度钢筋以及增加钢筋的用量，带来的直接后果就是增加建筑的建设成本。

风力机塔筒在风载荷作用下会发生微小的振动，振动幅值较小时可不考虑对于塔筒本身带来的危害。但在大风载荷作用下，或者塔筒在载荷及外部条件作用下达到共振条件时，极易对塔筒本身造成破坏。所以如何通过控制结构刚度来避免物体在振动或共振条件下的破坏，就成了要考虑的重要问题。传统结构一般在物体本身建成后不可改变其结构刚度，从而使得物体安全工作条件范围较小，一旦发生危险不易控制。

发明内容

本发明的目的在于提供用于风塔的磁致伸缩系统，该伸缩系统能够通过顶出机构和内嵌机构的共同组合增加结构自身的整体的刚度，从而改变与本系统固连的风力机的塔筒的刚度，避免共振和较大振动的发生，达到保护风力机塔筒的效果。

本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：

用于风塔的磁致伸缩系统，包括连接组件、定位机构、伸缩装置和PID智能控制系统，定位机构包括设置在风塔的塔筒内的上定位框和下定位框，多个连接组件和多个伸缩装置交替的设置在上定位框和下定位框之间；

伸缩装置包括磁致伸缩机构、顶出机构和内嵌机构，顶出机构包括第一固定罩和伸出杆，第一固定罩连接在上定位框的下端；

磁致伸缩机构包括第一套管和磁致伸缩杆，第一套管设置在第一固定罩内并且与上定位框相连，第一套管的外端套有线圈；

磁致伸缩杆设在第一套管内，磁致伸缩杆的一端与上定位框相连，磁致伸缩杆的另一端可穿过第一套管；第一套管的下端通过第一复位弹簧与伸出杆的上部相连；

内嵌机构包括连接在下定位框上的第二固定罩和嵌入杆，第二固定罩通过第一引导管与第一固定罩相连，嵌入杆的下部位于第二固定罩内，伸出杆的下部可穿过第一固定罩与嵌入杆的上部适配相接；

PID智能控制系统包括电控箱和多个加速度测振传感器，多个加速度测振传感器均布在塔筒的外壁上，电控箱通过线路与线圈相连。

优选的，所述上定位框和下定位框均呈圆环形状；

上定位框包括第一定位块、第二定位块和第一定位钢管，第一定位块、第二定位块和第一定位钢管均有多个，第一定位块通过第一定位钢管连接第二定位块；

下定位框包括第三定位块、第四定位块和第二定位钢管，第三定位块、第四定位块和第二定位钢管均有多个，第三定位块通过第二定位钢管连接第四定位块。

优选的，所述连接组件包括橡胶杆，橡胶杆的上下两端分别连接有第一上连杆和第一下连杆；

第一定位块的下端开设有第一盲孔，第一上连杆与第一盲孔螺纹连接；第三定位块的上端开设有第三盲孔，第一下连杆与第三盲孔螺纹连接。

优选的，所述第二定位块的下端面开设有第二盲孔，第四定位块的上端面开设有第四盲孔；

第一套管包括外钢管和内钢管，内钢管设在外钢管的内端，内钢管和外钢管均与第二定位块相连。

优选的，所述磁致伸缩杆的上端部穿过内钢管上端部与第二盲孔螺纹连接，嵌入杆的下端部与第四盲孔螺纹连接；

磁致伸缩杆的下部可穿过内钢管内部，磁致伸缩杆的下端连接有杆体顶块，杆体顶块可与伸出杆的上端面相接。

优选的，所述第一固定罩包括第一上圆壳，第一上圆壳的下端通过第一中锥壳连接有第一下圆壳，第一上圆壳的半径值大于第一下圆壳的半径值；

第二固定罩包括第二下圆壳，第二下圆壳的上端通过第二中锥壳连接有第二上圆壳，第二下圆壳的半径值大于第二上圆壳的半径值；

第一引导管的两端分别连接第一下圆壳和第二上圆壳。

优选的，所述伸出杆包括第一连接杆部和第一阶梯杆部，第一阶梯杆部连接在第一连接杆部的下端，第一连接杆部与第一复位弹簧相连；

嵌入杆呈圆杆状，嵌入杆的上端面上开设有与第一阶梯杆部外形相适配的第一阶梯孔，第一阶梯杆部可适配卡接在第一阶梯孔内。

优选的，所述电控箱内设置有控制电路，控制电路包括控制单元、控制电路熔断器、控制电路电源和电磁继电器；

控制单元包括A/D模块、可编程控制器PLC、D/A模块和变频解调器，加速度测振传感器通过信号线与A/D模块的一端相连，A/D模块的另一端通过信号线与可编程控制器PLC相连；

可编程控制器PLC通过信号线与D/A转换模块的一端相连，D/A转换模块的另一端与变频解调器相连；

变频解调器与控制电路电源相连，可编程控制器PLC通过控制电路熔断器与电磁继电器相连。

优选的，所述电控箱内还设置有输出电路，输出电路包括输出电路电源、输出电路熔断器和继电器对应开关，输出电路电源的一端通过电线连接输出电路熔断器一端，输出电路熔断器的另一端通过电线与线圈的一端相连；

输出电路电源的另一端通过电线连接继电器对应开关的一端，继电器对应开关的另一端通过电线与线圈的另一端相连。

优选的，所述第一引导管呈圆管状，第一引导管为橡胶管，第一引导管的内部放置有润滑油；

所述磁致伸缩杆由磁致伸缩材料制成。

本发明的有益效果是：

上述设计了用于风塔的磁致伸缩系统，利用超磁致材料增加筒体结构的刚度而避免了选取大刚度材料做主体结构。磁致伸缩机构可以设置在塔筒的连接处，也可以灵活地设计在塔筒的危险截面位置。塔筒的危险位置不仅与筒体的结构和材料有关(可通过仿真确定)，而且与风机的外部环境、实际安装状况有关(由经验来确定)。采用PID智能控制系统，来控制磁致伸缩机构的运行，PID智能控制系统是基于“绝对值最小权值修正”的BPNN-PID智能控制方法而设置的，PID智能控制系统能够有效地匹配系统的快速响应和大伸缩变形特点，与磁致伸缩机构的超磁致性能完美融合。本发明中的基于谐振耦合的变频解调器电路，能与BPNN PID控制算法相匹配，可实现对磁致伸缩机构的连续无极驱动。

本发明磁致结构伸缩系统组装简单、消耗能量小、具有较快的响应速度、材料和维护成本低。能够通过顶出机构和内嵌机构的共同组合增加结构自身的整体的刚度，从而改变与本系统固连的风力机的塔筒的刚度，避免共振和较大振动的发生，达到保护风力机塔筒的效果，提高风力机运行时的安全性，进而可以减少风力机和能源利用成本，有利于风能技术的可靠性应用。

本发明中的伸缩装置，可以安装在风力机塔筒内部，尤其是两端塔筒节的连接处，通过电控箱对物体结构刚度进行灵活的控制，该伸缩装置的特点是响应快，制造和维护成本低，安全性高。而且，针对伸缩装置的快速响应和大伸缩变形特点，特别开发出了基于BP神经网络控制的PID智能控制系统，大大提高了整体使用的实用性，系统整体的结构新颖，创造性高。此种系统可以解决传统的刚度不可变问题，使得风力机的塔筒可以在多种条件下工作，而不明显增加塔筒本身质量。该系统控制灵活，制造和安装、维护成本较低，可靠性高，所采用的磁致伸缩材料响应速度快，可以快速实现工作目标。

附图说明

图1是用于风塔的磁致伸缩系统整体结构连接示意图。

图2是定位机构和塔筒连接结构示意图。

图3是上定位框连接结构俯视示意图。

图4是下定位框连接结构俯视示意图。

图5是电控箱、塔筒和塔筒平台连接结构示意图。

图6是伸缩装置整体结构正视示意图。

图7是伸出杆和嵌入杆连接结构示意图。

图8是连接组件整体结构示意图。

图9是磁致伸缩杆和杆体顶块连接结构示意图。

图10是控制电路和输出电路结构运行示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

结合图1至图10，用于风塔的磁致伸缩系统，包括连接组件1、定位机构2、伸缩装置3和PID智能控制系统4。定位机构2包括设置在风塔的塔筒5内的上定位框21和下定位框22，多个连接组件1和多个伸缩装置3依次交替的设置在上定位框21和下定位框22之间。

伸缩装置3包括磁致伸缩机构6、顶出机构7和内嵌机构8，顶出机构7包括第一固定罩71和伸出杆72，第一固定罩71连接在上定位框21的下端。

磁致伸缩机构6包括第一套管61和磁致伸缩杆62，所述磁致伸缩杆62由磁致伸缩材料制成，此种磁致伸缩材料的特性是在外加磁场的作用下会产生以径向为主要方向的变形。第一套管61设置在第一固定罩71内并且与上定位框21相连，第一套管61的外端套有线圈31。

磁致伸缩杆62设在第一套管61内，磁致伸缩杆62的一端与上定位框21相连，磁致伸缩杆62的另一端可穿过第一套管61。第一套管61的下端的通过第一复位弹簧32与伸出杆72的上部相连。

内嵌机构8包括连接在下定位框22上端的第二固定罩81和嵌入杆82。第二固定罩81通过第一引导管33与第一固定罩71相连。嵌入杆82的下部位于第二固定罩81内，伸出杆72的下部可穿过第一固定罩71与嵌入杆82的上部适配相接。

PID智能控制系统4包括电控箱41和多个加速度测振传感器42，多个加速度测振传感器42均布在塔筒5的外壁上，电控箱41通过线路与线圈31相连。

上定位框21和下定位框22均呈圆环形状，由于塔筒5一般呈圆台筒状，根据实际的需要，上定位框21的半径值一般小于下定位框22的半径值。上定位框21包括第一定位块211、第二定位块212和第一定位钢管213，第一定位块211、第二定位块212和第一定位钢管213均有多个，第一定位块211通过第一定位钢213管连接第二定位块212。

下定位框22包括第三定位块221、第四定位块222和第二定位钢管223，第三定位块221、第四定位块222和第二定位钢管223均有多个，第三定位块221通过第二定位钢管223连接第四定位块222。在第一定位块211、第二定位块212、第三定位块221和第四定位块222与塔筒5内壁焊接时，要保持一定的倾角，该倾角应与安装时的塔筒5的倾角匹配，使得固上定位框21和下定位框22可以准确的与塔筒5进行连接。

连接组件1包括橡胶杆11，橡胶杆11的上下两端分别连接有第一上连杆12和第一下连杆13。连接组件1可以维持系统基本结构，并且因连接组件1中间的橡胶杆11的存在，使系统不工作时保持原本的刚度。

第一定位块211的下端开设有第一盲孔，第一上连杆12与第一盲孔螺纹连接。第三定位块221的上端开设有第三盲孔，第一下连杆13与第三盲孔螺纹连接。第二定位块212的下端面开设有第二盲孔，第四定位块222的上端面开设有第四盲孔。第一套管61包括外钢管和内钢管，内钢管设在外钢管的内端，内钢管和外钢管均与第二定位块212相连。

磁致伸缩杆62上端部与第二盲孔螺纹连接，嵌入杆82的下端部与第四盲孔螺纹连接。磁致伸缩杆62的下部位于内钢管内，磁致伸缩杆62的下端连接有杆体顶块63，杆体顶块63可与伸出杆72的上端面相接。

第一固定罩71包括第一上圆壳711，第一上圆壳711的下端通过第一中锥壳712连接有第一下圆壳713。第一上圆壳711的半径值大于第一下圆壳713的半径值。第二固定罩81包括第二下圆壳811，第二下圆壳811的上端通过第二中锥壳812连接有第二上圆壳813，第二下圆壳811的半径值大于第二上圆壳813的半径值。

第一引导管33的两端分别连接第一下圆壳713和第二上圆壳813，第一引导管33套在第一下圆壳713和第二上圆壳813的外端。伸出杆72包括第一连接杆部721和第一阶梯杆部722，第一阶梯杆部722连接在第一连接杆部721的下端，第一连接杆部721与第一复位弹簧32相连。

嵌入杆82呈圆杆状，嵌入杆82的上端面上开设有与第一阶梯杆部722的外形相适配的第一阶梯孔821，第一阶梯杆部722可适配卡接在第一阶梯孔821内。电控箱41可预装在塔筒5内的塔筒平台51上，电控箱41内设置有控制电路9，控制电路9包括控制单元91、控制电路熔断器92、控制电路电源93和电磁继电器94。

控制单元91包括A/D模块、可编程控制器PLC、D/A模块和变频解调器，加速度测振传感器42通过信号线与A/D模块的一端相连，A/D模块的另一端通过信号线连接可编程控制器PLC。可编程控制器PLC通过信号线与D/A转换模块的一端相连，D/A转换模块的另一端与变频解调器相连。

变频解调器与控制电路电源94相连，可编程控制器PLC的另一端通过控制电路熔断器92与电磁继电器94相连。电控箱41内还设置有输出电路10，输出电路10包括输出电路电源101、输出电路熔断器102和继电器对应开关103，输出电路电源101的一端通过电线连接输出电路熔断器102一端，输出电路熔断器102的另一端通过电线与线圈31的一端相连；

输出电路电源101的另一端通过电线连接继电器对应开关103的一端，继电器对应开关103的另一端通过电线与线圈31的另一端相连。

A/D转换模块可进行信号转换，A/D转换模块一端与加速度测振传感器42通过导线连接，A/D转换模块一端通过配套的信号线(传输线)与可编程控制器PLC连接后。A/D转换模块将加速度测振传感器42内的模拟量信号转换为可编程控制器PLC可以识别的数字量信号。可编程控制器PLC在感知信号后进行判定，一旦判定达到了系统工作条件，则通过信号线(传输线)发送控制量到与之相连的D/A转换模块进行信号的转换，将可编程控制器输出的数字量信号转换为模拟量信号，用于驱动变频解调器，变频解调器的调制输出电压作为控制电路电源94的电压信号。电磁继电器94的开关由可编程控制器PLC直接驱动，用来配合后续输出电路电源101的工作。

电磁继电器94在得到控制信号后，其内部的电磁装置吸合，从而控制与其配套的继电器对应开关103闭合，因此输出电路10形成回路，输出电路电源101可以为线圈31供电。线圈31得电后，形成磁场，在第一套管61内部的磁致伸缩杆62在磁场作用下发生径向的伸长。磁致伸缩杆62通过杆体顶块63，顶出伸出杆72。

伸出杆72在第一固定罩71的引导下向前伸出，然后继续深入到第一引导管33中。由于结构嵌入杆82的上端开设有第一阶梯孔821，伸出杆72深入到嵌入杆82中的第一阶梯孔821中。此时，径向方向伸出杆72紧紧的挤压在嵌入杆82上，不发生相对运动。横向方向上，两构件紧密内嵌，所以两部件不再发生相对运动。第一固定罩71和第二固定罩82之间的第一引导管33，第一引导管33呈圆管状，第一引导管33为橡胶管，第一引导管33的内部放置有润滑油。

上述基于BPNN控制的PID智能控制系统的整体控制流程图。其中A₀为振幅标准值(给定值)；A为振幅测量值(即磁致伸缩棒位置处的塔筒的横向振动的振幅)，由加速度传感器信号二次积分得到；L为磁致伸缩棒的径向变形。

上述可编程控制器PLC内的控制原理，是基于BPNN控制的PID智能控制原理，BPNN控制的PID智能控制原理阐述如下：

1)PLC控制器硬件的关于径向变形值L的请求值L_ref为：

其中，三个PID参数K_p、K_i、K_d与振幅误差ΔA相联系，K_p为比例系数、K_i为积分系数、K_d为微分系数，三个PID参数可由下列的BPNN算法来整定而获得。

对于变频解调器，其工作原理是：D/A模块以模拟量电压信号的形式驱动常规变频器电路，形成变频输出电压信号。由双电容-电感元件C1-L1、C2-L2构成一对谐振耦合器，经谐振耦合后输出调幅调频波电压信号。D为单向二极管，C3-R组成高通滤波器，经过二极管与滤波器作用后输出低频信号，将该信号经放大器K进一步放大，生成最终的驱动线圈的具有幅度波动的电压信号。该驱动线圈电压信号受BPNN PID控制过程的节制和调节，从而实现连续波动的无极驱动。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.用于风塔的磁致伸缩系统，其特征在于，包括连接组件、定位机构、伸缩装置和PID智能控制系统，定位机构包括设置在风塔的塔筒内的上定位框和下定位框，多个连接组件和多个伸缩装置交替的设置在上定位框和下定位框之间；

2.根据权利要求1所述的用于风塔的磁致伸缩系统，其特征在于，所述上定位框和下定位框均呈圆环形状；

3.根据权利要求2所述的用于风塔的磁致伸缩系统，其特征在于，所述连接组件包括橡胶杆，橡胶杆的上下两端分别连接有第一上连杆和第一下连杆；

4.根据权利要求2所述的用于风塔的磁致伸缩系统，其特征在于，所述第二定位块的下端面开设有第二盲孔，第四定位块的上端面开设有第四盲孔；

5.根据权利要求4所述的用于风塔的磁致伸缩系统，其特征在于，所述磁致伸缩杆的上端部穿过内钢管上端部与第二盲孔螺纹连接，嵌入杆的下端部与第四盲孔螺纹连接；

6.根据权利要求1所述的用于风塔的磁致伸缩系统，其特征在于，所述第一固定罩包括第一上圆壳，第一上圆壳的下端通过第一中锥壳连接有第一下圆壳，第一上圆壳的半径值大于第一下圆壳的半径值；

第一引导管的两端分别连接第一下圆壳和第二上圆壳。

7.根据权利要求1所述的用于风塔的磁致伸缩系统，其特征在于，所述伸出杆包括第一连接杆部和第一阶梯杆部，第一阶梯杆部连接在第一连接杆部的下端，第一连接杆部与第一复位弹簧相连；

8.根据权利要求1所述的用于风塔的磁致伸缩系统，其特征在于，所述电控箱内设置有控制电路，控制电路包括控制单元、控制电路熔断器、控制电路电源和电磁继电器；

9.根据权利要求8所述的用于风塔的磁致伸缩系统，其特征在于，所述电控箱内还设置有输出电路，输出电路包括输出电路电源、输出电路熔断器和继电器对应开关，输出电路电源的一端通过电线连接输出电路熔断器一端，输出电路熔断器的另一端通过电线与线圈的一端相连；

10.根据权利要求1所述的用于风塔的磁致伸缩系统，其特征在于，所述第一引导管呈圆管状，第一引导管为橡胶管，第一引导管的内部放置有润滑油；

所述磁致伸缩杆由磁致伸缩材料制成。