垂直轴风力机试验用磁粉制动器的磁滞特性测试方法
阅读说明：本技术 垂直轴风力机试验用磁粉制动器的磁滞特性测试方法 (Magnetic powder brake hysteresis characteristic testing method for vertical axis wind turbine test ) 是由 吴延峰 田凯 马明慧 徐贤申 杨宗霄 宋磊 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：垂直轴风力机试验用磁粉制动器的磁滞特性测试方法,将磁粉制动器与垂直轴风力机中垂直轴风轮的垂直轴通过联轴器相连接,然后通过风源向垂直轴风轮吹风,进行测试,对每个转速下不同电流下输出扭矩进行多次测量通过筛选获得最为准确的一组进行曲线拟合得到垂直轴风力机试验用磁粉制动器的静态磁滞特性曲线。检测精度高,能够为垂直轴风轮精密加载提供有效的依据,为后续垂直风轮加载控制方法提供准确的依据,大大提高了垂直轴风力机风轮的性能测试精度。(The magnetic powder brake is connected with a vertical shaft of a vertical shaft wind wheel in the vertical shaft wind turbine through a coupler, then the vertical shaft wind wheel is blown by a wind source for testing, output torque under different currents at each rotating speed is measured for multiple times, and the most accurate group of the output torque is obtained through screening and curve fitting to obtain a static hysteresis characteristic curve of the magnetic powder brake for the vertical shaft wind turbine test. The detection precision is high, effective basis can be provided for the precise loading of the vertical axis wind wheel, accurate basis is provided for the subsequent vertical wind wheel loading control method, and the performance test precision of the vertical axis wind turbine wind wheel is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及磁粉制动器测试技术领域，具体涉及一种垂直轴风力机试验用磁粉制动器的磁滞特性测试方法。
背景技术
风电作为世界能源结构的重要组成部分，越来越受重视。风电发展之初，主要集中在水平轴风力发电，经过最近几年的快速发展，该类风电开发趋于饱和，用于低风速风力发电的垂直轴风力机逐渐成为当前的一个研究热点。
垂直轴风力机在制作完成后，通常需要进行试验来测试垂直轴风轮的性能，垂直轴风轮是垂直轴风力发电系统的关键部件之一，其参数的设计或选取直接影响着垂直轴风力发电系统的工作性能，因此需要对垂直轴风轮进行模拟加载试验验证，以弥补理论分析的不足之处(也就是说，本文所述垂直轴风力机试验用磁粉制动器，实际是垂直轴风轮性能试验用的磁粉制动器)。
在垂直轴风轮模拟加载实验中，采用磁粉制动器来提供加载力矩以模拟发电机的磁极间力矩。它以磁性材料作为工作介质，通过调整激磁电流来控制转矩实现制动。磁粉制动器的转子与风轮联接，定子固定在机架上。同时若性能检测系统发生意外，转矩超载时，磁粉制动器能够自动滑差起到过载保护作用。
磁粉制动器具有结构简单、噪音小、控制方便、机械振动弱等优点，其主要应用在张力控制系统、扭矩功率试验平台以及小功率精密加载等场合。随着科技的发展，磁粉制动器在精密加载场合的应用越来越广泛。
磁粉制动器主要由主动转子、从动转子、激磁线圈组成。磁粉制动器的主动转子与从动转子之间存在着大量的磁粉，磁粉为体积小并经过强磁化的金属粒子，该金属粒子耐磨损性能好，利用金属粒子之间的相互作用传递扭矩；
磁粉制动器的工作原理是：
当线圈不通电时，主动转子旋转，由于离心力的作用，磁粉被甩在主动转子的内壁上，磁粉与从动转子之间没有接触，主动转子空转；
当线圈接通电源后产生电磁场，工作介质磁粉在磁力线作用下磁化，形成磁粉链，并在固定的导磁体与转子间聚合，从而达到输出制动扭矩(简称输出扭矩)进行制动的目的；
利用莫尔库仑原理可得到磁粉制动器的输入控制电流和输出扭矩的关系式：
其中，Τ为扭矩，N为线圈数，Dm制动外径，μ0为气隙磁导率，μδ为磁粉磁导率，I线圈电流强度，μi为铁芯磁导率，Sδ为间隙磁粉截面积，Si为铁芯截面积，lδ为磁路中间宽度，li为磁路中铁芯长度，Lm为磁粉制动器线圈宽度；
由上述公式可得，除线圈电流强度I外，其他物理量可认为不变。但是，对于磁性材料来说，磁导率并非为常数，与磁场强度和频率有关。当铁氧体受到外磁场H作用时，例如当电流流经绕在铁氧体磁环上的线圈时，就会被磁化。磁场强度增加随之引起磁通密度的增加，当磁场强度增加到一定程度，就会趋于稳定，称作磁场饱和。软磁材料的饱和磁场H仅有十分之几到几个奥斯特。随着饱和的接近，磁导率迅速下降并接近空气的导磁率(相对磁导率为1)。由于磁阻的磁滞、磁通的饱和性以及磁导率的非恒定性，输入电流和输出扭矩不呈现近似线性关系，当输入电流线性增大和线性减小时，实际的力矩加载特性并非为线性函数。当输入电流递增时，磁粉制动器输出转矩沿上升段上升，当输入电流递减时，磁粉制动器输出转矩并不沿原路下降，而是在电流下降到上升时同一数值时，输出转矩明显高于上升段，呈现典型的磁滞现象。
磁粉制动器的磁滞特性使得其加载质量与快速性都有所降低，影响了垂直轴风轮模拟加载实验的精确性，因此在将磁粉制动器应用到垂直轴风轮模拟加载实验中之前，通常需要对磁粉制动器磁滞特性进行测量，以得到磁粉制动器的加载特性，从而更好的应用和控制磁粉制动器，进而提高垂直轴风轮模拟加载实验的效果。
目前，针对磁粉制动器磁滞特性的测量方法较为单一，大都是对其磁芯材料磁滞回线进行直接测量，以此来获得磁粉制动器的磁滞特性。显然上述方法不符合真实的加载工况，既没有考虑风轮的实际负载情况，也没有考虑输入激磁电流的大小对磁滞特性的影响，若按照上述方法得来的相关磁滞特性来给出相应的控制调整方案，进而达到精密加载的目的，这一过程必然会存在一定程度的误差，因此，有必要提出一种更为合理的磁粉制动器磁滞特性测试方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种垂直轴风力机试验用磁粉制动器的磁滞特性测试方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：垂直轴风力机试验用磁粉制动器的磁滞特性测试方法，将磁粉制动器与垂直轴风力机中垂直轴风轮的垂直轴相连接，然后通过风源向垂直轴风轮吹风，进行测试，具体如下：
1)、启动风源，采集风速；
2)、调整风速使得风轮转速到达一个预定数值，记录稳定风速，并记录风轮转速；
3)、通过电流控制器控制磁粉制动器输入电流的大小，并记录磁粉制动器的输出扭矩值：
具体地，通过电流控制器线性调节磁粉制动器输入电流的大小，具体为：使得磁粉制动器输入电流值从零上升到垂直轴风轮停止转动之后再降到零值；记录每个输入电流值数据以及其对应的磁粉制动器的输出扭矩值数据；
4)、多次重复步骤3)，即进行等电流多周期方式测量，得到每个输入电流值在不同周期中的输出扭矩值数据；
5)、将步骤4)获得的每个输入电流值在不同周期中的输出扭矩值进行筛选：具体为：
首先，运用公式
计算每个周期数据的残余误差；公式(1)中：Ti为同一电流下在第i个周期中测得的输出扭矩，i＝1,2,3,…,n,n为总的周期数；为同一电流下实际测得的该周期中输出扭矩的算术平均值；Vi为Ti的残余误差；
然后，运用公式
计算各残余误差与相应周期中输出扭矩算术平均值的比例，剔除波动过大的输出扭矩，即使得k大于8％的输出扭矩值，从而实现数据筛选；
6)、将经过步骤5)筛选的每个周期数据按照输入电流增加段和输入电流减小段，对各段用式(3)为拟合指标，进行三、四、五阶曲线拟合，
J＝∑(Xi-Ti)2 (3)
式中，J表示曲线拟合精度，Xi表示输出扭矩的拟合值，Ti表示输出扭矩的测试值；
经过该步骤，从多个周期数据中选出J值最小的周期数据，即最为精确的一组数据；
7)、调整风速使得风轮转速到达另一个预定数值，记录稳定风速，并记录相应风轮转速；
8)、重复步骤3)到7)N-1次，其中N为选定的风轮转速的个数；
9)、根据记录的数据在直角坐标系中绘制曲线图：
具体地，则将每个风轮转速下，不同电流值对应的输出扭矩在直角坐标系中绘制出磁粉制动器电流与扭矩的关系曲线。
上述测试方法中，风速使用风速仪进行采集，风轮转速通过转速传感器采集，输出扭矩通过扭矩耦合器进行采集，风速仪、转速传感器和扭矩耦合器均与监控计算机通信连接。
上述测试方法中，数据的记录和筛选均由监控计算机进行处理。
上述测试方法中，所述电流控制器在在监控计算机的控制下进行工作，通过电流控制器控制磁粉制动器线圈电流的大小。
本方案还涉及一种测试系统，包括：
用于提供风源的风力装置，风力装置向垂直轴风轮吹风，在风源和垂直轴风轮之间设有用于检测风速的风速仪；
连接在垂直轴风轮中垂直轴上的磁粉制动器、用于检测垂直轴风轮的转速的转速传感器以及用于检测磁粉制动器输出扭矩的扭矩耦合器，风速仪输出的信号、转速传感器输出的转速信号以及扭矩耦合器输出的扭矩信号分别通过A/D转换器处理后输入至监控计算机，由监控计算机根据信号对各个单元进行控制。
该测试系统中，还设有用于控制磁粉制动器线圈电流大小的电流控制器，监控计算机输出的控制信号通过电流控制器输入至磁粉制动器。
该测试系统中，垂直轴风轮的垂直轴直接插装在磁粉制动器外转子的安装孔中或者采用联轴器与磁粉制动器的突出轴固定连接。
有益效果：
针对垂直轴风轮试验的工况，通过间接测试磁粉制动器的磁滞特性，克服了现有技术中测量的片面性，通过数据处理软件将测量信号记录下来，经过处理后，可得到测试磁粉制动器的动态参数(转子转速n,输入电流I,输出转矩T)之间的关系，不仅测量得出的数据精度高，而且能够真实反映磁粉制动器的磁滞特性。
本方法在等电流单值单周期采集方式的基础上采用等电流单值多周期方式，即在同一个磁粉制动器转速下，进行多次单值单周期测试，避免了单值单周期采集数据的误差。并且，本方法对采集的数据进行了筛分处理，选出多周期中数据更为准确的一个周期的数据，降低了初始数据存在的随机误差，提高了测试结果的精度，有效的避免直接测量带来的系统性误差。
本方法将实验数据分为上升段和下降段，将离散数据分开拟合得到两条曲线，不仅提高了精度控制，而且为实现磁粉制动器应用在垂直轴风轮性能检测通用试验台装置中精密加载提供了可靠的依据，大大提高了垂直轴风力机风轮的性能测试精度；该方法通用性较好，更换性强，成本低，可应用于各种型号的磁粉制动器磁滞特性测试。
附图说明
图1是本发明垂直轴风力机磁粉制动器磁滞特性测试系统构成图；
图2是本发明垂直轴风力机磁粉制动器磁滞特性测试方法的流程示意图；
图3是本发明实施例测得的磁粉制动器电流与扭矩的关系曲线；
图4是在垂直轴风轮转速为200rpm、输入电流由0A缓慢增大的条件下测得的控制电流与输出扭矩关系曲线；
图5是在垂直轴风轮转速为200rpm、输入电流递减的条件下测得的控制电流与输出扭矩关系曲线；
图6是在垂直轴风轮转速为600rpm、输入电流由0A缓慢增大的条件下测得的控制电流与输出扭矩关系曲线；
图7是在垂直轴风轮转速为600rpm、输入电流递减的条件下测得的控制电流与输出扭矩关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图1-7和实施例对本发明作进一步的详细说明。
垂直轴风力机试验用磁粉制动器的磁滞特性测试方法，是将待测磁粉制动器(以下简称磁粉制动器)与垂直轴风力机中垂直轴风轮的垂直轴相连接，然后通过风源向垂直轴风轮吹风，进行测试。
如图1所示，本发明所用的测试系统包括提供风源的风力装置、与磁粉制动器连接的垂直轴风轮、用于测试风源来风风速的风速仪、用于测试垂直轴风轮转速的转速传感器、用于测试磁粉制动器输出扭矩的扭矩耦合器、用于控制磁粉制动器线圈电流(简称磁粉制动器输入电流)大小的电流控制器、用于对转速信号(指的是转速传感器检测到的垂直轴风轮转速)、扭矩信号(指的是扭矩耦合器检测到的磁粉制动器输出扭矩信号)和风速信号(指的是风速仪检测得到的风源来风风速信号)进行转换的A/D转换器、以及用于监控整个系统运行的监控计算机，监控计算机中安装有信号分析软件。
其中，风源为测试系统的模拟自然风来源，风源可由风力装置来提供，可通过变频调速器通过调节风力装置的电源频率来控制来流风速的大小(可实现0～25m/s风速变化)。
风速仪放置在风源的风流正向，采集风速v，其输出端连接A/D转换器，传递风速信号到监控计算机，经监控计算机判断后，发送指令信号给电流控制器；电流控制器输出电流信号，磁粉制动器接受电流信号，进入工作状态。本实施例中，风速仪由固定支架和测风探头组成。
电流控制器通过接受监控计算机发出的指令信号对磁粉制动器输入电流进行控制。
磁粉制动器与垂直轴风轮的连接，根据磁粉制动器的结构，可以是垂直轴风轮的垂直轴直接插装在磁粉制动器外转子的安装孔中；或者采用联轴器与磁粉制动器的突出轴固定连接。
监控计算机中的信号分析软件搭载有数据采集模块、数据筛选模块和数据存储模块，通过数据的实时采集提高数据处理的效率，同时保证采集的磁粉制动器输出扭矩值与当前磁粉制动器输入电流相对应，避免数据交互延迟带来的误差，数据筛选将采集的原始数据进行误差处理以降低随机误差的影响，经过筛选后数据将存入数据库中以便后期进行分析应用。该段中提到的数据主要是磁粉制动器输出扭矩、磁粉制动器内的转子转速(也是垂直轴风轮转速，简称风轮转速)和磁粉制动器输入电流。
如图2所示，垂直轴风力机试验用磁粉制动器的磁滞特性测试过程具体如下：
将监控计算机参数初始化，然后
1)、启动风源，采集风速，启动风速一般为5m/s。
2)、调整风速使得风轮转速到达第一个稳定预定数值，然后记录稳定风速，并记录相应的风轮转速，垂直轴风轮的垂直轴同时驱动磁粉制动器的外转子转动。
本步骤中在调整风速过程中，需观察风轮转速，如果风轮转速不稳定，则通过变频器调速，继续采集风速进行判断直到风速稳定。
3)、通过电流控制器控制磁粉制动器输入电流的大小，并记录磁粉制动器的输出扭矩值：
通过电流控制器线性调节磁粉制动器输入电流的大小，具体为：使得磁粉制动器电输入电流值从零上升到垂直轴风轮停止转动之后再降到零值；记录每个输入电流值数据以及其对应的磁粉制动器的输出扭矩值数据；
4)、多次重复步骤3)，即进行等电流多周期方式测量，得到每个输入电流值在不同周期中的输出扭矩值数据；
本实施例中，在同一风轮转速下，步骤3)总共进行的次数为6次。即等电流下进行6个周期的测量。
5)、将步骤4)获得的每个输入电流值在不同周期中的输出扭矩值进行筛选：
具体为：
首先，运用公式
计算每个周期数据的残余误差；公式(1)中：Ti为同一电流下在第i个周期中测得的输出扭矩，i＝1,2,3,…,n,n为总的周期数；为同一电流下实际测得的该周期中输出扭矩的算术平均值；Vi为Ti的残余误差；
然后，运用公式
计算各残余误差与相应周期中输出扭矩算术平均值的比例，剔除波动过大的输出扭矩，即使得k大于8％的输出扭矩值，从而实现数据筛选；
6)、将经过步骤5)筛选的每个周期数据按照输入电流增加段和输入电流减小段，对各段进行最小二乘法的曲线拟合，用式(3)为拟合指标，进行三、四、五阶曲线拟合，
J＝∑(Xi-Ti)2 (3)
式中，J表示曲线拟合精度，Xi表示输出扭矩的拟合值，Ti表示输出扭矩的测试值；
经过该步骤，从多个周期数据中选出J值最小的周期数据，即最为精确的一组数据；
说明：
7)、重复步骤2)，调整风速使得风轮转速到达下一个预定数值，记录稳定风速，并记录相应风轮转速；
8)、重复步骤3)到6)N-1次，其中N为选定的风轮转速的个数；
本实施例中，N为2。即步骤2)总共进行了2次。
本实施例第一次进行步骤2)时，风轮转速的预定值为200r/min，；
本实施例中第二次进行步骤2)时，风轮转速的预定值为600r/min。
9)、根据筛选的最为精确的数据在直角坐标系中绘制曲线图：
具体地，将每个风轮转速下，不同电流值对应的输出扭矩在直角坐标系中绘制出磁粉制动器电流与扭矩的关系曲线如图3。当输入电流为0A时，此时也有一定的输出扭矩，这样可以避免在负载的情况下延迟回转的现象。
根据图3进行特性分析，具体为：
1)当输入电流递增时，磁粉制动器输出扭矩沿上升段上升；当输入电流递减时，磁粉制动器输出扭矩沿下降段下降，但明显高于上升段，呈现典型的磁滞现象；
2)磁粉制动器在转速200r/min与600r/min的曲线不一致，磁粉制动器的输出扭矩受转速的影响。
3)随着转速的升高，输出扭矩随输入电流变化的曲线，不论是上升段还是下降段，输出扭矩都更大。
本方法将实验数据分为上升段和下降段，可达到实验设备对精度控制的要求；
垂直轴风轮转速为200rpm条件下，输入电流由0A缓慢增大，控制电流与输出扭矩关系曲线如图4所示。
由图4分析可知，对电流和输出扭矩曲线进行拟合，得到多项式方程为
y＝46.3552x4-51.087x3+24.044x2+4.036x+0.7832
计算得到相关系数R2＝0.99826，该指标数值接近1，拟合程度和可靠性高，可以表示曲线趋势。
垂直轴风轮转速为200rpm条件下，输入电流递减，控制电流与输出扭矩关系曲线如图5所示。
由图5分析可知，对电流和输出扭矩曲线进行拟合，得到多项式方程为
y＝-39.5455x4+65.1635x3-46.0189x2+24.6793x+0.7798
计算得到相关系数R2＝0.99815，可以表示曲线趋势。
垂直轴风轮转速为600rpm条件下，输入电流由0A缓慢增大，控制电流与输出扭矩关系曲线如图6所示；
由图6分析可知，对电流和输出扭矩曲线进行拟合，得到多项式方程为
y＝-1.7043x4+16.9763x3-8.4746x2+10.6094x+0.7826
计算得到相关系数R2＝0.99834，可以表示曲线趋势。
垂直轴风轮转速为600rpm条件下，输入电流递减，控制电流与输出扭矩关系曲线如图7所示；
由图7分析可知，对电流和输出扭矩曲线进行拟合，得到多项式方程为
y＝-163.2443x4+243.84548x3-128.2756x2+38.1478x+0.8021
计算得到相关系数R2＝0.99795，可以表示曲线趋势。
从以上图分析可知，输入电流和输出扭矩不是完全线性的，从而会影响磁粉制动器的使用。本方法为实现磁粉制动器应用在垂直轴风轮性能检测通用试验台装置中精密加载提供了依据。
本实施例是以型号为FZ25.K的磁粉制动器为研究对象，其相关参数为：额定转矩为25N·m，滑差功率为600w，额定电流0.8A，许用转速1500r/min。磁粉制动器的输出转矩能够在输入电流增大到一定值时，使在风力作用下旋转的垂直轴风轮停止转动。额定转矩是指磁粉制动器在激磁电流下所产生的制动力矩，在垂直轴风力机垂直轴风轮的性能实验中，选择磁粉制动器时，应选择额定转矩大于垂直轴风轮最大转矩(一般为起动转矩)的磁粉制动器。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在本发明的权利要求保护范围之内。
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