电磁阻尼

在磁场中转动的线圈，会产生感应电动势。若线圈的外电路闭合，则在线圈中会产生感应电流。磁场对感应电流将产生安培力，形成与原来转动方向相反的力偶矩，对线圈的转动起阻尼作用。下列两种方法，分别演示短路线接上后，对灵敏电流计和电动机的电磁阻尼效果。

电磁阻尼现象广泛应用于需要稳定摩擦力以及制动力的场合，例如电度表、电磁制动机械，甚至磁悬浮列车等。

为了简单可靠地增加系统的稳定性、抑制转子的共振峰值．提出了一种新型的被动式电磁阻尼器．它的结构类似于电磁轴承．但无需闭环控制，采用直流电工作。通过分析发现，电磁阻尼器线圈内由于转子涡动时变化的磁场而产生的波动电流与转子位移间的相位差是产生阻尼的原因，推导了波动电流、阻尼系数的计算公式。实验结果显示该阻尼器提供的阻尼能够有效地抑制共振振幅。

电磁阻尼验证方法一

目的：演示灵敏电流计的短路保护。

器材：灵敏电流计，导线等。

(1)将灵敏电流计摇动后，使指针有较大的摆动幅度。停止摇动后，可观察指一针要摆动多次，经一定时间才能停止下来。

(2)再次摇动灵敏电流计，使其有较大的摆幅。立即在两个接线柱上接上一根导线(短路线)，可发现指针摆幅迅速减小，比不连短路线时摆动的时间短得多。这是由于与指针相连的线圈在磁场中摆动时产生了感应电流，线圈受到安培力形成的阻力矩的作用，使指针摆幅迅速衰减。这样能起到阻尼保护的作用。

(3)再摇动已连上短路线的灵敏电流计，可见指针摆动幅度很小，且迅速停下。理由同操作(2)。

说明

(1)通常JD409或JD409-1型灵敏电流计的阻尼时间小于4S，因为此种灵敏电流计的动圈铝框是闭合的，已有一定的阻尼作用。所以本演示中最好采用老式的灵敏电流计(内部动圈铝框是不闭合的)，演示短路阻尼效果更好。

(2)实验说明灵敏电流计不用时，应在两接线柱上加上短路线，以达到阻尼保护的作用。防止在搬动或运输过程中，电流计受到振动，指针振幅过大而被撞弯或轴尖脱落等情况。

电磁阻尼验证方法二

目的：演示电动机的短路制动方法。

器材：玩具电机，单刀双位开关，干电池，导线等。

(1)将玩具电动机、两节干电池、单刀双位开关用导线连接如图。

(2)将单刀双位开关扳到a，电动机即高速转动。切断电源，可见电动机断电后，仍能较长时间保持转动。记下从切断电源到完全停转的时间。

(3)再次将开关扳到a，电动机高速转动后，即将单刀双位开关扳到b。发现电动机会迅速停止转动。与操作(2)形成明显对比。这是因为已经高速转动的电动机转子，在切断供电后，仍在磁场中高速转动，转子中会产生感应电动势。若这时将外电路闭合(如开关打到b)，在电路中会产生感应电流，这时相当于一个发电机。具有感应电流的转子线圈，受到安培力力偶矩的制动作用，会使转动迅速停止下来。故这时电动机外部的短路线起到了对转子的电磁阻尼作用。 2100433B

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件，其在风荷载或风雨荷载与支座激励的作用下极易发生大幅振动，从而缩短其疲劳寿命并加速其锈蚀，因而需采取措施来控制其过大振动。目前不少斜拉索减振采用半主动控制的方式，但半主动控制对外部能源的依赖却限制了其在实桥中的推广应用。本项目拟研究利用新型电磁阻尼器实现斜拉索自供能半主动控制中的关键问题。通过电磁阻尼器回收斜拉索的振动能量给其控制电路供电，控制电路通过阻尼器输出电压反馈进行在线计算，以实时调节阻尼系数从而达到半主动控制的目标。本项目拟建立电磁阻尼与能量收集效率的理论模型；提出考虑随机荷载作用下斜拉索电磁阻尼器输出功率的理论估算公式；推导考虑惯性质量的斜拉索阻尼器最优阻尼值；提出基于电磁阻尼器电压输出信号的半主动控制算法；最后通过斜拉索缩尺模型实验和实桥试验进一步验证方法的正确性。本项目研究成果可为实现斜拉索高效率减振与自供能半主动控制提供理论基础。

斜拉桥拉索在风（雨）荷载与支座激励作用下极容易发生大幅振动而威胁桥梁的安全，因而斜拉索的减振控制是斜拉桥设计与建造的关键问题之一。近年，我国兴建了多座千米级跨径斜拉桥，并且跨度还有继续增长的趋势，然而传统的减振技术为超长斜拉索提供的模态阻尼比有限。本项目从理论、数值分析与足尺实验三个方面系统研究了基于新型电磁阻尼器的斜拉索减振控制问题。主要研究成果包括：（1）建立了电磁惯性质量阻尼器（EIMD）的非线性本构模型和能量收集效率理论模型；（2）推导了考虑随机激励下斜拉索电磁阻尼器输出功率的理论公式；（3）提出了考虑惯质效应的斜拉索阻尼器最优参数分析方法；（4）进行了基于EIMD的斜拉索缩尺和足尺减振实验，实现了比传统粘滞阻尼减振技术高165%的减振控制效果；（5）首次提出了利用电磁阻尼器回收斜拉索的振动能量，并可给半主动阻尼器供电。本项目的研究成果为自供能半主动控制提供了理论基础与数据支撑。基于EIMD的斜拉索振动控制技术利用惯质效应极大地提升了斜拉索的减振效率。本项目实现了重要的技术突破，为千米级跨径斜拉桥拉索的减振控制提供了新的方法，具有广阔的工程应用前景。通过项目研究发表了8篇学术论文，其中国际一流SCI期刊论文6篇，并多次被他引。项目研究成果获得了2018年湖北省技术发明二等奖和香港第十九届卓越结构大奖研发类提名奖。项目研究成果在大跨度斜拉桥拉索减振控制上得到了实际应用。 2100433B