高速永磁电机综合设计与分析

高速非晶合金永磁电机设计受电磁、机械、温升的制约,因此高速非晶合金永磁电机的设计是一个多物理场综合设计的过程。针对高速非晶合金永磁电机设计受多物理场制约的问题,基于多物理场的分析方法,分析了非晶合金材料对高速永磁电机电磁性能的影响；研究了内置式永磁转子在高速运行状态下的应力分布,并分析了轴承支撑刚度对转子系统临界转速的影响；针对高速非晶合金永磁电机损耗分布特点研究了其温度场的分布。基于提出的多物理场综合设计方法,设计并制造了一台额定功率15 kW、最高转速30 000 r/min的高速内置式非晶合金永磁电机,并对样机进行了试验,验证了仿真分析与设计方法的可行性,为高速非晶合金永磁电机的设计提供参考。     

永磁同步电机全域温度场分析与水道优化设计

以额定功率为60 kW永磁同步电机(PMSM)为研究对象,采用气隙等效导热系数处理定转子间的热交换问题。给出散下线定子绕组的等效热模型。在进行绕组铜耗计算时考虑温升对定子绕组阻值的影响,试验测定壳体与定子铁心间因装配间隙而产生的热阻值。在此基础上建立PMSM三维全域瞬态温度场有限元模型,计算电机在峰值转速运行时的温度场变化,并进行试验验证。对水道宽度比、水道数和翅片进行优化计算,找出最优解。结果表明,水道优化后电机最高温度下降9.8 ℃,对电机水道结构设计具有一定的指导意义。     

高精度盘式永磁电机温度分析与研究

以高精度无槽盘式永磁电机为研究对象,建立了电机三维电磁仿真模型。详细分析了该电机反电动势和转矩特性,避免由高次谐波引起的定、转子及永磁体涡流损耗,有效改善了电机的热性能,为进一步研究打下基础。建立了三维温度场仿真模型,分析了热源分布和传热过程,计算了电机在自然散热条件下温度的稳态分布。最后通过电机温升试验,验证了理论分析的正确性与合理性。     

航空电机及控制器的温度场仿真分析

对一种航空用高功率密度无刷直流电机,建立电机和控制器一体的三维热仿真模型。根据电机系统内部热交换及传热学相关理论,确定系统内散热系数与热边界条件,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对建立的热仿真模型进行温度场仿真与分析,得到了不同环境温度变化情况下电机和控制器的温度场分布和温度对时间变化的曲线。经与试验得到数据进行对比分析,验证了仿真的准确性。这对电机和控制器的设计与温度场计算提供了依据。     

高速无轴承永磁电机设计与分析

高速电机具有高功率密度、能够减小设备体积与重量,可以直接驱动负载、提高传动效率,在航空航天、新能源、精密制造等领域具有广阔的应用前景。将无轴承永磁电机应用于高速驱动系统,在推导无轴承永磁电机数学模型基础上,提出了高速无轴承永磁电机设计方法。通过对一台额定功率2 300 W、额定转速8 000 r/min、调速范围0~60 000 r/min的高速无轴承永磁电机进行电磁和机械一体化设计,并采用有限元法对样机的电磁性能和动力学性能进行优化。仿真试验结果验证了所采用的设计方法的正确性。     

高压高速电机通风与散热分析

针对YKS规格的高压高速电机单机容量高、局部温升大等特点,以1台YKS5602 3 000 kW规格的高压高速电机为例,依据电机实际尺寸,建立了电机端部绕组及定转子模型。采用有限元法对流体场与温度场进行了仿真,计算出电机运行时各个通风槽内冷却气体流动情况,并对电机整体进行流固耦合分析,得到高压电机端部绕组及定转子温度场分布。对仿真计算结果分析,并与样机试验数据比较,结果表明:流体场和温度场耦合的方法能够准确地了解YKS电机各个通风槽内的气体流动情况及电机内局部温升分布。     

航空主发电机定子三维温度场的有限元分析

航空发电机的体积小,电磁负荷高,发热问题更显重要。温度场计算是研究发电机发热的主要手段。以B747发电机为研究对象,介绍了主发电机的发热热源、不同部件的导热系数和各散热面的散热系数,建立了航空主发电机定子三维温度场计算的数学模型,利用ANSYS有限元软件对温度场进行求解,得到定子温度场分布,找出电机最高发热部位,并分析了电机的相关因素变化对电机温度场分布的影响,得出了一些有益的结论,并用实例验证了结论的正确性。     

基于Simplorer／MATLAB的多电飞机环控系统研究

介绍了多电飞机环控系统的功能和原理,研究了高速电机驱动的空气循环制冷技术,并设计出由高速电机驱动的闭环式空气循环系统。以B787为例建模,选择永磁同步电机驱动压气机,采用电压空间矢量PWM方式控制电机系统。利用Simplorer、Maxwell与MATLAB软件对闭环系统进行建模仿真,验证了模型具有良好的稳态和动态性能,以及高速电机用于循环制冷的合理性。     

界面层及其建模方式对编织结构CMC材料导热系数影响研究

针对编织结构陶瓷基复合材料（Ceramic matrix composite,CMC）中基体、纤维束和界面层等组分的不同传热特征,以及考虑到界面层结构极薄的尺寸特征,探究了界面层及其在细观结构代表单元中的引入方式对编织结构CMC材料内部热量传输特征和各向异性导热系数的影响。研究中对比分析了不考虑界面层、含隐式界面层和含显式界面层等三种代表性体积单元模型的温度场、热流密度场及各向异性等效导热系数,获取了界面层导热系数对CMC材料整体导热系数的影响规律。研究结果表明：编织结构CMC材料内部温度场存在明显的不均匀性,不同模型计算获取的热流密度场具有明显区别。同时基于三个模型获取的各向异性导热系数也具有较大差异,显示界面层方法预估精度较高。此外,随着界面层导热系数增加,CMC材料整体各向异性导热系数明显增加,其对水平经纱Y方向上等效导热系数的影响最大。     

2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时，材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征，以2.5D编织结构复合材料为例，分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型，计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征，同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律，并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比，基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征，当平板内部平均温度梯度为25383K/m时，表面温度波动幅值达到12.41K，表面最高温度由906.96K增加到911.60K，并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时，随着纱线编织角度的增加，材料表面温度波动幅值下降，但表面的高温区域增加，沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加，材料表面的高温区域基本不变，温度波动幅值小幅下降，均匀性增强；随着纤维束与基体导热系数比的增加，材料表面的高温区域增加，温度波动幅值降幅较大，均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内，当边界温度达到1600K时，基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

指尖密封的温度场及热结构耦合分析

以单梁-双层密封片为单元建立了指尖密封热分析模型,依据指尖密封的实际工况确定了指尖密封热分析边界条件,通过有限元分析获得了不同工况条件下指尖密封的温度场分布,结果表明指尖密封的最高温度分布区域与高压腔气体温度高低有关,随着高压腔气体温度升高,最高温度分布区域自指尖靴部向高压密封片中部转移.在指尖密封热分析基础上进行了指尖密封热结构耦合分析,获得了考虑热效应的指尖密封的迟滞特性和接触性能.与不考虑温度影响的指尖密封性能分析结果相比,考虑热效应下的指尖密封的迟滞量减小,指尖与转子间的接触压力明显增大.      

惯导平台长时间通电有限元热分析

长时间通电会造成惯导平台腔内温度场发生较大变化,鉴于惯性仪表对环境场的敏感性,温度的变化将极大影响平台的性能。通过某型气浮惯导平台长时间通电温度场变化有限元热分析,建立了通电时间与平台各部件温度场模型、平台腔内温度场模型以及台体耦合的热弹性结构模型,得到了温度场分布的量化结果,分析了平台台体的热应力分布情况。在温度数据的处理过程中,利用Matlab构建数据模型,预测了各部件及腔内的温度变化趋势,并通过对比试验数据,验证了仿真结果的正确性,为后续研究提供了理论基础。     

温度测点优化在机床主轴热误差建模中的应用

从理论上分析了机床主轴温度场与热变形的动态特性,证明了机床主轴上最佳温度测点的存在,并通过实验加以论证。采用黄金分割法对主轴最佳温度测点的位置进行优化,并采用最佳温度测点处的温度建立线性函数,精确预报主轴的热伸长量。     

航空发动机叶片-机匣碰摩摩擦热效应仿真分析

为了分析航空发动机叶片-机匣碰摩摩擦热对叶片的影响,基于有限元法建立了叶片-机匣碰摩摩擦的热-结构直接耦合模型,分析了不同偏心距和转速对模型应力场和温度场的影响,并与未考虑摩擦热效应的碰摩模型进行对比。结果表明:当叶片与机匣之间发生摩擦时,需考虑材料参数随温度变化的影响;摩擦热主要分布在接触表面较小的区域,温度分布沿接触面向四周呈递减趋势,且温度梯度越来越小。并在该区域产生了较大的热应力;随着偏心距和转速的增大,叶片-机匣的摩擦热效应越发明显。在实际工程问题中,需考虑摩擦热效应对叶尖表面损伤的影响。     

高温热管在热防护中应用初探

介绍了高温热管在热防护中的应用原理,并利用电弧加热风洞产生的高温、高速气流,模拟高超声速飞行器高温区的气动加热环境,对一种装有高温热管的简单的球柱形原理性模型进行了加热试验。利用高温红外测温装置对模型表面的温度进行了测量,通过与普通复合材料制成的模型试验结构的对比分析,发现高温热管能够有效地将模型高温区热量传导到低温区,装有高温热管模型的驻点温度明显降低,显示出了良好的防热效果。     

航空发动机附件机匣热分析计算软件开发

开发了一种通用的航空发动机附件机匣热分析计算软件。软件综合热网络法和有限元法的优势,用Fortran语言开发了基于热网络法的附件机匣内部元件热分析模块,用APDL语言开发了基于有限元软件ANSYS的壳体热分析模块,两个模块之间存在数据交换和迭代联算。软件具有通用性,可以满足各种不同结构的附件机匣热分析计算。通过对某航空发动机附件机匣进行热分析计算,获得了附件机匣的温度场分布、生热量以及滑油出口温度,说明了软件应用于附件机匣热分析计算的可行性。     

光纤陀螺热致漂移仿真分析及实验验证

外界温度场作用下,光纤环温度变化和热应力是引起光纤陀螺非互易误差的主要原因。分析了光纤陀螺热致漂移的数学模型,基于该模型仿真研究了对光纤环以恒定功率加热随后转入平稳状态扰动因素下陀螺的输出特性。为验证模型准确性,选用3个光纤环搭建光纤陀螺系统,并对陀螺零偏变化特性进行了测试。测试结果表明,各陀螺零偏测试值与模型计算值间的误差不超过8%,实验结果与模型能够较好符合,该研究结果对高精度光纤陀螺的设计具有重要指导意义。     

超燃冲压发动机二维热环境数值模拟

对超燃冲压发动机热环境进行了研究和计算.以二维N-S方程和一维瑞利加热规律为基础, 建立了超燃冲压发动机内流场的热环境计算模型;用MacCormark预测-校正格式编写了数值计算程序;对飞行马赫数Ma=6和Ma=8两种工况的超燃冲压发动机内部热环境进行了数值模拟, 得到了发动机内部流场的温度分布和壁面热流分布;对计算结果进行了分析.结果表明, 采用二维无反应流体计算和一维加热规律相结合的方法, 在超燃冲压发动机热环境研究中是可行且有效的.      

航发高温内腔温度场模型的建立与仿真分析

航空发动机内腔温度高、变化快，传统接触测试方法需要破坏结构或加载传感器于内腔获取温度数据。针对这种高温测量应用需求，从热传导和热弹性理论出发，理论分析了温度场作用下的钢质薄板变形特性。基于热弹性的基本方程和边界条件，研究了符合轴对称原则的金属薄板的应力、应变、位移、温度之间的数学关系，建立了多项式方程求解金属薄板温度位移模型。依据金属薄板材料参数和边界约束条件，有限元仿真分析了金属薄板的热变形状态，仿真结果与建立的模型计算数据比对验证基本一致，初步验证了温度计算模型的可靠性，为微变形内推温度测量提供可能。