超磁致伸缩超声换能器的磁路优化设计

为了改善磁路环境,最大限度地降低超磁致伸缩超声换能器的发热,将磁路间隙作为研究对象,采用Maxwell有限元软件对磁路间隙与超磁致伸缩材料（GMM）棒的磁场强度的关系进行了分析,并通过实验对超声换能器的阻抗和振幅,以及GMM棒的温度进行了测量。结果表明:随着磁路间隙的增大,GMM棒的磁场强度和磁场均匀度减小;随着导磁圆筒槽宽的增大,超声换能器的谐振频率基本一致,GMM棒的温度减小。当导磁圆筒的槽宽约为6 mm时,该GMM棒的磁场均匀度最高,机械品质因数最大,这对超磁致伸缩超声换能器的优化设计具有重要的意义。      

超磁致伸缩作动器的结构分析

从力学和磁学两方面分析了超磁致伸缩作动器内部结构形式对作动器特性的影响,重点研究了永磁铁式偏置磁场的不同结构形式以及作动器外壳材料对作动器的输出性能及作动器轴向刚度的影响.研究结果表明,环套式永磁铁的结构形式不可避免地在作动器外围产生较大磁场;分段式永磁铁的结构形式,采用钢制外壳时可避免漏磁;但是在芯棒区域的磁场与理想均匀磁场的差异将给作动器的输出位移带来较大损失,对作动器的刚度也会产生不可忽略的影响,二者在设计中必须考虑.在结构分析的同时,基于超磁致伸缩材料的特性提出了磁场与刚度相关联的设计理念,可为超磁致伸缩作动器的结构设计提供参考.     

一种磁悬浮飞轮用新型永磁偏置径向磁轴承

为了克服现有永磁偏置径向混合磁轴承的缺陷,提出了一种磁悬浮飞轮用新型永磁偏置径向混合磁轴承,分析了其工作原理,并分别利用等效磁路法及有限元方法对该永磁偏置径向混合磁轴承进行了电磁分析.分析结果表明:所提出的新型永磁偏置径向混合磁轴承采用永磁磁场作为偏置磁场,并且其永磁磁路与电励磁磁路在任一径向截面中共面,可使磁轴承轴向长度大为减小,与现有永磁偏置径向混合磁轴承相比具有体积更小的优点,同时该种永磁偏置径向混合磁轴承产生的偏置磁场在X,Y方向上不会产生耦合,可使控制更加容易,特别适用于高速、低功耗等场合.      

真空与磁场热处理改善FeCo合金的软磁性能

针对发电机中转子用FeCo合金(国产牌号1J22)进行了组织结构与磁性能的研究.通过对该合金进行真空处理以及磁场热处理,研究了组织结构对软磁性能的影响规律;研究了附加磁场强度以及热处理温度对磁场处理效果的影响,并结合该合金的磁致伸缩伸缩系数的变化规律,分析了磁场热处理效果的微观机制.当合金组织为轧制态时,磁场热处理效果不明显;在合金的再结晶温度以上进行磁场热处理时,获得了显著的磁场热处理效果,矫顽力下降至72A/m(0~9Oe)以下.     

一种磁悬浮开关磁阻电机用轴向径向磁轴承

为了克服现有永磁偏置轴向径向磁轴承的缺陷,研究了一种新型结构的磁悬浮开关磁阻电机用永磁偏置轴向径向磁轴承.分析其结构及工作原理,利用等效磁路法进行分析,得出了轴向悬浮力及径向悬浮力的数学模型,并对数学模型进行了线性化处理,得出了其轴向、径向位移刚度和电流刚度.给出了磁极面积、控制线圈安匝数、定转子结构等主要参数的设计方法,给出了样机参数,用有限元对样机进行了三维仿真分析.理论研究和仿真分析表明:该永磁偏置轴向径向磁轴承结构紧凑,轴向控制磁通和径向控制磁通彼此解耦,控制更加容易,适用于高速、低功耗等场合.      

温度对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响研究

霍尔推力器磁路设计主要通过常温静态磁场仿真得到，并实测推力器非工作状态常温磁场进行复核。大功率霍尔推力器将面临更为严峻的热问题，推力器工作时磁路系统受高温影响，因此在常温下仿真得到的磁场位形会因温度升高而产生偏移，不能反映推力器真实工作时的磁场情况。为研究霍尔推力器工作时热量对磁路系统的影响，通过热磁耦合仿真对10kW磁屏蔽霍尔推力器的热态磁场分布进行研究，并对热态、常温仿真结果进行了对比，发现在阳极附近的径向磁感应强度Br的差异比放电室出口更大。常温设计的磁屏蔽构型在热态时偏离磁屏蔽，磁场和壁面最大不符合度达到13%，通过陶瓷出口型面修正后重新获得磁屏蔽效果，使最大不符合度降低到4.8%以下。合理热设计有助于降低热载荷，热仿真得到磁路系统最高温度低于500℃，低于0.78倍的居里温度Tc磁性急剧转变点，不会出现磁性能急剧下降，但热量对磁屏蔽霍尔推力器磁场构型的影响是应该考虑的。     

高精度球面洛伦兹力磁轴承设计与分析

针对柱面洛伦兹力磁轴承(LFMB)偏角有限导致磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)力矩输出持续时间短和气隙磁密均匀度低影响控制敏感精度的突出问题, 提出了一种高精度球面LFMB设计与分析方法。所设计的LFMB转子球面导磁套和定子球面绕组均与双球面陀螺转子同球心, 气隙呈球壳状, 保证转子偏转时定子绕组两侧气隙宽度不变, 相较于柱面LFMB, 转子可偏转角度由±0.6°扩大到±2°。利用等效磁路法推导了柱面与球面LFMB气隙磁密的数学解析模型, 并基于ANSYS命令流构建了柱面与球面LFMB的有限元仿真模型。仿真结果表明:在转子可偏转范围内, 沿偏转中心线, 球面LFMB最大磁密较柱面下降了34.1%;当转子不偏转时, 球面LFMB绕组截面内的磁密均匀度较柱面提高了11.6%;当转子偏转时, 球面LFMB绕组截面内的磁密均匀度较柱面提高了17.7%。所提方法为磁悬浮控制敏感陀螺控制与敏感性能的提升奠定了基础。      

磁悬浮飞轮储能用永磁偏置磁轴承设计

为了降低飞轮储能系统的磁轴承损耗,设计了一种永磁偏置磁轴承,分析了该永磁偏置磁轴承的工作原理并建立了数学模型,在此基础上对永磁偏置磁轴承进行了参数设计和仿真验证。通过飞轮储能系统试验,验证了该永磁偏置磁轴承设计的合理性。与纯电磁轴承相比,永磁偏置磁轴承显著降低了磁轴承功耗,为飞轮储能系统的长期稳定运行提供了基础。     

超磁致伸缩作动器的率相关建模与跟踪控制

利用Hammerstein模型对超磁致伸缩作动器(GMA, Giant Magnetostrictive Actuators)进行建模, 分别以改进的Prandtl-Ishlinskii(MPI, Modified Prandtl-Ishlinskii)模型和外因输入自回归模型(ARX, Autoregressive model with exogenous input)代表Hammerstein模型中的静态非线性部分和线性动态部分,并给出了模型的辨识方法.此模型能在1~100 Hz频率范围内较好地描述GMA的率相关迟滞非线性特性.提出了前馈逆补偿和比例-微分-积分(PID, Proportional-Integral-Derivative)反馈相结合的复合控制策略.实时跟踪幅值为16 μm的单一频率和复合频率正弦参考输入信号, 均方根误差小于1 μm, 相对误差小于10%, 证明了控制策略的有效性.     

PP/活化炭黑复合材料磁致伸缩与交流电性能

炭黑微粒子进行活化处理后,以10％(质量分数)的比例填加到聚丙烯基体中制备了复合材料,对其进行交流电性能和磁致伸缩性能测试.测试结果表明,聚丙烯/活化炭黑复合材料同时具有导电性能和磁致伸缩性能.复合材料交流电性能参数随频率的变化规律表明活化炭黑在聚丙烯基体中已形成导电网络.复合材料磁致伸缩性能测试过程中发现了3个现象:这种复合材料具有较大的磁致伸缩应变,最大的磁致伸缩应变为1.15×10-4(115ppm);复合材料的磁致伸缩应变与磁场强度有关,这与传统的无机磁致伸缩材料相似,与之不同的是,此复合材料的磁致伸缩性能还与时间间隔有密切的关系;复合材料的磁致伸缩性能具有非常明显的滞后效应,而通常被认为是典型磁致伸缩材料的无机物Tb_xDy_1-xFe_2-y则不具有这种效应.      

基于Hammerstein-like模型的超磁致伸缩作动器建模与控制

超磁致伸缩作动器的率相关迟滞非线性成为其在工程应用中的一大阻碍因素.通过使用特殊建模激励信号,基于最小二乘支持向量机建立了一定频率范围内的统一率相关Hammerstein-like迟滞非线性模型,该模型能够保证其建模频率范围内单频和复合频率的模型泛化性.在此模型基础上,设计了前馈逆补偿与PID (Proportional-Integral-Derivative)反馈控制相结合的复合控制策略,针对一定频率范围内的所有单频和复合频率的输入信号,该控制器都能够保证其跟踪控制效果,最后通过实验实时跟踪控制结果进一步验证了所设计控制器的有效性.     

超磁致伸缩作动器小回线动态J-A模型

超磁致伸缩作动器（GMA）输入输出之间存在着磁滞非线性关系,当研究其中高频输出特性时,为了降低材料自身迟滞非线性特性的影响,往往选用零点与饱和状态之间线性度较好的不饱和小回线,因此很有必要开展动态不饱和小回线数学模型的研究。首先在综合研究磁致伸缩材料（GMM）和GMA结构动力学特性的基础上结合安培环路定理提出以励磁电流为输入、应变为输出的动态Jiles-Atherton（J-A）模型,然后在引入磁滞回线特性变量的基础上得出J-A模型关键模型参数对其特性的影响规律,根据不饱和小回线仿真与实验波形的偏离特性提出模型参数的修正方法得到不饱和小回线动态J-A模型。最后,在不同频率和不同饱和幅值下通过实验验证该数学模型的正确性。      

MPDT超导磁喷管外部磁场影响分析

由于传统提供附加磁场的液冷铜线圈存在体积大、质量大、电耗大等显著缺点,因此电流密度高、体积小、损耗低的高温超导（HTS）磁体在附加场磁等离子发动机（AF MPDT）上的应用受到了广泛的关注。然而由于超导材料的临界特性,HTS磁体容易受到外部磁场的影响而发生失超。文章通过对MPDT放电回路的简化,采用仿真和试验的方法来分析简化回路通电时激发的磁场,并研究其对外围HTS磁体的影响程度。仿真结果表明,MPDT放电室内部磁场以周向磁场为主,且由于阳极壁面电流对内部磁场的屏蔽作用,使得外部几乎没有磁场分布。试验结果和仿真也取得了良好的一致性,因此在设计超导磁喷管时几乎可以不考虑来自MPDT放电室磁场的影响。该研究为HTS磁体在AF MPDT上的应用提供了参考。     

矩形齿磁流体密封装置的磁场计算

 考虑了不同磁介质磁化性能的非线性,并采用介质边界上磁场传播关系对介质边界漏磁的精确描述,利用不等间距网格有限差分数值方法,对矢量磁位描述的轴对称场偏微分方程进行求解,计算出磁流体密封装置中具有非线性、稳态特征的强磁场分布,得出了不同齿数密封装置的磁场分布,克服了磁路法计算中对磁介质磁化性能和漏磁理想化估计带来的误差,计算结果准确、合理、可靠,为密封装置的结构设计提供了设计依据.