电动汽车牵引用水冷异步电机耦合场分析

基于Ansys多物理场仿真分析平台,对1台车用异步电机进行多物理场耦合分析。仿真电机连续运行在额定工况和峰值工况下的温升和热应力,对电机各部分温度场分布进行深入分析,预测电机峰值工况的最长允许时间。通过热-结构的有限元仿真分析电机内部结构的热应力分布,深入分析转子导条端部与端环焊接位置和机壳与铁心过盈配合面的热应力,校核转子导条端部是否存在开焊的风险,并通过热仿真和应力分析计算机壳与铁心在最高温升工况下不发生滑移或涨开的过盈配合量取值。     

氦气涡轮转子系统整体数值仿真研究

针对氦气涡轮转子系统中各构件复杂的非线性接触关系及结构强度问题,采用Pro/E建模软件对氦气轮机转子系统进行了3维实体造型,并利用ANSYS软件进行了数值仿真强度分析。真实模拟了涡轮转子在4种工况下的应力分布以及变形趋势。结果表明:除接触应力和开孔处应力较大外,在转子轴系整体强度计算中,各级轮盘盘心处应力较大。根据各工况下的计算结果比较分析得出,离心力对盘心处的应力影响最大,对温度场的影响次之。     

直升机高速四点接触球轴承接触疲劳可靠性评估方法

为了准确高效地分析高速四点接触球轴承的接触疲劳可靠性,将蒙特卡罗随机有限元(MC SFEM)与应力-强度干涉理论相结合提出了一种有效的可靠性分析方法.在高速、高温和弹流润滑（EHL）的复杂工况下,利用有限元法(FEM)建立了基于热 结构耦合分析的有限元模型.考虑到轴承材料属性、润滑油参数及接触疲劳强度的随机性对可靠性的影响,在借助MC SFEM和K S (Kolmogorov Smirnov)检验确定了高速四点接触球轴承疲劳接触应力分布类型的条件下,根据应力-强度干涉理论建立了高速四点接触球轴承接触疲劳可靠性评估方法.结果表明:与传统的MC SFEM方法相比,该方法的耗时仅是传统MC SFEM的0.243％,两者之间的可靠性误差仅为1.48％,进一步验证了该方法的有效性.      

轮盘止口定心传扭结构配合面过盈量估算方法

针对涡桨发动机压气机轮盘止口定心传扭结构配合面过盈量开展研究,为其设计提供理论依据。基于拉梅公式并考虑离心载荷的作用建立套装圆筒的力学模型,利用胡克定律和变形协调方程建立套装圆筒在高转速下配合面过盈量与剩余套装应力、转速之间的关系,进而导出轮盘过盈传扭结构配合面过盈量与扭矩、转速之间的关系,提出一种在一定工况下配合面最小过盈量的估算方法,为轮盘止口定心传扭结构的设计和分析提供了理论依据,具有工程应用价值。     

周向均布拉杆转子预紧力的确定

对周向均布拉杆转子进行考虑接触的三维有限元应力分析,揭示了不同拉杆预紧力和运行工况下拉杆转子的应力分布及界面接触状态演化规律.计算结果表明:拉杆转子在传递功率和横向载荷时,接触界面会发生局部分离和滑移,导致其承载能力小于整体转子;随着预紧力的增加,拉杆转子能够传递更大的载荷,但最大应力显著增加,降低了材料的强度裕度.根据得到的拉杆转子应力水平、接触界面应力分布及接触界面切向力与法向力的比值,给出了保证转子结构完整性和结构强度要求的拉杆预紧力确定方法,为此类转子预紧力的确定提供了参考.      

组合转子整体应力分析与通用程序设计

建立了考虑转子各部件的配合关系、旋转离心力、热膨胀等因素的转子整体应力分析的数学、力学模型。给出了通用计算方法,并设计了组合转子整体应力分析的通用软件(REC).该软件不但适用于具有径、轴双向配合的复杂转子,还适用于任意轴对称结构。软件可自动判断各部件间的接触面是否松脱,确定合理的径向过盈、轴向预紧量。      

涡轮转子随机结构的可靠性研究

以传统的应力-强度干涉模型为基础,考虑了涡轮转子随机结构尺寸、温度应力、转速、外载荷和材料强度等参数的随机性,利用积分随机有限元和Gram-Charlier级数方法对转子局部应力最大处进行可靠性分析.该方法计算结果与Monte-Carlo仿真值比较,二者相对误差非常小,计算结果比较精确,既避免了有限元计算量大和速度慢的情况,又实现了转子随机结构的可靠性计算.      

指式封严结构中气流流动与传热特性分析

研究了指式封严结构中气流流动与传热特性。将封严组片区域视为多孔介质,以摩擦热为热源,建立计算模型。计算结果表明：封严区域最高温度出现在指尖靴后部与转子摩擦接触面;在压差和转速一定时,封严区域最高温度随安装过盈量的增大而升高;在过盈量和压差一定时,最高温度随转子转速的增大而升高;但随着压差的增大,结果与之相反。研究结果可为指式封严的结构设计和接触副材料选择和安装方式提供参考。     

轴流式轮盘破裂转速的数值计算方法

对3种轴流式轮盘在常温和高温下进行了非线性有限元计算,提出了一种应用有限元法计算轮盘破裂转速的破裂准则,得出了3种轮盘的破裂转速;并将计算结果与大变形解析法及试验值作了对比分析。      

储能飞轮用大功率高速永磁同步电机电磁设计

储能飞轮用高速电机的工作状态包括电动机、发电机及空载三种。提高储能飞轮的能量转换效率、降低电机在各种运行状态的损耗成为其电磁设计的主要任务。从工程应用的角度,对储能飞轮用大功率高速永磁同步电机的绕组损耗、铁心损耗及涡流损耗进行了分析,重点分析了定转子间隙对转子构件涡流损耗的影响,同时提出了一种阶梯式转子永磁体结构,可满足永磁同步电机(PMSM)对空载反电动势的低谐波要求,并提出了转子护套材料的选取原则。最后通过一个算例介绍了电机的设计分析及性能参数的计算。     

磁悬浮电机转子加强环设计及工艺研究

针对某型号磁悬浮永磁电机转子磁环胶接强度不能满足工作要求的问题，提出采用M46J／L1000复合材料缠绕加强环的保护设计方案，根据工艺实验结果，利用有限元分析软件MSC．Patran／Nastran对该结构进行应力和形变分析，并确定了合适的成形工艺参数，完成了转子加强环试验件的制作。结果表明：M46J／L1000复合材料体系满足材料组分要求，缠绕复合材料加强环结构满足磁悬浮电机转子在72000r／min高速转动时强度和变形要求。     

Multi–physical-field characteristics modeling and structure optimization for kW-level ultra-high-speed PM motors with integrated support system

In the aerospace industry, the low-mass ultra-high-speed flywheel system play a critical role. In this paper, a kW-level Ultra-High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor (UHSPMSM) as the core component of flywheel system is proposed and analyzed with consideration of multiple physical fields, including electromagnetic characteristics, mechanical strength and rotor dynamics. The integrated support structure is put forward to improve rotation accuracy and operation stability of the UHSPMSM. Further, influence of the integrated support structure on critical speed is explored, and the key parameters such as support position and support stiffness are designed. Moreover, the rotor strength is analyzed by analytical model developed of rotor stress that can deal with multiple boundary types. Material and thickness of the sleeve are optimized, and range of interference value is accurately limited based on four extreme operating conditions. The 3-D Finite Element Model (FEM) is used to validate the strength characteristics and stress distribution of rotor. A 1.5 kW-150000 r/min UHSPMSM with integrated support system is manufactured and tested. The feasibility of UHSPMSM proposed and the accuracy of analysis method are verified through electromagnetic, temperature rise and vibration characteristics test. The machine prototype realizes the load operation at rated speed and the multi-physical-field characteristics achieve the design specification.     

分数槽集中绕组表贴式永磁同步电机转子损耗

针对损耗模型很难准确地计算转子损耗且三维有限元方法占用大量时间的问题,基于二维运动瞬态有限元法,研究了1台36槽42极单层分数槽集中绕组永磁同步电机在恒转矩区和弱磁区以最大转矩运行时的转子损耗,并且研究了高速工况下永磁体轴向分段数量、槽口宽度以及气隙厚度对永磁体损耗的影响。研究发现,在整个转速区间永磁体损耗占转子总损耗的90%以上;转速低于1 500 r/min时,转子铁心磁滞损耗高于涡流损耗,高于1 500 r/min时涡流损耗明显高于磁滞损耗。永磁体分段能明显降低永磁体涡流损耗;负载工况下改变槽口宽度,永磁体涡流损耗几乎没有变化;增大气隙厚度虽然能降低永磁体损耗,但是效果并不明显;同时,更改槽口和气隙厚度会使电感发生变化,并进而影响电机的运行性能。     

Thermal–structure coupling analysis and multi-objective optimization of motor rotor in MSPMSM

With the high speed, the rotor of magnetically suspended permanent magnet synchronous motor(MSPMSM) suffers great thermal stress and mechanical stress resulting from the temperature rise problem caused by rotor losses, which leads to instability and inefficiency.In this paper, the mechanical–temperature field coupling analysis is conducted to analyze the relationship between the temperature field and structure, and multi-objective optimization of a rotor is performed to improve the design reliability and efficiency. Firstly, the temperature field is calculated by the 2 D finite element model of MSPMSM and the method of applying the 2 D temperature result to the 3 D finite element model of the motor rotor equivalently is proposed. Then the thermal–structure coupling analysis is processed through mathematic method and finite element method(FEM),in which the 3 D finite element model is established precisely in a way and approaches the practical operation state further. Moreover, the impact produced by the temperature and structure on the mechanical strength is analyzed in detail. Finally, the optimization mathematical model of the motor rotor is established with Sequential Quadratic Programming-NLPQL selected in the optimization scheme. Through optimization, the strength of the components in the motor rotor increases obviously and satisfies the design requirement, which to a great extend enhances the service life of the MSPMSM rotor.     

细长柔性转子高速动平衡方法

提出了一种通过平衡辅助工装——平衡卡箍来进行细长柔性转子高速动平衡的新工艺方法。按照设计准则设计加工了一组精密平衡卡箍并用有限元法进行了强度校核,卡箍的验证考核试验在两个模拟轴上完成,结果表明:卡箍的平衡性能良好,对模拟轴的临界转速和振动特性的影响甚微,在此基础上完成了装机动力涡轮转子的高速动平衡试验,效果良好。      

双重非对称转子支承系统建模分析方法研究

针对双重非对称转子支承系统的参数振动特性,较为详细地介绍了多年来国外双重非对称转子支承系统建模分析方法的进展情况。介绍了双重非对称转子支承系统的抽象概念、数学模型以及分析的问题;分别评述了国内外学者分析双重非对称转子支承系统时所采用的建模分析方法,指出解析法、传递矩阵法、1D有限元法和3D有限元法等建模分析方法的特点和存在的问题;对双重非对称转子支承系统建模分析方法的现状进行了总结并对其未来的发展方向进行了展望。     

双辐板涡轮盘盘腔单向流固耦合分析

为减轻质量、提高冷却效率,针对下一代高推重比涡扇发动机高压涡轮盘的优化设计,基于3维双辐板涡轮盘模型进行单向流固耦合分析,通过定常流动换热分析得到该结构盘腔中的流场、压力场和温度场分布,将盘腔表面压力分布和盘体上的温度分布作为载荷传递给盘体,对盘体进行应力分析得到应力场,从而建立起温度场和应力场的直接关联,总结出盘腔转速是影响盘体最大等效应力的关键参数,为双辐板涡轮盘的冷却设计和结构优化提供了数据支撑。     

笼型无刷双馈电机转子导条优化设计

针对笼型无刷双馈电机转子设计方法不完善的问题,从分析笼型无刷双馈电机的内部磁场入手,推导了无刷双馈电机在稳态运行时转子电流的解析表达式,利用迭代法在考虑转子电阻的情况下选择最合适的转子导条截面积,为笼型无刷双馈电机的转子设计提供了理论依据。通过有限元仿真,验证了理论推导的正确性。研究结果不仅有助于在设计时快速计算笼型无刷双馈电机转子电流,也有助于优化转子结构设计。