高速异步电动机转轴的疲劳特性分析

基于Ansys多物理场仿真软件平台,对高速异步电动机的转轴进行疲劳特性分析,校核高速异步电动机转轴的疲劳强度和高速运行的可靠性,预测电机转轴的寿命;分析电磁力对转轴疲劳寿命的影响,判断疲劳特性的类型。对比分析作用于电机结构的电磁力波频率、幅值和电机转轴各阶模态的固有频率,校核电机转轴的强度。在转轴不会因电磁振动发生断裂的前提下,将电磁力等效为静应力分析转轴的疲劳特性,校核电机轴在电机寿命周期内是否会发生短周疲劳损坏;并采用凹圆角设计进一步提高转轴的结构可靠性,提高电机的转轴寿命。     

轴流叶片非接触式模态特性测试系统的开发与研究

基于涡轮螺旋桨发动机安装节拉杆系统,对各拉杆的受力状态进行分析,推导拉杆系统力学方程,并得到拉杆之间的力 学关系,结果显示各拉杆所受拉力比值为常数,该常数仅取决于拉杆的尺寸、安装角度、材料参数等。基于ANSYS Workbench 建立拉 杆系统有限元模型,对该系统进行静力学分析得到拉杆应变随拉力的变化关系,并得到不同拉杆拉力之间的关系,数值仿真结果与 理论分析结论相互印证。为基于安装节拉杆的涡桨发动机飞行拉力测量奠定技术基础。     

涡桨发动机安装节拉杆系统力学分析

基于涡轮螺旋桨发动机安装节拉杆系统,对各拉杆的受力状态进行分析,推导拉杆系统力学方程,并得到拉杆之间的力学关系,结果显示各拉杆所受拉力比值为常数,该常数仅取决于拉杆的尺寸、安装角度、材料参数等。基于ANSYS Workbench建立拉杆系统有限元模型,对该系统进行静力学分析得到拉杆应变随拉力的变化关系,并得到不同拉杆拉力之间的关系,数值仿真结果与理论分析结论相互印证。为基于安装节拉杆的涡桨发动机飞行拉力测量奠定技术基础。     

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。     

基于漏磁与磁阻系数迭代的三自由度混合型磁悬浮轴承的设计

提出一种基于漏磁与磁阻系数迭代计算的参数设计方法,将软磁材料内部磁场的磁通密度非饱和作为约束条件,以满足最大悬浮力条件下的体积最小化为优化设计目标,通过循环迭代的方式计算各部分漏磁系数与磁阻系数,最后得到该三自由度混合型磁悬浮轴承各部分的结构参数.利用有限元电磁场分析软件对其进行三维电磁场建模与仿真分析,仿真结果验证了该参数设计方法及其结果的合理性与正确性.给出了静态起浮、悬浮、冲击、转速为30000r/min时转轴位移与控制电流的波形.实验结果表明:基于该方法设计出的三自由度混合型磁悬浮轴承具有良好的悬浮特性.      

轴向磁通磁场调制型电机的解析分析

提出了一种新型二维解析分析方法用于计算轴向磁通磁场调制型电机的气隙磁场分布和电机特性。对电机每个子域列出拉普拉斯方程或泊松方程并结合边界条件,求解出每个子域的矢量磁位,进而得到气隙磁场分布、空载反电势、电磁转矩和轴向磁拉力的解析表达式。为了评估解析方法的计算精度,对二维解析分析结果和三维有限元仿真结果进行了比较,结果表明二维解析计算结果的计算误差在10.3%以内。由于解析分析在保证计算精度的前提下大大缩短了计算时间,因此该方法适用于轴向磁通磁场调制型电机初始设计阶段电机参数的确定。     

基于电压闭环反馈的永磁同步电机弱磁调速研究

电动汽车对电机的调速范围要求较高,需要宽调速的控制技术。为扩大永磁同步电动机(PMSM)的调速范围,研究并实现了电压闭环反馈弱磁控制方法。该方法将电压利用率作为参考值构建电压环,通过电压反馈信号和给定指令信号计算弱磁电流的参考值idref,从而有效提高PMSM的弱磁扩速。利用MATLAB/Simulink 仿真平台搭建了表贴式PMSM弱磁控制系统。仿真结果表明系统有较宽的调速范围,而且区间转换平稳,具有良好的响应特性。     

过膨胀单边膨胀喷管试验和数值模拟

在低落压比4~10下,对高速二维单边膨胀喷管模型试验件的壁面静压分布进行了试验研究,模拟气体为高压空气;用三维数值计算得到了喷管性能参数,丰富了流场信息。试验和数值模拟结果表明,处于深度过膨胀状态下的单边膨胀喷管内部出现了自由激波、分离激波、两种激波相交及相互影响、自由激波分离和激波诱导分离等复杂现象;上膨胀面大面积的气流分离而形成的低压区使喷管轴向推力系数Cfa仅为0.78~0.87;此外,推力矢量角pδ为18°~25°,这对飞行器的配平和控制面操作带来一定的困难。     

精密高速电主轴动力学特性及轴承刚度软化分析

针对某精密高速电主轴系统,介绍主轴的系统结构,分析其高速加工状态下的特点和影响要素,对主轴和轴承采用有限元建模方法,用弹簧阻尼单元模拟主轴轴承支承。对不同弹簧单元布置形式下主轴系统的静力学特性,谐响应和模态进行了分析研究。在主轴高速加工的状态下,采用有限元法研究了基于高速旋转状态下轴承软化效应的主轴系统动特性,结果表明该种方法对于高速运行状态下能一定程度对动力学特性的变化规律进行仿真模拟,为快速分析高速下由于轴承软化现象引起的系统固有频率变化提供了一种思路。     

高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性分析

研究双拉力螺旋桨复合式高速直升机的气动特性可以为高速直升机的设计及气动优化提供参考。基 于动量源方法构建针对双拉力螺旋桨复合式高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性数值计算及分析方法;对 孤立旋翼、旋翼/机身干扰进行算例验证;应用所构建的方法对双拉力螺旋桨高速复合式直升机悬停及前飞状 态的干扰流场进行数值模拟,分析机身对悬停流场影响及不同前飞速度旋翼/螺旋桨/机身干扰特性。结果表 明:悬停时机身对气流的阻塞作用降低了旋翼的升力,螺旋桨对旋翼下洗气流的加速作用使旋翼升力提高;低 速前飞时旋翼/螺旋桨/机身干扰较大,主要体现在旋翼下洗流造成螺旋桨滑流偏折以及机翼上表面压力分布 增大,高速前飞时这种干扰较小。     

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。     

柴油机两级VNT混联系统整机效率优化

为提高柴油机的余热回收利用率,提出一种基于可变喷嘴环式涡轮VNT（variable nozzle turbine）技术的两级涡轮混联系统。该系统根据柴油机运行工况,通过控制阀门的开闭来实现混联系统中串联工作模式和并联工作模式的转换。以涡轮的有效直径为参数来表征涡轮的流通能力,利用GT-Power仿真平台研究了两种工作模式下增压涡轮和动力涡轮的流通能力对发动机功率、动力涡轮功率及涡轮增压器性能的影响规律;提出了增压涡轮、动力涡轮与发动机的匹配策略;以系统整机效率最优为目标,针对柴油机不同运行工况进行混联方式的优化控制。结果表明:针对柴油机的不同运行工况,通过两级VNT复合系统混联优化运行方案,能够有效回收柴油机废气能量,额定工况下系统整机效率提高5.1%。      

表贴式永磁电机碳纤维护套转子强度及过盈量分析

针对表贴式永磁电机转子在高速高温状态下转子强度计算问题,提出了考虑磁钢分块结构的转子模型。基于厚壁圆筒理论推导了转子强度计算的解析解,分别计算出碳纤维护套及磁钢的切向应力和径向应力;基于有限元法分析了多种工况下的转子强度,在高速及高温工况下转子所受应力均会增加;对比解析分析结果表明,有限元法及解析法均能准确计算碳纤维护套应力,而磁钢却受到边缘效应的影响,磁钢边缘应力增大,解析分析难以进行精准计算;基于有限元法分析护套与磁钢过盈量,优化了转子结构,提出了过盈量的最优范围。     

高速异步电主轴电机的电磁噪声分析

采用有限元法分析了高速异步电主轴电机定子结构的动力学特性(振型、固有频率),分别采用解析法和有限元法分析了电机在额定转速60 000 r/min下空载和负载的电磁力波,利用傅里叶变换对径向气隙磁密和径向电磁力波进行了谐波分析,得到了不同阶次不同频率下的谐波幅值。还将得到的电磁力波加载到电机定子相应节点处,对高速异步电主轴电机进行了电磁振动和声场分析,并计算出电机在空载和负载情况下产生的电磁噪声。     

轴向充磁圆筒型永磁直线同步电机气隙磁场解析计算

介绍了一种基于许-克变换法的轴向充磁结构圆筒型永磁直线同步电机(TPMLSM)气隙磁场解析计算方法。首先采用许-克变换法计算出无齿槽时电机的气隙磁场;然后利用许-克变换法求取初级铁心开槽时的气隙相对比磁导函数,分析铁心开槽对气隙磁场的影响;最后通过无齿槽时的气隙磁场与有齿槽时的气隙磁场相对比磁导函数得到有齿槽时电机的气隙磁场分布。同时给出了该种充磁结构TPMLSM气隙磁场解析计算表达式,并以1台36/12极槽配合轴向充磁TPMLSM样机进行试验。试验结果证明空载气隙磁场的有限元分析值与解析值较吻合,空载电动势(EMF)计算值、试验测试值、有限元分析值一致。     

磁极组合型无铁心永磁直驱风力发电机转子结构设计

Halbach阵列用在电机上有很多好处,但却造成成本上升,研究了一种适用于无铁心永磁直驱风力发电机的径向磁场磁极组合型Halbach阵列,阐述了该新型磁极的结构与优点。借助二维有限元分析方法,找到了利于实现Halbach阵列单边磁屏蔽能力磁极组合方式,并且优化了软磁材料的尺寸,确定了电机的极弧系数。与常规Halbach阵列相比,优化后的组合磁极型电机在保证一定气隙磁密的基础上,减少了永磁体用量,降低了电机成本。     

基于Ansoft的电力机器人永磁吸附单元有限元分析

为满足爬壁机器人在狭窄的发电机定子气隙中能可靠地运行,设计了一种基于Halbach阵列的永磁吸附单元。使用Ansoft Maxwell 软件建立二维磁场模型,采用有限元分析法对新型吸附单元的磁场进行分析,得到了其磁力线与磁感应强度的分布;通过与传统永磁吸附单元磁场的比较,得出新型吸附单元具有永磁磁能利用率高、单边磁场的特点,验证了新型吸附单元在发电机定子气隙中吸附的可靠性;并分析了结构参数的变化对吸附性能的影响,为吸附单元结构设计提供了参考数据。     

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。     

带非线性支撑的转子有限元模型求解方法

用数值方法研究了非线性支撑的柔性转子系统的动学行为,提出了一种将有限元与非线性支撑结合的模型和求解方法。利用有限元法(FEM)构建转轴和转盘部分的模型,通过矩阵进行组合;利用离散元方法对包含滚动轴承和挤压油膜阻尼器(SFD)的支撑部分进行建模,此部分包含4个单元,分别为轴承内圈、外圈、SFD内圈和支撑鼠笼。有限元部分和离散元部分通过轴端节点相连,仿真过程中轴端位移传递给非线性支撑部分,支撑部分通过位移计算得到的非线性力反过来作用于有限元转子轴端部分。为了耦合求解有限元转子和非线性支撑组成的数学模型,提出了一种综合的迭代求解方法,克服传统的有限元求解方法对轴端隐性非线性支撑的求解局限性。由于转轴部分采用了Timoshenko梁单元建模,对比与简单转子模型,可以考虑陀螺力矩和轴的柔性特征,更能体现非线性支撑对振动真实影响。在建立的20个轴单元的有限元转子模型中,非线性响应更多体现在靠近非线性支撑的节点1和节点21处,响应频谱中靠近轴端的节点能体现出滚动轴承的2倍和3倍变柔振动频率。