大气隙外笼型转子磁力耦合器设计及性能研究

采用Halbach单侧聚磁特性,设计出了一种大气隙外笼型转子磁力耦合器(Long Air Gap External-cage Rotor Magnetic Coupler,LAEMC),并分析了其运行特性、调速特性及散热特性,推导出LAEMC电磁转矩解析表达式,据此分析了结构参数对电磁转矩的影响,得出了不同磁化比的Halbach结构对LAEMC电磁转矩的影响规律;根据LAEMC的运行特性,分析了其在离心式负载、恒功率负载及恒转矩负载的调速特性,表明其仅适合离心式负载调速并具有良好的节能效果;在离心式负载转差率为33%处的最大功率损耗点对LAEMC进行热仿真计算,得到永磁体工作温度约为60℃,而通过气隙与之相隔的笼条温度约为360℃,两者温度差达300℃以上,表明所提出的大气隙外笼型转子磁力耦合器———LAEMC在离心式负载上既具有良好的运行特性也具有良好的隔热效果。

双调制式轴向永磁齿轮电动机气隙磁场与转矩计算

针对轴向永磁齿轮电动机(Axial Magnetic Gear Motor,AMGM)整体尺寸偏大导致的转矩密度偏低(≤70 kN·m/m^(3))等缺陷,提出了一种双调制式轴向永磁齿轮电动机(Dual-modulation Axial Magnetic Gear Motor,DAMGM)。采用高速侧及低速侧两个调磁环对DAMGM低速转子进行调制,且两个调磁环中的非导磁部分均为永磁体,有效提高了低速转子的输出转矩;另外,与现有AMGM相比,将驱动电动机置于DAMGM高速永磁转子内部,减小了整体轴向尺寸,大幅提高了低速转子的转矩密度(150 kN·m/m^(3))。针对现有3D有限元计算时间长、计算机资源浪费严重等问题,给出一种基于圆柱坐标系的DAMGM三维分析方法。根据调磁环的3种边界条件,建立了调制后DAMGM气隙磁场及电磁转矩的数理模型,不仅计算结果准确(与3D有限元相比,平均计算误差≤5%),而且计算时间短(仅为3D有限元的1/10),便于DAMGM不同参数结构的分析、比较与优化。

异步电机永磁悬浮轴承结构设计与动力学计算

为保证异步电机转子在永磁悬浮状态下仅有微摩擦特性,必须保证永磁轴承具有稳定的高势能状态。采用一个机械调心滚子轴承限定其转子轴向位移。基于气隙磁导及等效磁荷法计算出转子所受不平衡磁拉力,并给出永磁轴承定转子气隙、转子偏移、永磁轴承环数划分、气隙位置与径向刚度之间的关系,对上述参数进行优化以获得永磁轴承的最佳径向刚度,使永磁轴承能有效平衡电机转子所受的不平衡磁拉力。通过对转子涡动轨迹及临界转速进行分析,验证了异步电机永磁轴承悬浮结构可实现微摩擦悬浮。

永磁齿轮增速传动系统研究

基于磁场调制式永磁齿轮运行原理,提出了一种新型磁力增速齿轮传动系统,即将多个高转矩密度的磁场调制式永磁齿轮级联起来,使其成为具有过载保护、隔离冲击与振动且无须润滑等优点的高转矩密度的增速传动系统。通过有限元法详细分析了永磁齿轮增速传动系统中各组成部分的损耗产生机理及影响因素,并通过控制变量法对连接模块永磁齿轮的内外永磁体、调磁环、外转子轭铁等结构进行优化,使得整个增速系统效率提高至91.1%。

地铁车辆逆变系统共模传导干扰全电路模型分析

为了预测地铁车辆逆变系统中开关器件高速动作产生的共模传导干扰,以额定功率190 kW逆变器构成的地铁车辆逆变系统作为研究对象,首先对其干扰源和干扰路径进行分析,通过Ansys Q3D软件及阻抗分析仪提取地铁车辆逆变系统共模传导干扰路径各组成部件的高频参数;其次搭建地铁车辆逆变系统共模传导干扰全电路模型,通过Ansys Simplorer软件对地铁车辆逆变系统共模传导干扰全电路模型进行仿真分析;最后将仿真预测结果与现场测试结果进行比对,在150 kHz~3 MHz频率范围内仿真预测结果与现场测试结果基本吻合,在3~30 MHz频率范围内由于并网试验、台架布线、测试传感器转移阻抗等因素的影响,仿真预测结果与现场测试结果出现大约8 dB的误差,由此证明所设计的全电路模型建模及分析的正确性。

三轴环板式永磁齿轮气隙磁场及转矩计算

利用标量磁位法获得了三轴环板式永磁齿轮(Triple-shaft Ring-plate Magnet Gear,TRMG)的气隙磁场数理模型,根据磁场叠加原理建立了内、外永磁圈间气隙磁场及其相应的电磁转矩模型;由于所有计算均基于TRMG的平面磁场建立,因此,所建模型与二维有限元结果间具有较高的准确度(误差≤5%);其计算速度远快于三维有限元法,且与二维及三维有限元分析具有较好的吻合度与趋势性,验证了所建模型的准确性,可适用于三轴以上的多轴环板式永磁齿轮的磁场分析与结构动力学计算。

笼型异步磁力耦合器机械特性与试验

为有效解决目前机械传动系统中选用电机时功率裕度过大而普遍存在的能源利用效率较低问题,提出一种基于三相异步电机鼠笼转子的异步磁力耦合器(squirrel cage asynchronous magnetic coupler,SCAMC)。结合SCAMC具体结构特点,采用标量磁位法及二维场边界条件,建立气隙磁场数理模型;在气隙磁通密度中引入时间变量,推导出感生电流随时间变化的表达式;基于电流叠加性,将笼条电流折算到转子表面,并沿圆周方向对感生电流所形成的洛伦兹力进行积分,建立了SCAMC的电磁转矩模型。基于上述理论及技术基础,设计并制造出一台37 k W SCAMC样机,并对其机械特性进行理论计算、仿真验证及试验测试。结果表明:转差率相同时,所得的仿真及试验数据与理论计算值相比,误差不超过5%;SCAMC与同容量的三相异步电机相比,线性工作区更宽,过载能力更强,但其机械特性偏软,可有效缓解负载对电机的冲击。该研究可为磁力耦合器在大惯量、难启动及经常性过载机械设备中的应用提供参考。

调制式永磁齿轮气隙磁场及转矩分析计算

针对有限元法(Finite element method,FEM)计算调制式永磁齿轮的气隙磁场及转矩时,计算机资源占用率过高且结构参数优化周期较长等缺点,采用'场'、'路'结合的分析方法,建立适于计算机建模的气隙磁场及转矩的数学解析模型。根据恒定磁场中的标量磁位理论,通过求解不同边界条件下的微分方程,获得调制式永磁齿轮中高速永磁圈在无调磁环状况下的气隙磁场数理模型;将引入调磁环后所产生的调制效应表示为等效磁路中的气隙磁导,进而获得调制函数,并以此建立高速永磁圈在有调磁环状况下的气隙磁场数理模型;再将低速永磁圈中的永磁体等效为电流模型,并根据电流在磁场中所受的洛仑兹力进行转矩建模。经算例计算表明,所建模型与FEM计算精度相当,但速度更快,且适于计算机程序化,易于实现调制式永磁齿轮的结构参数分析与优化。

数控车床虚拟制造环境技术研究

提出数控车削特征参数化造型方法 ,实现含整个数控车削加工环境的全景仿真。基于切屑形成的几何形状及位置建立屑型判别式。基于屑型单体造型特征 ,利用特征体参数化方法实现加工过程切屑仿真。提出“三瞬心”成形法及“误差集聚法”,可模拟车削加工实际成形过程 ,预测加工误差趋势 。

车削加工屑型建模与仿真技术研究

提出切屑横向卷曲量化方法并建立数理模型 ,可实现切屑三维几何造型 .根据金属切削加工切屑形成机理及变形规律 ,建立屑型判别式 ;利用特征造型技术实现各类切屑特征造型 ;可动态模拟金属实际切削过程中切屑流的形成、卷曲及折断过程 ,为切屑仿真提供图形可视化支持 .

磁场调制式永磁齿轮结构参数与转矩关系

针对磁场调制式永磁齿轮内部结构复杂、磁路计算时参数众多、结构设计时各项参数选择难度较大等问题,在原理分析的基础上,建立了适于Ansoft分析的仿真模型,并对其结构参数进行了仿真与优化。详细分析了传动比固定时机构各参数与所传递转矩的关系及变化规律,并基于单个参数的优化基础,对该机构传动参数进行了综合优化。

车削加工物理仿真实现技术

提出误差集聚法 ,可建立多误差因素共同作用下的切削加工数学模型 ,使之纳入机床加工过程的几何与物理误差。提出车削加工切点法 ,可应用于其它类型机床的切削加工物理仿真。根据误差敏感方向 ,将三维误差简化为二维平面误差。在车削加工工件尺寸及形状皆连续动态变化时 ,应用有限元方法准确计算出工艺系统因弹性变形所引起的误差。给出的误差综合模型 ,既适合车削加工误差的分析与控制 。

同心式永磁齿轮启动特性建模与分析

采用转子动力学原理对同心式永磁齿轮(CPMG)的启动特性进行数理建模,分析了CPMG传动比、启动位置及从动转子输出转速对启动特性的影响。基于瞬态有限元方法,建立了3种尺寸相同、传动比不同的CPMG有限元模型,分析了不同传动比下的启动特性,当传动比含有0.75时,启动特性最佳。基于动量矩定理,给出了从动转子启动位置对启动特性的影响关系,当输出转矩等于负载转矩时为最佳启动位置。通过计算作用在从动转子上转矩的交变周期,得出了从动转子输出转速与输出转矩交变周期之间的关系,当从动转子输出转速较大时,输出转矩的交变周期也较大,此时CPMG较易启动。

液气射流泵喉嘴距数值模拟及其最优范围确定

基于Fluent软件在不同流量比及不同喉嘴距下对液气射流泵进行了三维数值模拟,获得了液气射流泵的压力比和效率的仿真结果,并对不同工况下液气射流泵的性能曲线和效率曲线进行分析比较。结果表明:当喉嘴距不变时,随着流量比的增加,压力比逐渐减小;当流量比不变时,随着喉嘴距的增加,液气射流泵的效率先增加然后迅速减小,当喉嘴距为1.5倍喷嘴直径时,液气射流泵的效率最高;以效率最高点下降5%为标准,确定了液气射流泵最优喉嘴距范围为1.0～1.7倍喷嘴直径。

磁力耦合器调速机构研究

设计出了一种适用于磁力耦合器调速的机构模型,分析了其自由度,以符合要求的永磁转子位移、速度和加速度作为输入量,反求出主动件应满足的位移、速度和加速度规律.首先采用解析法中的复数矢量法建立数学模型,通过Matlab编程对机构的运动学特性进行分析,得到主动件应当满足的位移、速度和加速度曲线;然后基于Adams仿真软件对所获得的运行特性进行了辅助分析与验证;最后对两种方法求解结果进行了比较,表明本文所建模型的正确性.

永磁式异步磁力耦合器漏磁系数计算

针对磁路法、有限元法及磁力线闭合回路法计算永磁式异步磁力耦合器(Permanent Magnetic AsynchronousCoupling,PMAC)漏磁系数的各种缺陷,将积分法与区域划分法相结合,对PMAC进行漏磁系数分析与计算。按PMAC永磁体的漏磁通路径对其进行几何图形划分与归纳,并按几何图形所形成的积分路径建立漏磁导数理模型,保证了漏磁系数计算的完整性及通用性。所提出的方法适于计算机编程,可对PMAC的励磁系统进行结构参数分析与优化。

笼型切向式磁力耦合器永磁体尺寸折算及机械特性验证

针对笼型切向式磁力耦合器设计中永磁体宽度与其充磁长度的比值过大,使永磁体径向及轴向磁性能的不均匀度和制造难度增加等缺点,基于磁能积恒定原理,提出永磁体宽度与其充磁方向尺寸的折算方法。以齿槽因数最小为目标,确定笼型切向式磁力耦合器的永磁体磁极对数。利用Maxwell二维场分析理论及其边界条件,结合Ansoft仿真环境对永磁体尺寸折算前后的磁密云图进行对比分析,并通过仿真得到机械特性曲线,验证该方法的有效性及可靠性。通过进一步分析笼型切向式磁力耦合器的电流曲线及瞬时电流云图,证明了其与电励磁异步电动机运行机理一致。

数控加工网络化DNC通讯系统

DNC技术是企业实现CAD/CAPP/CAM一体化桥梁,也是信息化技术递进至企业车间级的重要通道。文章给出适于目前国内企业数控机床的硬件联网方案,基于Windows多线程技术,利用VC++语言开发出数控加工网络化DNC通讯系统,该系统包括串口监视模块、数据接收发送模块及主线程模块等,可用一台计算机同时与多达256台具有RS232串口的数控机床进行实时数据通信,并实现数控代码的远程传输与接收,为企业网络化制造、高自动化生产奠定良好底层技术基础。系统已在企业成功应用并取得良好效果。

磁场调制式永磁齿轮Halbach充磁与平行充磁分析比较

为了提高磁场调制式永磁齿轮(Field Modulated Permanent Magnetic Gears,FMPMG)的气隙磁密及传动转矩,基于某一具体结构的FMPMG,应用Ansoft14对其Halbach及平行充磁方式进行了分析比较,研究了永磁体厚度、转角差、轭铁厚度对气隙磁密及传动转矩的影响,结果表明:Halbach所形成的气隙磁密较平行充磁更具有正弦性;与平行充磁相比,Halbach气隙磁密的厚度极值点明显高于平行充磁;另外,Halbach特有的单边效应,使其对轭铁厚度的要求不高,可减小或取消轭铁结构以降低FMPMG的转动惯量,为大功率高性能的FMPMG实用化奠定基础。

基于光线跟踪的虚拟数控车削加工图形生成技术

采用光线跟踪算法实现高真感数控车削加工的图形生成，并以离线方式实现其加工过程仿真。在仿真过程中简化了Ｔｏｒａｎｃｅ－Ｓｐａｒｏｗ光照模型；利用特征造型技术避免了繁复的布尔运算。根据凸多面体的约束条件及凸多面体裁剪的Ｃｙｒｕｓ－Ｂｅｃｋ算法，设计出射线与长方体求交的高效算法，该算法不仅执行效率高，而且还可类推至光线与任意凸多面体的求交与测试计算。