基于磁心与线圈参数优化的非侵入式磁场取能系统功率密度提升方法

非侵入式磁场取能系统具有结构简单、供电稳定等优点,是解决变电站母排环境中状态监测传感器电池供电寿命有限的有效手段,但因功率密度较低制约了其应用。对于非侵入式磁场取能系统,磁心与线圈参数对其功率密度的影响非常显著。然而,现有方法对磁心与线圈参数的分析相对独立,优化磁心时仅以互感为指标,忽略了该过程线圈参数变化对功率密度的影响。对此,该文考虑磁心尺寸对线圈参数的影响,以功率密度为指标,详细分析线圈匝数、线圈线径、磁柱侧面边长与叠片厚度对系统功率密度的影响。并在此基础上,提出一种优化磁心与线圈参数的功率密度提升方法,即设计线圈匝数、线圈线径、磁柱侧面边长与叠片厚度的最优值,以获取更高的功率密度。最后,基于所提出的方法制作了系统样机并进行测试。实验结果表明,对于限定磁心尺寸为30 mm×30 mm×40 mm的系统,在100 A母排电流下,系统经磁心与线圈优化后功率密度可达4.18 mW/cm~3,提升至系统优化前功率密度的35倍,验证了所提出方法提升功率密度的有效性。

采用大芯片的高功率密度SiC功率模块设计

碳化硅SiC(silicon carbide)器件具备耐高压、低损耗和高热导率等优势,对电动汽车行业发展具有重要意义。提出一种利用大芯片封装的SiC MOSFET功率模块设计,并开展实验分析模块的电气性能;搭建仿真对仅有电特性与电特性和温度负反馈结合这2种情况下模块温度进行对比研究。仿真结果表明,在相同工作条件下,采用大芯片封装设计的SiC MOSFET功率模块导通电流能力更强,温度变化更小,电气性能有所提升。

高温高功率密度永磁伺服电机电磁热耦合设计

介绍了一种适应高温、高功率密度永磁伺服电机热设计方法。通过国内外技术发展现状分析,结合高温环境应用,分析永磁交流伺服驱动电机在适应高温、高功率密度方面的电磁、热设计技术难点,通过提升永磁交流伺服电机电磁、热联合设计方法,提升高功率密度永磁伺服电机的高温适应性。

兆声功率密度对同轴兆声辅助喷射电沉积镍的影响

[目的]金属微器件在电沉积过程中往往会产生较大的残余应力,对微器件的尺寸精度、力学性能和良率产生不利影响。[方法]为降低镀层的残余应力,在喷射电沉积镍过程中施加同轴兆声辅助。研究了兆声功率密度对Ni镀层形貌、表面粗糙度、显微硬度和残余应力的影响。[结果]施加同轴兆声辅助后,所得Ni镀层的宏观和微观形貌都有所变差,表面粗糙度略微增大,显微硬度变化不大,但残余应力显著降低。当兆声功率密度为10 W/cm2时,Ni镀层的残余应力最低,比无兆声辅助时所得Ni镀层低了37.75%。[结论]在电沉积过程中施加兆声辅助能够有效降低镀层的残余应力。

高速高功率密度无轴承永磁薄片电机设计与优化

传统无轴承电机在高速和高功率密度之间难以取得平衡,为此围绕高速高功率密度无轴承永磁薄片电机,对其拓扑结构、绕组形式、主要尺寸等方面进行优化设计,在保证转速和功率密度的基础上有效地提升悬浮性能。通过对运行工况的分析,得出电机拓扑结构需具备的基本特点,提出一种采用环形集成绕组的表贴式无轴承永磁薄片电机。在兼顾转矩和悬浮力输出性能、机械防护可靠性的基础上,对电机的电磁气隙长度和永磁体参数等主要尺寸进行优化设计。针对电机饱和、绕组端部伸出等不利因素,分别采取了超前角弱磁、定子略长的性能提升策略,有效地避免了悬浮力的大幅度跌落。搭建20 000 r/min的无轴承永磁薄片电机有限元仿真模型并制造实物样机。通过对电磁转矩和主、被动悬浮力的分析,证明了本文设计的无轴承永磁薄片电机兼具良好的转矩与悬浮力输出性能,单位幅值电流产生的电磁转矩、主动悬浮力分别为0.166 N·m、4.4 N,电机输出功率10 kW、功率密度5.2 kW/kg。

应急排水抢险车高功率密度便携式潜水电泵的研发及应用

随着我国各大城市内涝频发和洪涝灾害日益严重,应急供排水抢险装备的重要性日益凸显。为满足这一需求,总结了应急排水抢险车及高功率密度潜水电泵技术发展现状,并研发出一种新型大流量潜水电泵,采用永磁同步电机驱动,具有高功率密度、大排量、轻巧便携的特点。为了提高潜水电泵的综合性能,采用数值模拟和试验验证相结合的方法,对潜水电泵内部流动特性进行分析。计算模型为SST k-ω湍流模型,重点选取了0.6Q、0.8Q、0.9Q、1.0Q、1.1Q和1.2Q工况;选取具有代表性的速度分布云图,对比分析不同流量下泵内部流动结构及其变化规律;提取叶轮叶片与导叶叶片的叶片压力载荷曲线。装备了高功率密度便携式潜水电泵的应急排水抢险车具有广阔的应用前景,顺应了应急排水行业发展趋势。本文的研究有助于提升潜水电泵的水动力性能,从而提高防灾救灾能力。

基于威布尔分布的风功率密度计算方法比较

[目的]风功率密度是风资源评估重要参数之一,准确地计算风功率密度有赖于风频威布尔分布拟合的准确性,对它进行正确地分析和评估有助于降低投资风险和提高投资决策的可靠性。针对目前风资源评估缺少威布尔分布拟合准确性方面的研究,文章旨通过研究比较那种威布尔分布拟合具有较高的精度,从而提高风资源评估的准确性。[方法]对目前国内外采用的5种威布尔模拟风频分布的方法进行研究,引入决定系数来确定威布尔模拟的准确度,比较威布尔函数计算风功率密度与实测数据计算风功率密度绝对误差和相对误差大小。[结果]结果表明:能量因子法EPF和最大似然法MLE模拟出来的威布尔拟合决定系数高于其他方法,包括经验法(EPJ和EPL)和最小二乘法(LLSA)。用这两种方法所得的参数计算风功率密度,与实测数据计算所得的风功率密度相比较,其绝对误差和相对误差也小于其他3种方法。[结论]研究结果可为风资源评估时选择何种威布尔方法计算风功率密度提供参考依据,客观地反应风电场风资源情况,提高风资源评估的准确性。

一种高功率密度伺服电机在重载工业机器人中的应用

研究了一种重载工业机器人用高速高功率密度伺服电机,通过短铁心设计实现了额定速度提高近一倍、功率密度提高14%,通过铁心低磁导梯度设计实现了更高的电感线性度,满足了重载机器人伺服电机的高速高电流可控性的要求。定子拼块和环氧灌封等工艺有效控制了损耗和散热,确保电机可以在高温条件下长期可靠运行。

多电飞机中高效高功率密度伺服控制器设计

高效、高功率密度和高功重比是飞机电力作动系统伺服控制器的发展趋势。分析了限制伺服控制器功率密度提升的关键因素,从功率器件、母线电容和机械结构展开研究。采用分立SiC器件多管并联方案,通过权衡效率和功率密度设计功率器件的并联数量;建立电容电流应力、电压纹波与电容的数学关系,给出了最小体积的电容设计方案;采用立体式板卡和双面贴装散热设计了紧凑型机械结构来提升功率密度。最后设计出功率50 kW、功率密度11 kW/L的样机。

基于Fluent的高功率密度SEA热仿真设计与优化

在串联弹性执行器(SEA)的电动机长时间的工作状态下,线圈的电阻会发热的同时电流在铁芯里面产生涡流而发热,若不及时散发热量,则温度很快会超出使用范围损坏线圈的绝缘,从而导致电动机损坏,为了解决这一问题,对SEA进行水冷结构的设计。通过电动机温升计算以及Fluent热仿真分析确定出水道的形状、个数和最佳循环水速;同时用Workbench对SEA重要部件进行轻量化分析和设计,进而实现提高SEA功率密度目的,该设计可以满足实际应用。

一种高功率密度集成的实现浪涌抑制的功率因数校正电路

单相功率因数校正器在需要实现高功率因数、低电流谐波的场合得到了广泛的应用,但是为了提升电路可靠性,需配置浪涌抑制电路,增加了系统体积和质量,在需要高功率密度场景中应用困难。本文设计了一种集成恒流充电浪涌抑制的断续模式功率因数校正电路,实现了高度的集成化,并通过数字控制器集成浪涌抑制算法实现逻辑控制,可省略外接复杂的浪涌抑制电路,极大地降低了电路体积和质量。分析断续模式的交错升压型功率因数校正电路在高功率密度应用场合的优势;阐述变占空比控制的工作机理和优势;最后,搭建了输出功率1 000 W的实验电路,验证设计的有效性。

铜基板面积、焊锡和导电铜箔厚度对高功率密度LED极限光电性能的影响

高功率密度LED器件能实现传统光源和普通LED器件无法实现的诸多功能,将半导体照明技术链推向了一个崭新的高度。在实际应用中,单颗LED器件需要在数百瓦及近100 A电流下工作,铜基板面积、焊锡和导电铜箔厚度均会对该类型LED器件的极限光电性能这一关键指标产生显著影响。本文将单颗极限电功率为300 W和200 W的两种规格的LED蓝光和白光器件,分5μm、100μm和200μm三个焊锡厚度,分别贴片焊接在直径为20 mm、25 mm和32 mm三种不同面积的热电分离铜凸台基板上,测试了当散热器温度分别为25℃、50℃、75℃和100℃时蓝光LED器件光功率、白光LED光通量及其灯板导线焊点间的电压随电流的变化。同时,还研究了铜基板的导电铜箔厚度分别为70μm和140μm时,极限电功率为150 W的蓝光LED器件的I-L特性和I-V特性,并对其极限发光进行了研究。研究结果表明,焊锡厚度、铜基板面积和导电铜箔厚度均会对LED的极限发光强度和工作电压产生明显影响;减小焊锡厚度和增加铜基板面积能显著提高高功率LED器件的极限光强,P110和T90两种规格蓝光LED器件极限光功率的提升幅度高达16%和19%,白光器件极限光通量的提升幅度均高达15%左右;当铜箔厚度由70μm增加到140μm、散热器温度为25℃时,P70蓝光LED的极限光功率提升幅度为9.2%,50℃和75℃时极限光功率提升幅度为12.9%,100℃时极限光功率提升幅度为16.4%。

高功率密度高动态性能毫米波固态发射组件研究

随着雷达发射技术的发展,发射组件小型化、高功率密度化、高动态性能化成为研究的热点与难点。为提升发射组件的功率密度,基于氮化镓(GaN)器件与波导空间合成技术提出一种堆叠式发射组件设计方案,实现波导功分合成网络与组件盒体的一体化集成,同时将多路功放模块堆叠至功分合成网络之上实现组件的高功率密度小型化设计;为提升发射组件的效率,优化其脉冲负载条件下的动态性能,供电单元采用分布式结构,以“半桥LLC+双同步Buck”为主功率拓扑,半桥LLC与同步整流技术的应用实现组件成本的降低与效率的提升,创新性引入状态轨迹控制策略(OTC),在负载突变时,通过采集半桥LLC谐振槽电感电流、谐振电容电压与输出电压实现主拓扑的变频控制,从而优化发射组件的动态性能。以Ka波段200 W固态发射组件为例开展设计,实测结果表明,组件峰值功率达到213 W,平坦度达到±0.2 dB,输出杂散≤-59 dBc,在某频段组件综合效率最大为19.9%,提升了约2.1%,功率密度相比于同波段组件提升了17.98%,达到1 458 W/in3,组件脉冲负载切换动态调整时间提升了19.2%左右,具有明显的优势。

微型高功率密度无刷电动机设计分析

针对微型高功率密度无刷电机,从极槽配合选择、提高仿真计算结果准确性方面对其进行分析,并设计一款产品进行加工生产及试验,验证了设计方法是合理有效的。

小体积高功率密度截割臂温升特性研究

介绍了目前功率密度最大的薄煤层采煤机截割臂。详细分析了截割臂传动系统产热机理,明确了传动系统热量来源。建立了截割臂温度场仿真模型,明确了三轴位置温度最高,其次为一轴位置,通过精准布置冷却装置,有效控制了截割臂温升。截割臂加载试验满足检验要求,为小体积高功率密度截割臂可靠运行提供了保障。

高功率密度采煤机摇臂冷却系统的研究与应用

为解决高功率密度采煤机摇臂散热能力不足的问题,通过分析摇臂传动系统功率损耗和冷却系统散热量之间的理论关系,推导出在热平衡状态下的摇臂冷却系统所需承担的散热量;提出摇臂分布式冷却方法,通过冷却器分布式布置提高摇臂散热效果。在试验台上进行摇臂负载试验,验证了摇臂分布式冷却系统在实际应用中的可行性。

高功率密度DC/DC电源模块结构设计与封装

高效率、高功率密度是DC/DC电源模块永恒的发展趋势。以一种封装尺寸为38.72 mm×22.80 mm×7.21 mm、输出功率为320 W的DC/DC模块电源为研制对象,从结构设计、热设计、封装工艺等方面进行了系统的研究。DC/DC电源模块采用“夹心”工艺结构,以高导热塑封工艺封装,工作温度范围为-55~125℃,可靠性满足航空航天领域高可靠要求。

瞬态线功率密度对PCI裕量影响研究

当堆芯发生II类瞬态导致燃料棒局部功率快速增加时,由于芯块热膨胀导致包壳应力和应变快速增加,PCI失效风险增大。本文通过研究燃料棒在不同II类瞬态线功率密度下PCI裕量的变化,从而确定了II类瞬态线功率密度对PCI裕量的影响规律,为后续通过修改瞬态保护定值,避免发生PCI失效奠定了基础。

高功率密度风冷稀土永磁电机磁路与冷却结构优化设计

文章基于高功率密度风冷稀土永磁电机在注塑及设备节能改造领域的应用背景,以内置式永磁电机磁路及冷却结构模型为基础,对原电机方案进行定转子磁路及冷却结构的参数优化。通过有限元仿真对优化方案进行电磁及热仿真分析,并通过样机实验对比验证改善方案可行性,实现电机功率密度提升至1.14倍。

高功率密度电动机为橡胶制造商带来新机遇

从混炼到挤出、压延、裁切等,电动机在橡胶制造的几乎每一步都至关重要。随着电动机技术在过去十年中迅速发展,最新一代高功率密度电动机克服了旧型号的许多局限性,在尺寸、精度和其他关键方面具有优势;因此,可使橡胶制造商在生产效率方面具有竞争优势。