考虑逆变器谐波耦合的牵引传动系统机电耦合振动特性研究

作为牵引传动系统能量转换的关键部件,牵引电机在电气激励作用下会受到各种冲击载荷和周期激振力的作用,从而产生机电耦合振动,威胁牵引传动系统的可靠运行。对此,基于双惯量模型对牵引传动系统机电耦合振动特性开展研究。首先,建立牵引电机的双惯量模型,依据此模型对其固有频率进行计算,并介绍了机械传动系统的同频受迫振动模态。其次,根据逆变器的开关特性,着重分析了脉宽调制(PWM)导致的边带谐波转矩对机电耦合同频共振的影响,探索逆变器的频率耦合产生的间谐波对机电耦合系统的影响。接着,以传递函数的形式对考虑双惯量负载的牵引传动系统进行建模,从频域角度对系统机电耦合共振特性进行理论分析。最后,利用硬件在环测试对所分析结果进行验证。

高速列车齿轮传动系统机电耦合建模与振动特性分析

为研究高速列车运行过程中齿轮传动系统的振动特性,文章基于多体系动力学理论和交流电传动理论,利用Simpack和Simulink建立了高速列车齿轮传动系统机电耦合动力学模型,并开展了有、无轮轨激励下的振动特性分析,通过对比仿真与实测齿轮传动系统振动加速度时频域数据,验证了模型的准确性。对比有、无轮轨激励工况显示:无轮轨激励时振动幅值较小,在频域上以内部齿轮啮合激励频率为主;而在轮轨激励作用下随着运行速度增加,齿轮传动系统振幅急剧增大,在频域上低速段以齿轮啮频为主,高速段以车轮多边形为主。分相区内外对比显示:电机扭矩作用使齿轮传动系统振动幅值显著增大,且频域中齿轮啮频和车轮多边形主频成分更明显。研究结果表明:由于高速列车齿轮传动系统服役环境的特殊性,电机扭矩、轮轨激励对齿轮传动系统振动存在显著影响,设计时须考虑负载和激励的耦合作用。

基于X-LiNbO_(3)/SiO_(2)/Si低温漂、大机电耦合SH-SAW谐振器的设计

铌酸锂(LN)单晶薄膜具有较高的机电耦合系数(k_(eff)^(2)>30%),其水平剪切(SH)声学模式常被应用于开发具有大机电耦合系数的薄膜声学谐振器和超宽带滤波器。但LN的频率温度系数较大(TCF>-50×10^(-6)/℃),这不仅会降低滤波器的可用有效带宽,同时也会限制器件的功率处理能力。采用3D周期有限元模型对基于X切LN/SiO2/Si结构SH声表面波(SH-SAW)谐振器进行了优化研究。研究结果表明,当SH-SAW传播角ψ=-10°~-20°、LN和SiO2膜厚分别为hLN=0.1λ和hSiO_(2)=0.2λ(λ为叉指换能器周期)、铝电极金属化率η=0.4、电极相对厚度hAl/λ=5%~10%时,SH-SAW谐振器的k_(eff)^(2)约为30%,且其TCF<-20×10^(-6)/℃,有望用于开发新一代的低温漂、超宽带5G SAW滤波器。

轮毂电机驱动电动汽车机电耦合垂向动力学特性

电动车用轮毂电机受路面激励和车重的双重作用,定转子相对偏心进而产生不平衡磁拉力,其垂向分量与车辆悬架系统的垂向振动相耦合,影响电动汽车的平顺性、舒适性等性能。针对这一机电耦合问题,以一台永磁式轮毂电机为研究对象,利用磁场叠加法获得负载气隙磁密分布,引入复数相对磁导和偏心磁导修正系数,建立考虑定子开槽效应的电机偏心磁场和不平衡磁拉力解析模型,并通过有限元仿真和样机试验验证了解析模型的有效性。根据悬架系统的垂向振动与电机偏心不平衡磁拉力的实时耦合关系,利用拉格朗日法求解车辆动力学方程,建立1/4车身垂向耦合振动模型。以轮毂电机定子垂向振动加速度、车身垂向振动加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷为主要指标,研究机电耦合效应对车辆垂向动力学特性的影响,揭示不平衡磁拉力输出特性与车辆动力学响应之间的机电耦合机理。研究结果表明,机电耦合效应使电动汽车的平顺性、操稳性和安全性等性能总体下降。

基于TCNN的船舶电力推进器机电耦合故障诊断模型

电机和齿轮箱是船舶电力推进器重要的功能部件,其故障将严重影响推进器甚至整船的安全性。由于机电耦合作用的影响,当电机和齿轮箱同时发生故障时,故障信号信噪比低,故障特征存在交叉,为了诊断两者的耦合故障,提出1DCNN和2D-DCNN双分支卷积神经网络模型(TCNN),通过不同尺度的卷积核深入提取电流数据的全局特征和细节特征。在数据预处理方面,改进了二维灰度图构建方法以增强信号时间序列连续性,并在2D-DCNN通道中引入膨胀因子在不增加计算量的情况下挖掘信号中的全局信息,使用学习率指数衰减策略确保模型在迭代循环中稳定逼近最优解。试验结果表明,TCNN模型与其他模型相比具有更好的诊断性能,诊断准确率可达99.8%。同时在不同工作环境下,模型的诊断准确率都不低于98.5%,具有良好的适应性和鲁棒性。研究成果可为解决船舶电力推进器机电耦合故障的诊断问题提供新的思路和方法。

面向接触分离式摩擦发电机的机电耦合研究

因结构简单、功率密度高、可靠性好,接触-分离式摩擦发电机(Contact-separation mode triboelectric nanogenerator,CS-TENG)在环境振动能量采集领域展现出很好的发展潜力.考虑运动电极和固定电极之间的接触碰撞力,本文推导了运动电极的分段线性运动微分方程;结合CS-TENG的等效电路微分方程,建立了考虑电极间距非线性变化的机电耦合模型.利用谐波平衡法和弧长延拓技术,求解CS-TENG的动态输出特性并判断系统稳定性.采用数值积分和动态测试两种手段,验证谐波平衡结果的准确性.分别讨论激励幅值、接触刚度以及结构阻尼参数对系统动态输出特性的影响规律.结果有助于CS-TENG结构优化设计和工程实用化发展.

射频连接器装配位移的机电耦合建模及实验

射频连接器是射频和微波系统中必不可少的器件。在射频连接器装配过程中,装配位移的变化会导致接触状态变化,进而影响传输信号完整性。针对互连射频连接器的装配位移变化影响传输电性能这一问题,通过搭建射频连接器的装配位移与散射参数测量实验平台,研究装配位移对电信号的影响。基于微波网络理论分析,引入接触区域的等效电路,将接触区域等效电路转化为端口网络与射频连接器端口网络级联,构建装配位移影响下互连射频连接器的场路耦合模型。根据该模型搭建实验平台,测量射频连接器不同装配位移下的散射参数,由实验数据拟合装配位移和接触区域阻抗的映射关系,最后构建出射频连接器装配位移的机电耦合模型。通过搭建装配位移实验平台,验证了耦合模型的有效性。

混动汽车机电耦合系统效率影响因素分析及优化研究

研究了机电耦合系统传动效率主要影响因素,分析了机电耦合系统机械损耗、电控损耗和电机损耗3部分损耗的组成及影响因子,分析得出机械损耗与摩擦条件密切相关,电控损耗包括IGBT损耗和FWD损耗,二者均受开关频率影响,电机损耗与磁场强度和电流大小有关。提出通过改善摩擦条件和调整IGBT开关频率来优化机电耦合系统综合效率,开发了机电耦合系统传动效率测试台架,依托自主开发的测试台架分别测得了纯电模式下机械损耗、电控损耗和电机损耗在不同工况下的结果,分析了机械损耗、电控损耗和电机损耗随工况条件变化的规律。结果表明:采用低摩擦轴承和低黏度油品改善摩擦条件后可以有效降低机械损耗,最高效率提升了0.9%;IGBT开关频率从10 kHz调整为5 kHz,在低速段传动效率有明显提升。因此,提出了基于传动效率的IGBT开关频率动态调整策略。

基于机电耦合方程近似解的低频电磁激振器谐波控制

针对大行程低频电磁激振器非线性参数导致输出振动信号严重波形失真问题,在建立激振器机电耦合模型及等效传递函数分析基础上,对输出振动信号进行基于传递函数的初步谐波补偿控制。通过计算表征激振器非线性特性机电耦合方程对应的输出振动位移一次及二次近似解,得到在输入信号叠加的准确谐波补偿控制量,进而实现对输出信号波形失真的高精度补偿控制。仿真分析及实验测试结果表明:基于传递函数及近似解的控制方法可在整个频率范围对输出信号谐波进行有效补偿,0.1 Hz对应的加速度失真度由传递函数控制前的22.81%降低为4.5%,一次及二次近似解控制进一步降低为4.42%及1.78%,基于二次近似解的谐波控制方法具有更高的控制精度。

复杂工况条件下刮板输送机永磁半直驱系统机电耦合特性研究

提出一种由永磁同步电机和行星减速器组成的刮板输送机永磁半直驱系统。基于Adams和Matlab/Simulink搭建刮板输送机机械系统多体动力学模型和永磁半直驱控制系统模型,完成机电耦合系统的联合仿真。对刮板输送机空载、轻载和重载等多种工况进行仿真分析,得到各工况下永磁电机的输出特性和刮板输送机的动力学特性。研究结果表明:永磁半直驱系统能够实现低速大扭矩的快速输出,转速输出波动小,转矩输出具有良好的跟随性;永磁半直驱系统具有良好的启动性能和传动平稳性。刮板输送机机头转速、链环速度、链条张力在链轮多边形效应影响下呈周期性波动,受多边形效应影响链环在啮合过程中发生滑移,使得接触力呈波动变化,负载转矩和链条张力的波动随负载增大而加剧,随链轮转速增大而增大。

稳态工况下电机-齿轮系统机电耦合动态特性研究

针对由永磁同步电机和一级斜齿轮减速器组成的传动系统进行了研究。建立了永磁同步电机模型和一级斜齿轮动力学模型联合的机电耦合动力学模型。在施加恒定转速和恒定负载条件下,分析了机电耦合传动系统的电信号动态响应。通过研究,发现定子电流和电磁转矩含有反映齿轮啮合频率的信息,并且相比与电磁转矩,定子电流含有的传动系统频率信息更加丰富,这表明机械系统的频率会和电气系统中的定子电流和电磁转矩频率产生调制。证明电机的电气性能会受到机械系统特性的影响,研究结果为通过定子电流及其相关参数进行机电耦合系统的动态性能监测和故障诊断这一研究方法提供了参考,在此基础上,可以展开更深入的研究。

高性能电子装备机电耦合技术研究

本文围绕机电耦合技术的主要特征开展分析讨论,以反射面天线、有源相控阵天线作为研究对象,进一步阐述高性能电子装备机电热多场耦合建模路径与求解方法,并提出机电耦合理论的未来研究方向与发展难题,以此为机电装置的优化设计提供理论支撑与数据支持,推动制造技术的升级与创新,使高新电子装置的应用价值被充分挖掘。

工业机器人关节传动系统机电耦合仿真研究

本研究针对工业机器人关节传动系统的机电耦合问题进行了仿真研究。通过建立机电耦合模型,分析了磁参数对传动系统振动特性的影响,并验证了模型的正确性。研究结果表明,磁链参数的增大会导致系统振幅的增大和调节时间的延长,对传动系统的振动特性影响较大。通过仿真分析,可为优化传动系统设计和控制策略提供重要参考。

并联混动SUV机电耦合系统集成开发及优化

针对并联混动汽车设计一套机电耦合构型动力系统,以提高其动力性和燃油经济性。首先对混动汽车的构型进行分析,确定所选择的动力系统驱动模式为P2并联混合动力,并采用同轴式转矩耦合的机电耦合方式。然后结合原型车的相关数据,对发动机和电机进行选型,并采用基于理论计算的方法为机电耦合系统进行参数匹配。为获得最优匹配方案,结合正交试验设计方法对所设计的机电耦合系统进行集成寻优,得到一组最优机电耦合参数匹配数值。最后,对传动系参数进行了多目标优化,得到了优化后的变速器传动比。

地铁永磁直驱牵引传动与动力学机电耦合半实物仿真研究

文章以地铁永磁直驱系统为对象,具体阐述了牵引传动与动力学机电耦合半实物仿真系统的设计与实现过程,首先建立地铁永磁直驱牵引传动系统主电路的“CPU+现场可编程门阵列(FPGA)”模型,将其与车载牵引控制器(TCU)实物进行联合调试仿真,并通过对比仿真结果与地面联调试验数据进行验模,仿真结果与设计目标转矩的相对误差满足±5%的要求;然后联合车辆动力学模型,搭建牵引传动与动力学机电耦合半实物仿真平台,通过牵引传动模型对车辆动力学模型施加电机转矩,并将车辆运行速度反馈给牵引传动模型,实现牵引传动和动力学的动态协同仿真。结果表明,车辆动力学响应可反映电机转矩脉动的影响,计算结果的频率成分更加丰富,更加符合真实情况,与单学科仿真相比更加具有优势。

摆式摩擦发电机非线性机电耦合建模研究

面向摆式摩擦发电机结构优化设计需求,开展非线性机电耦合建模与参数敏感性分析,以推动其向工程实用化方向发展.在摩擦发电机理分析的基础上,构建等效电容拟合函数;结合能量原理和等效电路法,建立了考虑摆角非线性变化的机电耦合模型.利用谐波平衡法,解析求解摆式摩擦发电机的周期稳态输出,并判断结果稳定性.结合数值积分和动态测试两种手段,验证谐波平衡分析的准确性.与线性模型结果进行深入对比,并考察了不同设计参数对摆式摩擦发电机输出特性的影响.考虑非线性效应,模型预估的工作带宽显著增加(相对增量83%).文章提出的机电耦合模型能够有效避免线性模型对工作带宽的低估问题,显著提升输出性能估计的准确性;增加激励幅值、降低系统阻尼或减小电极夹角,均有助于提升摆式摩擦发电机的输出表现;在实际设计时,需综合考虑间隙长度和摩擦力幅值,以使摆式摩擦发电机输出表现处于较优状态;构建多种拟合模型用于表征设计参数与输出性能的关系,可作为摆式摩擦发电机输出性能设计的依据.

电动客车驱动系统机电耦合有限元建模及其响应

电动客车在服役过程中,受到电磁因素与机械因素的共同作用易出现驱动系统不寻常的扭转共振,容易导致齿轮等零部件失效。为探明原因从而解决这一问题,本文尝试从一种新的角度出发,综合考虑电池供电电路、电机电磁力及变速器等整个传动系统中轴的扭转弹性变形之间的机电耦合作用。运用麦克斯韦-拉格朗日方程与有限单元法,分别建立电池-电机子系统动态模型与机械传动系统动态模型,并在此基础上建立电动客车驱动系统的电磁非线性动态方程,再运用Newmark法对整体模型进行数值求解,给出了系统中几个关键节点的时域响应和频域响应。分析结果表明:在电机与变速器连接处的扭振现象较为严重,由于电流输入的不稳定性使得速度与加速度出现异常波动,系统出现频率为22、51、142 Hz的主共振、超谐波共振和亚谐波共振现象。本文可为进一步分析电动客车电传动系统的振动机理提供一种新的理论模型,为解决电动客车驱动系统零件失效的问题提供助力。

OCT内窥镜驱动控制用微型压电马达的机电耦合动力学特性研究

针对光学相干成像技术(optical coherence tomography,OCT)内窥镜驱动控制应用要求,开发设计了直径1 mm、长度5 mm的微型压电马达。利用铁木辛柯梁模型和模态求和法推导马达定子在外部激励电压下的动态响应,结合Hamilton能量变分原理计算得到定子表面质点的模态振动位移和椭圆运动轨迹;进一步利用定转子接触模型和转子力矩平衡原理建立了微型马达的整体机电耦合动力学模型,仿真分析了不同参数对马达力矩-转速,力矩-效率以及负载特性等的影响。试验结果表明,当施加幅值30 V,频率21 kHz的激励电压时,马达转速随负载增加而减小,空载最大转速和力矩分别为400 r/min和2.4 mN·m,满足OCT内窥镜驱动控制应用要求。

星载薄膜反射阵天线机电耦合模型及其应用

薄膜反射阵天线面密度低、收纳比高、电设计自由度高,在实现星载天线“高增益”、“轻巧化”的要求上有巨大的优势。但目前还没有在轨使用的大口径薄膜反射阵天线,主要是因为薄膜在空间热环境、光场、电磁波辐射、粒子辐照、重力梯度等多物理场中容易产生大变形与振动,严重影响天线的电性能。为验证大口径薄膜反射阵天线在空间大规模运用的可行性,建立了薄膜反射阵天线的机电耦合模型,研究了反射阵单元误差和馈源误差对天线电性能的影响,分析了薄膜反射阵天线形变与振动对增益和副瓣电平的影响,为薄膜反射阵天线的在轨误差分析提供参考。

机电耦合对采煤机截割部扭矩轴负载的影响

扭矩轴是采煤机截割部的关键零件,具有缓冲和保护电机的作用,但在有些采煤机过载的情况下,扭矩轴未能及时破断,导致采煤机损坏。为了研究机电耦合对扭矩轴负载的影响,结合ANSYS和Adams建立了以扭矩轴为柔性体的截割部刚柔耦合模型,在SIMULINK中构建了截割电机模型和截割部机电耦合模型,利用LS-DYNA得到了滚筒截割煤体的负载,进行了动力学仿真,得到了考虑和不考虑机电耦合条件下扭矩轴负载的变化规律,为研究保护采煤机截割电机提供了参考。