基于田口法的星-三角FSPMM电磁性能优化研究

目的分数槽永磁电机(fractional slot permanent magnet machine,FSPMM)因其体积小、功率密度高、质量轻等优点在新能源发电和电动汽车等领域得到了越来越广泛的应用。为了进一步提高FSPMM的电磁性能,方法首先,基于两种不同电枢绕组结构的内置“V”字形的FSPMM,即10极12槽双层星(Y)形连接绕组和10极12槽四层星-三角(Y-Δ)连接绕组,建立两者的二维电机有限元分析模型;其次,综合分析FSPMM在不同绕组结构和不同转子参数下的空载性能、转矩性能、效率的变化规律,结果表明,采用四层Y-Δ接法的FSPMM电磁性能明显优于双层Y形接法的;最后,针对电机参数较多且耦合严重的特点,采用田口法,以转矩波动、齿槽转矩、效率、空载气隙磁密畸变率为优化目标,以永磁体厚度、转子轭部高、槽口宽度、气隙长度、相同磁极隔磁桥宽、相邻磁极隔磁桥宽为优化因子,进一步优化四层Y-Δ接法的FSPMM转子参数,通过分析优化目标的平均值和方差,得到最优的转子参数,并采用有限元法验证田口法在内置式FSPMM优化设计中的有效性。结果研究结果表明,优化后转矩波动降低了20.24%,电磁转矩增加了5.85%,气隙磁密畸变率减少了10.52%,齿槽转矩减少了15.52%,电机本体效率可达到95.54%。结论优化后电机的电磁性能均得到显著提升,验证了田口法在内置式FSPMM中优化设计的有效性。

基于田口法的平面曲折槽优化方法

为了解决传统曲折槽机构在设计阶段的低效性和局限性问题,通过探索不同设计参数对平面曲折槽的质量块位移影响规律,提出一种基于田口法的优化设计方法。采用田口法对影响平面曲折槽质量块的最大位移的5个参数(曲折槽宽度、曲折槽倾角、曲折槽每段长度、锚槽交错间隙和锚槽间隙)在4个水平下进行分析,构建五因素四水平的正交表进行试验分析。通过基于有限元方法的仿真计算,针对不同的尺寸参数组合获得对应的质量块最大位移。利用信噪比分析和方差分析筛选出影响输出响应的重要因子,综合分析得到最佳的设计参数组合,并对优化得到的参数组合进行有限元仿真,在仿真结果中,优化方案的质量块最大位移从1 331μm提高至1 948μm,提升了46.35%。对优化方案的平面曲折槽进行加工,样件试验结果表明质量块最大位移在发射载荷下低于1 800μm,且在勤务载荷下低于1 000μm,达到设计要求,为MEMS平面曲折槽机构的优化设计提供了理论和实验指导。

基于田口法与CFD的新型除砂装置中冲砂喷嘴性能优化

由于吐哈油田的许多油气井相继进入到成产后期,因此井内出砂已逐渐成为影响产量的主控因素之一。为了提高中后期井的生产效率,减少砂埋产层风险以及实现降本增效,提出一种新型除砂装置。通过充分分析装置的工作原理后,发现此装置可同时实现对井底砂粒或砂层的冲击与携带。由于冲砂喷嘴的结构与具体尺寸对装置整体性能(冲砂深度)影响较大,因此对冲砂喷嘴的结构进行优选。利用田口方法与CFD(数值模拟)共同对冲砂喷嘴的结构尺寸进行优化。定义冲砂深度为试验指标,出口直径、出口圆柱段长径比以及喷嘴收缩角等为控制因子,分别进行分组试验,并利用信噪比与方差分析方法对试验结果进行研究。结果表明:当冲砂喷嘴的出口直径为8 mm、入口直径为16 mm、收缩角为15°、出口圆柱段长度为20 mm、入口圆柱段长度为32 mm时,冲砂喷嘴的性能最好,并且其最远冲砂深度可以达到0.594 m。与优化前的喷嘴对比,优化后的喷嘴冲砂能力提高了31.3%。

基于田口法的离心铸造TiAl合金环形件组织调控工艺参数优化

为了获得TiAl合金环形件离心铸造过程中离心转速、浇注温度、浇注速度和模具预热温度对TiAl合金铸环凝固组织的影响规律,通过数值仿真和田口法,并利用晶粒尺寸和缩孔率的信噪比结果作为衡量铸件质量的指标,从而优化离心铸造工艺参数。试验结果表明:各工艺参数对晶粒尺寸影响因素大小依次为浇注速度、浇注温度、离心转速、铸型预热温度。各工艺参数对缩孔率影响因素大小则依次为浇注速度、离心转速、浇注温度、铸型预热温度。以晶粒细化程度最大、缩孔率最小作为优化目标时,最优工艺参数为离心转速600 r/min、浇注温度1620℃、浇注速度200 mm/s和型壳预热温度150℃。试验验证结果表明,该工艺参数制备出晶粒细小、组织致密的优质TiAl合金铸件。

基于田口法和响应面法的柔索冲击除锈机工艺参数优化研究

柔索冲击接触除锈是一种很好的钢板表面除锈及强化工艺方法,合理的工艺及结构参数组合对除锈质量有较大的影响,找到较优的参数组合对提高除锈质量有重要的意义。以项目组前期研发的柔索冲击接触钢板表面除锈机为研究对象,提出一种针对直接影响装置除锈质量的相关工艺参数的优化方法。建立除锈机的接触力学模型,根据力学模型影响因素,确定柔索直径、滚筒高度、滚筒转速为待优化参数;采用田口法及响应面优化方法,计算参数组合信噪比值评价方案稳定性,构建面向冲击接触应力的预测优化模型,进一步全局预测优化,获取稳定性最佳、接触应力最佳参数组合,实现除锈效果提升的同时,提高钢板表面机械性能。最后以最佳参数组合调整柔索冲击除锈机进行除锈测试,验证了所提出优化方法实现了柔索冲击除锈机的除锈性能提升的目标。

基于田口法多目标优化BLDCM

为了解决高效多目标优化电机输出性能的问题,采用田口法优化算法,以BLDCM为例,以初始设计参数为基础,按电机的输出转矩、转矩脉动和铁损作为待优化性能指标,设计了优化目标函数。将定子内径、槽深、槽开口、齿宽和气隙等关键结构参数设为优化变量,设计了正交试验,通过计算信噪比响应值并结合敏感性分析,筛选出稳定且满足设计要求的参数组合,确定最优的优化参数方案。针对优化前后的目标参数变化用有限元进行分析,证明该方法的合理性。

基于田口法和有限元法的航空薄壁齿轮切削变形研究

为解决航空薄壁齿轮切削加工过程中容易发生变形的问题,以航空薄壁齿轮半精切削加工过程为研究对象,建立航空薄壁齿轮切削过程的有限元仿真模型,基于田口法获取不同切削参数下的3个方向的最大切削力数值,运用有限元法建立基于最大切削力的航空薄壁齿轮受力变形有限元仿真模型,得到不同切削参数对应的变形量,并运用极差分析法分析切削参数与变形的影响程度,优选出最佳切削参数组合。结果显示:背吃刀量对变形影响最大,切削速度对变形影响最小;优选得到的最佳切削参数组合为切削速度376.47 m·min^(-1)或451.79 m·min^(-1)、进给量0.20 mm·r^(-1)、背吃刀量1.0 mm。

基于改进迭代田口法的双余度永磁同步电机优化设计

针对双余度永磁同步电机(DRPMSM)的多目标优化设计问题,该文采用Pearson相关系数分析法,在参数敏感度分析的基础上,提出一种改进迭代田口法的多目标优化设计方法。该方法利用单余度模式下的田口法优化设计结果作为双余度模式下优化因子水平取值的依据,对优化因子的水平取值进行了优化选择。既考虑了各工作模式下的优化设计,又解决了不同水平值之间无法寻优的问题。以800 W双余度永磁同步电机为例,利用有限元仿真,对比分析了优化前后的效率、转矩等关键性能参数,验证了所提优化方法的有效性。最后,制作了实验样机,实验测试结果与优化设计结果有较高的吻合度,证明该文所提出方法可有效解决多余度电机的多目标优化设计问题,拓宽了对于该类电机的优化设计思路。

基于田口法和响应曲面法的旋转唇密封可靠性分析

基于有限元分析软件Abaqus建立旋转唇密封模型,计算得到其静态接触压力和径向变形影响系数矩阵,然后通过油封数值计算模型计算得到其泵吸率;在工况一定的情况下,分析理论接触宽度、前唇角、后唇角、过盈量、腰厚结构参数对密封性能的影响,并应用田口实验法进行正交试验设计,以信噪比作为衡量泵吸率稳定性的指标,得到影响密封可靠性的最佳参数组合;应用响应曲面分析,得到油封的极限状态方程,并通过蒙特卡洛法计算基于结构参数的油封可靠度。结果表明:各结构参数对泵吸率的影响排序依次是理论接触宽度、前唇角、后唇角、过盈量、腰厚;所研究油封的密封可靠度为0.999 87。

基于田口法的感应点火系统中线圈参数优化分析

针对如何提高感应点火能量无线传输效率,建立感应点火的数学模型和Maxwell同轴螺线管型线圈模型,通过分析初、次级线圈间无线电能传输效率关系,将对传输效率影响较大的参数作为田口法的控制因子,基于田口法建立直角表进行仿真分析,得出了各影响因子对传输效率的强弱关系,得出经过田口优化后的最优参数组合,并通过实验验证了仿真分析的正确性。研究结果表明:各影响因素对互感的影响程度先后顺序为次级半径、次级匝数、初级匝数、初级螺距、初级半径、次级螺距。对感应点火能量传输效率与可靠性的提升具有较高的理论参考价值。

基于田口法的TC4钛合金电化学车削试验研究

通过对电化学车削加工(Electrochemical Turning,ECT)原理及其相关的工艺参数的研究,分析了快速转动的工件对保持工作间隙流场稳定的影响因素。并基于可实现无级调速的高速电机搭建试验平台,用单一因素试验分析了电化学车削TC4钛合金的各工艺参数对工件的材料去除率和表面粗糙度的影响。选取L_(16)(4^(4))正交表进行正交试验,基于田口方法进行分析,研究了电解液浓度、加工电压、工具直径和工件转速对工件材料去除率和表面粗糙度Ra的影响规律。经主效应分析,各加工参数对材料去除率影响因素大小依次为加工电压>工具直径>电解液浓度>工件转速。以材料去除率最大为目标的最佳工艺参数组合为加工电压20 V,电解液浓度250 g/L,工具直径2.0 mm,工件转速800 r/min。各加工参数对表面粗糙度影响因素大小依次为电解液浓度>工件转速>工具直径>加工电压。以表面粗糙度最小为目标的最佳工艺参数组合为加工电压15 V,电解液浓度200 g/L,工具直径1.0 mm,工件转速800 r/min。以材料去除率尽可能大、表面粗糙度尽可能小为目标,得到最佳工艺参数组合为加工电压20 V,电解液浓度250 g/L,工具直径2.0 mm,工件转速800 r/min。在该工艺参数组合下进行试验,材料去除率为0.0814 g/min,工件表面粗糙度Ra值为2.014μm,优于正交试验中的相对最优设计,即材料去除率0.0766 g/min,表面粗糙度Ra值2.158μm。

基于田口法的铝合金空心控制臂低压铸造工艺优化

为优化低压铸造A356铝合金空心控制臂的工艺参数,通过田口法,以凝固时间、缩松、缩孔体积值和二次枝晶臂间距为评价指标,利用均值与极差分析和方差分析的方法,分析了温度参数与时间参数对铸件成形质量及力学性能的影响。结果表明:模具预热温度及充型时间对铸件力学性能、生产效率均有显著影响。

基于田口法的压电振动俘能器尺寸优化

为了拓宽压电俘能器的工作频带和提高发电效率,设计了一种“己”字型压电振动俘能器结构。以俘能器输出电压最大为目标,采用田口法优化了压电振动俘能器结构的尺寸,建立了俘能器的有限元模型,讨论了输出电压和功率的负载阻抗匹配特性及加速度依赖性,通过实验验证了优化结果的准确性以及结构尺寸的合理性。结果表明,俘能器结构的最佳尺寸组合为A3(95 mm)、B3(45 mm)、C1(60 mm)、D2(35 mm)、E1(50 mm),尺寸A对于俘能器的响应影响最为明显,贡献率达到了26.013%,而尺寸B、C、D、E的影响依次降低,分别为19.062%、18.380%、18.294%、18.252%。研究结果可为压电俘能器结构的动力学优化提供参考。

基于田口法的分裂齿式永磁游标电机转矩优化设计

油田用抽油机驱动电机需在低速下具有较大的输出转矩和较小的转矩波动。以24 kW分裂齿式永磁游标电机为例,通过选择合适的极槽配合,初步确定电机模型;在初始设计参数的基础上,确定电机的参数选择范围。采用基于田口法的多目标优化方法分析电机的结构参数,选择最优的结构参数方案。针对优化前后的目标参数变化用有限元分析进行验证,证明该方法的合理性,得出能够指导工程实践的有益结论。

基于田口法的双转子螺旋型水轮机效率优化

为提高双转子垂直轴螺旋型水轮机的输出功率,探索不同设计参数对水轮机输出功率的影响规律,本文使用田口法对影响水轮机效率的5个因素(翼型、桨距角、包率、间距比和旋转方向)在4个水平下进行分析。构建五因素四水平正交试验表,并分别对正交试验表中的工况进行数值计算。研究结果表明:优化后的双转子水轮机效率比初始设计水轮机高22.86%。各因素对水轮机效率影响程度按大小排序依次为翼型>桨距角>间距比>包率>旋转方向。5因素效率最佳组合为A4(0024)、B3(3°)、C1(1.00)、D4(--)、E2(1.6)。峡谷效应是提升双转子垂直轴螺旋型水轮机效率的主要原因。双转子螺旋型水轮机对尾涡的流向干扰作用较强,水轮机布置时应该合理利用该特点。研究结果可为垂直轴水轮机的优化设计提供参考。

基于田口法和响应面法的数控铣削工艺参数能效优化方法

为研究机床能量效率与工艺参数耦合的复杂机理,提出一种基于田口法和响应面法的数控铣削工艺参数能效优化方法。分析加工过程中的能耗特性,建立了数控铣削加工能量效率函数。基于田口法规划优化实验,并基于响应面法建立工艺参数与比能和加工时间的回归方程,构建了以铣削加工工艺参数为变量、以高能效和高效率为优化目标的多目标优化模型。使用多目标粒子群优化算法对该模型进行求解,并通过实验数据和算法优化结果分析了加工过程中工艺参数与比能及加工时间的关联关系。

基于田口法的高速切削参数优化研究与应用

应用田口法对切削速度、背吃刀量以及每齿进给量三个主要影响表面粗糙度的因素进行分析,求出各个因素不同水平的平均表面粗糙度和信噪比(S/N),得到最优切削参数。预测经最优切削参数加工得到的表面粗糙度值,最后通过确认实验验证了其正确性。

基于田口法的铜阳极泥微波浸出工艺

基于田口方法,提出微波浸出铜阳极泥的优化方法,并对铜、碲、硒的浸出率进行信噪比分析。结果表明,固液比对铜、碲、硒浸出率的贡献率最大,贡献率分别达到60.83%、54.76%和62.05%。固液比是铜阳极泥微波浸出过程最重要的工艺参数,时间对于铜、碲浸出率为较重要因素,酸浓度对于硒浸出率为较重要因素,微波功率对于铜、碲、硒浸出率的贡献率都较小,分别为4.23%、12.37%和10.32%。铜浸出最优条件如下:微波功率450 W、时间5 min、固液比0.10 g/mL、酸浓度1.0 mol/L;碲、硒浸出最优条件如下:微波功率700 W、时间9 min、固液比0.10 g/mL、酸浓度1.0 mol/L。在优化后的工艺条件下进行验证实验,铜浸出率达到99.88%以上,碲浸出率达到95.70%以上,硒浸出率达到38.22%以上。

基于田口法的PBGA器件焊点可靠性分析

为提高塑料球栅阵列(PBGA)器件焊点可靠性,提出了一种基于田口法和数值模拟的试验方法.借用Anand模型描述钎料本构方程,对PBGA器件焊点热循环载荷下的应力应变分布进行有限元模拟.结果表明,填充底充胶能有效提高焊点可靠性;考虑基板、封装塑料、底充胶、PCB的线膨胀系数四个控制因素,借助田口试验法进行最佳参数选择,确定影响焊点可靠性的主要因素为基板线膨胀系数及封装塑料线膨胀系数.最优方案组合为A3B3C3D3.该优化方案的最大等效应变比原始值减小了41.4%,信噪比提高了4.61 dB.

基于田口法的内嵌式永磁电动机的优化设计

首先基于传统的电机本体设计方法,获得一台15 kW、102 V的内嵌式永磁电动机的基本设计参数,然后利用基于等效磁路法的RMXPRT软件对该内嵌式永磁电动机的一些重要设计参数进行优选,得到较为理想的参数范围。最后,引入一种新颖的优化方法——田口法,以内嵌式永磁电动机的气隙长度、永磁体厚度与宽度、磁桥长度和宽度作为优化变量,以效率和磁钢用量作为优化目标对电机进行优化设计。确定最优方案后将其导入到电磁场有限元分析软件Maxwell进行仿真,以对所设计电机进行合理性分析。优化后效果明显,对实际应用具有一定的指导意义。