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。

基于HIE-FDTD方法的电磁热耦合分析快速计算方法研究

基于混合显隐式时域有限差分(hybrid implicit-explicit finite-difference time-domain,HIE-FDTD)方法,提出了一种电磁热耦合分析快速计算方法。仿真电磁场时,采用HIE-FDTD方法求解Maxwell旋度方程;计算温度场时,采用时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法求解热传导方程。由于HIE-FDTD方法只对1维空间偏导数采用隐式差分方法进行离散,因此时间步长不受电磁目标精细结构所在方向网格大小的限制。采用电磁热耦合分析快速计算方法对十字缝隙频率选择表面的电磁热耦合效应进行分析,并将仿真结果与采用传统FDTD方法、CST软件以及COMSOL软件的仿真结果进行对比,所有结果均相互符合。十字缝隙频率选择表面算例结果表明:在保证计算精度的前提下,采用HIE-FDTD方法的仿真时间仅为传统FDTD方法仿真时间的1/6,有效提高了电磁热耦合仿真的计算效率。

电磁热熔工艺的影响因素研究

电磁热熔工艺通过电磁感应融化芯板之间的半固化片,实现层与层之间粘结的效果,是制作高层印制电路板的重要工艺之一。芯板和芯板之间的牢固粘结能够有效防止多层板在后续压合过程中发生偏位的情况,可以使用邦定结合力来量化这一指标。本文通过实验对邦定结合力的失效原因进行了分析,并确定电磁热熔工艺参数对于邦定结合力的影响,为提高多层板的热熔结合力以及防止后续压合层偏提供了一定的参考。

面向电动燃油泵的电磁热耦合数值模拟

针对电动燃油泵的生热问题,提出一种周期性平均损耗的分布式热源模型。建立永磁同步电机的电磁-热双向耦合模型,并数值模拟电机各部件的损耗特性和其在不同转速时的稳态温度分布。结果表明:电动燃油泵在转速为6 000 r/min、供油压力为8 MPa时,其内部电机的最高温度可达407.8 K,位于定子铁芯的齿部,且温度沿径向向外逐渐降低至393.9 K;在高温环境中工作时,电动燃油泵的寿命与可靠性会随永磁体磁性的减弱而逐渐降低。

HFW管高频感应加热过程电磁热耦合数值模拟

以提高直缝焊管质量为目的,重点研究了高频感应加热过程中热影响区的温度分布对焊缝质量的影响.针对高频感应加热的特点,对ANSYS有限元软件进行了二次开发,在应用物理环境法的基础上,利用APDL语言编制了直缝焊管高频感应加热过程中电磁热耦合的命令流程序,建立了三维有限元模型,分析了电磁场和温度场的分布规律.对某厂生产的219mm钢管模拟分析,综合考虑不同的磁棒分布形式对加热效率影响和自身冷却条件.结果表明,阵列式分布的小磁棒较好,这正是与生产实际相符合的.

含埋藏孔洞缺陷金属构件电磁热止裂强化分析

电磁热效应可以实现含半埋藏裂纹、埋藏裂纹金属构件的止裂强化。针对实践中铸件和锻件内往往存在孔洞形式的缺陷,从理论和数值模拟角度分析了电磁热对其强化的效果,导出了球体绕流的电流密度和温度场分布。研究表明:孔洞缺陷可处理成广义埋藏裂纹缺陷,应用电磁热止裂强化是可行的。放电后,在垂直于通电方向,球形中截面上形成绕流现象,瞬间温度超过了材料的熔点,形成焊口,产生的热压应力显著降低了应力集中,从而抑制了孔洞缺陷受力时的扩展,达到了止裂强化效果。

2Cr13焊接构件埋藏裂纹电磁热止裂及力学性能强化

选择2Cr13材料,通过对接焊方法在焊接接头处预制埋藏裂纹,采用超声波无损检测对埋藏裂纹位置及尺寸进行标定;采用热—电耦合焦耳热问题的数值分析方法,计算出放电瞬间焊接接头内圆形埋藏裂纹的温度场,并求得止裂后焊接接头内的残余应力场。通过ZL-2型超强脉冲放电装置对焊接接头进行电磁热止裂强化试验,对止裂前后埋藏裂纹裂尖附近微观组织进行分析,对比测试止裂前后试件的抗弯、拉伸等力学性能。研究结果表明:止裂瞬间,焊接接头中埋藏裂纹裂尖处温升超过金属熔点,裂尖熔化、钝化,达到阻止裂纹扩展的目的;同时,止裂后裂尖附近微观组织明显细化,出现强韧性均好的白亮组织,进一步阻止了裂纹的扩展;止裂后焊接接头抗弯强度提高18.0%,抗拉强度提高11.7%,断后伸长率提高34.6%。研究证实,脉冲放电实现了2Cr13焊接接头内埋藏裂纹止裂,并提高了焊接接头的力学性能。

带有疲劳裂纹的35CrMo构件电磁热止裂强化

利用超强脉冲放电装置对含有疲劳裂纹的35Cr Mo钢试件进行电磁热止裂试验。放电后裂纹尖端熔化,裂尖钝化成微小的椭圆形,降低了裂尖处的应力集中;对放电后裂尖处的椭圆形钝化区与基体区的化学成分进行对比分析发现:椭圆形钝化区中Mn、Si、Mo质量分数增高,晶粒得到细化,提高了裂纹尖端微小区域内组织的硬度和强度;利用自主研发的多轴加载疲劳试验机对放电前后试件进行三点弯曲疲劳寿命测试,结果表明,经过电磁热止裂强化后的试件,疲劳寿命得到提高,较未放电的试件平均寿命提高了13%;采用热-电耦合的数值分析方法模拟求得放电瞬间裂纹尖端处的温度场;通过理论计算脉冲放电瞬间裂尖处微小区域的应变能密度因子,由于电热应力强度因子的作用,降低了裂尖处的应变能密度因子,有效阻止了裂纹的继续扩展,为电磁热止裂技术的应用奠定基础。

含孔洞缺陷焊接接头电磁热强化及组织与性能分析

通过自制的ZL-2型超强脉冲放电装置对含孔洞缺陷的A356铝合金焊接接头进行了电磁热强化实验,采用金相显微镜对强化前后焊接接头各区域微观组织和孔洞附近组织进行了对比分析,利用微机控制万能实验机对强化前后试件的拉伸性能进行了测试,并用SEM扫描电镜对拉伸断口进行了分析,采用型号为FM-700的显微硬度计对强化前后试件进行了硬度测试。结果表明:合适的脉冲电流有较好的晶粒细化效果,强化后的焊接接头各区域组织得到细化,焊接接头的力学性能得到改善,经脉冲放电后的抗拉强度平均提高了11%,延伸率平均提高了14.2%,且强化后接头的硬度明显较强化前高。

含全埋藏裂纹的T10钢焊接接头电磁热止裂分析

通过有限元分析方法,计算出含有圆形全埋藏裂纹的焊接接头电磁热止裂温度场分布,并通过ZL-2放电装置,对含圆形埋藏裂纹的T10钢焊接接头进行电磁热止裂试验。研究结果表明,止裂瞬间,焊接接头中埋藏裂纹裂尖处温升超过金属熔点,裂尖熔化、钝化,阻止了裂纹的进一步扩展;止裂后,在裂尖附近有白亮层组织出现。止裂前后的T10钢焊接接头力学性能测试表明,止裂后焊接接头所能承受的最大扭矩和抗扭强度提高了约17%。

电磁热止裂及其在焊接接头强化中的应用研究进展

从理论分析、数值模拟、实验研究三个方面综述了近年来国内外学者关于电磁热止裂及其在焊接接头强化应用研究方面的进展情况。利用ZL-2型超强脉冲放电装置对含有裂纹的焊接接头进行电磁热止裂,发现脉冲放电能够遏制焊接裂纹的快速扩展,修复焊接接头内部裂纹缺陷,提高接头的力学承载性能。最后对未来电磁热焊接接头止裂强化在工程上的应用前景作了展望。

电池极片电磁热辊的温度控制的分析与仿真

随着电磁热辊在电池极片轧制上的应用,电池极片的加工工艺、质量和效率得到了提高。但由于电磁热辊加热工艺的特殊性--转换过程中涉及多个物理场耦合,使其控制参数的确定和加热控制变的困难。通过研究电磁加热相关的理论,建立电磁热辊与之对应的数学模型,采用MATLAB软件和有限差分法对其加热过程进行仿真分析。研究了电磁热辊加热过程中的温度场的分布、变化规律及影响因素,确定了控制参数,为控制系统的设计提供了理论依据。

半无限长旋转杆件中的广义电磁热弹耦合问题

应用Lord和Shulman(L-S)广义热弹性理论,研究半无限长旋转理想杆件的电磁热弹耦合问题.给出介质中的Maxwell方程组,建立了L-S型广义电磁热弹耦合的控制方程,借助拉普拉斯变换和数值反变换技术对问题进行求解,得到瞬态热冲击作用下半无限长旋转杆件中的温度、应力、位移、感应磁场和电场的分布规律.结果表明,介质呈现热的波动性和电磁热弹耦合效应,由于考虑旋转,对位移和应力提高较大,但对杆的感应磁场和电场的影响较小,对温度基本没有影响.

单边裂纹电磁热止裂的动力学效应

对超强脉冲放电止裂瞬间产生的动力学效应及其对裂纹尖端的影响进行研究,通过位移势函数的求解给出准稳态各应力应变分量;通过拉氏变换得出具有动力学效应下的各应力应变分量。以单边裂纹的无限大薄板为例,具体计算出瞬时点热源下的准稳态和动力学效应两种情况下的裂纹尖端局部区域的应力及变化。研究结果表明,在点热源产生的很短时间内,动力学效应会在裂尖附近由于"热击"产生压应力的突变,带有惯性项的动力学效应能更有效的遏制裂纹的扩展。

电磁热储能系统中谐振电路的机理研究

电磁热储能系统中的谐振电路作为电磁向热转换的实现环节,影响着电磁热储能系统的功率和效率。在实际工况下,流经谐振电路中加热管体的高频大电流会使管体的电感发生变化,进而影响系统的功率效率。该文以50kW电磁热储能系统中谐振电路为研究对象,基于有限元瞬态计算方法,确定了求解域内磁共能与电流的变化关系,并基于磁共能函数展开法,准确描述磁链函数,继而得出谐振电路中加热管体的动态电感函数。基于基波分析法,适配了电容,使电磁热储能系统在设计功率下保持高效率的运行。通过进行实验,对比实验值和计算值,谐振电路电压、电流波形和相位相吻合,动态电感计算较为准确。该文对电磁热储能系统谐振电路的设计与研究有一定参考价值。

单边裂纹电磁热止裂强化的残余应力分析

建立带有单边裂纹的无限大金属薄板模型,给出脉冲放电瞬间的温度场,应用一维条件下的热弹塑性理论,导出了单边裂纹金属构件电磁热止裂后的一维残余应力解;对带有单边裂纹的导电薄板脉冲放电后裂纹尖端产生的残余应力进行数值分析,理论与数值分析结果基本吻合;对40CrNiMo试件的残余应力超声波无损检测发现,止裂后残余应力变大。研究表明,在对带有单边裂纹的导电薄板进行电磁热止裂时,裂纹尖端周围温度急剧升高,使得裂纹尖端受热膨胀,由于裂尖受到周围材料的刚性约束,在受热和冷却过程中会残留一个压缩塑性应变,其产生的残余应力可有效的抑制裂纹扩展。

分数阶热弹性理论下的广义电磁热弹问题

基于分数阶热弹性理论,就无限长圆柱导体的广义电磁热弹耦合问题的动态响应开展研究.圆柱体置于恒定的外加磁场中,在其表面处受到热冲击作用.给出分数阶理论下问题的控制方程,并运用拉普拉斯变换及其数值反变换技术对控制方程进行求解,得到圆柱体中无量纲温度、位移、应力、感应电磁场的分布规律并用图形进行反映.计算中,重点考查时间和分数阶参数对各物理量变化规律的影响效应.结果表明:分数阶参数对于位移和感应电场的变化有显著的影响,而对于温度、应力和感应磁场的影响不大.

带有埋藏裂纹的焊接接头电磁热强化及力学性能分析

采用ANSYS分析软件对45钢焊接接头电磁热强化过程进行了数值仿真,并对其强化后的温度场和残余应力场进行了分析.结果表明,电磁热强化使焊接接头内部裂纹尖端钝化,减少了应力集中,焊接裂纹尖端形成了3向残余压应力场.通过ZL-2型脉冲放电装置对45钢焊接接头进行了电磁热强化试验,并对其进行了强化前后力学性能对比分析.经过脉冲放电强化后的焊接接头抗拉强度和断后伸长率均有所提高,其力学性能得到了改善.数值分析和试验研究均证实了电磁热强化技术应用到焊接领域的可行性.

无限长圆柱体中广义电磁热弹耦合问题研究

基于L-S广义热弹性理论,研究了处于磁场中无限长理想圆柱导体在边界受热冲击作用时的电磁热弹耦合问题.建立了广义电磁热弹耦合的有限元方程,为避免积分变换方法求解带来的精度丢失,采用将有限元方程直接在时间域求解的方法,得到了圆柱体中的温度、位移、应力、感应磁场和感应电场的分布规律,反映了热的波动性及电磁热弹的耦合效应.结果表明,将有限元方程直接在时间域求解,可以获得各物理量的准确分布,得到温度在热波波前处的阶跃,准确地反应热波的波动效应.

ZL201铝铜合金焊接接头电磁热强化实验研究

采用ZL201铝铜合金铸锭制备了焊接拉伸试件,通过ZL-2型超强脉冲放电装置对焊接接头进行了电磁热强化试验。通过抗拉强度测试,对比分析了脉冲放电对铝铜合金焊接结构焊缝力学性能的影响。对强化前后的断口进行了SEM断口扫描分析和EDS点成分分析以及金相分析。研究结果表明:通过脉冲放电,焊接接头的拉伸强度平均提高了9.5%;焊接接头内的孔洞缺陷内缘由于电流绕流发生熔化结晶现象,脉冲放电后孔洞内新生晶粒Cu含量增加明显,强化相增加,强脉冲电流使孔洞附近的金属晶粒细化,从而提高了焊接接头的强韧性。