航空电源系统用高速实心式永磁同步电机设计

针对多电飞机航空电源系统日益增长的用电需求,设计了一台额定功率为75 kW、额定转速为65000 r/min的高速实心式永磁同步电机。此类高速电机运行速度快、损耗密度大,其设计受到多物理场的共同约束。通过有限元仿真,从电磁场、机械场和温度场三个角度对电机性能、转子强度和冷却系统进行了设计,并通过试验验证了设计的合理性。分析结果为多电飞机电源系统电机产品提供了参考依据。

固体核磁共振样品制备系统的自主研制

近年来,国内多个科研单位引进了固体核磁共振波谱仪.由于目前固体核磁共振波谱仪还没有国产化,完全依赖进口,因此仪器及配套的样品制备系统价格昂贵.转子是魔角旋转核磁共振实验的关键耗材,其尺寸精密度要求极高,加工难度大.通过分析进口成品3.2mm固体核磁共振转子及其配套样品制备工具的特性和实际应用需求,改进转子各零部件之间的连接方式,优化转子的密封性,成功实现了固体核磁共振转子和配套样品制备工具箱的自主研制.测试结果表明,自主研制的转子能在12kHz转速下正常运行,满足常规固体核磁共振实验需求,且配套的样品制备工具箱操作简单,安全可靠.

泵转子流固弱耦合计算与分析

为了探索流固弱耦合计算在推进泵上应用的可行性和有效性,完成了某转子静强度、动强度和振动模态计算与分析。首先,完成泵稳态和瞬态流场CFD计算,提取水动力载荷数据;然后,采用流固弱耦合方法对结构完成稳态和瞬态计算,提取静应力和动应力以及最大变形,校核静强度和动强度;最后,完成流固耦合条件下转子模态分析,得到模态频率和特征振型。结果表明:转子叶片最大应力位于叶根处、最大位移位于叶梢截面近随边处;转子叶片应力满足材料的强度要求,变形量小于叶顶间隙值;湿模态振型与干模态基本一致,但振型幅值明显降低、模态频率降低。该流固弱耦合计算方法能够用于泵转子结构设计与振动谐响应分析,有助于提升设计质量。

不同转子轴向间隙下双螺旋轴流泵的内部流动特性

通过改变两螺旋转子之间的轴向间隙(1、5、10 mm),研究双螺旋轴流泵在不同转子轴向间隙下的内部流动特性。基于CFD模拟平台,采用浸入实体法,运用N-S方程和标准k-ε湍流模型,对不同轴向间隙和不同工况下的瞬态特性进行数值模拟,得到双螺旋泵在不同转子间隙下各过流部件在运转过程中的瞬态流动特性。结果表明:转子间隙为1 mm时泵的扬程最高,增大转子间隙(5和10 mm)泵的扬程依次减小;1 mm间隙下泵的升压性能最好,但流体在刚进入转子域出现了明显的负压现象,间隙增大后转子内抗堵塞能力增强,负压现象得到改善;双螺旋轴流泵的主要泄漏区域在转子啮合区,随着转子轴向间隙的增大,啮合区的速度增大,出现较明显的泄漏;双螺旋泵的扬程与流量成反比,随着设计流量的增大,3种间隙泵的扬程均逐渐减小。

基于极弧系数选择的实心转子永磁同步电动机齿槽转矩削弱方法研究

齿槽转矩的削弱是永磁电机的难点和研究重点之一。为削弱实心转子同步电动机的齿槽转矩,文中提出了一种基于能量法和傅立叶分解的的解析分析方法,给出了能明确表达齿槽转矩与设计参数关系的齿槽转矩解析表达式,据此研究了极弧系数对齿槽转矩的影响。在此基础上,提出了极弧系数的最佳确定方法。根据该文给出的方法,可以方便地得到不同极数和槽数配合时的最佳极弧系数,进而削弱齿槽转矩。最后利用有限元法对其进行了验证,证明文中提出的方法是正确有效的。

高压永磁同步电动机实心转子三维温度场分析

为了更准确地研究高压大功率永磁同步电动机的温升情况,对315 kW,6 kV永磁自起动同步电动机进行分析。以二维电磁场分析得到的损耗为热源,建立了永磁同步电动机实心转子三维温度场的物理模型和数学模型。由于转子端部的构件比较复杂,故采用反推迭代法确定端部表面散热系数。其后通过给定求解域内的基本假设和边界条件,利用三维有限元法对电机进行了温度场计算,将最终计算结果与实测值进行比较,验证其满足工程精度的要求,为以后表面散热系数的确定提供了新的理论依据。

实心转子永磁同步电动机起动性能

为了准确分析实心转子永磁同步电动机从起动到牵入同步这一非常复杂的机电瞬变过程特性,以一台30 kW、6极切向式实心转子永磁同步电动机为例,采用场路结合有限元法,建立了电机二维有限元模型,给出了求解域和假定条件下的有限元方程,实现电机场、路及运动的耦合处理。在此基础上对样机起动过程进行了暂态仿真,通过对比实验数据,说明了该方法的准确性和这类电机起动性能的优越性。此外,分析了转子导条和永磁体尺寸变化对起动性能的影响,即起动时间随导条宽度增加而减小,随永磁体磁化方向长度l增加而变长;永磁体高度h过大或过小都会延长起动时间,不利于样机起动。

机桨一体化推进电机设计及分析

设计了一种新型机桨一体化装置的永磁推进电机,将无转轴结构和Halbach阵列应用其中,并在永磁体结构形式、充磁角度以及永磁体厚度与极对数的最佳配比等方面对电机进行优化,使电机具有较小的转子厚度和较大的气隙长度;提出适用于此类特殊结构的一体化装置推进电机的场路耦合有限元计算方法,将外电路的控制方程与电机电磁场方程相结合,考虑转差对实心转子电阻的影响,得到电机在空载和额定负载时的磁场分布以及反电动势、电流、电压和转矩值,计算值与实验值吻合较好,说明本文方法正确有效。

基于二维解析法的光滑表面实心转子感应电机附加损耗的研究

在普通异步电机中,由于附加损耗数值较小,通常按总功率的5%粗略估算。在实心转子感应电机中,附加损耗中的表面涡流损耗数值远大于普通笼型感应电机,不但成为实心转子感应电机附加损耗的主要部分,而且是造成这种电机效率低、电机过热的重要原因,限制了该类电机的应用和发展。文中运用二维解析法及坡印亭定理对实心转子的表面涡流损耗进行了计算,与试验结果比较显示,理论计算在小转差范围(0～0.2)内取得了与实际较为一致的结果,并分析了大转差下产生偏差的原因。在小转差(s=0.107)运行状态,对定子槽口宽度变化和气隙长度变化对转子表面涡流损耗影响进行仿真计算。结果表明,改变槽口宽度对该种电机转子的表面涡流损耗影响不明显,随着气隙长度的增加,附加损耗曲线分为快速下降,缓慢下降两段。在曲线缓慢下降段综合考虑选取气隙长度是合适的。

一种削弱永磁同步电动机齿槽转矩的方法

为了研究实心转子永磁同步电动机的削弱措施,结合永磁电机永磁体极弧系数和永磁体不对称放置的方法,提出了一种仅改变实心转子非磁性槽楔的齿槽转矩削弱方法。通过非磁性槽楔的变化改变一个磁极的极弧宽度,其余磁极宽度不变,同时保持各个非磁性槽楔的宽度相同,通过合理的选择槽楔的形状和宽度,可以非常有效地削弱齿槽转矩。通过解析法研究了采用该方法后实心转子永磁同步电动机齿槽转矩的表达式,得到了永磁体剩磁平方的傅立叶分解表达式。据此得到了磁极的两种极弧宽度和磁极间距大小与齿槽转矩的关系式和磁极极弧宽度的确定方法。该方法仅改变了槽楔的形状,对电机结构影响较小,且合适极弧宽度组合较多,有限元验证表明该方法可有效地削弱齿槽转矩。

磁性槽楔对永磁电机转子损耗及温度场影响

针对实心转子高压永磁电机定子铁心开槽会导致气隙磁导不均匀,气隙中谐波磁场引起电机转子温度升高,影响永磁体的电磁性能的问题,以一台315 k W,6 k V实心转子高压永磁电机为例,建立了样机的二维电磁场时步有限元模型及三维全域流体与固体耦合传热数学模型,给出了求解域及边界条件,通过求解计算模型,将计算数据与实验数据进行了对比,验证了所建模型的正确性。在此基础上研究了槽楔相对磁导率分别为3、5、7、9时对转子表面涡流损耗的影响,分析了磁性槽楔相对磁导率为不同值时电机转子及定子各部分的温度分布,计算结果表明定子槽楔相对磁导率数值的增加,电机的起动转矩降低,转子铁心涡流损耗逐渐减小,电机定子各部分温度先减小后趋于稳定。

实心转子永磁同步电机的时步有限元分析

设计了一种实心转子永磁同步电机,并提出了适用于该类电机的场路耦合运动时步有限元分析方法,解决了实心转子电机中转子电阻难以准确计算的问题。该方法考虑了转子电阻随转差的变化,给出了外电路与电磁场耦合的时步有限元分析方法,采用运动气隙边界法解决转子运动问题,与机械运动方程相结合,对电机的瞬态过程进行仿真。应用上述方法对自行设计的22kW实心转子永磁同步电机的性能进行分析,空载反电动势和起动转矩的计算结果与样机的实验结果吻合较好,表明本文提出的方法准确有效,并可用于其他类型的实心转子电机的性能分析。

双层实心异步磁力联轴器的涡流和传动特性分析

为了解双层实心异步磁力联轴器负载运行时的状态,该文采用有限元软件对其进行瞬态分析,得出了磁力联轴器在负载下的涡流分布情况以及扭矩传动特性,分析表明:铜层上涡流呈现涡旋状分布,涡流的回路数可以按磁极数等分为14个回路;内转子上沿径向由轴孔到铜层外边界,涡流密度先是基本不变,然后逐渐增高,在铜层外表面达到最大,从而验证了涡流的集肤效应;沿铜层周向涡流呈周期性变化,周期数为永磁体的磁极对数,且以1对磁极为1个变化周期。然后研究了不同参数对异步磁力联轴器特性的影响,得到了初步的优化设计方案。永磁体的厚度可以选择9～11mm,永磁体磁极对数选择8对极;铜层厚度可在2～5mm范围内选择,铜层轴向长度与永磁体轴向长度之比在1.025～1.1范围内选择较为合适。最后,通过试验得出扭矩随转差率和输入转速的增加而增加,验证了模拟分析结论的正确性,为大功率下的磁力联轴器结构尺寸的选取提供依据。

基于场路结合的实心转子异步电机转子参数计算

异步电机等值电路中的转子电阻R′_2与电抗X′_2是影响电机性能的两个重要参数.提出了基于场路结合的有限元法计算R′_2和X′_2,解决了解析算法不能准确考虑运行工况及磁路饱和对参数的影响问题.该方法对实心转子异步发电机和异步电动机同样适用.

转子材料和气隙对实心转子直线弧形感应电机性能影响

做直线运动、旋转运动或螺旋运动的两自由度直驱电机在机械工具、机器人等领域有广阔的应用前景。研究了一种两自由度直驱感应电机的旋转运动部分的转子导电材料和气隙对电机性能的影响,采用传统电磁设计理论和有限元相结合的方法确定实心转子弧形感应电机的参数,并且提出了设计过程中的两个关键因素,分析了转子材料和气隙厚度对实心转子弧形感应电机性能的影响。通过应用不同转子导电层材料和气隙厚度进行计算机仿真,得到在空载及负载条件下运行的转速曲线和转子损耗曲线。结果表明:在使用钢铜复合次级材料时转速波动较小,转子损耗较小;在一定范围内,气隙厚度越大,电机的转速波动越小,转子损耗越小。

实心转子永磁同步电动机的动态转子参数及起动特性的计算

采用场路结合的方法，建立和求解了二维涡流场方程——定子电压方程的耦合有限元方程。并借助于电路分析，计算实心转子永磁同步电动机起动过程中的动态转子参数，同时用端部系数计入端部效应的影响，从而获得转子参数随滑差ｓ的变化曲线。在此基础上建立永磁同步电动机起动过程的计算机仿真数学模型，用龙格—库塔法解之，便可得到各种动态特性。此法可用于研究电机的起动特性、分析电机参数和永久磁钢特性对电机起动性能的影响，进而可改进电机的设计。

兆瓦级实心转子高速感应电动机通风系统分析

针对大容量实心转子高速感应电动机损耗密度大、散热困难的问题,以一台10 MW、10 000 r/min的空冷实心转子感应电动机为例,建立了其整体通风域模型,采用计算流体力学(CFD)方法对“两进一出”的通风结构进行了流体场仿真,并分析了通风系统内气体的分布规律;其次,以通风计算结果作为边界条件,基于流固耦合法对该电机定转子三维流体场和温度场进行了建模与求解,得到了温度分布;在此基础上,提出了一种新的“三进两出”通风结构,降低了该电机的最高温度,并通过有限元分析例证了CFD建模与计算结果的正确性;最后,分析了导风管管径、冷却气体类型、轴流风扇进风量对该电机温升的影响。结果表明,该电机采用三进两出的通风冷却结构散热效果更好,可使最高温度降低3.8℃、定子铁心和定子绕组的最高温度分别下降11.7℃和7.1℃。

10 MW高速实心转子感应电动机损耗计算与温升分析

不同于普通电机,大型高速实心转子感应电动机需解决由于结构紧凑、电压谐波多而带来的散热面积小、损耗密度大、温升过高等关键问题。以一台10 MW、10 000 r/min的鼠笼实心转子感应电动机为例,建立了适用于高速、高频损耗计算的电磁场有限元模型,对变频器供电情况下高速电动机的定子高频铜耗、铁耗和实心转子涡流损耗、表面风摩损耗进行了深入分析与计算;在此基础上,对电动机三维全域稳态温度场进行了有限元建模与计算,得到了电动机额定工况下各部件温升的大小与分布规律;最后,对冷却系统结构和参数以及变频器控制参数等影响电动机温升的因素进行了分析,并提出了降低温升的改进建议,为兆瓦级高速实心转子感应电动机的研制提供了参考。

两极实芯转子模拟同步发电机

针对大型汽轮发电机轴系扭振特性模拟研究的具体要求，阐述了模拟同步发电机的设计原则及电磁、结构设计需着重考虑的问题。利用计算机辅助设计，给出了一台用于模拟国产３００ＭＷ汽轮机组动态特性的１５ｋＶＡ两极隐极实芯转子模拟同步发电机电磁计算结果，并由东方电机厂生产出样机。样机实测数据与设计值相比，结果令人满意。

高压永磁同步电动机永磁体隔热分析

针对钕铁硼永磁体的居里温度点低,温度特性差等缺点,以315 kW、6 kV永磁同步电动机为例,分析了永磁体的温升情况。根据传热学原理,建立了样机转子的三维物理模型和数学模型,采用三维有限元方法对样机转子温度场进行计算,求解得到了实心转子永磁体的温度分布情况。考虑到永磁电机主要关心永磁体的温度,提出了在永磁体四周加隔热材料的方法,着重分析了永磁体周围隔热材料的作用。比较了永磁体上加隔热材料的几种情况下永磁体、起动笼条和电机整体温度的分布趋势。此方法为降低永磁电机永磁体温度提供了解决的途径,为以后永磁电机的设计提供了一定的理论依据。