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。

用机电耦合模型研究转子系统的非平稳过程

建立恰当的转子系统模型，对非平稳过程进行正确完备的描述是进行转子系统设计、实施状态监测和故障诊断的关键。通过考虑驱动电机的影响，建立了异步电机-受驱转子系统的机电耦合数学模型，并利用该模型对机电转子系统由串联补偿电容和负载波动引起的两种机电耦合非平稳过程进行了数值研究。研究结果表明：建立的机电耦合模型可以多方位地研究转子系统在非平衡过程中的机电耦合动力学规律。

刮板输送机永磁电机半直驱动传动系统机电耦合模型研究

针对采用传统驱动方式的刮板输送机调控效果差的问题,设计了永磁电机半直驱系统,并对空载运行、稳定承载运行和随机承载运行状态下输送机运行工况进行模拟分析,验证了本文所建刮板输送机永磁直驱系统机电耦合模型的合理性及正确性。

基于机电耦合模型的伺服参数调整

以单臂旋转伺服驱动系统为对象,搭建伺服系统模型,并建立系统负载模型验证了伺服系统模型的有效性;最终搭建机电耦合模型,采用系统响应评价指标得到最优伺服参数组合。通过试验得到的最优伺服参数组合与仿真结果非常接近,验证了基于机电耦合模型调整伺服参数的可行性。

利用机电耦合模型研究自同步振动机械的动力学特性

首次提出了利用机电耦合模型研究自同步振动机械的动力学特性的方法。对几类典型动态过程的数值分析表明，建立的振动机械时机电耦合模型比传统的机械振动模型更符合实际，具有再现各种复杂就态过程的能力。

船舶电机振动的机电耦合模型构建及仿真研究

船舶电机振动带来的噪声会引起船舶运转,影响人们的出行问题。针对这一问题,此次研究建立机电耦合模型并利用有限元仿真分析方法验证模型的正确性,通过径向电磁力、切向电磁力等数学模型建立电机振动的机电耦合模型。仿真结果表明,径向电磁力密度峰值1.25E+005 N/m^(2)为切向电磁力密度峰值26000 N/m^(2)的2倍以上。径向电磁力的频率低于1000 Hz时,相应的谐波幅值较大,而频率高于1000 Hz时,相应的谐波幅值变化较大。8极36槽20次谐波处的幅值为0.002 716 T,相对8极24槽电机和8级48槽的谐波幅值高很多。

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。

机电耦合对轴系扭振动态特性的影响

应用机电耦合模型定义全模态型及扭振模态型;推导扭矩线性解,并根据扭矩解定义扭矩模态型及扭矩模态贡献因子。这些物理概念可直接分析轴系扭振动态,并获得更丰富的信息,这是以往定义的模态型无法做到的。此外,还分析自由振动模型和受迫轴系模型的理论基础和物理意义,并从机电耦合模型与自由振动模型的区别,解释固有扭振频率及模态型的计算值与测量值存在偏差的原因;应用解析解分析机电耦合模型与受迫振动模型的动态特性差别。

基于离散网格的机电耦合问题分析

针对机械结构与电磁场相互作用的问题,给出了其机电耦合问题的概念,并提出了一种基于相同离散网格求解结构和电磁场问题的机电耦合模型.该模型根据电磁分析精度对几何模型网格尺寸的要求,采用了迭代法加密网格来解决结构位移场引起的网格尺寸增大问题,进而利用矩量法准确分析结构位移场对电磁特性的影响.最后,将该模型应用于一个电磁散射问题和一个天线问题的案例.仿真结果表明,结构位移场对电磁场的影响不可忽视,可为结构设计和电气设计提供参考.

TQLZ型惯性往复振动筛机电耦合动力学分析

以TQLZ型惯性往复直线振动筛为研究对象,应用拉格朗日方程建立其数学模型,并转化为状态方程形式,与电机的状态方程构成了机电耦合模型。通过对机电耦合模型进行数值求解,得出了惯性往复振动机械从启动到稳态工作过程中的振动曲线和所受的载荷情况,为进行结构动力学分析奠定了基础,同时为该类机械的设计提供参考。

基于机电耦合理论的智能反射面天线形状最优控制

为提高反射面天线电性能,基于机电耦合理论,以增益和第一副瓣为综合控制目标,建立智能反射面天线形状最优控制模型。模型考虑结构强度和作动器性态约束,将作动电压作为被控变量,通过机电耦合模型将电性能表示为作动电压的函数。以某7.3m反射面天线为研究对象,同时考虑自重与温度载荷,分别应用所提方法与传统形状最优控制方法进行控制,其中温度载荷由77个温度传感器实测获取。结果表明,基于机电耦合理论的形状最优控制模型在改善天线的电性能方面更加有效。

压电悬臂梁机电耦合系统的建模及动力学特性分析

基于压电能量采集器中最为经典的压电悬臂梁模型展开研究。考虑悬臂梁的阵型信息和轴向应变分布,这导致与梁耦合的压电片的电边界条件复杂。分别基于均匀电场分布和均匀电位移分布的两种不同电边界条件,深入探讨压电悬臂梁的机电耦合原理和耦合特性,并建立机电耦合系统的数学模型;在传统一阶能量采集电路的基础上,在电路中加入电感,建立二阶电路,并改进数学模型;对于加入电感后的模型,2阶电路可以与其耦合的n自由度机械系统共同构成一个n+1自由度系统,从而可对耦合系统进行系统整体的仿真分析,同时深入研究不同电路元件对系统采集效率的影响,发现电感的加入可极大提高系统能量采集效率。

大型索网天线机电耦合动力学建模与主动变形控制

索网天线因其折叠收纳比高、质量轻以及口径大等优点,成为众多空间任务的首选天线形式,但反射面精度较低限制了大型索网天线的在轨性能指标。在索网天线竖向张力索中加入压电陶瓷堆(PZT)作动器,通过主动控制提高反射面的形面精度。首先,将张紧的索网天线分为含有作动器的主动索单元和不含作动器的被动索单元,通过压电本构方程、几何方程和哈密顿原理推导出主动索单元的动力学模型,并与被动索单元一起组装得到索网天线的机电耦合动力学模型。然后,根据天线反射面的初始形面误差和所建立的天线机电耦合动力学模型,基于模型预测控制(MPC)方法计算出各作动器的控制输入电压曲线。最后,以一个10m口径的索网天线为算例,验证本文所建立的模型和控制方法的有效性。

一种宽频压电振动能量采集器的解析模型与试验研究

为提高单频压电振动能量采集器的能量转换效率和工作频带,以带有弹性放大器的宽频压电悬臂梁振动能量采集器为研究对象,提出一种改进的集总参数机电耦合解析模型,通过引入参数修正因子和考虑悬臂梁的振型信息,利用能量守恒原理和曲线拟合方法确定解析模型的等效参数,并根据力学、电学平衡原理建立系统的运动控制方程、频率特性方程和电功率输出表达式;仿真分析能量采集器质量比、刚度比、阻尼比以及负载电阻等对系统振动特性、电输出特性及负载特性的影响;研制宽频压电悬臂梁振动能量采集器原理样机,搭建试验系统,对解析模型进行验证。结果表明:增大弹性放大器与压电悬臂梁的刚度比和质量比以及减小弹性放大器与压电悬臂梁的阻尼比可以提高能量采集器的转换效率和工作频带。

多稳态压电振动能量采集器的动力学模型及其特性分析

提出了一种双线性弹性元件耦合的多稳态压电振动能量采集器,利用线性弹性元件的大变形引起采集器结构几何构型的变化,使采集器产生单稳态、双稳态和三稳态等非线性振动特性,达到提高能量采集器输出性能的目的。建立了双线性弹性元件耦合压电振动能量采集器的非线性恢复力模型,基于该模型,利用Rayleigh-Ritz模态分析法和能量守恒原理建立了能量采集器的集总参数机电耦合动力学模型,通过对动力学模型无量纲化处理后,仿真分析了系统参数对能量采集器的静力学特性(如非线性恢复力、势能、静态平衡点及其分岔)和动力学特性(振动位移、速度、相图、采集电压等)的影响。有限元计算结果验证了该仿真分析结果的正确性。研究结果表明:系统参数α=β≠0时能量采集器表现出光滑连续的单稳态、双稳态和三稳态等动力学特性,其中双稳态和三稳态振动时的能量采集输出功率比线性能量采集器高。

基于三相交流异步电机定子电流信号分析的机电传动系统齿轮箱裂纹故障非侵入式诊断

齿轮裂纹故障是机电传动系统的高发故障,及时发现裂纹故障对保证机电传动系统正常工作意义重大。提出了一种基于三相交流异步电机定子电流信号的齿轮裂纹故障非侵入式诊断方法。首先,建立电机-齿轮-负载机电耦合模型,利用势能法计算不同裂纹深度和角度下齿轮变啮合刚度;然后,利用Runge-Kutta法对机电耦合模型进行数值求解,分析时变啮合刚度影响下电机电流动态响应。通过对比健康齿轮和裂纹故障齿轮的定子电流频谱,揭示齿轮裂纹故障对应的电流频谱特征,建立基于电机电流信号分析的传动系统齿轮裂纹故障诊断判据。对存在裂纹故障的齿轮进行电机拖动实验,齿轮裂纹故障影响下的电机电流信号与数值求解结果一致。所提出的基于电机电流信号的齿轮裂纹故障非侵入式诊断方法对于降低传动系统维护成本具有较高价值。

基于水库能的水电站发电模型

首次对水电站大型水库水体进行分级处理,采用数学微元分析思想,揭示压力引水管入水口处水体微元的能量形成机理,建立水库水体的水能综合利用模型。在此基础上,利用能量转换守恒定律,建立水电站系统的详细水机电耦合模型。探索电能形成与水体微元动能、势能、压能和水库能之间的关系;研究压力引水管倾斜角度、发电机组分布位置、水库调节能力和水库水体的最大利用小时数等因素对瞬时发电量的影响规律。通过仿真分析与比较,验证了所建详细水机电耦合模型的正确性和实用化水机电耦合模型在确定水电站装机容量及其发电规划时的相对保守性,为水电站建设和经济运行提供理论依据,对实现水能到电能的高效转换具有重要意义。

一种压电磁耦合换能器建模与分析

为了达到拓宽单悬臂梁压电换能器响应频率带宽、提高输出性能的目的,研究了一种压电磁耦合换能器。根据换能器的基本结构建立其相应的机电耦合模型,并推导出动力学方程和电学方程。利用四阶龙格库塔法求解了系统输出电压、输出位移,分析了负载阻值、激励频率值和磁铁间距等相关参数对于系统输出性能的影响情况。

基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器模型与实验研究

针对刚性支撑压电振动能量采集器工作频带窄、采集效率低等问题,提出了一种基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器。利用有限元方法建立了宽频压电振动能量采集器的机电耦合模型,通过Ansys软件仿真分析了能量采集器结构参数对其频域输出特性的影响;根据力学和电学平衡方法建立了宽频压电振动能量采集器的集总参数机电耦合运动微分方程,利用4-5阶龙格库塔算法对方程进行了时域求解,仿真分析了能量采集器在不同结构参数下的振动位移、速度、输出电压和功率等性能。研制了弹性支撑和放大的宽频压电振动能量采集器原理样机,建立了样机系统实验平台,并对理论研究结果进行了实验验证,结果表明本文所提的宽频压电振动能量采集器具有工作频带宽、输出性能高等优点,适合为微电子器件进行供电。

刮板输送机多永磁电机串联驱动新模式及关键技术

装备智能化是煤炭行业高质量发展的必然趋势,伴随着煤矿超大采高、超长工作面的建设,刮板输送机不断朝着重型长运距的方向发展,并且永磁直驱已逐渐取代“异步电机+减速器”成为刮板输送机的主要驱动方式,而传统双驱动刮板输送机存在停机率高、煤流分布不均且能耗大、跟踪性能差的问题,尤其长运距下链条张力波动大造成驱动电机电路涌动,已成为制约我国刮板输送机智能化发展的主要难题。根据刮板输送机面临的主要问题和发展需求,提出了刮板输送机多永磁电机串联“驱动-传动”输送新模式,并阐述了多永磁电机串联驱动刮板输送机这一研究领域涉及的关键技术研究现状,包括刮板输送机故障诊断与状态识别技术、多电机串联驱动“机-电”耦合动力学特性、多永磁电机同步控制技术、多智能体自适应协同控制,对于多驱动刮板输送机的设计研发具有一定的适应性和借鉴性;针对刮板输送机多永磁电机串联驱动系统研究面临的难题,将该系统分为4项关键科学技术:①多驱动刮板输送机新构型设计;②多驱动刮板输送机非线性机-电耦合动力学建模;③多驱动刮板输送机链条张力脉动与主动控制;④串联驱动刮板输送机主动容错与自适应协同控制;从结构设计与优化、整机运维控制实现刮板输送机多永磁电机串联驱动系统技术攻关,提高刮板输送机的智能化水平,促进煤机高端装备的水平和发展。