电磁场中的动量流的探讨

牛顿第二定律相当于动量的积分形式的连续方程。这个见解提供了依据动量流的一种力的图象的选择。动量流的选择导致了麦克斯韦应力张量的表示。麦克斯韦应力张量是容易设想定量地画出草图,且提供了几个简单例子动量流分布的计算草图。

基于频域拟合的无轴承永磁薄片电机径向悬浮力建模分析

在无轴承永磁薄片电机系统中,永磁转子因失去轴承支承容易发生偏心位移,为控制转子在几何中心稳定悬浮,径向悬浮力精确建模是无轴承系统高性能可靠运行的关键基础。针对大气隙无轴承永磁薄片电机因转子偏心程度大而引起的径向悬浮力模型非线性误差问题,该文提出一种基于频域拟合的径向悬浮力精确建模方法,将非线性分量转化为相应函数补偿至径向悬浮力模型中,从而提高了模型精确度。首先,对推导一般径向悬浮力模型过程中出现的多个误差因素及其影响进行系统分析;在此基础上,提出频域拟合方法重构径向悬浮力模型,并分析其非线性特性;最后,将解析模型与有限元仿真所得到的可控径向悬浮力、偏心磁拉力进行深入对比分析,验证了该解析模型的正确性与精确性。

内置式永磁电机转子辅助槽的转矩脉动抑制设计

针对内置式永磁电机的转矩脉动抑制问题,本文首先基于麦克斯韦应力张量方程分析了转矩脉动的主要产生机理,并采用转子开辅助槽设计降低电机转矩脉动。为确定辅助槽的相关设计参数,基于田口法创建正交试验,通过平均值分析得到了使转矩脉动最小的辅助槽相关参数。通过设计最优转子辅助槽方案,主要减小齿槽谐波的影响,从而使电机转矩脉动降低14%左右,同时电机平均转矩小幅度提高。本文研究内容对内置式永磁电机转矩脉动的分析及相关优化具有一定的工程意义。

无轴承永磁薄片电机径向悬浮力精确数学建模

无轴承永磁薄片电机具有薄片转子的特殊结构,为了采取有效方法控制转子偏心位移、使转子稳定悬浮,研究的关键在于获得无轴承永磁薄片电机精确的径向悬浮力数学模型。在介绍无轴承永磁薄片电机的结构和工作原理基础上,对无轴承永磁薄片电机气隙磁场进行了详细分析,基于麦克斯韦应力张量法推导了其径向悬浮力数学模型,最后对比验证了利用有限元方法的计算结果和样机实验对数学模型的理论计算结果。验证结果表明,该方法建立的径向悬浮力数学模型误差小、精确度髙。

无铁心永磁同步直线电机推力谐波分析与消除

直线电机的推力波动较大,限制其在超精密领域的应用。推力中的谐波是无铁心永磁同步直线电机推力波动的主要原因之一,消除推力中的部分谐波可以有效降低推力波动。该文建立了无铁心永磁体同步直线电机推力谐波的解析模型,揭示了结构参数与推力波动间的关系,并提出了低推力波动直线电机的设计准则。将设计准则应用于一类直线电机的优化设计中,提出了消除推力中特定阶次谐波的结构参数设计方法。设计结果与有限元仿真结果和实验结果进行比对,验证了解析模型的准确性和设计方法的有效性。

镀膜光纤探针近场捕获的模拟与实验

为提高近场捕获的能力与灵活性,研究了一种利用镀膜光纤探针对纳米微粒进行近场捕获的方法。采用麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法建立了近场中纳米微粒的作用力模型,通过光阱力与其他作用力的比较讨论了近场捕获的稳定性,并根据各轴向光阱力的分布情况分析了纳米微粒的捕获尺寸与捕获位置。结果表明,只有当微粒尺寸小于探针孔径时才存在捕获效果,探针尖端不同位置出现不同捕获过程,在光阱力的作用下微粒最终被捕获至孔径边缘并形成圆状分布。结合纳米定位与检测方法,设计了全光纤低损耗的光纤探针近场捕获系统,并对120nm的聚苯乙烯微粒进行了捕获实验。结果表明,采用极低的激光功率能把粒径为激光波长1/7的纳米微粒捕获至光纤探针尖端,并形成内径与探针孔径一致的圆环状分布。该计算与实验结果为近场纳米操作的实验研究打下了基础。

基于磁场重构法的轴向磁通轮毂电机建模研究

轴向磁通轮毂电机具有功率密度大、效率高、轴向长度短等优点,但其特殊的三维结构使采用解析法或有限元法进行电磁设计时很难兼顾快速性与准确性。为减少计算量的同时提高计算结果的准确性,本文中以一台带非晶合金定子齿的无磁轭轴向磁通轮毂电机的详细设计为例,综合三维磁场重构法和麦克斯韦应力张量法,给出了轴向磁通轮毂电机气隙磁密的计算模型,推导了单侧转子轴向电磁力和电磁转矩的计算式,分析了定子磁链以及反电动势波形。通过三维瞬态有限元分析对三维磁场重构法的计算值进行了验证,结果表明,三维磁场重构法在减少计算时间的同时,具有较好的精度。

内置式无轴承永磁同步电机悬浮力建模

精确的悬浮力数学模型有助于无轴承永磁同步电机悬浮力控制系统的设计.基于无轴承永磁同步电机工作原理,建立了一台内置式无轴承永磁同步电机悬浮力的数学模型.首先给出了作用在转子上的麦克斯韦力的表达式,然后对气隙磁路进行分析与简化,其次根据麦克斯韦力与气隙磁密的关系,推导了转子在偏心情况下作用在转子上的径向悬浮力,最后基于有限元分析法,对内置式无轴承永磁同步电机的悬浮力进行仿真分析,通过有限元分析,结果验证了悬浮力数学模型的准确性.

一种永磁球形同步电机系统滑模控制方法研究

针对永磁球形同步电机多变量非线性系统导致的抗干扰能力差、抖振等问题,该文提出了一种永磁球形同步电机系统滑模控制方法。基于对永磁球形同步电机新型结构的优化设计,采用麦克斯韦应力张量法建立了悬浮和旋转方向的动力学模型。在旋转方向的速度环和位置环设计了一种指数趋近律滑模控制算法,同时在悬浮方向引入终端(Terminal)滑模控制方法,改善了悬浮方向的动态响应和抗干扰能力,提高旋转方向的鲁棒特性,抖振问题得到解决。从仿真和试验结果看,与常规滑模控制方法相比,该文所提出的滑模控制方案更好地实现了球形电机的多自由度高速高动态控制。

表贴式永磁电机齿槽转矩解析法比较研究

对于表贴式永磁电机,分析了计算齿槽转矩的4种解析模型,主要理论包括能量法和麦克斯韦应力张量法。模型中由于考虑极间漏磁和槽漏磁的不同,从而得到齿槽转矩的波形有所不同。并用4种解析模型计算了一台表贴式永磁电机的齿槽转矩。分析结果表明,考虑极间漏磁和槽漏磁的模型精度较高,并通过有限元法验证了理论分析的有效性。

100MeV强流质子回旋加速器主磁铁电磁力的数值模拟

本工作研究计算中国原子能科学研究院目前正在设计、建造中的100 MeV强流质子回旋加速器CYCIAE-100主磁铁电磁力。计算中选用虚位移法和麦克斯韦应力张量法两种方法。在利用电磁场三维有限元分析程序计算得到紧凑型等时性回旋加速器主磁铁电磁场的基础上,先采用虚位移法估算电磁吸力,然后基于麦克斯韦应力张量法在MATLAB环境下编写数值计算程序,详细研究磁极和磁轭受到的电磁吸力。两种方法的计算结果接近。计算得到的主磁铁磁极间吸力大于磁极与盖板间吸力,二者之差由磁极和盖板间的螺栓承担。电磁力的计算结果为主磁铁结构变形计算和结构方案选取提供了依据。

永磁同步电动机电磁转矩的计算

介绍两种永磁同步电动机电磁转矩的计算方法,即麦克斯韦应力张量法和磁通法。两种方法均是通过有限元原理来求取电磁转矩。计算了永磁同步电机在不同工作状态下的电磁转矩,并且将两种方法进行对比,最后取得较好的效果。

基于光纤光镊的长距离微粒可控操纵

在液体中灵活操纵微粒或细胞,特别是将细胞或微粒运输到指定位置,已经被证明在细胞分析、疾病诊断、药物递送等方面有着至关重要的作用。针对细胞或微粒非接触光学捕获的灵活性受限于光纤光镊操纵距离短的问题,提出了一种结构简单且具有长距离非接触可控操纵微粒的新型光纤光镊。利用加热和拉伸技术制作了类锥形平口光纤探针,980 nm的激光经过光纤探针后会对微粒产生大的散射力,将微粒逐渐推离光纤端口,同时借助反向流体阻力,在不移动光纤探针的情况下通过调节激光器光源的输出功率,对轴向位置上直径为6μm的聚苯乙烯微粒可以进行长达102.2μm的可控往返操纵,应用有限元法仿真了光镊的光场强度分布,并采用麦克斯韦应力张量法分析了光镊对微粒的作用力。实验和仿真结果表明,所提出的类锥形平口光镊是可行的。

静电场中的受力问题

受力问题是物理学的基本问题之一。在电动力学中,电场和磁场就是按电荷和电流的受力而引入的。在静电场中,电荷和介质的受力问题具有重要意义。如在静电技术中,涉及的是强电场和高电压,带电体在这种强场中的力学行为有重要的应用价值。 受力问题是带电体之间的相互作用问题。处理静电场中的受力问题通常采用如下几种方法。

基于正交试验法优化表贴式永磁同步电机永磁体

采用麦克斯韦应力张量法分析气隙和转子的交界面的受力情况,得出齿槽转矩是由转子和气隙交界面的切向磁力产生。结合麦克斯韦张量法和电磁场数值计算,得到齿槽转矩表达式。构建永磁体三因素四水平正交试验,得出了永磁体设计参数对齿槽转矩的影响程度,极弧系数对齿槽转矩的影响显著,磁极偏心次之,径向充磁长度影响最小的结论,从而选取合适的参数,优化了电机的永磁体形状,降低了电机齿槽转矩。

内置式永磁电机齿槽转矩的产生及削弱分析

基于麦克斯韦应力张量法利用有限元工具进行了整数槽结构内置式永磁电机齿槽转矩的分析,分析了齿槽转矩在转子外圆上的时空分布特点与规律,从比较直观的角度阐述了齿槽转矩的产生原因,并且提出了利用波形抵消来优化永磁体宽度以削弱齿槽转矩基波及其高次谐波的方法。

基于解析-遗传算法的永磁电机齿槽转矩优化

研究了一种基于解析算法的遗传优化算法优化电机,分别以不同的电机参数作为优化变量实现对齿槽转矩的定量分析优化,并求得电机参数的最佳取值。通过直接解析法建立表贴式永磁电机模型,利用麦克斯韦应力张量法建立了齿槽转矩的表达式,选取极弧系数和定子槽口宽度作为优化变量并以齿槽转矩的幅值作为优化的目标,采用遗传算法优化电机的齿槽转矩,得到最优参数组合。将优化后的齿槽转矩和原电机模型的齿槽转矩进行比较,结果显示,优化后电机的齿槽转矩显著降低。该结论表明采用遗传算法得到电机参数最优解从而优化电机性能是可行的。

内置式永磁同步电机齿槽转矩优化分析

内置式永磁同步电机齿槽转矩会产生振动和噪声,同时也是设计和研究永磁同步电机必须考虑的关键问题。基于此,本文研究了W型内置式永磁同步电机齿槽转矩的产生机理,并针对性提出两种能有效降低齿槽转矩的方法。以4极36槽的内置式稀土永磁同步电机为例,采用有限元分析方法验证本文所提方法的正确性,并对比分析齿槽转矩优化前后的电机效率和功率因素。实验结果表明,在保证电机的效率和功率因素同时,改变内置式永磁同步电机的槽配合及永磁体宽度可以有效减小齿槽转矩,达到削弱永磁电机产生振动和噪声的目的。

鸟喙形环形芯光纤光镊粒子捕获受力分析

设计了一种具有鸟喙形的环形芯光纤光镊结构,并通过理论仿真进行研究。应用有限元法仿真光镊的光场强度分布,并对比了不同弯曲条件下光镊的光场图,结果表明,弯曲结构显著增强了光纤侧边的倏逝场强度。采用麦克斯韦应力张量法计算光镊对粒子的捕获力,并对比锥形光纤,分析鸟喙形光纤光镊的弯曲半径与捕获力的关系,以及粒子半径与捕获力的关系。结果证实鸟喙形环形芯光纤光镊不仅可以在尖端捕获粒子,还可以在侧边捕获、运输粒子。所提出的新型光纤光镊可应用于细胞生物学辅助研究领域。