MECHANICAL-ELECTRIC COUPLING DYNAMICAL CHARACTERISTICS OF AN ULTRA-HIGH SPEED GRINDING MOTORIZED SPINDLE SYSTEM

On the basis of the traditional mechanical model of a grinding wheel rotor and the mechanical-electric coupling model with ideal sinusoidal supply, taking high-frequency converting current of inverter power switches into further consideration, a modified mechanical-electric coupling model is created. The created model consists of an inverter, a motorized spindle, a grinding wheel and grinding loads. Some typical non-stationary processes of the grinding system with two different supplies, including the starting, the speed rising and the break in grinding loads, are compared by making use of the created model. One supply is an ideal sinusoidal voltage source, the other is an inverter. The theoretical analysis of the high-order harmonic is also compared with the experimental result. The material strategy of suppressing high-order harmonic mechanical-electric coupling vibration by optimizing inverter operating parameters is proposed.

氦气风机驱动电机转子径向通风结构研究

氦气风机驱动电机是高温气冷堆一回路唯一能动设备,其安全性直接影响到高温气冷堆的安全稳定运行。针对高温高压环境及氦气传热工质对驱动电机风路结构设计及相关参数影响引发的新问题,通过建立双侧转子铁心三维风路结构流固耦合传热模型,计算分析了高温高压环境下传热工质氦气在转子径向风沟内的流动特性,研究了转子分别在动态和静态情况下,通风结构内流体流动规律及转子铁心和导条的温升变化规律。同时,对不同种类传热工质的对应规律进行了对比研究,搭建了模拟实验测试装置,实测数据与数值计算结果吻合较好,验证了计算分析结果的合理性和正确性,为氦气风机驱动电机转子风路结构优化、冷却性能的有效提升提供一定的理论参考。

氢燃料电池用高速永磁同步电机性能的数值研究

在利用Maxwell方程组推导了高速永磁同步电机的二维电磁场控制方程的基础上,采用Bertotti铁耗分立模型计算电机铁耗,引入雷诺系数计算风摩损耗,用经典计算公式计算绕组铜耗和涡流损耗,以上损耗值转化为体积生热率施加到电机各发热部件作为温度场分析时的热源,并且考虑材料温变特性和定子非晶合金导热系数各向异性,使用流固耦合法建立了高速永磁电机温升预测模型。依据所建模型进行算例分析,应用Maxwell软件和Fluent软件研究了气隙槽宽、槽肩高和气隙长度对电机磁场、温度场的影响,研究表明气隙槽宽对电机磁场影响较小,适当增大气隙槽宽有利于电机散热。

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。

多电机速度同步控制性能优化研究

为了提高多电机转速的同步性和系统鲁棒性,提出了一种新颖的控制方法,即基于非奇异快速终端滑模控制(Non-singular Fast Terminal Sliding Mode Control,NFTSMC)与改进型偏差耦合控制结构(Improve Deviation Coupling Control,IDCC)相结合的多电机速度同步控制方法(NFTSMC+IDCC)。为了提高多电机系统的控制精度和整体稳定性,引入非奇异快速终端滑模控制算法,从而提升单个电机转速的鲁棒性。对传统的偏差耦合多电机速度同步结构进行改进,仿真结果表明,NFTSMC+IDCC方法下的速度同步总误差为17.58 r/min,多电机同步性上相较于其他两组方法提高了50.5%和29%。

考虑悬浮牵引耦合的常导高速磁浮列车牵引性能仿真

常导高速磁浮列车长定子直线同步电机(LLSM)定子电枢电流和动子励磁电流产生的磁动势共同作用形成气隙磁场,实现车辆悬浮和牵引,所以悬浮力和牵引力之间存在耦合。基于MATLAB/Simulink建立了牵引供电系统的仿真模型,采用不考虑悬浮牵引耦合的LLSM数学模型,在恒定励磁电流条件下仿真计算了牵引性能;采用考虑悬浮牵引耦合的LLSM数学模型,其以有限元仿真数据为样本库,基于线性回归最小二乘方法拟合得到,在恒定悬浮力条件下仿真计算了牵引性能。通过对比两种仿真结果,分析了耦合作用的影响。

基于遗传算法的飞轮储能电机多工况效率优化

由于热泵系统具有电热转换效率高、电机转速控制便捷、系统灵活调节能力强的特点,其运用于电热耦合系统可实现热力系统与电力系统的协同运行支撑,而配备高速飞轮电机的电热耦合热泵系统具备大惯量、长延时特征,在电热协同运行领域具备更强的支撑能力。但现有飞轮储能电机多基于额定工作点进行效率优化,难以实现全工作周期内综合效率最优。为此,本工作基于电热协同实际工作场景得到单个完整工作周期下飞轮电机的运行工况变化,提出基于遗传算法的飞轮电机多工况效率优化方法。首先,建立适用于高速电机的效率计算模型,并根据热泵运行场景计算出单次工作下飞轮电机转速曲线;其次,确定待优化变量,通过参数灵敏度分析去除关联度较小参数以减少计算量,并根据实际工况提出电机综合效率指标以量化电机在全工作周期内的效率表现;最后,基于遗传算法寻优得到最优工作点,优化后综合效率增加0.34%,全速范围内电机效率均得到提升,单个工作周期能量损耗下降38.7 kJ,较优化前能量损耗降低14.8%。优化结果证明此方法可提高飞轮电机全工作周期内的运行效率,降低热泵运行过程中的能耗损失,提升飞轮储能系统的经济性。

不同冷却器挡板结构对高压永磁电机换热特性的影响分析

为了降低高压永磁电机的温升,以一台额定功率为1400 kW的高压永磁电机为研究对象,基于计算流体力学和传热学理论,优化了冷却器挡板结构,建立电机三维耦合分析模型,对电机进行流热耦合分析,计算并比较了两种冷却器挡板结构下的电机各个通风道的流体流动及传热特性,从对流传热优化的场协同角度,得出了不同冷却器结构下的电机温升和温度分布规律,为高压永磁电机通风结构优化设计提供参考依据。

基于蝶翅微结构的高速主轴冷却水套仿生热结构设计

内置电机作为高速电主轴的主要发热部件之一,在实际工况中,其发热量会影响电主轴的回转精度。为了提高电主轴冷却水套的冷却效率,以自然界中闪蝶翅膀微结构的几何模型、结构功能和位形关系等为参照,结合结构相似理论设计一种具有双层包覆性特点的新型蝶翅仿生冷却水套。基于流体动力学及热传导特性理论,对仿生冷却水套及原始螺旋冷却水套进行流固耦合及共轭传热特性的仿真对比分析。结果表明:当冷却水的雷诺数和强迫对流换热面积相同时,电主轴仿生冷却水套的冷却效率和流动特性均优于原始的螺旋冷却水套,其中内置电机的定子热边界面最高温度降低了8%~11%;仿生冷却水套的冷却水最大流速为0.328 m/s,出入口的最大压降是478.6 Pa,相较于螺旋水套在流动特性方面都有很好的提升,对冷却水套结构设计和高速电主轴驱动电机共轭传热提供了参考。

中型高压电机轴径向混合通风结构的强化散热特性模拟

为了提升电机的通风冷却性能、降低其运行温升,以一台400 kW中型高压电机为例,采用轴径向混合通风结构,通过磁-流-固耦合模拟研究整体电机稳态条件下温升影响规律,提出温升均匀性系数对两种通风结构的冷却效果进行量化评价。研究结果表明:相对于轴向通风结构,混合通风结构温升分布更加均匀,在电机内层和外层绕组温升均匀性系数分别提高了85.78%和6.23%;进一步探讨了径向风道高度及数量对电机温升的影响,径向风道高度为6 mm、径向风道数量为13个时冷却效果最好。

高速电主轴热特性建模与冷却系统参数优化方法研究

电主轴热变形是影响加工精度的主要因素之一,而热变形主要由电主轴温升引起,其中冷却系统是影响电主轴温升的关键因素。为了优化冷却系统关键技术参数,以某型号高速电主轴为例,建立了考虑主轴不同旋转面换热系数的热特性模型,提高了温度场和热误差的仿真精度,并进行了主轴不同转速的温升与热误差实验,验证了仿真模型的正确性;基于所建立的电主轴热特性仿真模型,利用正交试验法进行了冷却系统参数优化,冷却参数优化后的仿真实验结果表明,电主轴最高温度降低了2.0℃,热变形减小了25.76μm,为电主轴冷却系统优化提供了理论参考。

旋转永磁式机械低频天线的系统设计与验证

为实现低频电磁发信系统的小型化和低功耗,面向旋转永磁式机械天线的理论研究和技术实践,提出了基于多物理场耦合仿真的系统设计和性能校验方法。设计了包含永磁磁源、高效驱动电机及其控制器在内的旋转永磁式机械天线系统方案。研制了实验样机,并对其系统性能和近区磁场进行了实验测试,验证了相关设计方法和系统方案的可行性与有效性。结果表明,该样机的磁场场强和尺寸等主要指标达到了美国“机械天线”项目在射频穿透技术领域的要求,为旋转永磁式机械天线方案研究和样机设计提供了一种可行思路。

中型高压电动机暂态温度场分析及短时过载运行研究

针对中型高压感应电动机暂态温升难以准确计算的问题,以一台紧凑型中型高压感应电动机为例,采用电机内各物理场间强耦合与弱耦合相结合的多物理场三维动态耦合分析方法,对其暂态温升进行计算。根据电机内定、转子区域流-固耦合的特点,建立电机温度场与流体场的三维强耦合分析模型。利用电机动态数学模型、磁网络模型、集肤效应模型及流体网络模型对电机损耗、转速及入口流量等进行计算,并作为耦合边界条件实现与流-固耦合模型的瞬态弱耦合求解。模拟了电机起动过程中温度的变化过程,验证了研究方法的正确性。对短时工况不同负载条件下电机的温升进行计算,获取负载条件对电机温升的影响规律,为电机的短时过载运行提供依据。研究内容为中型高压电动机暂态温升的计算及保障电机多工况的安全运行提供了参考。

高速电主轴热-结构耦合及选材分析

高速电主轴热变形问题一直是影响加工精度的重要因素。为降低电主轴的温升和轴向热伸长量,对某电主轴的热源及热边界条件进行分析,利用ANSYS Workbench软件进行热-结构耦合仿真,得到电主轴温度场和热结构耦合场;搭建实验台测试电主轴系统的温度场和轴向热伸长,验证有限元模型建立的正确性。最后选用38CrMoAl、ZrO_(2)、Si_(3)N_(4)、玻璃陶瓷作为主轴材料进行热-结构耦合对比分析。结果表明:陶瓷材料在热态性能方面优于钢材,玻璃陶瓷材料热态性能最好。

基于场路耦合的永磁电机高频径向电磁力波分析

振动和噪声的大小是衡量家用变频空调压缩机品质的指标之一。针对家用变频空调压缩机出现的高频噪声问题,以一台6极9槽家用空调压缩机用永磁同步电机及其控制系统为研究对象,基于场路耦合法,对常规空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术及其控制策略所引入的谐波电流成分与高频声振响应特性进行研究。首先通过解析法分析了永磁电机高频噪声源的产生机理。其次从原理上阐述了电流谐波对径向电磁力波的阶次特征与频率特性的影响。然后建立了永磁电机的场路耦合模型,详细分析了不同负载工况下高频径向电磁力波频率与开关频率的关系。最后采用声振特性试验进行了验证,结果表明:场路耦合模型可以考虑电机本体、控制策略以及开关频率等非线性因素引起的高频电流谐波影响,并得出了高频径向电磁力波频率与载波频率的关系式,为永磁电机的高频噪声预测以及减振降噪提供了参考。

大功率高速永磁电机三维全域热-流场分析

大功率高速永磁电机采用空-水冷混合冷却系统,同时存在水流域和空气流域,常规的单流域数值计算简化模型很难精确计算电机温度场。本文以一台1.12MW、18000r/min的空-水冷高速永磁电机为例,建立三维全域流-固求解域模型,提出多层变尺度网格划分方法,实现对电机网格的精细化控制。采用有限体积法对流体场及温度场进行耦合计算,揭示了水流场与空气流场的流动特性以及电机内各个部件的温度场分布特性。将全域热流场计算结果与实验结果进行对比,验证了计算方法的准确性。基于全流域计算结果,拟合出对流换热系数与双螺旋水道轴向位置的关系式。为高速永磁电机冷却系统优化设计等相关研究奠定基础。

高速电主轴角接触球轴承热-力耦合特性研究

在高速电主轴转子系统中,角接触球轴承的工作特性受温升的影响显著,极易产生胶合。为了得到更加精确的角接触球轴承瞬态温度场,建立了考虑自旋的角接触球轴承生热及传热模型,并利用MATLAB软件得到了轴承的生热量,随后建立了轴承的三维参数化模型,并基于显示动力学理论在LS-DYNA平台上进行了热-力耦合有限元仿真分析,且对影响轴承瞬态温度场的主要因素进行了研究。研究结果表明:转速与温升呈非线性正相关;高转速下轴承温升对预紧力更加敏感;生热量随预紧力的增加逐渐增大,当施加的预紧力大于最小预紧力时,温升随预紧力增加而变大。研究可为高速电主轴轴承的设计和稳定性分析提供理论参考。

高速永磁电机转子护套张力缠绕激光加热成型过程多物理场耦合分析

随着舰船综合电力系统对电机转速和功率需求的不断增大,传统非导磁金属材料已难以满足大功率高速永磁电机护套机械强度要求,热塑性复合材料强度高、涡流损耗小、护套厚度也远小于金属护套,具有良好的发展前景。该文通过建立热塑性复合材料(T700/PEEK)激光加热成型过程三维温度-流体-运动多物理场耦合分析模型,考虑热塑性树脂熔化相变过程,提出预浸带截面运动速度+力学载荷边界结合局部圆柱坐标系的方法,解决了大张力载荷预浸带缠绕等效模拟难题,实现了考虑材料非线性的大张力缠绕高速电机转子复合材料护套成型工艺过程的多物理场耦合模拟。通过实验测试的温度与仿真结果对比,验证该文建立的多物理场耦合仿真模型的有效性。该研究所得结论对完善高速永磁电机转子复合材料护套张力缠绕工艺具有一定参考价值。

高速电机风摩损耗计算及温升分析

损耗的计算对于电机设计及性能提升具有重要意义,而风摩损耗对高速电机的设计计算尤为重要,高速电机不同于中低速电机,其风摩损耗不能仅通过经验公式计算。为此,本文以一台新型高速双凸极开关磁阻电机为实验样机,根据高速开关磁阻电机的结构特点及通风特性,以流体力学计算为基础建立了风摩损耗流体场物理模型,利用Fluent软件对模型进行有限元仿真计算得到风摩损耗数值,接着分析了摩擦系数及转速对风摩损耗的影响。通过ANSYS对电机建立三维有限元模型,将电机主要部件的损耗值换算为热密度添加到电机模型中,并对其进行热流耦合分析,考虑到电机具有水冷及轴向通风两种冷却方式,仿真对比分析了冷却流体流速对电机冷却效果的影响,结果表明:轴向通风的冷却效果比水道冷却好得多,转子最高温度可降低100℃左右。

兆瓦级高压感应电机转子发热问题研究

为研究兆瓦级高压电机在额定工况运行时发热与冷却问题,结合电磁场理论,建立该电机不同气息长度下二维瞬态模型,并分析电机工况下的电磁性能和电磁损耗规律。通过流体场与温度场耦合的方法,建立三维流固传热模型,并对与电机双侧轴流风扇周围的空气域建立旋转空气域模型,在计算流体力学理论的基础上,对电机温度场初始边界条件进行合理假设,通过对流固耦合仿真的得到在双侧轴流风扇下电机内部各个器件的温升规律,为验证文中仿真结果的准确性与有效性,对兆瓦级高压异步电机转子铁心侧温度进行实测,仿真结果与温度实测结果一致,为改善兆瓦级电机冷却性能,提高其散热能力提供了理论基础。