Parameter Modeling and Kinematical Simulation for Rotor and Stator of Screw Pump

The research object used in the dissertation was screw pump, which was widely applied in engineering field. The analysis of end face profile formation was completed on its main working components, i.e., rotor and stator. With the purpose of finding optimal parameters to improve the efficiency of screw pump design, the key technologies involved in the parametric modeling of rotor and stator were analyzed. The three-dimensional (3D) design software SolidWorks was used for the secondary development and parametric modeling of rotor and stator. After that the simulation models of different kinds of screw pumps were established based on the cycloid type, variation coefficient, and screw head number. Finally the COSMOSMotion was used to analyze the motion characteristics on the equidistant line of rotor, including velocity and acceleration. This design and modeling method has been used in screw pump enterprises for design and development, laying the foundation for finite element analysis and further optimization of screw pump.

大型发电机端部绕组电磁力物理数字孪生建模

为了在“智慧汽轮机”中更好地结合物理信息模型先验知识与数据驱动模型,并向真实机组模型迁移试验模型,进一步实现可靠的实验室数值仿真数据和真实运行数据互相印证与混和建模驱动,以600 MW大型汽轮发电机为研究对象,建立融合演进因素的汽轮发电机定子绕组本体模型,提出集成数字孪生智能绕组研究框架,并提出智能绕组内涵的形式化定义。基于镜像法、气隙回转电流应用叠加法、毕奥-萨伐尔定律和安培力定律建立定子端部绕组电磁力的数学机理物理信息模型。对有限元电磁力和数字化电磁力进行了分析对比,验证了所建立电磁力数字化物理信息模型的合理性。对比分析振动响应结果,进一步验证了数字化电磁力物理信息建模的正确性以及有限元电磁力对比验证的正确性。研究将对“智慧汽轮机”运维的振动动态基于物理机理与数据驱动混和建模的数字孪生故障诊断与预测提供有力的支撑。

基于代理模型的双气隙混合转子低速大转矩同步电机优化设计

为解决常规低速大转矩电机普遍存在体转矩密度低、永磁体用量多等问题,提出了一种双气隙混合转子低速大转矩同步电机拓扑结构。然而,该种电机结构相对复杂、设计参数多、优化难度大,对此提出了一种基于代理模型的双气隙混合转子低速大转矩同步电机高效优化设计方法。首先,以提高输出转矩与降低转矩脉动为优化目标,对电机的参数进行敏感性分析,实现了在保证代理模型精确度的基础上精简优化变量。然后,为提高该种电机多目标优化设计的精确度和效率,同时缩短优化周期,提出了一种序贯子空间与模式搜索算法相结合的优化算法对电机进行优化处理。最后通过有限元仿真与实验方法验证了所构建代理模型的精确性、合理性和优化方法的有效性、先进性。

计及复杂换位结构的百万千瓦级汽轮发电机定子流固耦合传热研究

百万千瓦级汽轮发电机的定子绕组通常采用多根空、实心股线并绕的复杂编织换位结构,针对尺寸相差悬殊的复杂结构使得其定子流固耦合模型的数值求解存在网格数量多、容易出现奇异解的难点问题,该文提出三维区段式流固耦合网格划分方法,根据不同区段股线的结构及传热特点,通过非均匀网格划分方法大大降低求解模型的网格数量,实现计及复杂换位结构的定子流固耦合模型的数值求解,并通过一台124万kW水氢氢冷汽轮发电机的短路型式实验进行验证。在此基础上,提出定子绕组的新型交叉换位方法并与传统换位方法的温度进行对比,结果表明,新型交叉换位方法使定子绕组股线以及绝缘的温度分布更加均匀,并且能够有效降低定子绕组最高温度。

大型水轮发电机定子绕组分布电容对位移电压影响分析

景洪电站发电机三相电势对称,且静态实测三相对地电容近似相等,在此条件下发电机正常运行时中性点仍有明显的位移电压,集中参数电路模型无法解释该现象,因此提出基于准分布电容参数模型的中性点位移电压分析方法。通过电路分析,得到定子绕组对地准分布电容与中性点位移电压的关系式,理论解释了分布电容不均匀会导致位移电压出现。采用兰州电机厂制造的12kW实验样机进行了实验验证,并针对准分布电容中偏大或偏小电容所在位置以及电容不均匀度对位移电压影响的实验结果进行了定量分析。针对由分布电容不均匀所带来的位移电压偏大的问题,提出在机端外挂电容的解决方案,理论求解外挂电容值,并通过仿真实验验证了方案的有效性。

1 mm圆柱形压电微驱动器的有限元分析与设计

研究设计了一种直径为1 mm、长度为5 mm的压电微驱动器,拟用于光学相干层析成像(OCT)内窥镜样机驱动与控制。利用有限元分析(FEA)软件对定子进行有限元建模和仿真,研究了材料参数和结构尺寸对定子振动特性和模态频率的影响。研究结果表明:微型驱动器定子的一阶弯曲振动频率为21 kHz。定子谐振频率随定子长度的增加急剧降低,随陶瓷厚度的增大而增大;粘接剂的材料特性与厚度对定子的模态频率影响不大,但对定子的振动特性有较大影响。当激励电压为100 V时,频率为21 kHz,驱动器空载转速达到400 r/min,堵转力矩为2.5 mN·m,基本满足OCT内窥镜应用要求。

永磁无刷直流空心轴电机定子槽参数减振优化

为了保证永磁无刷直流空心轴电机的输出性能和抑制电磁振动,提出了一种基于非线性多元回归的修正代理模型优化方法.首先,通过AE(Audze-Elglajs)准则确定最优空间填充抽样,并采用核主成分分析(Kernel Principal Components Analysis,KPCA)算法筛选出4个主要变量用于构建代理模型;其次,采用非线性多元回归构建代理模型,决定系数R^(2)值均大于0.9,验证了代理模型的精度;最后,采用鲁棒多目标遗传算法求解代理模型,获得了最优定子槽参数.结果表明,通过优化定子槽参数,电机平均转矩降低了1.3%,不影响输出性能,电机空载、额定负载时最大振动加速度分别降低19%和34.5%,有效地降低了电磁振动,验证了优化方法的有效性和可靠性.

智能跑步机异步电机变频调速直接转矩控制

因智能跑步机控制系统存在延时的问题,导致跑步机的运行损耗高、效率低。为此,提出智能跑步机异步电机变频调速直接转矩控制方法。分析异步电机的变频调速效果,构建跑步机控制约束,将模型预测直接转矩控制算法作为非线性内部控制器的控制算法,估计定子磁链后预测定子磁链和电磁转矩,建立合适的目标函数,并采用末端输出控制法获取定子磁链和电磁转矩参考值,对跑步机系统延时加以补偿,完成智能跑步机异步电机变频调速直接转矩控制。实验结果表明,所提方法控制下的智能跑步机振幅曲线波动最小,电磁转矩在(0.5~1.5)N·m之间,稳定后的运行损耗和运行效率控制在67 W和0.77%左右,可有效减小跑步机的电磁转矩脉动,降低运行损耗,提高运行效率,且具有良好的平稳性。

具备内部故障仿真能力的永磁同步发电机电磁暂态建模与仿真方法

对永磁同步发电机(PMSG)内部定子绕组故障的精确建模与仿真有助于设计有效的状态检测系统和控制保护策略。首先对PMSG内部故障特征进行分析和详细的数学推导,给出了适合电磁暂态(EMT)建模的状态空间形式的动态方程。进而提出了一种PMSG内部故障EMT建模与仿真方法,并推导出其等效电路。利用MATLAB对推导出的方程进行了数值计算迭代求解,并在PSCAD/EMTDC中搭建了PMSG测试模型,与数值计算结果进行分析和对比验证。分析结果表明,PMSG内部故障会在短路路径中产生较大的循环故障电流,但是从发电机外部特性很难判断是否发生内部故障。对比验证结果表明,所建立PMSG内部故障EMT模型可准确反映内部故障特征,验证了所提建模方法的正确性。

基于端电压的定子无铁心永磁无刷直流电机换相误差识别与校正

定子无铁心永磁无刷直流电机(ironless-stator permanent magnet brushless DC motor,IPMBLDCM)的换相误差问题会导致电机性能下降。已有BLDCM驱动主要使用单级全桥或后级全桥的双级拓扑,并在此基础上分析换相误差引起的电路状态变化。同时,已有换相误差校正控制器主要使用PI控制器,但是PI控制器在处理非线性时变系统时性能下降。针对Buck级联三相半桥双级式拓扑驱动的换相误差问题,详细分析了在电动状态和能耗制动状态,换相时刻前、后电机端电压在多种换相误差情况下的变化,并给出能够在四象限运行状态使用的换相误差表征方法。在此基础上,设计基于无模型自适应控制方法的控制器,并针对研究对象设计换相误差的一步估计方法,加快控制器收敛速度,实现对换相误差的快速识别和校正。最后,在基于数字平台的电机控制系统上对所提理论和设计的控制器进行实验验证。

永磁同步电机定子结构仿真建模方法与等效参数预测

针对永磁同步电机定子系统的结构模态分析,考虑绕组绝缘层的刚度和绕组端部质量的影响,提出了一种结构仿真建模方法和等效参数调节方法。首先,分析定子叠片、绕组、绝缘层之间的相互作用关系,在定子叠片与等效绕组之间加等效绝缘层,各部件之间采用节点共享,并将定子叠片和等效绝缘层考虑为各向异性材料,构建定子系统仿真模型;其次,采用移动力锤法进行电机定子系统自由模态实验,得到定子系统的模态频率和模态振型;最后,基于模态分析的频率误差和振型相关性系数,调节各方向弹性模量和剪切模量,优化了定子系统各向异性材料参数,仿真结果与实验结果的模态频率误差最大为5.3%,振型相关性系数最小为0.6。结果表明,标定之后的仿真模态频率和模态振型与实验结果一致性较好。

逻辑驱动的整距叠绕组建模与辅助检修应用

针对大型水力发电机整距叠绕组零部件数量多、线棒间连接逻辑复杂,致使难以快速实现数字化建模的问题,提出了一种基于连接逻辑驱动的发电机整距叠绕组建模方法。首先,结合三维建模软件和三维可视化应用引擎平台,构建了交互式虚拟零部件模型库;然后,根据整距叠绕组的电气原理,将其连接逻辑转换为关系清晰的二维序列,实现绕组在虚拟场景中快速可视化;最后,利用计算机可快速理解的逻辑驱动模型,设计了发电机定子绕组结构认知、故障检修等辅助应用。该方法缩短了构建定子绕组三维模型时间,同时层次清晰的设备树与三维可视化模型的结合、人机交互界面,有助于运维人员快速理解绕组复杂结构及其装配关系。

大型汽轮发电机定子端部绕组物理参数识别及数学模型建立方法研究

从结构的数字化模型频响函数出发,利用最小二乘复频域法识别模态参数,进一步用获取的模态参数修正集中质量法推导出的物理参数,从而建立符合结构动力特性的数学模型。首先通过固支梁模型算例验证该方法的可行性;然后对600 MW大型汽轮发电机端部绕组的精细化有限元模型进行模态分析,并与实测结果进行对比,验证了该模型的合理性;此后,基于该有限元模型获取的频响函数和模态参数,识别出端部绕组的物理参数并建立其数学模型。结果表明:在75~115 Hz频率段中,最小二乘复频域法识别出的端部绕组模态与有限元结果对比表明,固有频率和阻尼比的最大误差出现在第一阶模态中,分别为0.27%和0.50%,模态振型接近;通过数学模型和有限元模型计算的端部绕组固有频率最大误差为0.27%,模态振型一致;数学模型计算的频响函数与有限元结果对比表明,测点的频响函数最高匹配度可达95%,多数测点的频响函数匹配度超过85%。该方法可为大型汽轮发电机定子端部绕组动力学的准确建模提供依据。

超导超高压同步调相机多工况下定子电磁力计算及强度分析

超导调相机采用电缆绕组非磁性齿的高压定子新结构(简称超导超高压调相机),可实现调相机与电网的直连。针对超导超高压调相机定子采用非磁性齿结构,导致齿部磁阻增加,槽漏磁增大,出现定子齿壁两侧受力不均以及绕组切向洛伦兹力增大的问题,构建了超导超高压调相机无升压变压器与电网直连的场-路耦合数学模型,结合麦克斯韦应力法和洛伦兹力原理,计算了进相与迟相运行,短时深度进相与迟相运行4种运行工况下定子齿壁所受电磁力,并给出齿壁两侧电磁力随时间以及空间的变化规律。将计算得到的电磁力作为载荷,对不同运行工况下定子齿的强度进行计算,得到了定子齿形变大小和应力分布规律。结果表明超导超高压同步调相机在多种工况下运行时,非磁性定子齿不会发生疲劳断裂现象。该研究为超导调相机采用非磁性定子齿及超高压绕组结构提供理论依据。

内曲线液压马达定子曲线设计与动力学建模

定子是内曲线液压马达关键零件之一,其曲线形状对液压马达的性能和使用寿命具有重要影响。针对等加速型内曲线液压马达在运行过程中存在冲击较大的问题,提出一种基于五次多项式运动规律的定子曲线设计方法。通过对液压马达功能模块的受力分析,建立液压马达输出扭矩与零速区段幅角的量化关系,并在此基础上对零速区幅角进行了优化,结果表明,当零速区段幅角为0.5°时,定子曲线扭矩脉动率最小;进一步建立考虑定子磨损的液压马达动力学模型,并采用数值计算方法对该模型进行仿真求解;最后,通过实验方法研究不同转速下液压马达的振动响应,验证了理论模型的正确性。

基于多模型级联的VSV调节机构装配智能检错方法

在航空发动机可调静子叶片(Variable stator vane,VSV)调节机构的装配过程中,目前仍需要人工检测其连杆防松钢丝的装配正确性,效率低且易出错。为替代人工检错,提出了一种基于多模型级联的智能检错方法。该方法是多个卷积神经网络级联的模型集成,其中包含检测模块、分类模块以及后处理比对检错3个部分。首先在检测模块上提出混合不同尺寸卷积核的深度可分离卷积与轻量化解耦头来对YOLOv5s进行改进,改进的YOLOv5s在测试集上的平均精度达到97.9%,相较于YOLOv5s、YOLOv8s分别提升了3.4%、1.5%。其次在分类模块上使用7×7深度卷积替代全局平均池化以改进ConvNeXt分类头,改进后性能得到提升,在连杆数据集和螺纹数据集上的准确率分别达到97.5%和95.4%。最后在后处理模块对两个分类模型的结果进行匹配,得出装配检测结果。利用现场装配车间采集的图片数据集对该智能检错方法进行验证,结果显示该方法平均精度达到92.7%,进一步验证了智能装配检错方法的可靠性。

考虑定子各向异性的永磁同步电机振动噪声优化

为了有效降低永磁同步电机的振动和噪声,在考虑定子各向异性建模的基础上,提出了一种通过定子结构模态规划来优化振动噪声的方法。首先分析了对定子模态频率较为敏感的各向异性材料参数,通过定子铁芯和总成的模态试验进行了参数识别;随后分析了电机在额定工况下的振动和噪声峰值来源,并且在电磁力二维分解的基础上提出了降低电机噪声的模态规划目标;最后分析了主要结构参数对定子模态频率的灵敏度,最终选择定子轭部厚度作为优化参数来实现模态频率的规划。研究结果表明:通过考虑定子材料的各向异性可以建立较为准确的定子模型,模态频率计算值与实测结果的误差都在4%以内;仿真优化后的电机振动峰值下降了58%,总体噪声功率级(A)降低了4.3dB。

磁通切换永磁电机等效模型与控制策略分析

针对传统转子永磁型电机散热困难导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力、减少功率密度等问题,提出了一种定子永磁型磁通切换永磁(FSPM)电机,并对该电机结构特点与等效模型进行了分析,比较了定子磁场定向控制(SFOC)、直接转矩控制(DTC)及基于空间矢量调制的直接转矩控制(SVM-DTC)三种控制方法在FSPM电机上的应用效果。运用dSPACE的实验平台,对基于SFOC的FSPM电机驱动系统进行了实验研究。仿真与实验结果表明,采用SFOC的FSPM电机转矩脉动小、电流正弦度好以及低速性能优越,更适合于低速驱动领域的应用。

一种新型的磁悬浮开关磁阻发电机

为了减弱传统磁悬浮开关磁阻发电机内悬浮力绕组与发电绕组之间存在的强耦合问题,并改善悬浮力性能,提出了一种新型的磁悬浮开关磁阻发电机。结合电机结构说明了运行机理,并基于磁通分布以及绕组磁链的有限元计算结果推导了数学模型。该发电机的混合定子上依次设置悬浮极和发电极,可以减弱悬浮和发电子系统的耦合影响,实现二者的独立控制,并且悬浮极与转子齿的对齐面积等于转子齿宽,可以在发电机运转过程中产生恒定的悬浮力,增强径向负载能力,改善悬浮性能。有限元仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

一相开路双三相永磁同步电机建模与控制

根据一相开路故障状态下四种不同的中线连接方式以及相应的电流约束条件,采用矢量空间解耦的建模方法,确定了不同的坐标变换阵,建立了一相开路双三相永磁同步电机的数学模型。每一个模型都被分别映射到参与机电能量转换的d-q子空间和与机电能量转换无关的z1-z2-z3子空间中,各模型在d-q子空间的方程具有相同的结构形式和不同的系数矩阵。通过将z1-z2-z3子空间的电流给定值设为零,就可以得到各种连接方式下的定子铜耗最小矢量控制策略。仿真与实验结果表明,电机在各种连接方式下缺相运转正常,从而有效提高了整个系统的容错能力。