我国多时空脉冲强磁场成形制造基础研究进展

轻质材料板管零件及其制造技术在先进制造领域占有举足轻重的地位,是实现装备轻量化以达到提升性能、节能环保的重要保障之一,并对我国载人航天、月球探测、大飞机、新一代战机、高推重比发动机、大运载等航空航天运载器有着重大支撑作用。脉冲强磁场在板管零件成形制造方面显示出巨大的应用潜力,特别是多时空脉冲强磁场成形技术作为一项绿色柔性先进制造技术,对于实现我国轻质材料板管零件成形制造能力的突破具有重要意义。以华中科技大学领衔的973计划"多时空脉冲强磁场成形制造"项目,围绕我国航空航天运载器对高性能、高可靠性板管构件重大需求,通过对多级多向脉冲强磁场成形技术装备原型的创新设计和研制,全面揭示多时空脉冲强磁场作用下金属材料的塑性流动、扩散复合、组织结构演变、缺陷产生与扩展等科学规律,建立基于多时空脉冲强磁场的柔性成形成性制造新原理、新理论、新体系。本文就该项目研究的概况、研究进展、实施效果进行回顾与论述,并对后续研究提出展望。

单脉冲电磁成形中洛伦兹力在时间上的双向竞争关系及其对成形效果的影响

电磁成形技术是一种利用洛伦兹力驱动金属材料发生高速变形的先进制造技术。与传统静态成形工艺相比,电磁成形因其极高的应变速率能显著地改善轻质合金材料的成形性能。同时,相比传统机械力或液压力,电磁成形所利用的洛伦兹力能够在时间和空间上灵活调控,因而具备更丰富的工艺潜能。然而,现有研究多将重点放在金属工件的成形方式及效果上,对其最主要部分——洛伦兹力,在电磁成形过程中随时间的变化过程及复杂的竞争关系并未系统分析。因此,该文针对典型的单脉冲电磁成形过程,细化电磁成形过程中各个物理量之间的动态变化关系,研究了成形过程中随时间变化洛伦兹力在铝合金板件上的竞争关系及对成形效果的影响,阐明了随时间变化的洛伦兹力的竞争关系,对所呈现成形效果的影响及原因进行了分析,更加深刻全面地理解电磁成形技术过程。

大型永磁风力发电机整体充磁系统设计及应用

在传统的大型永磁电机磁极制造过程中,采用的“先充磁后组装”预充磁技术存在生产效率低、安全风险大等问题。为此,该文提出一种大型永磁风力发电机整体充磁技术,将传统的“先充磁后组装”改为“先组装后充磁”,有效地提高了装配精度、生产效率和安全性。首先通过研究N46SH钕铁硼永磁材料在多角度外磁场中的磁化及退磁行为,获得其在不同磁场方向下的饱和磁化判据;然后针对MW级直驱和半直驱风力发电机结构,提出其整体充磁系统中充磁线圈的设计方法,重点阐述充磁线圈的电-磁-热-力分析;最后以在2.5 MW直驱和20 MW半直驱风力发电机的整体充磁应用为例,研制了充磁线圈及其冷却系统、充磁电源、旋转推进系统和测量控制系统,成功应用于湘电和中车等企业的MW级系列永磁风力发电机的制造与维护,该文设计方法的可靠性得到有效验证。

三间隙激光触发真空开关触发特性研究

激光触发真空开关在脉冲功率系统中有较好的应用前景,该文设计一种多级激光触发真空开关,由一个激光触发间隙与两个对称的冰壶形电极串联而成,并基于可拆卸真空腔体搭建了激光触发多级真空开关的实验平台。实验研究了不同激光能量、不同工作电压、不同分压比条件下,开关的触发时延特性。实验结果表明,多级开关的触发时延不仅与外部的激光能量以及触发电压有关,也与3个间隙之间的分压比有关。随着激光能量和工作电压的增大,开关的导通时延和抖动随之减小。在相同的外部条件下,通过3个间隙之间合适的工作参数配合,可以获得更加优化的时延特性。当激光能量为30 mJ,工作电压为30 kV时,分压比为4∶1∶1的三间隙激光触发多级真空开关触发时延低至(167±3.7)ns。

激光触发真空开关导通电感测量及特性研究

激光触发真空开关(LTVS)导通时开关本身电感参数及电弧的电感参数是影响开关导通时延、精度以及可靠性的因素。该文提出一种改进的RLC振荡电路测量LTVS导通时电感的方法,消除回路阻抗对测量的影响,并且减少了燃弧过程中电弧状态改变对测量产生的误差。搭建了LTVS导通实验平台,获得了不同工作电压、激光能量下LTVS导通的电感参数。实验结果表明:LTVS导通时,在前2个电流衰减周期内电感保持稳定,然后降低40~100 nH;LTVS的电感参数随着工作电压升高而变大,当工作电压从1.6 kV增加到3.0 kV,LTVS的电感值从240 nH增长到400 nH;改变LTVS的触发激光能量对电感参数影响并不明显。该文的研究工作为设计低电感LTVS和放电过程中等离子体通道变化提供了一定的参考价值。

有源电力滤波器选择性谐波电流控制策略

良好的控制策略是实现并联型有源电力滤波器(active power filter,APF)补偿功能的关键。由于并联型APF常规电流PI控制方法的闭环增益受系统稳定性条件约束,并联型APF对负载主要谐波分量补偿不充分。针对该问题,提出一种用于APF的新型选择性谐波电流控制策略。该控制策略在常规电流PI控制策略的基础上,对负载电流主要谐波(该文主要指5次、7次谐波)单独提取与控制,而对其余次谐波采用一个常规电流PI控制器控制。该设计方法,增大了系统对主要谐波分量的跟踪增益,提高了APF对谐波的补偿率,实现了控制系统更好的频率响应。将该方法应用于实验室制作的一台30 kVA并联型APF实验装置,可将电流总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)由23.21%补偿为3.75%。仿真与实验结果证明了以上结论。

基于状态平面模型的多模态恒功率谐振电容器充电电源研究

谐振型电容器充电电源因其高效、高功率密度被广泛应用于脉冲功率领域,其控制方法多为断续模式的恒流控制,控制简单但存在充电速度慢、开关器件应力大的缺点。恒功率控制可以加快充电速度,但电流断续模式(discontinuous conduction mode,DCM)谐振电流峰值大、平均值小,器件应力大;电流连续模式(continuous conduction mode,CCM)充电后期开关频率高,硬关断损耗与干扰严重。为了实现电容器恒功率充电的同时弥补单一CCM或DCM模式充电的不足,该文提出一种新型多模态恒功率控制策略,综合利用CCM电流平均值大、峰值小与DCM开关损耗小的优势。状态平面法便于准确直观分析谐振电路变模式恒功率充电过程,因此文中通过CCM与DCM运行时的状态轨迹推导出恒功率控制模型,设计并实现各充电模态的平滑切换。最后通过实验验证,该多模态恒功率控制策略能够在显著加快充电速度的同时不增加开关器件应力。

基于电流扰动法阻抗测量的经颅电刺激装置研究

多通道经颅电刺激作为一种非侵入式神经刺激技术,具有更高的聚焦度和灵活度,但电极数的增加也加大了电极故障的风险,对电刺激装置的安全性和可靠性提出了更严格的要求。电极阻抗能反映皮肤接触状态及电极电化学变化,电极阻抗的在线监测有助于提高电刺激期间的安全性。由于多通道电刺激中存在串扰问题,直接测量电极阻抗误差较大,该文提出一种适用于多通道电刺激的新型在线阻抗测量方法,通过在刺激波形上叠加短时、小幅值电流扰动实现串扰解耦,从而测量各电极阻抗,实现对故障电极的定位。在上述方法的基础上,设计复合放大器增强型Howland电流源电路,采用现场可编程门阵列(FPGA)控制器,搭建多通道多模式经颅电刺激装置。最后通过该装置开展一系列人体实验研究,实现基于电流扰动法的电极阻抗在线监测,并在几类常见电极接触不良实验中成功定位故障电极。