高速永磁电机电磁轴承转子系统的动力学及实验研究

高速永磁电机由于其转速高、体积小和功率密度大等优点,在众多行业有着非常广阔的应用前景,然而转子的高速旋转也对其支承系统提出了很高的要求。电磁轴承作为一类非接触式支承系统,非常适用于高速永磁电机。针对一台40 000 r/min、50 kW的高速永磁同步电机进行了电磁轴承转子系统设计,具体包括承载力设计、控制器设计、电流/位移刚度实验标定以及系统性能分析。最后对该支承系统进行实验研究。实验结果表明,高速永磁同步电机在额定转速范围内,电磁轴承转子系统可以稳定工作,进而验证了该设计方法的合理性。

末端质量作用下变长度轴向运动梁的振动特性

对带末端质量,变长度(或速度)轴向运动梁的振动特性采用两种精确方法求解.首先,对变长度轴向运动Euler(欧拉)梁横向自由振动方程进行化简,通过复模态分析得到本征方程,并在有末端质量的边界条件下得到频率方程,用数值方法求解固有频率和模态函数.然后,采用有限元方法建立运动梁自由振动的方程,求解矩阵方程得到复特征值和复特征向量,结合形函数得到复模态位移.最后,将两种方法的计算结果进行了分析和对比.数值算例的结果表明:不同的轴向运动速度和末端质量对变长度轴向运动梁的振动特性有显著影响,两种计算方法的结果接近且均有效.

耳蜗结构对低频信号频散特性的影响

耳蜗是人体最为精密的力学元器件,能处理频率从几十到几万赫兹的声信号.实验研究表明,声波进入耳蜗后,沿着基底膜传播,基底膜能够将不同频率的声信号分散到不同的位置,并为位于基底膜上的毛细胞所感知,就像一个天然的Fourier(傅里叶)滤波器.在von Békésy行波理论框架体系下,基于Manoussaki等的三维螺旋基底膜流固耦合耳蜗模型,考虑耳蜗导管高度和基底膜刚度均为纵向梯度变化,推导出基底膜声波传播的频散方程,分别分析了基底膜刚度和耳蜗导管高度对频散特性的影响.发现耳蜗内淋巴液的存在大大提高了耳蜗对低频信号的处理能力,且捕获频率随基底膜刚度和耳蜗导管高度的减小而降低,两者梯度变化在声信号调制中起协同作用.最后,以人、沙鼠和豚鼠的具体耳蜗参数为例,得到3种生物耳蜗频率-点位图,并验证了低频段模型预测的正确性,比较分析了耳蜗频散功能与生物适应性之间的关系.

第七届电磁场问题与应用国际会议(ICEF'2016)综述

在介绍2016年第七届电磁场与应用国际会议概况和主要学术专题的基础上,分析了应用电磁学理论与应用领域的现状和取得的主要成果,提出了对未来发展的建议与思考。

含镍腐蚀噪声的铜-镍合金热交换管涡流检测信号处理方法

基于理论分析和实验研究,提出和验证了一种针对铜镍合金管脱镍腐蚀区域涡流检测信号的自动处理方法。首先,通过数值分析,研究了换热管内壁脱镍腐蚀和管内外壁裂纹导致的涡流检测信号的差异,发现腐蚀噪声与裂纹信号的相位和波形具有不同特点,但单一信号特征量无法独立判定检测信号中的缺陷信息。基于信号相位和波形特征,提出了一种基于分段特征相位变换和模式匹配识别的涡流检测裂纹信息判定方法。作为验证实验,利用实际核电站老化换热管制作了含不同大小人工裂纹和疲劳裂纹的脱镍腐蚀换热管裂纹试件,进行了涡流检测并对检测信号利用本文方法进行了识别处理。实验结果表明本方法可有效从混合信号中识别和抽取裂纹信息,可有效用于实际铜镍合金换热管脱镍腐蚀区域的裂纹检测。

三瓦双向箔片轴承-高速电机转子系统动力学研究

以10 kW,120000 r/min的超高速永磁同步电机为实验样机,对三瓦双向箔片轴承-电机转子系统动力学行为进行实验研究。分析了三瓦双向箔片轴承的承载特点,在对轴承刚度和阻尼系数适当简化的基础上,计算了弹性支撑时的转子锥动模态频率和平动模态频率。在样机上进行了30000 r/min,60000 r/min的升速实验和90000 r/min的自由降速实验。实验表明:转子的起飞转速约为4000 r/min,当转子工作在90000 r/min时,伴随着强烈的亚同步涡动频率,而且该亚同步涡动频率完全是由轴承-转子系统本身所引起。结果显示三瓦双向箔片轴承-转子系统具有较好的稳定性,该理论分析和实验结果为超高速永磁电机轴系设计和动力学分析提供了参考。

基于不动点方法求解非线性Falkner-Skan流动方程

Falkner-Skan流动方程描述绕楔面的流动,该方程具有很强的非线性.首先通过引入变换式,将原半无限大区域上的流动问题转化为有限区间上的两点边值问题.接着基于泛函分析中的不动点理论,采用不动点方法求解两点边值问题从而得到Falkner-Skan流动方程的解.最后将不动点方法给出的结果和文献中的数值结果相比较,发现不动点方法得到的结果具有很高的精度,并且解的精度很容易通过迭代而不断得到提高.表明不动点方法是一种求解非线性微分方程行之有效的方法.

Sakiadis流动的一致有效级数解

通过引入一个变换式,克服了Sakiadis流动中半无限大流动区域以及无穷远处渐近边界条件所带来的数学处理上的困难.基于泛函分析中的不动点理论,采用不动点方法求解了变换后的非线性微分方程,获得了Sakiadis流动的近似解析解.该近似解析解用级数的形式来表达并在整个半无限大流动区域内一致有效.

拟弧长延拓法在静电激励MEMS吸合特性研究中的应用

在静电激励微机电系统MEMS(micro-electro-mechanical systems)吸合特性研究中,基于应变梯度理论的微梁结构的控制方程是非线性高阶微分方程,给方程的求解带来了困难.由于该问题的数学模型本质上是分叉问题,方程的解支上出现奇异点,而运用局部延拓法无法通过奇异点.因此,通过运用广义微分求积法将控制方程降阶离散,结合拟弧长延拓法使迭代顺利通过奇异点,求出了整个解曲线.结果表明,拟弧长延拓法能有效并准确地求解具有分叉现象的高阶微分方程问题,为精确预测静电激励MEMS的吸合电压提供有力帮助.

小Reynolds数下粗糙圆管中黏性流场的理论解

在小Reynolds数下,针对粗糙圆管和花瓣圆管中的流场问题,将管内的粗糙表面视为光滑表面受到小扰动的情况,采用修正的摄动方法,对流体参数做微小扰动下的摄动展开.同时将具有复杂形貌的边界条件进行Taylor展开,进而近似得到光滑边界处的边界条件.联立求解流体力学方程,在一阶摄动展开的前提下,得到压力梯度的近似解,从而求出管道的静流阻和曲折度.通过数值模拟得到的流体参数和采用修正摄动方法求出的结果吻合良好.

高速永磁电机定转子小间隙三维流场计算

为了考察高速、超高速下这种"定转子环形间隙+定子槽"并联冷却结构的流场特性,针对一台额定转速120 000 r/min的超高速永磁电机,采用计算流体动力学方法对定转子小间隙三维流场进行了研究,分别考虑了定子槽、轴向冷却流,以及转速对电机定转子小间隙流场的影响。结果表明:定子开槽后,原先存在于定转子环形间隙内的泰勒涡消失了,另外高转速、轴向流加强了环形间隙区气流与定子槽区气流的混合程度。研究结果为高速永磁电机转子热设计提供了重要参考依据。

考虑化学氧化效应时热障涂层氧化物的生长规律

基于考虑氧化效应的Fick定律以及Voigt均匀性假设的氧化区两相材料的本构关系,开发了ABAQUS用户单元子程序.并基于重构的可反映热障涂层界面真实形貌的二维有限元模型,计算分析了氧化效应对TGO生长规律的影响,以及TC-TGO和BC-TGO界面的应力场分布.结果表明,未考虑氧化效应仅能获得TGO均匀生长的模拟结果,而考虑氧化效应得到了TGO的非均匀生长结果;且考虑氧化效应相对于不考虑氧化效应时的界面应力处于较高水平.此外,探索了氧化效应大小对TGO生长的影响规律,发现氧化效应大则能促进TGO的不规则生长,氧化效应小则相反.

重型燃气轮机高温透平叶片热障涂层系统中的应力和裂纹问题研究进展

燃气轮机是清洁高效火电能源系统的核心动力装备之一,是关乎国家能源安全和国防安全的战略高技术,是国家重大装备制造水平的标志,被誉为制造业王冠上的明珠.透平前燃气温度代表了燃气轮机的技术水平,人们一直在不断地追求燃气温度的提高.目前,国际最先进的重型燃气轮机的透平前燃气温度已达1600℃,未来还将向1700℃及以上发展.这种极端高温服役环境对高温透平叶片的设计和制造提出了严峻挑战,热障涂层(TBC)技术是解决这一问题的核心技术之一,在燃气轮机发展进程中发挥了重要作用,它不仅具有热障效果,而且还能防止氧化、腐蚀、外来物冲蚀等对叶片造成的损伤.因此,深入研究TBC的失效机理及其影响因素,对TBC的设计、制备及强度评价具有重要意义,对燃气轮机的安全服役具有重要作用.本文拟介绍重型燃气轮机高温透平叶片TBC系统中应力和裂纹问题的国内外最新研究进展,重点介绍本课题组十年来的研究成果,涉及理论、实验和数值分析几个方面.主要内容包括:TBC制备过程中的热应力,热生长氧化物(TGO)及其诱发的生长应力,TBC中的表面裂纹、界面裂纹及表界面裂纹间的竞争,TBC双轴强度评价方法,先进层级TBC中的表面和界面裂纹及其竞争,表面环境沉积物(CMAS)渗入诱发的涂层脱粘行为,陶瓷层烧结及其对TBC开裂的影响等.