高功率密度磁悬浮高速电机转子动力学建模与分析

与传统电机相比,高功率密度磁悬浮高速电机的运用范围越来越大。但由于转速的提高,转子在加速或减速过程中跨越临界转速会导致共振现象,因此为避免共振带来的问题,需对转子进行动力学建模及分析。以12.3 kW高功率密度磁悬浮高速电机转子系统为研究对象,建立基于有限元法的动力学模型,并对其进行模态计算,使用Ansys Workbench进行模态仿真。通过B&K敲击试验对高功率密度磁悬浮高速电机转子进行模态分析,与基于有限元法的模态计算结果和Ansys Workbench模态仿真结果进行对比。结果表明:3种方法数据较为吻合,其建立的动力学模型有足够的准确性。

顶置磁力搅拌器磁悬浮支承结构设计与仿真分析

针对顶置磁力搅拌器陶瓷轴承内部结构复杂,存在接触摩擦和润滑,且不利于在位清洗和在位灭菌的问题,对磁力搅拌器的载荷组成及搅拌轴支承布局进行分析,采用磁悬浮支承技术,增大主动磁轴承转子的轴向长度,确保转子在产生轴向位移时能被稳定支承;不考虑被动磁轴承与磁力联轴器因不对中产生的径向力,建立搅拌器转子的四自由度支承刚性转子模型,研究不同外部载荷对搅拌器转子的动态响应和线圈控制电流的影响,结果表明:外部载荷越大,外部载荷在长悬臂结构上的力矩作用效果越明显,主动磁轴承需提供的电磁力越大,对磁轴承功率放大器的要求越高。

磁悬浮微重力隔振系统自抗扰主动控制研究

空间站中精密仪器、敏感设备及微重力实验极易受太空微振动的干扰,非接触式磁悬浮微重力隔振系统是解决微振动的重要手段之一,主动控制对其隔振效果至关重要,是研究的核心。首先,基于磁悬浮微重力隔振平台,建立系统六自由度姿态解耦模型,构建具有外激励的耦合动力学模型;然后,提出并设计基于位移控制的“观测+补偿”自抗扰主动控制器,跟踪目标信号,观测系统的总干扰并实时补偿;其次,建立主动控制的仿真模型,分析主动控制参数对磁悬浮微重力隔振系统的影响规律;最后,对主动控制系统的性能进行仿真分析。结果表明,该微重力主动控制器具有良好的一致性和隔振性能,为磁悬浮微重力隔振系统主动控制的研究提供了一定的技术和理论支持。

基于CFD磁悬浮离心血泵多相流流场仿真研究

磁悬浮离心式血泵具有较好的血液流动性与血液相容性,由于其转速低、轴向尺寸小被应用于心室辅助装置。然而,血液本身是一个非常复杂的非牛顿流体,把血液看成单相流体不利于弄清红细胞在离心血泵内的分布规律,同时也没有考虑红细胞对流场的影响。为了弄清血泵流场的分布规律,且又不过多增加数值仿真的计算量,通过将血浆定义为液相、红细胞定义为固相,采用混合物模型(Mixture),基于计算流体力学进行模拟仿真,探讨磁悬浮离心式血泵多相流流场分布规律。研究结果表明,在工作转速(n=3600r/min),进口流量为6L/min的工况下,磁悬浮离心血泵可以满足人体生理需求,具有较好的机械效率,该研究为弄清血泵多相流流场提供了数值仿真支撑。

高功率密度磁悬浮高速电机支承设计及其磁场仿真

高功率密度电机具有体积小、转速高等特点,被广泛运用于涡轮发动机、飞轮储能等领域。为追求更小的体积和更高效的功率输出,将具有高转速、高效率优点的磁悬浮轴承作为电机的支承系统,可有效地提高电机的转速和功率密度,提升其工作性能。针对高功率密度磁悬浮高速电机,设计电机的支承结构,并对其进行磁场仿真,最后对设计的可行性进行总结。

磁悬浮柔性转子系统解耦控制仿真

目前磁悬浮转子系统的解耦控制研究主要基于刚性转子系统,但在高转速、高支撑刚度下,转子的弹性模态不能忽视.针对磁悬浮柔性转子的解耦控制问题,首先,建立柔性转子模型,采用模态截断法进行简化,通过状态反馈解耦得到解耦系统;然后,基于解耦系统设计了内模控制器,针对状态变量不易通过传感器获取的特点设计状态观测器;最后,仿真分析系统的解耦效果.仿真结果表明:未解耦系统的位移响应中含有与系统固有频率相关的多个频率成分,而解耦后系统的位移响应仅含激励同频成分;同一坐标平面内的机械耦合由10^(-5)m数量级减小到10^(-6)m数量级,由陀螺效应引起的两径向方向间的耦合由10^(-6)m数量级减小到10-19 m数量级,机械耦合和陀螺效应耦合均得到了有效控制;稳定悬浮时轴心到参考点距离的标准差由6.52×10^(-9)m减小到6.38×10^(-12)m,解耦后系统的运行波动更小;转子升速时和受到噪声干扰时系统响应不再受到固有频率影响,始终保持平稳;采用状态反馈解耦对不同的控制方法同样有效.

磁悬浮转子不平衡振动控制研究综述

在磁悬浮转子不平衡振动控制的相关研究基础上,阐述了磁悬浮转子不平衡振动的产生原因、控制原理以及处理方法,讨论了基于轴承电磁力最小和转子振动位移最小这2种控制策略的不平衡振动控制方法,并介绍了该技术在旋转机械中的典型应用案例,最后展望了磁悬浮转子不平衡振动控制研究的未来方向。

基于多处理器的磁悬浮轴承控驱一体系统架构

磁悬浮轴承因其优异性能是高性能转子系统的理想支承。常规磁悬浮控制系统采用控制器与电流驱动器分别实现位置环和电流环的控制,通过模拟信号传输来实现控制信息的交互,易受干扰且成本较高。提出一种应用于磁悬浮轴承的控驱一体架构,采用双DSP的并行处理方案,实现针对5自由度磁悬浮转子的控制;采用双端口SRAM替换常规DA-AD的方案用于位置环和电流环之间的信息交互;根据双口SRAM的控制时序设计了相应的软件控制流程。试验表明,所提出的多处理器磁悬浮控制系统架构,能有效实现电流环和位置环的双环控制,实现转子系统的稳定悬浮,该架构的有效性得到了证明。

真空管道磁悬浮列车混合悬浮支承设计与研究

为了克服列车高速行驶时空气阻力大的缺点,真空管道磁悬浮列车这一概念被提出。作为一种新型超高速地面交通工具,真空管道磁悬浮列车具有广阔的发展和应用前景。对真空管道磁悬浮列车的悬浮支承系统进行研究,针对单一悬浮支承方式的不足,设计了一种永磁电动与电磁混合悬浮支承结构。使用Ansoft Maxwell软件对混合悬浮支承结构进行仿真计算,分析结果表明,该混合悬浮支承能够有效降低起浮速度,减小磁阻力,增大浮阻比,降低系统能耗,更加适用于真空管道磁悬浮列车。

环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯复合材料的电磁吸波性能

为了制备具有一定电磁吸波性能的结构型吸波材料,采用喷涂法制备了负载石墨烯微粒的玻璃纤维预浸料,并通过热压罐成型工艺进行固化,制备了环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯吸波复合材料。研究了石墨烯含量对吸波复合材料电磁性能、吸波性能和力学性能的影响。通过三点弯曲测试结果可知,随着石墨烯含量的增加,环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯吸波复合材料的弯曲强度先增大后减小,弯曲弹性模量增大,但总体变化幅度较小。矢量网络分析仪测试结果表明,随着石墨烯含量的增加,环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯复合材料的介电常数逐渐增大,磁导率几乎不变,介电损耗正切角值逐渐增大。分析反射损耗计算结果可知,环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯吸波复合材料的吸波性能主要由复合材料的厚度和石墨烯含量决定,随着复合材料厚度的增大,反射损耗峰值逐渐朝低频移动;随着石墨烯含量的增加,复合材料的吸波性能逐渐增大。当石墨烯质量分数为2.5%、复合材料厚度为1.7mm时,环氧树脂/玻璃纤维/石墨烯复合材料具有最佳的吸波效果,此时反射损耗峰值为-11.8dB,有效带宽为1.45GHz。

基于Giannakoopulou模型的MWCNT/GF/EP复合材料微波吸收性能研究

探究了加入不同质量分数多壁碳纳米管的多壁碳纳米管/玻璃纤维/环氧树脂复合材料在X波段的电磁波吸收性能,基于Giannakoopulou模型引入透波层,研究了吸波层和透波层两者的比例和分布状态对吸波材料整体的吸波性能影响。结果表明,加入多壁碳纳米管质量分数为2%的多壁碳纳米管/玻璃纤维/环氧树脂复合材料在厚度为3.0 mm时,最大反射损耗为-44.5 dB,有效吸收带宽为3.3 GHz(8.2~11.5 GHz);通过合理设计吸波层和透波层两者的比例和分布状态,得到具有不同有效吸收带宽和吸收损耗峰值的吸波材料,反射损耗峰值最高达到-62.1 dB,有效吸收带宽为3.1 GHz。

基于黏弹性材料的高阻尼复合材料传动轴减振性能研究

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有优异的综合性能,近年来已被广泛应用于各种主承力件和次承力件的制作。本文引入黏弹性高阻尼橡胶与CFRP结合设计了高阻尼复合材料传动轴,基于模态应变能法,利用数值分析研究了所设计的高阻尼复合材料传动轴、CFRP轴与金属轴的阻尼损耗因子,并通过自由振动试验验证了数值分析的结果。在船用传动轴系中易出现各类振动,本文搭建了船用传动轴系横向振动测试试验平台,比较了各组传动轴在不同工况下对横向振动的减振效果,并通过静态纵向振动试验研究了各组传动轴对纵向激励的响应差异。本研究对高阻尼复合材料传动轴的设计研发提供了参考。

轴向磁力轴承结构综述

按照悬浮力的产生方式将轴向磁力轴承分为主动型、被动型和混合型,主动型的优点是能够产生可控电磁力,被动型的优点是结构简单,混合型兼顾了主动型和被动型的特点。在研究同心单环结构的基础上,分析了具备冗余性的同心多环冗余结构及叠片式冗余结构,从电磁力角度看,整体式同心双环结构优于同心三环结构,叠片式六环结构优于叠片式四环结构和叠片式八环结构。最后,对轴向磁力轴承在结构、控制及工业应用方面的发展前景进行了展望,轴向磁力轴承的结构应当朝着更具备冗余性和重构能力的方向优化。

圆柱空腔橡胶层局域共振声子晶体双层板减振特性分析

针对机械设备中的低频减振问题,提出一种圆柱空腔橡胶层局域共振声子晶体双层板结构,即在双层板间周期性排列具有圆柱空腔的橡胶层和实心散射体振子。首先结合弹性波理论和BLOCH定理,采用有限元方法计算带隙范围并分析弯曲波带隙形成的原理,其次通过单变量和组合变量的方式分析单元参数对带隙的影响规律并依此对单元参数进行调整,使其弯曲波带隙范围为48.52~206.21 Hz,最后通过振动传输特性仿真验证其对弯曲波振动的减振效果。研究表明,圆柱空腔橡胶层双层板式声子晶体可以产生200 Hz以下的弯曲波带隙,且可以通过调整单元参数来使其匹配目标减振频段。声子晶体板的振动传输特性分析和振动位移图验证了其对带隙范围内弯曲波传输的抑制作用,可为基于声子晶体减振的工程应用提供一定的参考。

一种基于NARX神经网络的振动主动控制方法

针对主被动混合隔振系统中次级通道的非线性因素和时变特性,设计一种基于有源非线性自回归神经网络(Nonlinear Auto-regressive With Exogenous Inputs Neural Network,NARX-NN)的次级通道系统辨识的方法,并成功应用于振动主动控制系统中。首先,使用NARX神经网络对次级通道进行辨识得到准确的次级通道模型;其次,采用FIR滤波器重构初级通道的输出,从而获得作动器的输出信号,基于重构得到数据对辨识的网络进行在线学习,可以避免由白噪声激励在系统中带来的随机振动对控制效果的影响;最后搭建仿真模型以及实验平台,仿真结果表明,该控制算法可以克服次级通道的时变性导致的次级通道失真问题;实验结果表明,该算法对15、20 Hz的线谱分别取得30.1、40.4 dB的能量衰减效果,能够有效地实现振动主动控制。

基于FBG的辊压机辊面非均匀应变分段重构研究

为实现对辊压机辊面内部损伤的监测,传统的重构方法不能较好地重构出结构损伤时应变局部突变的特点,文中提出了一种基于FBG传感的非均匀应变分段重构的方法。结合传输矩阵法推导了分段重构方法的可行性,改进差分进化算法对不同工况下的应变分布进行分段重构仿真与分析。结果表明:在正常工作状态下,分段与未分段重构方法都可以较好地重构非均匀应变;在损伤状态下,分段重构方法得到的应变均方根误差为4.505με,小于未分段重构方法的18.991με。说明分段重构方法具有一定的泛化能力,可以适应不同辊面工况下的非均匀应变重构。

周期格栅声学黑洞减振性能研究

针对弯曲波减振,该文提出了一种周期格栅声学黑洞结构,首先建立了有限元分析模型,然后通过实能带、复能带方法分析了带隙特性和宽频减振性能,并通过振动传递分析验证了能带分析的结果,最后提出以第一带隙范围和带隙外平均衰减因子作为结构的减振性能指标,研究声学黑洞特征参数的影响规律。研究结果显示:周期格栅声学黑洞同时具有全方向带隙特性和宽频减振性能,较低频段的减振由周期结构的带隙特性主导,较高频段的减振由声学黑洞的宽频减振性能主导;在5×5的有限周期结构中,周期格栅声学黑洞相比普通格栅在213~513 Hz处存在低频带隙,低频带隙外相比普通格栅振动平均减小9.5 dB;其他参数不变的情况下,增加声学黑洞长度、指数,减少残余厚度,有利提升结构的减振性能。

基于电流动态特性的EGR阀故障诊断方法及系统

EGR(Exhaust Gas Re-circulation,EGR)阀作为汽车废弃循环系统的关键部件,具备控制精度高、响应速度快以及出色的稳定性等优点。但因其恶劣的工作环境,长期的工作会导致其极易发生故障,这对其可靠性的设计要求提出了很高的要求。本文针对有限转角力矩电机式的EGR阀工作原理,建立对应的数学模型,并在Matlab/Simulink上搭建相应的仿真平台,通过对其电流特征进行分析,验证模型可靠性。基于仿真结果,设计了一套以STM32微处理器为核心的控制系统,驱动EGR阀的正常运转并进行位移与电流信息采集。根据采样的EGR阀的电流信号特征,将实验数据与理论数据的对比,提出了可靠的特征参数,验证了该诊断方法的可靠性与系统设计的准确性。

基于高功率密度磁悬浮高速电机的全参数自适应控制

高功率密度磁悬浮高速电机运行过程中会受到外来扰动,影响磁悬浮轴承稳定悬浮,且磁悬浮轴承系统模型本身也具有一定的不确定性。因此,寻求一种能够解决外来扰动和系统模型不确定性的控制算法具有实际意义。全参数自适应控制(All Coefficient Adaptive Control,ACAC)是一种智能控制方法,它的设计不依赖于事先设定的被控对象的数学模型,而是识别被控对象的特征模型,能够很好的应对外来扰动和模型不确定性问题。文中分析了传统PID控制理论与自适应控制的优缺点,研究了ACAC对于高功率密度磁悬浮高速电机受外来扰动的控制作用,实现了磁悬浮轴承的稳定悬浮。

永磁轴承结构综述

与传统轴承相比,永磁轴承具有无摩擦磨损、高转速等优点,其低损耗和无环境污染等特点也十分契合“低碳环保”的时代主题,因此在一些高速和精度较高的场合下得到广泛应用。首先,根据支承方式,对径向、轴向以及堆叠结构永磁轴承的结构形式进行了介绍,通过永磁环产生的吸力或斥力分析了各类永磁轴承的工作原理;其次,介绍了磁路法、有限元法等永磁轴承磁力计算方法并详细阐述了等效磁荷法的求解过程;然后,对永磁轴承实际应用中结构参数的选择进行了讨论并介绍了永磁轴承在储能飞轮、风力发电机、人工心脏泵以及其他机械领域的应用现状;最后,从实际应用、生产制造等方面对永磁轴承的发展进行展望。