新型分裂绕组双凸极变速永磁电机的分析与控制

提出了一种新型分裂绕组双凸极变速永磁(doubly salient permanent magnet, 简记为DSPM)电机,对其磁场、静态特性、控制策略等进行了系统深入的理论和实验研究. 在理论上,给出了DSPM电机的稳态和动态数学模型,进而导出了该电机的输出方程,并论证了采用分裂绕组拓展电机转速范围的可行性. 用有限元法分析了电机磁场,计及该电机所特有的外漏磁. 根据DSPM电机工作原理和静态特性,提出相应的控制策略,制定了控制方案,并在以单片机为核心的控制器上实施. 针对4相8/6极电机的特点,提出了无中线四相半桥式功率变换器拓扑结构,简化了控制系统. 样机实验结果不仅验证了理论分析的正确性,而且表明该新型电机驱动系统具有优良的稳态和动态性能,在很宽的功率范围内具有高效率,分裂绕组能有效拓展电机运行范围.     

新型分裂绕组双凸极变速永磁电机的分析与控制

提出了一种新型分裂绕组双凸极变速永磁(doublysalientpermanentmagnet,简记为DSPM)电机,对其磁场、静态特性、控制策略等进行了系统深入的理论和实验研究.在理论上,给出了DSPM电机的稳态和动态数学模型,进而导出了该电机的输出方程,并论证了采用分裂绕组拓展电机转速范围的可行性.用有限元法分析了电机磁场,计及该电机所特有的外漏磁.根据DSPM电机工作原理和静态特性,提出相应的控制策略,制定了控制方案,并在以单片机为核心的控制器上实施.针对4相8/6极电机的特点,提出了无中线四相半桥式功率变换器拓扑结构,简化了控制系统.样机实验结果不仅验证了理论分析的正确性,而且表明该新型电机驱动系统具有优良的稳态和动态性能,在很宽的功率范围内具有高效率,分裂绕组能有效拓展电机运行范围.     

基于磁力控制的径向分区压边拉深工艺研究

本文提出一种由永磁体提供磁力的径向分区压边方法,可以获得更加合理的压边力分布.根据软磁材料的特点构建了磁极单元,通过瞬时低强度电流可以改变磁极单元的磁力状态.拉力实验证明磁极单元可以提供足够大的磁吸力,满足压边要求.温升实验的测量结果验证了磁极单元不会产生过热问题.根据拉深工艺特点,设计了基于电控永磁技术的压边装置和拉深模具,拉深过程中施加压边力无需持续通电,因此具有节能、安全的优点.采用理论推导确定了径向分区压边方法的可行性,并采用数值模拟分析了板坯上压边力的初始分布.结果表明,相对于整体压边,径向分区压边施加的压边力可以作用在更大的径向区域内.通过成形模拟进一步验证了径向分区压边方法的有效性,压边力沿径向分布更加合理,可以更好地控制板坯厚度的变化.最后,通过镀锌板的拉深实验证明电控永磁技术用于压边装置是可行的,径向分区压边方法可以有效抑制起皱,改善板坯成形效果.     

横观各向同性饱和弹性多孔介质三维非轴对称Lamb问题

基于孔隙介质的Biot理论, 首先引入位移函数, 将圆柱坐标系下横观各向同性饱和弹性多孔介质的Biot波动方程转化为两个解耦的6阶和2阶控制方程.然后根据方位角的Fourier展开和径向Hankel变换, 求解了Biot波动方程, 得到了以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的积分形式的一般解, 并用一般解给出了饱和多孔介质总应力分量的表达式. 在此基础上研究了横观各向同性饱和半空间体的Lamb问题. 考虑表面排水和不排水两种情况, 得到了横观各向同性饱和弹性半空间体在表面竖向和水平谐振力作用下, 表面径向位移、竖向位移和周向位移的积分形式解, 给出了算例.     

定子永磁型混合励磁双凸极电机设计、分析与控制

将"混合励磁"思想引入双凸极永磁电机,提出一种定子永磁型混合励磁双凸极电机,对其进行系统深入的理论分析和实验研究.理论上,建立了电机的数学模型;提出了切实可行的该类电机的一般设计方法,建立了电机的一般功率方程,推导出电机磁场调节能力与最大速度之间关系,为电机的电励磁绕组的安匝数、永磁体用量等关键电磁参数的确定提供理论依据.将2维和3维有限元相结合,提出快速、准确的"一步法"对电机特有的定子外漏磁以及端部漏磁进行研究,并对电机电磁性能进行了分析;提出了该类电机的驱动控制策略和方案,并进行了实验研究.原理样机的实验结果不仅验证了理论分析的正确性,而且表明,该电机在保留双凸极永磁电机优点的同时,能有效拓宽调速范围,在宽调速范围内具有较高的能量效率,在电动汽车等应用领域具有应用前景.     

低成本辅助凸极式辐向永磁电机的鲁棒性优化设计

将铁氧体应用于具有聚磁能力的辐向永磁电机中可获得与稀土永磁电机相媲美的转矩密度,并兼具低成本的优势.为克服传统辐向永磁电机高转矩脉动的弊端,提出一种新型辅助凸极式转子,增强了转子的可塑性并增加优化参数的数目.采用基于响应面分析与多目标骨干粒子群优化算法相结合的多目标优化方法来提升电机的转矩性能.进一步地,考虑到在电机批量生产过程中不可避免地会受到误差、公差等不确定性因素的影响,将六西格玛设计方法和蒙特卡罗分析方法相结合,对电机进行鲁棒性优化.通过对比分析优化前后的电磁性能可知,所提出的新型电机可以在提高输出转矩的同时有效降低转矩脉动,且极大降低电机批量生产中的失效率.最后,实验结果验证了所提新型电机结构及其鲁棒性优化设计的准确性和可行性.     

受火侵袭两端完全约束钢梁大挠度行为的参数分析与极限温度准则

本文工作主要包括三部分：1）将有限变形动力学中的最小加速度原理应用于静力学问题,建立了火载荷作用下两端受约束钢梁问题的控制方程和计算模型,该模型考虑了大挠度效应,也涉及热膨胀变形效应,并配合包含温度效应的本构方程,因此形成对钢梁火灾行为进行数值模拟的动力有限差分法,能够充分描述钢梁受火作用下的大挠度行为和悬链线效应.与文献中已有方法相比,本文方法简单有效,并可容易地发展以用于爆炸和火载荷共同作用下钢梁行为的分析.初步数值结果比较表明,所给出的方法是有效和可靠的.2）利用该方法,本文详细比较了应用几种不同的热膨胀变形公式和材料强度、刚度折减系数公式后所给出的不同的位移响应结果,分析了这些参数对临界温度的影响.3）在对包含轴力和弯矩的屈服函数和轴力随温度变化规律分析的基础上,明确提出确定两端完全约束大挠度钢梁极限温度（或称失效温度）的两个准则,即分别由悬链轴力开始出现和达到最大值以确定两个相应的极限温度,而数值结果还表明,这样定义的两个极限温度与分别相应于最大挠度等于L/20和L/10的临界温度是接近的,该结论对于钢梁进行合理的抗火设计是很有益的.     

三维曲井内钻柱非线性屈曲分析平衡方程

随着钻井技术的不断进步, 油气井已由早期的铅直井发展成了当今的斜直井, 水平井, 平面曲井, 甚至三维空间曲线形状曲井. 井内钻柱屈曲性能的研究对钻井工程的成败尤为重要, 迫切需要建立分析三维曲井内钻柱屈曲性能的平衡方程. 本文基于Love的空间弯扭杆平衡方程, 考虑到井壁的径向约束条件, 导出了一套用于三维曲井内钻柱非线性屈曲分析的平衡方程. 公式引入了三维曲井的井眼轴线曲率和挠率所带来的影响. 对于径向受井壁约束的钻柱, 上端同时作用有轴向压力和扭矩, 并计及自重, 给出了非线性屈曲分析平衡方程的详细推导过程. 值得注意的是, 现有文献中用于分析直井和平面曲井内钻柱屈曲性能的平衡方程, 可由三维空间曲井内钻柱非线性屈曲分析平衡方程退化得到. 期望本文导出的平衡方程能为工程上三维曲井内钻柱的非线性屈曲分析提供理论基础.     

弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑解

弹性箔片空气动压轴承被广泛应用于各种透平机械中, 然而由于其结构的复杂性, 对于这类轴承的建模、静动态性能计算以及相应转子系统动力学分析等理论研究一直处在严重滞后于实验研究的被动局面. 通过引入柔性箔片的静、动变形以及联立求解气体润滑Reynolds方程和弹性箔片的静、动变形方程, 给出了弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑耦合解, 完全气弹润滑解不仅适用于箔片轴承的静态性能分析, 同样也适用于动态刚度和阻尼的计算, 从而为弹性箔片空气动压轴承静、动态性能分析和相应转子系统动力学行为预测提供了系统的理论与分析方法.     

常导低速磁悬浮列车弯道承载能力计算

针对磁悬浮列车位于弯道上时电磁铁与轨道的错位情况,以磁悬浮列车单转向架为研究对象,利用磁通管法得到悬浮模块提供的悬浮力和导向力计算公式.根据列车轨道超高条件下的动力学平衡条件,分析了影响磁悬浮列车弯道承载能力的几个主要因素,最终给出列车承载能力的定量计算公式.     

磁致伸缩薄膜-基底悬臂梁微致动器的设计与优化

从最基本的力学平衡方程出发获得了适应于任意磁膜/基底厚度比、自由端施加点荷载的磁膜-基底悬臂梁系统弯曲问题的严格解, 针对材料的几何参数和物理参数着重分析研究了构成微致动器悬臂梁的设计与优化问题, 给出了微致动器应用的最佳条件, 并澄清了一些理论问题. 结果表明: 当基底厚度固定时, 磁膜和基底厚度之比越大, 悬臂梁的带载能力越强, 即输出力越大; 而当悬臂梁整体厚度固定时, 其自由端的输出力将出现唯一的极大值, 此极大值随着材料强度比的增加将减小, 同时相应的厚度比将减小. 无论是基底的还是整体的厚度固定, 悬臂梁中两种材料的Poisson比对其自由端输出力的影响都很大, 不可忽略.     

机构自由度、原动件和执行构件关系的一般问题研究

在工程实践和理论研究中经常会遇到机构自由度与原动件数目不相等的情况,这是经典机构自由度理论所无法解释的.针对这一问题,从对偶或二元性概念出发,提出了机构运行规律的对偶描述.以键合图理论为工具,建立了一般理想机构端口描述的结型结构方程,给出了机构自由度的功能描述.在能量传递分析和信号因果分析的基础上,提出并定义了“运动传递自由度”的对偶概念“力传递自由度”.利用自由度公式的结构描述、功能描述和对偶描述,进一步论述和分析了运动传递自由度与力传递自由度两者之间的关系,从而给出了机构自由度与原动件、执行构件关系更一般的描述.最后分析了几个典型理想机构的自由度、原动件和执行构件之间的关系.     

湿度与时间因素对高分子材料力学性能影响的研究

以尼龙6 材料作为研究对象, 从实验与理论两个方面分析湿度与时间因素对高分子材料的力学性能的影响, 对湿度-时间相关性进行了实验分析, 从实验的角度证明了它们之间存在某种等效关系, 即对材料力学性能而言, 延长作用时间与增加材料含湿率是等效的. 给出了该材料的湿度-时间等效关系, 如该材料在不同含湿率下的广义曲线, 该材料平移函数的近似方程与平移因子. 在实验分析工作的基础上, 借鉴温度-时间等效理论的分析方法, 从理论上对湿度-时间等效性进行了推导。     

伪均质固液两相流水击压力的计算方程及验证

根据伪均质固液两相流的特征 ,推求了连续方程及运动方程 ,建立了伪均质固液两相流水击模型 ,并根据实验资料对伪均质流水击模型进行了验证 .由于该模型推导中考虑了伪均质固液两相流黏度、阻力及波速的特点 ,与单相流模型相比具有较高的精度     

交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度理论模型

交叉滚柱直线导轨广泛应用于机床等精密机械中,静刚度为交叉滚柱直线导轨的重要性能指标,然而到目前为止,尚未见到该导轨静刚度的理论模型的报道.本研究建立交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度的理论模型.首先,基于Hertz线接触理论与弹性理论的Boussinesq解,采用分片法推导了滚柱-滚道接触力及接触力矩的函数表达式;在此基础上,建立直线导轨结合部变形协调方程、物理方程与静力平衡方程,迭代求解方程获得交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度.其次,以一款交叉滚柱直线导轨为例,开展了导轨五自由度静刚度的实验测试,并与理论模型计算结果进行了对比,验证了本模型的正确性.最后,分析讨论了预紧力对交叉滚柱直线导轨各向位移及刚度的影响,为交叉滚柱直线导轨预紧力的调节奠定理论基础.     

双绕组多相高速整流异步发电机系统的分析

在分析和定量计算双绕组多相高速整流异步发电机电流谐波和磁势谐波关系的基础上，提出了把发电机系统分成两个子系统分别进行分析计算的新思路．对十二相功率绕组与整流负载系统采用电路分析方法，用基于电路拓扑理论的回路电流法列写网络方程，求解过程中定步长和变步长联合使用，解决了计算结果的稳定性问题，得出了功率绕组电压、电流及其基波分量．对定子双绕组与实心鼠笼转子系统采用电磁场分析方法，电磁场有限元和多变量优化法迭代相结合求出了控制绕组电流和定子频率．计算结果和实验结果吻合，说明了所提方法的有效性和准确性．     

摇摆工况下两种舰船转子轴承系统的安全性与稳定性研究

倾斜摇摆工况下,轴承承受载荷随时间变化,这必然会影响轴承支撑的转子系统的安全性与稳定性分析结果,仅通过稳态分析难以保证支撑轴承自身的安全性和可靠性.本文采用西安交通大学润滑理论与轴承研究所多年积累的转子轴承系统动力学分析软件DLAP(dynamic lubrication analysis program),求解包含瞬态项的Reynolds方程和黏温方程,得到了正常工况下椭圆瓦、错位瓦轴承关键的运行参数如最小油膜厚度、最大油膜压力、温升、功耗和流量,同时对比分析了摇摆工况下两种轴承的轴心轨迹和油膜压力的变化.此外,基于轴承刚度和阻尼的分段线性化假设,建立不同横摇角度的转子轴承模型,耦合求解两种轴承支撑的转子系统的动力学模型,采用特征值和特征向量,不平衡响应分析、稳定性分析和瞬态动力学分析等手段,研究轴系的稳定性和安全性,最终得出摇摆工况下椭圆瓦轴承和错位瓦轴承支撑的转子系统的动力学特性.     

基于内能分解的力-热-化多物理场耦合系统连续介质力学

本文将内能分解为可逆自由内能和不可逆耗散能两部分,基于连续介质热力学获得了考虑传热、传质、化学反应和宏观形变的开放系统守恒律,以及相应的力-热-化多场耦合本构关系和演化方程的表达式,从而建立了基于内能分解的力-热-化多场耦合理论框架以及等效积分弱形式,最后给出了一个典型的力-化耦合问题数值算例.     

港口非线性波浪三维耦合计算模型研究

建立了外域用差分求解高阶Boussinesq方程、内域用有限元求解Laplace方程的三维非线性波浪对船作用的时域计算耦合模型.研究了该类三维耦合模型的匹配条件,耦合求解过程和内域、外域公共区域长度的确定,探讨了内域有限元网格的剖分方法.把该耦合模型的计算结果与实验结果、内域用Euler方程的耦合模型计算结果进行了对比,结果表明该耦合模型具有满意的精度,适用于模拟较大区域内波浪对三维船等固定物体的作用,为今后近海岸大区域非线性波浪对三维非规则物体作用的时域计算和三维分区计算提供了参考.     

飞轮储能系统机电耦合非线性动力学分析

对永磁悬浮-机械动压轴承混合支承式飞轮储能系统的机电耦合动力学问题进行了研究. 基于机电分析动力学原理, 给出了系统各部件的动能、势能、电机气隙磁场能和系统的耗散函数, 并由广义Lagrange-Maxwell方程建立了系统的机电耦合动力学微分方程组. 推导出了适用二阶多自由度常微分方程组的四阶隐式Runge-Kutta公式, 并运用Gauss-Newton法求解了机电耦合动力学非线性代数方程组. 完成了储能0.3 kW飞轮系统动力学特性分析, 研究结果表明, 上阻尼系数变化对储能飞轮系统的机电耦合共振频率没有明显的影响, 但是使系统的共振峰幅值大幅降低. 随着下阻尼系数增加, 系统的机电耦合共振频率增大, 同时系统共振峰幅值下降. 随着电机转子稀土永磁体剩余磁感应强度增大, 系统的机电耦合共振频率减小, 同时系统共振峰幅值增大.