转子斜槽及不同槽斜度对鼠笼式异步电机损耗影响的时步有限元分析

为研究转子斜槽及不同槽斜度对电机损耗的影响,利用多截面场-路耦合时步有限元法,针对一台5.5kW异步电机,分析了转子斜槽后定转子铁心典型位置的基波及谐波磁场沿轴向的分布特点,经分析得出如下结论：斜槽一方面会降低定转子谐波电流产生的谐波铜耗;另一方面会引起电机内部磁场沿轴向分布不均匀,导致铁心饱和严重、铁耗增加,且负载越大斜槽对铁耗的影响越明显.进一步研究了槽斜度在0.5～1.5个定子齿距之间变化时电机各项损耗的变化情况,最终得出当转子斜0.8个定子齿距时文中5.5kW电机的总损耗最小,同时也能够有效削弱齿谐波磁场.     

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.     

刚柔分级并联驱动宏微复合运动平台设计

高速精密定位是电子制造的要求,轴系摩擦是影响精密定位的重要因素.目前,微米级以上精度必须通过消除摩擦影响的方式来实现,成本很高.本文将大行程的直线电机平台与无摩擦的柔性铰链导向机构结合,提出了一种并联驱动的宏微复合设计新方案,克服了现有宏微复合平台存在的输出饱和问题.具体做法是在无铁芯永磁直线电机模组中,安装两套驱动和测量反馈系统,分别用于驱动宏运动平台和与之通过柔性铰链相连的微运动平台.宏运动平台通过直线导轨滑块"刚性"机械连接系统实现大行程高速运动,微运动平台通过基于柔性铰链的"柔性"连接来快速补偿"刚性"宏运动平台的误差,最终实现大行程高速高精度运动.本文利用上述刚柔分级运动方案,通过基于动力学响应的运动规划方法进一步抑制了高加速运动平台的定位残余振动.基于柔性铰链的微运动系统较之宏运动系统具有更快的响应速度和更小的跟踪轨迹误差,从而实现在高加速运动过程中宏/微驱动力叠加来实现快速运动,同时在匀速与低速定位过程中微驱动器产生反方向作用力来快速补偿宏运动平台的运动误差来实现高定位精度.实验表明,本文提出的宏微复合驱动方案,通过机构的创新,可有效降低控制的复杂度,并实现了高精密快速定位,可以为微光电子制造装备亚微米级高速定位平台设计提供崭新的途径.     

集成于薄板的压电型随机振动能量收集器件优化设计

将压电薄膜粘贴于方形薄板表面即构成实用的振动能量收集器件,本文研究此类器件在受到宽带随机点激励作用时以平均输出功率最大为目标的优化设计问题,具体包括压电片布置位置和尺寸要求、最优负载电阻等.首先,导出机电耦合系统关于位移和输出电压的随机偏微分-积分方程组,通过模态分析技术消去空间项得到关于主坐标和电压的无限维随机常微分方程组.进而,由线性随机振动理论建立平均输出功率的解析表达,优化问题据此展开.研究表明:宽带激励作用时,压电片最优中心位置处于激励点及与之相应的3个对称点;在最优布置条件下,平均输出功率随压电片尺寸增加近于单调增加,而增速渐缓,据此可定义最优尺寸;在最优布置条件下,平均输出功率随外接电阻的变化有极值出现,可由此断定最优负载电阻.上述研究揭示了对称最优布置位置的存在性及输出功率对布置位置的敏感性,对平板型随机振动能量收集器件的优化设计有一定的指导意义.     

热毛细对流自由面微弱位移信号高灵敏度相位检测系统

在流体力学的研究领域,流体自由面的变化是一种非常重要的物理现象.针对自由面的形变位移,研制一套双频激光相位光电检测系统.将光学干涉技术与相位计相结合,实时获得相位计输出的反映流体表面形变的信号.本文详述了此双频激光相位光电检测系统的原理和装置.通过高精度PI步进电机驱动物体移动,标定系统的性能特性.应用激光位移传感器验证该系统的精度,同时分析环境对干涉测量系统的影响.将该系统应用于浮力热毛细对流自由面形变测量中,获得有意义的实验结果.     

基于光学衍射的纳米尺度深度重建

传统的离焦深度恢复方法（depth from defocus,DFD）在计算离焦图像的模糊程度时,均是基于几何光学成像原理,并没有考虑光波衍射对图像模糊的影响.然而,衍射现象是波的基本特性,以针孔成像为基础的光学成像系统中必然存在光波衍射.本文基于光学衍射和图像模糊机理,提出了一种精确的单目视觉全局景物3D深度信息获取方法.首先,详细分析了光学成像系统中的菲涅耳衍射机理,建立了衍射模糊与景物深度之间的关系曲线;然后,采用曲线拟合的方式建立了衍射模糊的模糊程度（点扩散函数扩散程度）与景物深度的数学关系模型,结合热辐射和图像相对模糊原理,构建了衍射模糊热辐射方程组,并把衍射模糊深度获取问题转换成一个深度信息动态优化问题.最后,使用标准的纳米栅格模板验证了衍射模糊深度重建算法在纳米尺度相对深度和绝对深度重建中的有效性和精确性.     

轨道磁流变隔振器的结构优化设计及性能测试

参数可调的磁流变装置对提高轨道系统的低频隔振性能具有重要的意义,针对原型磁流变隔振器存在的峰值阻尼力过小等问题,提出针对隔振器绕组区域结构的优化设计方法,推导了隔振器线圈安匝数和线圈功耗的表达式,利用电磁场软件Maxwell对隔振器结构进行优化匹配,研制了一种新型磁流变挤压模式隔振器,用MTS858测试机对其性能进行测试,在2Hz,0.6 mm激振载荷和0.5 A小电流驱动时,小尺度磁流变隔振器的阻尼力最大增加58.3%,且阻尼耗散能力能够增加93.5%;当激励频率、振幅一定时,随着初始挤压位置的改变,磁流变隔振器在不同电流下呈现可控的刚度和阻尼特性,即该隔振器可望调整初始挤压位置来满足不同零场刚度阻尼要求的隔振需求,对同类隔振器件优化设计具有参考价值.     

基于GMM的压电驱动器磁滞特性建模及高精度抗扰跟踪控制

包含压电驱动器的微定位平台可以用于减小飞切加工中的低频误差.本文针对该平台中的压电驱动单元,提出了一种新的系统建模方法,并基于此建立了完整的高性能抗扰跟踪控制策略.首先,利用高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)对压电驱动器固有的磁滞特性建模,并根据该模型进行前馈补偿,以消除磁滞非线性对控制精度的影响.其次,建立扩张状态观测器,对所有外部扰动及未建模误差进行观测与补偿,以提高系统的抗扰能力.为了进一步提高系统的跟踪精度与控制带宽,建立状态反馈与零相跟踪前馈控制策略,以优化闭环系统特性.实验结果验证了基于所提磁滞模型建立的抗扰跟踪控制方法的有效性.在0～50 Hz输入信号频率范围内,在给定的测试集内该控制策略下的系统跟踪误差小于2.2%,能够满足目标控制带宽下的高精度跟踪要求.     

新型弛豫铁电单晶体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3的形貌与缺陷结构

采用改进的Bridgman法生长出了尺寸达 2 5mm× 2 5mm× 5 0mm的透明的、压电性能十分优异的弛豫铁电单晶体Pb(Mg1/ 3 Nb2 / 3 )O3 PbTiO3 ,其为纯钙钛矿相的三方或四方结构 .这些单晶主要显露 {0 0 1 }面 ,而 [1 1 1 ]方向的生长速度相对较快 .可以利用负离子配位多面体生长基元理论模型解释PMNT单晶的形貌特征与生长习性 .在光学显微镜和SEM下观察到了散射颗粒、气泡及负晶结构等宏观缺陷 .在对结构缺陷形成机制研究的基础上 ,通过调节生长参数 ,可以减少或消除这些缺陷 .用光学显微镜对三方相单晶的 71°或 1 0 9°电畴、四方相单晶的 90°电畴进行了观察 ,发现微畴 宏畴转变可由成分诱导并存在过渡区 ,分析了电畴结构的形成机理及与铁电相变的关系 .     

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.     

从“0–1”,敢为人先——纳米能源所建所十年科研成就综述

<正>中国科学院北京纳米能源与系统研究所(以下简称“纳米能源所”)是中国科学院与北京市人民政府于2012年围绕引进王中林院士及其科研团队而联合共建的新型科研单元. 2018年,纳米能源所被北京市列入首批建设世界一流新型研发机构的支持名单.建所十余年来,在中国科学院和北京市及有关部门的支持下,纳米能源所坚持从“0-1”的研究,致力于原始创新,围绕纳米能源与纳米自驱动系统这个核心领域,布局了“一棵树”的发展蓝图和学科布局.     

基于语音识别机器人的研究

语音识别技术是以声学特性为基础,通过研究声学频谱的模式匹配准则算法,使得机器人利用语音识别系统来执行命令。本文描述了以凌阳SPCE061A单片机为核心而构造的语音识别机器人系统的研究。通过分析激励声音的频谱,高速的数据采集与匹配模块,确定语音识别系统的最佳程序中断地址参数,从而可以高精度的实现机器人小车控制功能。系统硬件系统主要由SPCE061A处理器,电机的驱动与控制电路,语音接收单元等组成。软件系统由信号处理模块,语音采集与匹配模块,控制模块等构成。     

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.     

利用差动轮系实现机械压力机混合输入的研究

采用差动轮系作为传动机构对机械压力机的混合输入的问题进行了研究. 提出了“调速幅度”或“差速比”是混合输入的重要参数, 它不仅决定了速度调节的大小, 而且决定了伺服电机功率和常规电机功率的功率之间的比值. 对差动轮系中各轴的传动比、两电机的功率计算、工作负载功率的分配等公式进行了推导. 提出了机械压力机实现混合输入可以采用伺服电机和常规电机同时拖动, 与伺服电机和常规电机分别拖动两种驱动方案. 计算结果表明, 采用伺服电机和常规电机分别拖动方案, 可以采用较小功率的伺服电机满足机械压力机的工作要求, 并能使得设备的制造成本和使用成本较低. 因此该拖动方案为机械压力机混合输入在工程实际中应用提出了一条可行之路.     

“刚-柔”共融型仿生机器鱼

智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.     

基于热吸收分布的热声成像方法研究

注入电流式热声成像是一种电磁场与声场耦合新型成像技术,融合了传统电阻抗成像高对比度和超声成像高分辨率的优势,具有早期诊断的潜力.为了验证该方法在复杂生物组织结构中应用的可行性,本文分析了注入电流式热声成像方法基本理论,将脉冲激励电流注入目标体,在目标体中产生焦耳热,引起热膨胀激发超声波;将热吸收作为热声源,以低电导率的椭圆和长方形目标体为几何模型,进行电磁场和声场耦合分析,得到声源及声压分布;同时,搭建了成像系统实验平台,分别采用不同厚度猪骨质和模拟生物软组织的1 S/m低电导率仿体、新鲜猪肝离体组织嵌入0.5 S/m仿体,将脉宽0.8μs的脉冲激励电流源注入仿体,开展热声实验研究.采用1 MHz中心频率的超声换能器进行声压信号的检测,得到目标体的声压信号及猪肝仿体的B扫图像.研究结果表明:较薄较软的骨头遮挡实验所检测到的声压信号并无明显衰减,尽管硬骨对声信号起到了一定的衰减作用,但依然可以得到较清晰的声压信号,且声压波形均可反映凝胶仿体电导率变化的位置;猪肝仿体实验结果验证了该方法可反映低电导率生物组织电导率变化.该研究证实了该方法用于复杂生物组织成像的可行性,为推动多物理场耦合成像技术应用于人体疾病诊断提供了依据.     

自励异步发电机带载稳态的解析计算

从自励异步发电机的暂态等效电路出发,基于其在两相静止坐标系上的状态空间数学模型,对其带载建压暂稳态过程提出了应用Lyapunov稳定性理论的整体性分析方法.依据理论分析方法分析得到了带载自励建压达到稳态的过程之应用暂态数学模型表示的稳态条件.解极限环条件得出了定子频率和转子转速的解析计算式,以及确保自励建压的负载取值范围和电机磁路过度饱和稳态励磁电感的解析关系式;为求解稳态运行点条件,提出了一种基于物理背景的等价转化解析计算方法,解得了稳态运行点的解析计算式.算例分析检验了稳态条件的唯一组解析解.实测值与计算结果相互吻合,验证了稳态条件解析计算式的正确性、科学性和有效性,表明了通用性和工程参考价值,解决了长期以来对异步发电机暂稳态运行性能无法解析计算的难题.理论分析方法适用于具有动力学特性的其他类型电力系统运行分析.     

基于半桥型电感测头的微位移检测技术研究

针对半桥型电感测头,设计了幅值稳定的正弦波激励信号产生单元和相应的输出信号处理电路;分析了影响测量精度的主要原因,设计了基于反馈原理的激励信号稳幅模块;通过标定实验,采用分段线性插值法进行数据处理,该电感测头在±1 mm的测量范围内,最大误差为1.2μm,线性度为0.06%,满足测量系统的要求。     

PT/PZT/PT铁电薄膜的电畴结构与极化保持特性

用Sol-Gel法制备出了具有良好铁电性、纯钙钛矿结构的PbTiO₃/Pb (Zr_0.3Ti_0.7)O₃/PbTiO₃铁电薄膜. 在扫描力显微镜的压电响应模式下, 薄膜电畴压电响应的振幅像和相位像都表现为亮暗(黑白)和灰度衬度. 其复杂的畴衬度可归因于晶粒的结晶取向和畴排列所致. 对于亮暗衬度区域, 对应着极化方向相反的c畴. 灰色衬度区域对应着偏离膜平面垂直方向的c畴. 电场力响应模式下经12 V极化后测得的表面电势图显示, 电畴取向极化后, 薄膜表面将俘获正电荷. 这些俘获的正电荷, 使薄膜表面这一区域呈高电势的亮区. 在不同时间测得的表面电势图和表面电势线扫描信号可看出, 表面势将随着时间的变化而降低, 且强电场极化的区域, 15 min内表面电势下降迅速; 弱场极化的区域表面电势变化缓慢. 说明薄膜的极化保持特性与极化场强有密切的关系, 在合适的电场下, 薄膜极化后将会有较好的保持特性.     

基于人脸运动捕捉的表情动画仿真研究

基于运动捕捉的动画仿真技术是当前计算机动画的研究热点.基于光学式运动捕捉系统,文中提出了一种新颖的基于交叉映射的人脸表情动画重构方法.针对RBF构建静态全局映射时嘴唇上下部分光标出现的伪关联问题,文中构建了基于功能分区的RBF交叉映射方法.在模型驱动过程中,提出一种皮肤运动机理计算得出增强标记点运动,基于增强标记点实现了基于人脸分区驱动的RBF插值方法,改进了基于人脸分区模型驱动的仿真效果.此外,设计了预计算算法提升了交叉映射和动画仿真过程的实时效率.实验证明该方法能够将同一演员的运动捕捉数据应用于任意不同人脸模型,针对相应模型生成逼真的人脸表情动画.