超磁致伸缩作动器结构设计与分析

以设计一款能长期工作且最大工作位移为50μm、最大输出力为2 kN的新型超磁致伸缩作动器为目的.在分析超磁致伸缩作动器结构及工作原理的基础上,对关键参数进行设计.选取超磁致伸缩材料的最佳预压应力,通过计算确定超磁致伸缩棒的几何参数;同时,为提高作动器的工作效率,对电磁线圈进行优化设计以及关键参数进行分析.利用MATLAB、ANSYS对其进行仿真分析.实验表明,所设计的作动器满足设计要求.其研究结果对超磁致伸缩作动器的结构设计及相关理论计算具有参考价值.     

驱动频率对超磁致伸缩致动器的损耗和温升特性的影响

从超磁致伸缩材料的压磁效应入手,基于能量极小值条件和磁学理论,分析了磁化过程中磁弹性力对材料中磁场的影响,分析了不同驱动频率下材料的涡流损耗、磁滞损耗以及复数磁导率的频率特性,对致动器中的磁能损耗以及损耗带来的温升特性进行仿真实验.结果表明,利用涡流损耗的计算公式得到的结果与有限元仿真结果吻合较好,该公式可适用于超磁致伸缩材料在中低频下的损耗计算,而高频下复数磁导率的变化将增大材料内部磁场的滞回非线性.实验结果表明,致动器中超磁致伸缩材料轴向温度分布随驱动频率的变化而变化;实验验证了计算与仿真结果的正确性,在此基础上分析了强制水冷对致动器温升的控制,所得结论为超磁致伸缩致动器的设计提供参考.     

超磁致伸缩致动器的等效电路模型研究及实验分析

针对现有等效电路模型不能准确描述致动器稳态和瞬态特性,以致于无法精确计算致动器电流的问题,设计了一种新的致动器等效电路模型。与现有两种等效电路模型在致动器阻抗方面进行对比,以相对误差作为评价标准,通过参数辨识及理论计算与实验结果对比,验证了设计的等效电路模型优于其余两种,能够较准确地描述致动器的稳态特性。理论分析了设计的等效电路模型的输出电流表达式,得到了不同频率方波输入下电流的输出曲线;计算了高电平持续时间不同的情况下,输入为单个波形情况下电流的输出曲线;同时通过实验系统测量了电流的实际曲线,与理论计算曲线进行对比,验证了设计的等效电路模型能够较精确地描述致动器的瞬态特性,为设计合理驱动方案以提升致动器响应速度奠定了良好基础。     

鼠笼异步电动机电磁噪声的仿真分析

依据鼠笼异步电动机电磁噪声产生的机理,该文从电磁力、机械振动和声辐射特性三个方面进行仿真得到电磁噪声。利用电压作为输入的场路耦合时步有限元模型计算电流、磁场和径向电磁力,并分析径向电磁力的谐波;基于机械有限元模型研究定子振动模态以及在电磁力激励下的振动响应;利用声学边界元模型计算电动机的辐射声场。试验测量结果验证了电磁噪声仿真计算的有效性。基于该文电磁噪声仿真方法可在设计阶段对电磁噪声进行定量预估,有助于低噪声电动机的设计研发。     

基于Ansoft Maxwell 2D的PT新型保护装置用电磁脱扣机构的仿真研究

基于Ansoft Maxwell 2D的仿真环境,对设计电压互感器新型保护装置用快速电磁脱扣机构建立仿真模型,并对此环境下的电磁脱扣机构进行了不同故障电流、励磁线圈匝数下的静态、动态特性的电磁力仿真研究,得到不同安匝数下的脱扣装置中电磁滑块所受电磁力的大小,为PT新型保护装置设计和优化提供了依据,同时将仿真结果对比电磁吸力理论计算分析,验证了仿真结果的正确性。     

超磁致伸缩致动器功率驱动器设计

针对超磁致伸缩致动器现有功率驱动器存在损耗大、发热大、效率低、功率小等不足,为满足超精密场合以及宽范围调整的要求,分析基于PWM逆变器设计的超磁致伸缩致动器功率驱动器的特性,提出采用模块化分层设计建模原理对各单元分别设计并建立模型的方案,在此基础上将各单元串联,设计超磁致伸缩致动器功率驱动器并建立其模型。通过仿真分析及实验,验证该驱动器设计方案的正确性,以及模型分析对超磁致伸缩致动器控制系统设计的指导作用。     

超磁致伸缩致动器输出位移仿真分析

基于超磁致伸缩材料设计致动器,仿真分析了线圈匝数、质量等参数对致动器动态输出位移的影响。建立了致动器位移的单自由度线性系统模型,并求解了系统传递函数;利用MATLAB软件的step函数得到了各参量变化时系统的单位阶跃响应,据此分析了各参量对系统上升时间、稳态值等性能参数的影响。结果表明:增大线圈匝数和减小负载刚度有利于增大系统的稳态响应,减小质量和增大超磁致伸缩棒刚度有利于缩短系统响应时间,适度增大系统阻尼有利于减小系统超调量。研究结果对超磁致伸缩材料致动器的设计具有一定指导意义。     

电磁计量泵驱动机构的动静态特性研究

对一种新型电磁计量泵的线圈驱动机构进行了深入研究。通过解析法给出了静态电磁力参数的计算过程,运用ANSOFT电磁场有限元分析软件计算了静态力-位移关系曲线,并采用Maxwell 2D软件包对电磁驱动机构进行了静态特性分析。同时运用ANSOFT/Maxwell 2D/Transient软件包对电磁计量泵的动态工作过程进行了仿真,并搭建了电磁驱动线圈动态特性实验台,实验结果证明了仿真计算的正确性。     

新型拖车电磁制动器的研究

以国内新型拖挂车用电磁制动器为研究对象,利用强大的有限元分析软件Ansoft对制动器的电磁性能及工作特性进行虚拟样机分析。建立了电磁力与激励及气隙间的关系,并通过实验对计算结果进行验证。实验证明,软件计算具有相当的准确性。在此基础上,根据电磁制动器电磁体部分的实际工作情况,对电磁体设计进行改进。软件仿真结果表明,优化效果明显。     

基于ANSYS/ADAMS的交流接触器机构动力学仿真的研究

研究交流接触器在吸合过程中的动态特性。首先用Pro/E软件建立交流接触器操动机构的三维实体模型,用ANSYS对其电磁结构进行电磁力的有限元分析,得到电流/气隙与电磁吸力/磁链之间的关系表。之后用ADAMS软件对操动机构进行了动力学仿真分析,仿真结果与试验结果吻合。     

永磁同步电机电磁振动数值预测与分析

建立了考虑电磁力空间分布和定子等效的永磁同步电机电磁振动仿真计算模型。首先通过麦克斯韦应力张量法推导了电磁力的空间和频率特征,并考虑常见的电流谐波对电磁力频率特征的影响,之后通过有限元方法计算定子齿表面的电磁力。其次建立了考虑铁心和绕组材料各向异性的定子结构有限元模型,通过模态试验进行验证。最后将电磁力从电磁网格转移到结构网格上通过模态叠加法计算电磁振动,仿真计算结果与试验结果吻合较好,并对比了分布力与集中力两种力加载方法下的电磁振动结果。通过该文的研究发现考虑电磁力的空间分布和定子等效是电磁振动准确预测的关键因素,同时仿真与试验结果均表明开关频率附近的电流谐波对电磁振动影响显著。     

考虑磁致伸缩效应的电机应力数值仿真与实验

电机振动噪声的来源之一是电机定子铁心硅钢片的磁致伸缩效应。首先建立电磁-机械耦合数值模型,并在有限元分析软件中进行计算,研究磁致伸缩力单独作用与电磁力单独作用对电机定子硅钢片的影响。数值仿真结果表明:电机定子结构中磁致伸缩力为主要应力来源,定子铁心硅钢片中低频振动频率为供电频率的1倍频率与2倍频率。根据仿真思路设计实验,取出电机转子以保证主磁路通过电机定子,通过振动测量设备采集电机定子表面的振动信号进行分析,对仿真结果进行证明。计算理论与实验方法对分析磁致伸缩效应对电机定子振动噪声的影响具有重要的指导意义,对电机低噪声化的研究具有一定的学术意义和参考价值。     

基于谐响应分析的永磁同步电机振动研究

用Maxwell应力方程推导出径向电磁力的解析表达式并建立了电机结构的谐响应分析有限元模型。用Ansys参数化设计语言编写程序自动对电磁力进行相位分解和加载,以模拟实际电磁旋转力波。最后,将样机实测加速度频谱与有限元仿真结果进行对比,验证了该方法的有效性,为电机的减振降噪优化提供了一定的依据。     

超磁致伸缩致动器动态线性模型及实验验证

在电磁学原理和机械振动原理的基础上，通过分析致动器的Terfenol-D棒、弹簧和输出顶杆的机械阻抗，建立了致动器的动态线性模型, 该模型描述了输出位移和输入电流间的关系。应用该模型对致动器的输出位移进行计算，计算结果与实验结果比较发现，在频率范围0~2200Hz区间内，可以采用该模型描述致动器在不同频率交流磁场作用下的输出位移特性，通过实验验证了模型的正确性和实用性。研究结果对于致动器的设计、优化与应用奠定了基础。     

伺服电机用电磁失电制动器的多目标优化设计

采用非支配排序遗传算法(NSGA-II)对某伺服电机用电磁失电制动器进行了多目标优化设计。对该制动器,用户要求其在满足一系列约束条件时,使得其重量尽量轻、解锁电磁力尽量高等。首先建立了电磁失电制动器的多目标优化计算模型,确定了目标函数、约束函数、设计变量和设计环境参数等。然后设计了相关实验,利用Maxwell 3D进行了电磁仿真,并依据仿真结果,对解锁电磁力的快速计算模型进行了适当的修正。最后,结合快速估算模型,利用非支配排序遗传算法(NSGA-II)对电磁失电制动器进行了多目标优化设计。并根据优化结果,将优化后的方案与优化前的方案进行了对比,对比结果显示该优化设计方法能很好地提升电磁失电制动器的性能。     

电磁斥力机构的参数匹配与优化设计

基于电磁斥力机构的快速开关是直流断路器中的关键设备,其操动速度直接决定了直流断路器的动作时间。该文针对电磁斥力机构的参数匹配特性和优化设计方法展开研究。首先,通过将金属盘等效为单匝线圈对电磁斥力机构的仿真模型进行了简化;搭建了40.5 k V快速真空开关样机,基于样机试验验证了仿真模型的有效性。然后,基于简化后的仿真模型,将影响电磁斥力机构操动特性的多个变量凝练为3个与操动特性直接相关的特征参量,得到了电磁斥力机构的参数匹配规律并从解析角度给出了解释。最后,基于参数匹配规律,提出了电磁斥力机构参数设计原则,进而得到了一种快速而有效的电磁斥力机构参数优化设计方法。在满足快速开关设计要求的前提下,该设计方法可实现电磁力峰值最小和操动效率最高的综合优化目标,为快速开关向高电压及快速性方向发展奠定了基础。     

高模数电磁力对永磁电机电磁振动影响

分析了永磁电机在空载和负载工况下高模数电磁力波对电机电磁振动的影响。首先通过麦克斯韦应力张量法推导了电机电磁力波的幅值、频率和模数特征。其次阐述了引起永磁电机低阶电磁振动源的高模数和低模数电磁力波特点并探讨了齿宽对两种电磁力的影响。然后计算和详细对比了电机空载和负载工况下两种电磁力波对低阶电磁振动的贡献,并用模态叠加法仿真电机的振动,对理论进行验证。最后在一台10极12槽永磁电机上进行空载电磁振动实验,与仿真计算结果吻合较好。研究表明,高模数电磁力波能引起较大的低阶电磁振动,但在分数槽电机中,其贡献程度随负载的增加而减弱。该文的研究将为永磁电机电磁振动的准确预测和减振提供思路。     

材料线性特性对铁心磁路磁场计算的影响分析

以常见的螺线管致动器为例,简述了磁路法计算电磁参数时对铁磁材料特性的处理方法及其局限性.将铁磁材料设定为线性和非线性磁导率,采用磁场数值模拟分别计算了磁场参数.通过对计算结果的对比分析,定量讨论了对铁心赋予不同材料特性条件下磁场设计参数所受的影响.     

基于电机本体的新能源客车电磁噪声分析

为了研究新能源整车在行驶过程中的高频电磁噪声,采用试验与仿真相结合的方法,对某款新能源客车进行噪声、振动与声振粗糙度(NVH)测试,对新能源客车电机进行电磁仿真分析。对求解的电磁力密度进行时空的二维傅里叶变换,结合试验数据确定了电磁噪声主要来自于0阶72倍频;从电机本体出发,以电机转子的磁钢夹角、磁钢长宽等结构参数为设计变量,优化电机电磁力密度与转矩脉动;同时对优化后的模型利用有限元方法进行电磁、结构与声学的多物理场联合仿真,进一步求解电机的电磁噪声,并进行整车的NVH试验验证。试验结果表明:优化后的整车总体噪声减小了8.53 dB(A),电机72倍频噪声最大值减小了18.59 dB(A),减速机7阶噪声最大值减小了5.02 dB(A),仿真结果与试验测试结果吻合。     

矢量控制下的车用永磁电机电磁振动特性分析

针对矢量控制方案下的车用永磁电机电磁振动特性机理不清的问题,提出了一种磁场定向下永磁同步电机电磁力和电磁振动的解析模型.从d、q轴磁场的角度,利用麦克斯韦应力张量法研究了电磁力的空间和频率特征,详细讨论了不同负载下d、q轴磁场对电磁力的影响.其次,采用电磁有限元和结构有限元仿真手段将电机d、q轴电流对电机电磁力以及电机振动的影响进行了验证,并分析了不同负载下电机电磁振动的特性规律.最后,在一台6极36槽永磁同步电机及实验平台上完成了电机电磁振动试验,实验结果与理论分析规律和仿真结果相符.结果表明:车用永磁电机的二倍频电磁振动随着负载的增加而增加,在相同的电磁转矩输出时,可通过选择合适的d、q轴定子电流,使得电机的电磁振动降低.