HSST型磁浮列车悬浮电磁铁的优化设计

利用解析方法分析了HSST型磁浮列车悬浮电磁铁在工作过程中的弯曲变形情况以及变形对电磁悬浮力的影响;在此基础上,提出了对国内现有悬浮电磁铁的改进方案,并对改进后的悬浮电磁铁进行了变形量的解析分析和电磁力的仿真分析,分析结果表明:改进后的悬浮电磁铁不仅能够增加磁浮列车悬浮系统的浮重比,同时也能有效地降低悬浮电磁铁在工作过程中的变形量。     

基于Maxwell的混合悬浮电磁铁电磁特性研究

悬浮电磁铁是悬浮控制系统中的执行元件,用于提供完成悬浮所需要的电磁力,其电磁特性直接影响着磁浮列车的性能.针对中低速磁浮列车用混合悬浮电磁铁的电磁场特性进行了有限元分析.用Ansoft 软件中的Maxwell 2D模块对悬浮电磁铁进行二维建模分析,得出电磁力随电流、气隙变化的规律;其次分析了电磁铁发生偏移、滚动等情况时的电磁场及电磁力变化规律,与非混合情况比较,并得出结论.     

基于田口算法的电磁铁结构的优化设计

电磁铁凭借其快速性和稳定性可作为真空断路器的合闸机构。由于电磁铁的结构参数较多,在过往设计研究中难以考虑各参数对电磁力影响的耦合关系,针对这一问题,提出了一种基于田口算法的电磁铁多结构优化方法。对电磁铁进行等效磁路分析,确定对电磁力影响较大的参数作为田口算法的控制因子;以不同位置的最大电磁力为优化目标,基于有限元分析和田口算法建立直角表,分析了各控制因子对电磁力的影响规律,考虑电磁铁的功率及体积限制,并对电磁铁的最终参数进行选择;将电磁场和运动方程耦合计算,开展了电磁机构的瞬态有限元分析,对比了电磁铁优化前后的运动特性;进行了样机实验,实验与仿真结果表明,经过优化后的电磁铁所需的驱动电流更小,使用100mF电容预充到72 V电压,可在135 ms内完成6 mm运动行程。该方法可指导电磁铁结构的优化。     

笼型异步电动机径向电磁力波的有限元计算

建立笼型异步电动机的场路耦合时步有限元模型,通过定子相电流仿真波形和实测波形的谐波比较验证有效性。基于该模型计算气隙磁通密度,进而利用经典的Maxwell应力张量法计算径向电磁力。气隙磁通密度和径向电磁力均随空间和时间变化,利用二维傅里叶分析分别求解它们的谐波;并探讨齿槽和转差率对磁通密度和径向电磁力的影响,以及磁通密度波和径向电磁力波之间的关系。将径向电磁力波和实测电磁噪声频谱进行了分析和对比,结果表明径向电磁力波的计算是合理有效的。利用本文方法计算的径向电磁力及其谐波可应用于在设计阶段对电磁噪声的分析。     

基于改进磁密计算的开关磁阻电机径向力解析建模

现有的麦克斯韦应力法计算开关磁阻电机(SRM)径向力的过程中,气隙磁通密度的求取过于简化。由于麦克斯韦应力法的积分路径较简单,气隙磁通密度的准确度直接影响了径向力求取的精度。综合等效磁路法和麦克斯韦应力法,精确计算了SRM气隙磁通密度,给出了单相激励下定子径向电磁力的表达式。在角度位置控制(APC)方式下,推导了转子运转过程中定子径向电磁力的解析表达式。在有限元软件上进行了仿真,对比分析了解析计算得到的径向力在时域和频域的分布,解析结果和有限元仿真结果相比表明,即使在2倍额定电流下误差也能维持在10%以内。     

基于气隙磁通边缘效应的轴向混合磁轴承承载力解析计算

为了研究单自由度轴向混合磁轴承轴向主动悬浮和径向被动悬浮的特性,对提出了基于气隙磁通边缘效应的磁轴承承载力解析计算方法.首先建立了轴向混合磁轴承基于气隙磁通边缘效应的磁路模型,利用分割磁场法推导各部分磁通管的磁导,根据其串并联关系,得到磁路的总磁导,由虚位移法推导了轴向力和径向力的解析表达,得到了轴向力与径向力随轴向气隙和径向位移的变化关系,并分析了轴向力与径向力的耦合特性,为磁悬浮系统轴向和径向的解耦控制提供了理论依据.利用有限元方法对轴向力和径向力进行仿真计算,仿真结果与模型计算结果基本吻合.     

气隙大小对电机电磁振动的影响分析

以核电站用立式电机为研究对象,通过对电磁力波瞬态值的分析,确定了气隙磁通密度与电磁力波对电磁振动的影响关系;利用有限元分析对不同气隙值时气隙磁场分布、三相感应电势的谐波含量变化及线端电压总畸变量趋势进行研究,对气隙增大产生的功率因数等各项性能参数的变化进行分析,并将仿真结果与解析计算对比,验证了解析计算的准确性;最后样机进行振动测试试验,通过气隙磁场变化的仿真结果和试验结果对比,验证了仿真计算的准确性。     

燃料电池汽车用电磁铁的优化设计

对于氢燃料电池汽车,高压储氢瓶中电磁铁的吸合面的形状和位置对电磁力影响很大,而且呈现复杂的非线性关系。在有限元分析基础上,为了提高优化效率,提出基于吸合面支持向量机模型的优化设计方法。利用均匀设计方法在设计空间中选择建模样本点,用有限元方法计算建模样本点的电磁力,构成建模样本。基于支持向量机建立吸合面形状和位置与电磁力的非线性模型。对该模型采用遗传算法优化,计算出了最优吸合面形状和位置,并对优化结果进行了仿真和样机对比试验。结果证明了优化设计方法的有效性。     

考虑电流谐波的永磁同步电机电磁振动和噪声半解析模型

提出了一种永磁同步电机快速半解析计算模型,可以分析常见的电流谐波对振动和噪声的影响,并提高了计算效率。首先通过解析和有限元相结合的方法计算了永磁体磁通密度和气隙比磁导,并建立了考虑任意电流波形的电枢磁通密度的解析模型,通过麦克斯韦应力张量方程计算径向电磁力,与有限元计算的电磁力吻合较好。其次通过二维傅里叶变换得到了特定空间阶数电磁力的频率成分,并基于壳体振动和声辐射模型分别计算了定子表面振动和噪声,计算结果能够反映实测振动噪声的主要峰值和分布。最后分析了电流谐波引起的振动噪声的阶次特征和峰值变化。该文提出的半解析模型为在设计阶段考虑电机的振动和噪声提出了一种有效分析方法。     

应用于高速磁浮滑橇系统的常导电磁铁结构设计与优化

采用常导磁悬浮技术来解决传统高速滑橇系统中滑橇磨损严重、橇体振荡剧烈等问题。阐述了一套以浮重比为优化目标、纯电励磁与混合励磁式通用的常导悬浮电磁铁的设计流程,建立了悬浮电磁铁的等效磁路模型,并根据悬浮系统的设计输入要求完成了纯电励磁和混合励磁式悬浮电磁铁的初步设计;在此基础上,借助Ansoft有限元仿真软件,完成了两种悬浮电磁铁结构的优化。对比分析两者的设计参数,结果表明:在铁心饱和磁密为1.8 T的限制条件下,电磁铁的磁极截面为正方形时,其浮重比最高;对于混合励磁式电磁铁而言,永磁体的加入大幅减小了电磁铁的体积与自重,显著提高了电磁铁的浮重比,能够增加系统的有效载荷,且降低系统的能耗。     

无轴承异步电机气隙磁场辨识方法与应用

针对无轴承异步电机电磁转矩与径向悬浮力这一强耦合的非线性复杂系统,依据转子磁场定向控制的特点,研制了转矩绕组采用转子磁场定向控制,径向悬浮控制所需的气隙磁场通过I-ω法适时辨识的控制系统.应用Matlab/Simulink建立了系统仿真模型.计算机仿真结果表明,实现了电磁转矩与径向悬浮力之间的完全解耦,具有良好的动、静态性能,验证了本文所提方案的有效性.     

高速磁浮列车电磁力的软测量技术

针对高速磁浮列车在运行过程中电磁力难以直接测量的困难,采用有限元分析软件ANSYS建立了悬浮电磁铁的二维模型,并对模型进行了有限元分析与计算,得到了其内部的磁力线分布情况以及磁浮列车在不同运行情况下的电磁力数据,并总结了推力和悬浮力随功率角、气隙、定子电流和转子电流的变化规律,在此基础上采用最小二乘法建立了指数形式的电磁力软测量模型。采用该模型,列车在运行过程中所产生的电磁力可以通过气隙、定子电流和转子电流的测量结果计算得到。该模型的最大误差小于1％,为高速磁浮列车运行过程中电磁力的计算和控制提供了重要依据。     

基于I-ω法磁场辨识的无轴承异步电动机矢量控制

集旋转与悬浮于一体的无轴承异步电动机是一个非常复杂的非线性系统,电磁转矩与径向悬浮力的非线性解耦是实现电机稳定悬浮运行的基础.气隙磁场定向控制算法复杂,且没有实现两者的动态解耦.提出了基于转矩绕组转子磁场定向控制算法,径向悬浮控制所需的气隙磁场通过I-ω实时辨识.仿真结果表明,电磁转矩与径向悬浮力实现完全解耦,验证了所提方案的有效性.     

一种新型电磁阵列悬浮系统的结构设计与特性分析

研制了一种新型电磁悬浮系统装置,该装置利用电磁铁阵列与永磁铁提供空间三维方向的悬浮驱动力。与传统的电磁悬浮系统相比,该系统具有悬浮力大、磁场分布规律、运动范围广等特点,可以明显提高系统的使用效率基于有限元数值方法对悬浮电磁力特性以及合成磁场特性进行详细分析,并做了相关实验。结果表明所设计的电磁阵列悬浮系统装置可以在大气隙下使用,具有较好的稳定性和可控性。     

Design of optimal electromagnets of magnetic-levitation and lateral-stabilization systems for ground transportation based on solving inverse problems

Scientific and technical works on development of transport with magnetic levitation of the vehicle have been reviewed and the main stages of design of such transport have been analyzed. An iterative algorithm for design of the elecFtromagnets used in systems of magnetic levitation and lateral stabilization of high-speed ground transportation has been constructed. The algorithm is based on solving the inverse problems of the theory of an electromagnetic field. Relationships for calculating the initial values of the sought parameters, which are very close to the exact solution, have been suggested. An additional stage of minimizing the electromagnet mass is introduced into the algorithm; as a result, the useful weight of a vehicle can be increased. In addition, the necessary and sufficient conditions for the object of design to have minimal mass were used. An example of implementation of the algorithm during design of a levitation electromagnet has been considered. The influence of eddy currents induced in the ferromagnetic rail during movement of a vehicle on the levitation force has been determined. A coefficient that allows one to take into account this effect has been determined. To justify the formula for calculations of a ferrorail width, the dependences of levitation-force components that arise upon shifting the electromagnet in respect to the ferrorail axis have been obtained. The results of investigations show that the methodology based on solving the inverse problems in designing electromagnets of levitation and lateral-stabilization systems is highly efficient. The proposed algorithm for optimal design of the electromagnets can be used in the design of similar devices in electric-instrument engineering.     

直线同步电机运行分析

为了深入研究直线电机的稳定运行特性,根据Maxwell原理,建立了分析直线同步电机稳态的电磁场数学模型.采用有限元方法进行离散,计算直线电机的磁场分布及电磁力,并开发了直线电机性能分析软件.软件计算得出直线电机悬浮力和推力随功角、电流变化等特性曲线的结果与ANSYS的计算结果一致,并具有模型简单、计算快速等优点,分析结果可为直线电机运行提供理论依据.     

基于磁环的输电线路雷击过电压抑制方法

提出一种基于磁环抑制的方法对输电线路进行雷击防护。首先采用曲线拟合得到磁环材料的磁化函数,进而基于微元法与电磁场理论计算建立了磁环的磁链计算模型,并利用有限元法(FEM)验证磁链计算模型的合理性;然后,利用磁环的磁链计算模型在ATP/EMTP中建立磁环电磁暂态模型,进而分析了不同磁环材料、磁环截面积、磁环长度及磁环形状对磁环抑制雷击过电压效果的影响。基于典型的110 kV输电线路对所提方法进行仿真。结果表明：磁环磁链计算模型与FEM计算结果最大误差低于5 %,验证了所提方法的合理性;增加磁环的截面积和长度能加强磁环的雷击过电压抑制效果,但在外半径、长度分别取60 mm、6 m后出现了饱和现象。现场试验结果表明,安装磁环后,雷击过电压得到了有效的降低,仿真和试验结果之间的最大误差为5.92%,验证了所提磁环磁链计算模型、电磁暂态模型的正确性以及磁环抑制雷击过电压方法的可行性。     

基于磁路分析的轴向混合磁轴承径向承载力解析计算

研究轴向混合磁轴承实现五自由度悬浮时,需要计算径向承载力与磁轴承结构参数以及永磁体参数之间的关系。为了解决轴向混合磁轴承缺乏径向承载力解析数学模型的问题,该文在分析轴向混合磁轴承磁路以及各部分磁导的基础上,结合稀土永磁体的工作特性,用虚位移法得出了轴向混合磁轴承的径向承载力解析数学模型。模型表明,在小径向位移时,该型的混合磁轴承径向承载力随着径向位移增加而增加,近似线性关系,径向承载力和刚度随轴向气隙增大而减小;磁轴承径向承载力随永磁体的有效长度增加呈现先增大后趋近饱和。利用有限元方法对径向承载力进行仿真计算,仿真结果与模型计算结果基本吻合。     

阀用螺管式电磁铁的双线圈优化设计

螺管式电磁铁是电磁铁中应用最广、产量最大的一种。由于电磁系统磁场与温度场分布不均匀以及磁性材料性能的非线性等原因,造成吸力计算及温升控制较为复杂。电磁阀设计主要解决的是密封和温升问题,必须对电磁阀、弹簧力和气体压力进行准确计算确保气路的通断,并且保证正常工作情况下的温升。因而电磁铁的电磁力与密封和温升息息相关。采用双线圈,选择合适的软磁材料、电磁铁结构和漆包线设计电磁铁,在通电1h内保证磁力的同时温升不超过100℃。ANSOFT软件仿真及实验证明了优化设计的可行性和有效性。