超导块材磁体在高温超导磁悬浮车系统中的两种潜在应用

研究了超导块材磁体在高温超导磁悬浮车系统中的2种潜在应用。高温超导YBCO块材经过Lakeshore恒磁场充磁机充磁之后,利用高温超导磁悬浮测试装置研究了其在永磁轨道上方的悬浮和导向性能;实验发现2种不同充磁方向励磁的块材磁体表现出明显不同的行为,其中一种对悬浮力帮助比较大,另一种则对导向力帮助比较大。这一结果可以为某些特殊需求(如重载、弯道运行等)的高温超导磁悬浮车系统设计提供一定的实验依据。     

高温超导块材与永磁体组成的混合磁悬浮

针对高温超导磁悬浮交通应用,提出了一种有别于目前常用的仅通过车载高温超导块材与永磁轨道间的磁斥力实现悬浮的混合悬浮,该悬浮方式通过车载永磁体与永磁轨道的作用为悬浮系统提供导向力,由于避免了磁滞效应而使导向可回复区间增大,进而提高系统的导向能力,有助于增大系统的曲线通过与抗干扰能力,同时永磁轨道下部空间磁场的利用也进一步提高了系统的悬浮能力。基于系统静态刚度的计算,现有高温超导磁悬浮系统双轨每米的悬浮重量仅为混合悬浮的40%,可回复导向力不到混合悬浮中车载永磁体与永磁轨道间稳定导向力的70%。混合悬浮为高温超导磁悬浮的重载应用提供了一种途径。     

高温超导磁悬浮车用悬浮单元优化的实验研究

研究了YBCO高温超导块材与2种典型的永磁轨道之间的最佳宽度比例。这2种永磁轨道的永磁用量基本相同,磁场分别呈单峰和双峰分布。通过改变YBCO高温超导块材组合的横向尺寸,利用高温超导磁悬浮测试装置(SCML-02)研究了在不同场冷高度、相同工作高度下高温超导块材在永磁轨道上的悬浮力。结果表明:块材与磁场呈单峰分布的永磁轨道之间的宽度比与场冷高度无关,而与呈双峰分布的永磁轨道之间的宽度比却极大地依赖于场冷高度。这一结果对高温超导磁悬浮车系统地优化设计是有帮助的。     

高温超导YBCO块材临界电流密度与悬浮力磁滞的关系

高温超导磁悬浮车系统利用处于超导态的高温超导块材与永磁轨道相互作用产生的钉扎力使磁悬浮车稳定地悬浮于永磁轨道上方,块材的性能决定了悬浮力的磁滞特性。利用数值计算的方法计算悬浮于永磁轨道上方的YBCO块材的悬浮力,分析了临界电流密度与悬浮力磁滞及最大悬浮力的关系。结果表明,块材悬浮力磁滞随着临界电流密度的增加而减小,当临界电流密度增加到一定程度,悬浮力磁滞消失;块材最大悬浮力随临界电流密度的增加而增加,当临界电流密度增加到一定程度,最大悬浮力趋于饱合。     

高温超导块材磁体悬浮系统的振动特性

指出了非直接场冷磁化产生的高温超导块材磁体在应用磁场中实现了稳定的悬浮或悬挂现象。利用Lakeshore公司的电磁铁和场控仪产生的均匀磁场作为磁化外场时,单块YBCO高温超导块材磁化率为77.8%,在应用外磁场下实现稳定悬浮的磁化外场区间仅为0.057～0.121T。为了验证高温超导块材磁体悬浮系统的稳定性,使用了一个随机信号形式的激励源,其幅值在0～14.5N之间且频率范围为0～400Hz。振动特性分析表明,高温超导块材磁体悬浮系统具有低频共振高频隔振性能;系统共振频率和动态刚度随着磁体俘获磁场的增大而增大;系统的阻尼系数表现出明显的先增后减的非线性特征。当超导磁体俘获磁场为0.091T时,即悬浮间距8mm,HTSMagnet-PM系统表现出最佳的动态特性,抗外界干扰能力最强。因此,这种非直接的场冷磁化方式产生的稳定悬浮现象,使得引入块材磁体成为了高温超导磁悬浮系统中可行的能量储备或改善系统稳定性的方法。     

磁悬浮永磁同步电动机的电磁力密度波及振动噪声研究

磁悬浮永磁同步电动机具有无机械摩擦和磨损,可以达到长寿命的高速或超高速运行,但电动机工作时需要不停地对磁悬浮电磁合力进行抗负载干扰调节,由此产生的电磁振动和噪声也比常规永磁同步电动机大很多,不可忽视。提出一种开口圆弧段定子绕组的永磁同步电动机,由4个这种电动机并联悬浮支承同一转子并驱动其旋转构成整体的磁悬浮永磁同步电动机;针对圆弧定子绕组式的磁悬浮永磁同步电动机进行电磁振动噪声研究,建立电动机气隙磁场及电磁力密度波的分布模型,基于电磁力密度波优化电动机绕组参数,并对电动机振动和噪声进行仿真研究。通过仿真结果可知,优化后的电动机在保证电磁性能的前提下其振动噪声也降到了合理水平。     

数控机床永磁直线电动机磁悬浮运行机制研究

为实现数控机床永磁直线同步电动机的磁悬浮运行,须对电动机的电磁推力和悬浮力进行实时控制。电磁推力和悬浮力的计算是数控机床磁悬浮永磁直线同步电动机设计及控制的基础。根据数控机床永磁直线同步电动机的磁悬浮运行机制,推导出电动机的电磁推力和悬浮力与电流之间关系的数学模型。并用Ansoft对电磁推力和悬浮力进行有限元分析,将解析计算结果与Ansoft的计算结果进行比较,验证了数学模型的有效性与正确性,为数控机床永磁直线同步电动机磁悬浮控制系统的分析与设计提供依据。     

一种新型超导混合磁悬浮轴承的悬浮力特性分析

针对普通高温超导磁轴承刚度小、承载力低、悬浮间隙难以调节等不足,设计了一种由永磁体、超导块材及超导线圈组成的新型悬浮系统。在此基础上,利用临界态模型及商用有限元软件分析了其悬浮力随间隙变化的规律,通过分析对比,证明了仿真计算与实验测试具有良好的一致性。研究结果表明:引入超导线圈可提高轴承的承载能力,增大轴承刚度,便于调节悬浮间隙,有利于其高速稳定运行,同时还能降低系统的功耗。     

超导磁悬浮涡旋电流元模型磁场分布特征

通过详细分析超导磁悬浮特征,论述了各理论模型与实际应用情况存在的偏离,其原因在于理论上为超导体设置边界,从而严重限制了超导体对外磁场的动态响应。为了避免这种缺陷,文中取自然边界,并将涡旋电流(VC)作为独立的微磁场源与外磁场相互作用,运用基本电磁场理论描述超导磁悬浮特征。经过严格推导,给出了超导磁悬浮系统的磁场分布表达式。对测量结果进行反演,有望为超导透析技术奠定理论依据。     

永磁悬浮回转驱动系统的磁场分析

本文针对一种永磁悬浮回转驱动系统进行磁场分析。该系统由音圈电机驱动圆柱状永磁铁以控制悬浮物的上下移动、由四个直流伺服电机控制四个盘状永磁铁的旋转来实现悬浮物的回转。为分析永磁悬浮回转驱动系统在水平面内的磁场,研究四个永磁铁与铁球之间的磁场关系,通过四个永磁铁同方向、同速度旋转,得到铁球旋转的角度变化情况。仿真结果表明永磁铁的旋转角度与铁球的旋转角度具有一定的关系,结果可对本系统的后续研究提供了基础。     

高温超导永磁悬浮磁浮轨道的结构参数优化设计

为了提高钕铁硼材料利用率,降低高温超导永磁悬浮磁浮轨道的成本,利用有限元仿真软件ansoft分析了一种常用的永磁悬浮磁浮轨道的结构参数对悬浮力和钕铁硼利用率的影响,得出了各结构参数的最优选择范围。最后还探讨了各参数最优值间的相互影响,提出了各结构参数的优化选择方法。     

主动磁悬浮电主轴系统建模与控制参数分析

为实现磁悬浮电主轴的稳定悬浮运行并满足加工精度要求,通过对某型号主动磁悬浮电主轴的结构和控制原理进行研究,在忽略主轴转子磁化和磁漏等非线性因素影响的前提条件下,通过对主轴转子在磁悬浮轴承中的受力分析,建立了磁悬浮轴承的电磁支承力与轴承气隙偏移量及控制电流的表达式,对基于不完全微分PID控制的磁悬浮电主轴系统的临界转速与磁悬浮轴承的电磁刚度进行了定量研究,得到不同PID控制参数下,磁悬浮轴承支承刚度随涡动频率的变化曲线及固有频率随PID控制参数的变化曲线图。研究结果为磁悬浮电主轴控制系统进一步设计使用和分析优化提供了依据。     

高速磁浮车辆摇枕锻件优化的数值模拟与实验研究

高速磁浮车辆的摇枕形状复杂,在列车高速运行(500km.h-1)中承受强烈的振动和交变载荷,若坯料设计不合理,在锻造过程中经常会产生缺料、折叠等缺陷。本文提出利用计算机仿真优化坯料形状的方法,通过De-form-3D软件对摇枕锻造过程进行数值模拟。再对模拟结果反复分析,克服了由于金属流动不合理而产生的缺陷。逐步优化坯料的形状,并结合数值模拟中出现的体积损失等问题,进行实验对比,最终成形出合格锻件。锻件计算结果与实验基本一致,该方法可用于复杂锻件预制坯料的优化设计。     

Transformation of metal-oxide nanostructures in the process of afteroxidation of iron reactively evaporated in oxygen atmosphere

The methods of atomic force microscopy combined with the digital processing of images were used to study the change in the morphology of nanostructured metal-oxide coatings obtained by reactive evaporation at 10⁻⁶ torr in the atmosphere of oxygen and further low-temperature iron afteroxidation in an air atmosphere at different temperatures. It is shown that a nanostructured layer with a unimodal distribution according to the size and degree of nonsphericity of the particle is formed in the case of sputtering. Using the sample detection methods, it is shown that a unimodal distribution is transformed into a bimodal distribution at an increase in the reoxidation temperature from 50 to 200°C, after which it becomes a trimodal distribution, which proves that the building blocks of a nanostructured layer are nanoparticles and four- and 16-particle surface nanoparticle conglomerates. This structure can explain the functional properties of these coatings, which are of practical importance.     

重型车辆用液力缓速器制动力矩性能研究

以满足某型车辆下坡缓速制动为目的,通过车辆受力分析和匹配计算,得到液力缓速器在不同挡位以及不同坡度下所需制动力矩。以Fluent软件为平台,对液力缓速器内部流场进行数值模拟,在不同转子转速下基于流场数值解对制动力矩进行求解;开展液力缓速器台架性能试验,将试验数据与仿真结果进行力矩值对比分析。结果表明：在相同坡度,匀速下坡所需制动力矩随挡位的升高而增加;在同一挡位,所需制动力矩随坡度增大而增加;随转子转速升高,缓速器制动力矩增加,在最高转速2 100 r/min时,制动力矩达到2 308.3 N·m。仿真值与试验值基本一致,证明了仿真分析的准确性。     

基于响应面法的钛合金Halbach阵列增强磁流变抛光工艺参数优化

目的 提高钛合金磁流变抛光的表面质量和抛光效率。方法 用Halbach磁场阵列强化磁场,通过载液盘与磁铁反向旋转来增强磁流变抛光效率,使抛光头拥有更强的恢复性与自锐性。通过仿真模拟和实际测量对比研究Halbach阵列与N-S阵列的磁场分布和磁场梯度。依照试验结果描述抛光剪切力、表面粗糙度与表面微观形貌随时间的变化规律。采用响应面法优化载液盘转速、磁铁转速和加工间距等3个工艺参数,建立剪切力和表面粗糙度的拟合方程数学预测模型,并对其中的不显著项进行优化。结果 在响应面交互作用分析中,工艺参数对剪切力的影响的大小顺序为加工间距、磁铁转速、载液盘转速;对表面粗糙度影响的大小顺序为载液盘转速、磁铁转速、加工间距。根据不同的需求,确定选定范围内的工艺参数组合,需要快速去除材料时,使剪切力趋于最大值的工艺参数组合为载液盘转速227 r/min,磁铁转速64 r/min,加工间距0.1 mm,通过20 min抛光后得到了表面粗糙度Sa为34.911 nm的光滑表面。抛光过程中,钛合金抛光所受剪切力τ为0.812 N。需要最优表面质量时,使表面粗糙度值趋于最小值的工艺参数组合为载液盘转速300 r/min,磁铁转速150 r/min,加工间距0.1 mm,通过20 min抛光后得到了表面粗糙度Sa为26.723 nm的光滑表面。抛光过程中,钛合金抛光所受剪切力τ为0.796 N。结论 Halbach阵列拥有较高的磁场强度和富有空间变化的磁感线,能够使磁流变液中的磁链呈现出更多的姿态变化。根据响应面法优化后的剪切力和表面粗糙度预测模型,预测结果与验证试验结果相差很小,预测模型的准确度与可信度较高。     

磁性磨具光整加工中基于Halbach Array的磁场设计与实验研究

目的提高磁性磨具表面光整加工技术对30CrMnSi高强度结构钢表面的加工效率,解决以往永磁式磁性磨具光整加工中磁场强度弱、磁能利用率低的问题。方法首先对30CrMnSi导磁工件的材料去除机理进行分析,探讨了磁感应强度B对工件材料去除的重要性。然后基于海尔贝克阵列(Halbach Array)进行了磁场的设计,通过理论计算和仿真分析,确定了永磁单元尺寸和磁场布置方案。最后以自制粘接性磁性磨料,对30CrMnSi板材进行单因素光整加工实验。结果根据磁场计算和仿真结果,确定了Halbach Array永磁阵列两个周期为最佳的磁场布置方案,并获得了理想的磁场强度和最佳的磁场分布。对30CrMnSi板材的加工实验表明,粗糙度下降百分比(%ΔRa)随着磁极转速和磨粒目数的增大而增大;磁性磨料中铁磁相与磨粒相质量比为3∶1、磁极转速为500 r/min、磨粒目数为240目时,加工效果最好,获得了Ra=0.129μm的表面,粗糙度最大下降百分比为90.74%。结论使用HalbachArray的方法对永磁场进行设计,可以增大加工区域的磁场强度并改善磁场分布,从而提高对30CrMnSi高强度结构钢表面的加工效率。