大间隙磁力传动系统驱动能力优化及加速控制方法

以大间隙磁力传动系统的电磁体为研究对象,研究了电磁体铁芯材料与结构参数对系统驱动能力的影响,确定了电磁体铁芯采用Z10-T25取向硅钢片可提高系统驱动能力;根据所建立的系统启动过程动力学模型,研究了实现轴流式血泵快速平稳启动的加速控制方法,并将实验数据与理论仿真解析结果进行了对比:在电磁线圈通电脉冲频率从0Hz到150Hz的启动过程中,血泵转速从0r/min加速到9 000r/min,血泵出口压力p和流量Q的实验值均与理论仿真值变化趋势一致。研究表明驱动系统可在4s以内使轴流式血泵的输出压力和流量达到控制目标值。     

体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵原理及关键技术研究

在中国国家自然科学基金资助项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵的研究》,河北省回国留学人员择优资助经费项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋轴流血泵研究》,以及流体传动及控制国家重点实验室(浙江大学)开放基金资助项目《磁悬浮外磁场驱动轴流血泵的研究》的共同资助下,开展体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵(TMSCSI-BP-DOD)工作原理及关键技术研究,制造出物理原型样机,对研究取得的成果进行学术总结报告.为减少和消除血泵流道结构不合理引发的溶血和血栓问题,以减小血液流动剪切速度为目标,基于“静止进口导叶导轮+锥形螺旋叶轮转子+静止出口导叶导轮”的结构,提出一种体外驱动、在轴向和径向完全实现磁悬浮的新式血泵——TMSCSI-BP-DOD,建立起锥形螺旋叶轮转子及其流道内的血液学和流体动力学模型,模拟分析血液流场和流动规律.运用计算流体动力学(CFD)方法考察一定转动速度下,锥形螺旋叶轮转子叶片数、叶片螺距、转子锥度、进出口导轮叶片形状和导轮叶片数等参量对血泵流场、输出流量和压力的影响规律,模拟血泵结构参数变化对血泵性能的影响.通过仿真计算得到21条研究推论,归纳出5条研究结论.提出了TMSCSI-BP-DOD转子、叶片、导轮设计应遵循的7条设计准则:血泵进口端壳体和出口端壳体内表面应该设计成流线形状;进出口导轮应该设计成锥弧形曲面,并能与血泵进口端壳体和出口端壳体内表面相匹配;转子应该设计成锥形,转子锥度应该选取为9.46°;与转子对应的血泵壳体部分内表面应该设计成锥形,并与转子的锥度相同;锥形转子上的叶片应为螺旋状,且选取螺旋头数为3,即螺旋叶片数为3;锥形转子上螺旋叶片的螺距应该选取为35 mm;进出口导轮上的导叶片形状应设计成圆弧状,进出口导轮上的叶片数分别为8.为了解决血泵机械轴承在运转过程中由于磨损而引发血泵的失效,以及轴承摩擦热对血液可能产生的破坏作用,提出采用磁悬浮轴承(MSB)替代机械轴承的锥形螺旋叶轮血泵转子(RCSIP)径向和轴向混合被动式磁悬浮结构,构成了血泵锥形螺旋转子的轴向和径向磁悬浮轴承;建立了径向永磁轴承内磁环径向有偏移、轴向有偏移情况下轴向悬浮力、径向悬浮力的数学模型;建立了轴向永磁轴承动环轴向有偏移情况下轴向悬浮力的数学模型.采用ANSYS/Emag中的电磁场模块,仿真分析了不同气隙及径向偏移量下永磁轴承的磁力线分布,内磁环所受径向悬浮力与径向偏移量之间的关系,不同轴向偏移量时径向永磁轴承磁感应强度矢量分布,径向永磁轴承轴向悬浮力与轴向偏移量之间的关系.通过上述数值计算分析数据,得到了14条研究推论,归纳出10条研究结论.根据上述推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD轴向和径向永磁轴承设计所应遵循的5条设计准则:径向永磁轴承应该由轴向充磁的两个磁环组成;为保证产生足够的径向悬浮力,径向气隙g0应取值0.2 mm;轴向永磁轴承应该由轴向充磁的两个永磁环组成;为保证产生足够的轴向悬浮力,轴向间隙应控制在0.2 mm附近;为保证对血泵转子磁悬浮的稳定性,轴向和径向永磁轴承应该成对出现.针对血泵动力导线与控制导线穿越皮肤引起人体感染等问题,构思出体外磁场驱动方案——血泵转子驱动永磁铁采用高磁性永磁体NdFeB制成,运用永磁电机驱动原理,对线圈组加载交变电流来产生旋转磁场,对永磁转子产生旋转力矩,从而驱动转子持续转动.提出呈120°均匀周向排列的三线圈驱动系统和呈60°均匀周向排列的六线圈驱动系统等两种设计方案.针对旋转磁场的构建,以三线圈驱动方案和六线圈驱动方案为研究对象,应用ANSYS/Emag的电磁场模块通过剩磁、内禀矫顽力、转子内径、转子外径、转子与线圈中心距等参量仿真模拟了加载电流与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,以及线圈与永磁转子之间的距离与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,得到了14条研究推论,归纳出5条研究结论.根据上述研究推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD血泵转子外磁场驱动设计所应遵循的3条设计准则:转子上必须有4个径向充磁的永磁磁条;驱动线圈取为6个,且沿转子周向均匀布置;驱动线圈与转子之间的中心距应控制在40～60 mm之间,以保证永磁转子上产生足够的驱动力矩.为验证六线圈驱动方案正确性,分析驱动距离、驱动电流对永磁转子转速的影响规律,构建起TMSCSI-BP-DOD转子外磁场驱动实验装置,通过改变线圈组与转子中心距离,获得其在定值输入电流下永磁转子所能达到的最高转速与距离关系曲线;保持线圈绕组与永磁转子中心距一定,获得测量输入驱动线圈电流变化的情况下永磁转子最大转速与驱动电流的关系曲线.据此得到了2个推论,实现了距转子40～60 mm范围内无机械连接磁场驱动.为了验证所构思的新型血泵工作结构的可实现性,制造出TMSCSI-BP-DOD物理原型样机.以锥形螺旋转子、导轮及外壳等3个关键零件为对象,规划了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机零件的制造过程和制造工艺,编制数控加工程序,建立了血泵总装配流程图和装配步骤,得到了血泵物理原型样机的总装配图.通过机械制造,得到了锥形螺旋转子、导轮及外壳等实际加工体,通过测量,得到实际加工公差,证明上述3个关键零件的加工步骤、加工工艺流程正确.搭建了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机实验测试系统,测试了血泵扬程与转速、流量之间的关系,血泵转速与控制器电流、电压和输出功率之间的关系,血泵扬程与功率和效率之间的关系,得到了5条研究推论,证明TMSCSI-BP-DOD的工作原理是正确的,其最高驱动转速可达5 750 r/min,对应的流量达2 L/min,压力达18.49 kPa,输出流量和压力可以满足人体辅助血液循环的要求,但尚不能满足完全代替人体心脏的要求.     

微动量轮高精度滑模变结构控制

基于滑模变结构算法研究了小卫星微动量轮的精确控制。在系统整体控制框架的基础上,对微动量轮动力学模型进行了分析;结合理想模型引入纹波电压、摩擦系数不确定性、扰动力矩等干扰因素,完善了微动量轮动力学模型。设计了等效滑模变结构控制算法,并对控制率参数进行了仿真优化。通过MATLAB仿真,对比分析了滑模变结构控制和常规PI控制在转速控制和力矩控制两种模式下的特性。最后,实验设计了微动量轮样机。仿真结果表明:基于滑模变结构控制的微动量轮转速控制精度达到±0.5r/min,从0加速到2 000r/min的时间为18s,均明显优于PI控制。实验结果表明:利用滑模变结构控制的微动量轮转速控制精度达到±0.9r/min,从0加速到2 000r/min的时间为26s。上述结果显示:利用滑模变结构控制算法可以有效克服微动量轮控制中的干扰因素,提高转速控制精度和输出力矩稳定度,缩短转速变化响应时间。     

基于PRO／E与ADAMS的锥形螺旋叶轮血泵虚拟样机建模及动态仿真

介绍了运用Pro/E软件对磁悬浮锥形螺旋叶轮血泵的结构设计与建模,通过PRO/E与ADAMS两个软件之间的专用接口程序Mechanism/Pro生成刚体和定义简单约束后,把锥形螺旋叶轮血泵模型传递到机械系统动力学仿真分析软件ADAMS中,添加复杂约束和力,特别是为了模拟磁悬浮力的作用,将其简化为等效的弹簧力的作用,然后进行锥形螺旋叶轮血泵系统的运动学和动力学仿真分析,得到血泵系统不同运行时段的力、位移、速度和加速的曲线.仿真分析表明所设计的血泵理论上可以满足人工心脏要求的设计指标,研究方法为缩短血泵的设计开发周期提供了强有力的手段.     

基于虚拟样机的仿生推进装置运动学仿真

用Pro/E软件建立了仿生推进装置的机构模型,利用虚拟样机软件ADAMS对机构进行仿真,得到了翼盘的位移、速度曲线及连杆的驱动力矩曲线,证实机构运动符合预设的要求.为进一步的研究和优化仿生推进装置提供了依据.     

转子的瞬态响应特性研究

采用有限元法,研究了转子瞬态动力学特性。分析了转子在惯性载荷下对应的刚度矩阵设置问题,推导了转子工作状态下的振动方程。计算了在加速过程中转子裂纹处的最大应力,得到裂纹转子受加速冲击载荷作用时的变形曲线,并得到在给定转速下位移对频率的响应曲线。     

高剪切稳态载荷条件下人体血液润滑模型与仿真

根据血液流变学和流体力学理论，建立了血液在高剪切稳态载荷条件下血液润滑的数学模型。结合外场驱动微型轴流式血泵计算了血泵叶轮转子轴承在血液润滑条件下润滑膜的压力分布、承载能力、摩擦力、摩擦功耗等参数。分析了摩擦润滑指标与轴承配合间隙及叶轮转子转速之间的关系。结果表明，轴承配合间隙越小、转速越高，轴承的承载能力越大，但小间隙不利于血液分子的充分流动，高速将明显增加摩擦功耗。外场驱动血泵转子轴承配合间隙应选为0．002mm。     

超导转子旋转驱动装置设计

设计了一种基于迈斯纳效应的超导转子旋转驱动装置,利用驱动装置的定子线圈产生的磁场在空心转子内壁窗口产生的转动力矩驱动转子旋转。对超导转子旋转驱动力进行了有限元分析,结果表明,驱动力矩近似与驱动电流的平方成正比。在4.2 K温度、30 Pa气压下进行了转子旋转实验,30 A驱动电流下转子转速达到了8512 r/min。实验结果为进一步优化装置运行参数及提高转子旋转稳定性奠定了基础。     

基于ADAMS的伺服压力机双曲柄机构运动学分析

研究了一种不等长双曲柄多连杆机构的运动过程,并基于运动学仿真软件ADAMS对其进行了运动特性分析.首先对所使用的不等长双曲柄多连杆机构进行运动学解析,通过复数矢量法建立了滑块移动特性的运动方程;然后联合使用UG和ADAMS建立了机构的仿真模型;最后通过运动学仿真得到了滑块的位移、速度、加速度和驱动力矩曲线.     

转向系统刚度对汽车稳态特性影响的研究

转向系统刚度是影响汽车稳态特性的重要因素之一.针对双横臂式独立悬架转向系统,利用ADAMS软件在转向系统拉杆外点处建立螺旋弹簧,以此模拟转向系统刚度,并建立整车模型.按照ISO标准进行了整车稳态实验,分析了转向系统刚度和仿真初始速度对整车稳态特性的影响.实验结果证明随着转向系统刚度增加,方向盘转角增加幅度不大,但是方向盘力矩增加幅度明显偏大.在方向盘力矩-侧向加速度曲线族中,力矩斜率基本上都大于15 N·m/g,满足路况行驶信息要求,并且随着转向系统刚度增加,该斜率成增长趋势.但是较大的转向系统刚度却使转向力矩过大.随着仿真初始速度的增加,在高的侧向加速度下(0.85g附近),方向盘转角和方向盘力矩曲线产生不规则变形.分析原因得出在较高的初始速度情况下,整车转向易达到高的侧向加速度,整车稳态特性较差.