磁悬浮列车用直线电机的有限元分析和电感计算

为研究磁悬浮列车长定子直线电机的性能,以德国TR08型磁悬浮列车长定子直线同步电机尺寸为基础,基于有限元方法建立了一个悬浮电磁铁模块的分析模型,对其牵引和悬浮电磁场进行了较为系统的分析,得到了不同动子极距下牵引和悬浮力的变化曲线.重点研究了长定子直线同步电机在分别改变定、动子电流和气隙大小的情况下,以及定动子绕组交直轴电感的变化情况,并通过多项式拟合和傅立叶分解得到了交直轴电感的经验公式.仿真结果表明,定子电流对气隙磁场和电感影响较小,当动子极距为266.5 mm时电机性能较佳,拟合得到的经验公式具有较高的精确度,平均误差小于5％.     

永磁型无轴承电机的设计与运行分析

针对永磁型无轴承电机设计中转矩绕组和悬浮绕组设计的特殊性，提出了一种永磁体厚度优化设计新方法.该方法基于永磁型无轴承电机运行原理，进行了永磁型转子结构、悬浮绕组和永磁体厚度优化的设计.导出了计及定、转子定位偏心的永磁型无轴承电机悬浮力的解析模型，通过对磁悬浮力与悬浮绕组电流和转子偏心关系的电磁场分析，来验证该模型的精确度，并应用该模型建立了永磁型无轴承电机的控制系统.仿真结果表明，该设计方法提高了永磁型无轴承电机的转矩和悬浮性能，降低了设计的复杂性，且样机具有良好的动、静态悬浮特性.     

电流监测在笼型异步电动机转子故障诊断中的应用

分析了笼型异步电动机断条的原因,介绍了定子电流监测断条的原理,通过试验分析定子电流的频谱,由电流频率边频带(1±2s)f处幅值的大小可判断转子断条的故障及断条的数目,证明定子电流监测用于转子故障诊断是有效的.     

从电机设计的角度减少高速永磁电机转子损耗

高速永磁无刷直流电机的转子涡流损耗主要是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口造成的气隙磁导变化引起的.转子涡流损耗使电机的效率下降并能引起转子永磁体的退磁.从电机设计的角度，采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子损耗的影响.利用傅里叶变换，得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量，然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算高速电机转子损耗，并对解析计算结果通过有限元仿真加以验证.结果表明，3槽集中绕组结构中含有2次、4次等偶次空间谐波分量，该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗.定子结构对高速电机转子涡流损耗影响很大，合理地设计定子结构能够减小转子涡流损耗.     

新型内置式无轴承永磁同步电机设计与电磁分析

传统内置式无轴承永磁同步电机气隙磁密为矩形波分布,谐波分量较大,其系统难以精准调控.首先根据麦克斯韦张量法分析其径向悬浮力控制机理,运用傅里叶变换,对比了传统内置式永磁转子和新型内置式永磁转子等3种转子结构的气隙磁密和谐波分量;其次采用参数化有限元法,比较了3种转子结构悬浮绕组电流和悬浮力关系.最后,将电机模型和外部电路进行联合仿真,分析了新型内置式转子结构瞬态电磁场运行工况,在设定电机模型为转速为15 000r/min、输出功率为4kW的情况下,计算定子绕组空载感应电势波形,验证了径向悬浮力控制原理.     

基于随机子空间的异步电动机转子断条早期故障检测

针对早期转子故障时定子电流信号微弱不易检测及电网频率波动易引起频率混淆的问题,提出了基于随机子空间的转子断条早期故障检测方法。将采集到定子电流信号构成Hankel矩阵,经矩阵QR分解和特征值分解,得到实时电网频率和故障特征频率,实现早期故障检测。仿真和实验结果证明该方法有效、可行。     

基于定子绕组等效灌注直流的电机转子故障诊断

提出了基于向定子桌相等效灌直流的感应电机转子故障诊断新方法。该方法通过一种简单的电路装置等效地向定子绕组灌注一个直流信号。当电机转子故障时，定子电流中将会出现f=2（1-s〉f1（s为转差率。f2为电网频率）故障特征频率分量。以三相基波正序电压及其希尔波特变换构造PQ变换矩阵，用其对定子三相电流进行变换，得到有功功率P和无功功率Q0由于正常电机P、Q均恒定，在PQ坐标系下对应一个点；故障电机则由于P、Q中附加频率为f=（1-2s）fs的波动分量而对应于一个椭圆。通过比较电机正常及转子断条故障运行时P、Q在Pp坐标系下对应的模式,实现转子断条故障的可靠检测。     

磁悬浮无轴离心泵叶轮转子动力学特性

为了实现磁悬浮无轴离心泵在高速工况下的稳定悬浮，探究离心泵水力激振力对叶轮转子悬浮特性的影响.对于电机系统，采用虚位移方法构建电机处于转子偏心状态下的悬浮力数学模型并采用有限元法(FEM)进行验证；对于离心泵系统，应用计算流体力学(CFD)方法进行离心泵内部流场数值模拟，重点探究叶轮处于不同轴向、径向悬停位置下的水力激振力特性，同时探究叶轮在不同转速工况下的运行特性；结合现代控制理论中的矢量控制策略，在Matlab/Simulink环境下实现磁悬浮无轴离心泵叶轮转子的动态稳定悬浮.研究结果表明：在体积流量14 m³/h和扬程20 m的工况下，当电机在转速0～6 000 r/min运行时，叶轮转子径向偏移小于250μm，远小于转子和定子间气隙4 mm，可见所建立的磁悬浮无轴离心泵系统能实现高可靠性的悬浮运行.     

基于洛伦兹力的无轴承电机优化与特性分析

传统无轴承电机将电机的旋转和径向磁悬浮支承功能集成于一体,具有支承无接触、无摩擦和无需润滑的优点,但是其转矩和径向悬浮力相互制约,永磁体厚度必须折中考虑.设计了一款基于洛伦兹力的无轴承电机,该无轴承电机可以同时产生转矩和轴向悬浮力,径向悬浮依靠径向永磁轴承实现.通过磁路欧姆定律推导了电机的轴向洛伦兹力的数学模型,采用有限元法分析了永磁体厚度、气隙长度和电流大小对轴向洛伦兹力的影响.结果表明,永磁体厚度增大使洛伦兹力无轴承电机的轴向承载力变大,永磁体厚度为3 mm最合适.     

直接磁悬浮直线电动机的三维分析及优化设计

为了消除直线电机数控机床进给系统的摩擦阻力,实现无摩擦进给,提出了一种靠自身产生的磁悬浮力来解决数控机床进给系统悬浮问题的直接磁悬浮永磁直线电动机.采用四面体等参元来建立电机三维场中的基本方程,利用Maxwell3D软件建立瞬态三维有限元分析模型,得到了电机的推力与悬浮力,证明了该直接磁悬浮永磁直线电动机自身可以产生可控的推力和悬浮力.实验结果表明,通过对电机动子尺寸进行优化设计,可以有效地降低电磁力的波动.     

非叠片转子—电磁轴承系统磁场计算

分析了非叠片转子－电磁轴承系统的磁场力,给出了磁场分布模型及磁浮力和切向力的计算公式,并以实际电磁轴承为例,进行了相应计算,结果表明,实例计算结果与理论分析一致。     

磁、气悬浮电机的机制研究及仿真分析

在已有磁悬浮电机原理的基础上提出磁、气悬浮电机,通过气隙（气隙长度）联立磁、气悬浮本构方程,利用虚位移原理建立电机电磁悬浮力模型,建立了定转子气隙流体的雷诺方程。运用有限元分析软件对高速无轴承磁悬浮电机磁感应强度、电磁悬浮力及气隙流体的承载力进行了仿真分析。     

磁悬浮永磁直线同步电动机的有限元分析

针对数控机床直线电动机驱动系统中动子与导轨之间的摩擦问题,提出采用直接磁悬浮永磁直线同步电动机实现无摩擦进给的方法.该电动机的动子上有两套绕组,一套为推力绕组,用于产生电磁推力;另一套为悬浮绕组,用于产生可控的磁悬浮力.采用Maxwell应力张量法推导了电动机的电磁推力和悬浮力的数学模型,并采用Ansoft对不同永磁材料电动机的电磁推力和磁悬浮力进行有限元分析.计算结果验证了数学模型的正确性,证明了采用磁悬浮双绕组永磁同步电动机实现无摩擦进给的可行性.     

外转子无刷直流电机电磁场的数值计算

定转子的结构、齿槽影响着电机的反电势波形、气隙磁密等,进而也影响电机运行性能。采用有限元法对外转子无刷直流电动机的电磁场进行数值计算,分析了斜槽与反电势波形的关系,提出了采用运动气隙边界法处理定转子相对运动的方法,并且考虑到了定子斜槽的影响。     

动磁式横向磁通直线振荡电机设计

为了实现具有高可靠性的短行程高频往复运动,提出一种动磁式横向磁通直线振荡电机.该电机由单相电源驱动,铁芯叠装方式与普通旋转电机相同,具有结构简单紧凑,动子质量轻,加工难度小,力特性好等优点,适合用于人工心脏、泵、压缩机等领域.针对该电机运行特点,建立电机等效数学模型,推导电磁推力的计算公式与系统的谐振频率,采用三维有限元模型确定电机内外定子和永磁体的设计依据,提出测试方法,并测得样机的静态电磁推力与谐振频率特性.结果表明,电机在等效机械谐振点运行时获得较高的效率且推力与绕组电流成正比.     

抗磁性高密度物质的磁悬浮密度测量方法

为了克服现有磁悬浮密度测量方法存在测量范围小（0.8~2.3 g/cm³）的缺点,提出全新的针对抗磁性高密度物质的密度测量方法.该方法将高密度物质通过一定长度的细线悬挂,并将高密度物质置于水平放置的磁悬浮装置中,高密度物质在重力、浮力、拉力和磁力的综合作用下产生横向悬浮位移.在分析顺磁溶液中物质受力情况的基础上,建立物质横向悬浮位移与密度的关联函数关系,基于该函数关系实现高密度物质密度的精确测量.实验结果表明,采用该方法可以测量小尺寸高密度样品（如铜、铝和玻璃等）的密度,测量精度为0.028~0.165 g/cm³.随着样品密度的增加,测量偏差呈现增大的趋势.     

永磁型无轴承电机的设计与控制研究

为了深入研究永磁型无轴承电机的设计方法及控制策略,提出了计及定、转子定位偏心的悬浮力解析模型及该解析模型中悬浮绕组参数的设计方法.该方法基于永磁型无轴承电机悬浮力产生机理和电磁场有限元分析,进行电机设计,得到永磁型无轴承样机的系统参数.在此样机系统基础上,讨论了转矩控制子系统的转子磁场定向矢量控制、悬浮控制子系统的模糊自调整比例 积分 微分（PID）控制策略,并进行了悬浮运行实验,结果表明该设计参数与实际样机参数基本吻合,验证了该设计方法的正确可行性,该控制策略有效地解决了无轴承电机模型复杂、参数时变等实际因素的影响,保证了其运行控制的鲁棒性.     

一种轴向电磁轴承的结构优化与有限元分析

给定转子推力盘直径和转子芯轴直径,设计一种传统结构的轴向电磁轴承。保持定子内孔与转轴之间的径向漏磁气隙不变,采用有限元软件仿真定子线槽结构参数对轴向电磁轴承的磁场分布及承载力的影响,并从磁路理论角度对结果进行误差分析。在承载力最大的线槽结构参数下,只改变芯轴直径,仿真分析径向漏磁气隙对轴向电磁轴承的磁场分布及承载力的影响。研究结果表明:随着定子线槽轴向长度与径向长度比(长宽比)的增加,承载力先增大后减小;当长宽比为5~10时,漏磁不是最小,但承载力较大且基本不受长宽比变化的影响,最大电磁力为理论电磁力的88.7%;随着径向漏磁气隙与轴向气隙比(气隙比)的增加,承载力增加,但增量越来越小,当气隙比为13.3时,仿真电磁力达到理论电磁力的97.0%,当气隙比大于13.3后,承载力随气隙比的增加非常有限。     

扑翼气动力特性的数值研究

利用流体力学数值方法有限体积法,研究了低雷诺数下二维蜻蜓翼模型在运动过程中的气动力特性.结果表明:随翼型厚度的增加,其垂直升力和水平推力均有所下降;随着扑动幅值的增加,升力和推力也显著增加;改变扑动频率、升力和推力在频率为30~50Hz的范围内产生一个峰值,符合实际蜻蜓扑动频率范围;改变翼扑动平面倾角发现,随倾角的增大,升力逐渐减小,而推力则稳步增加;在一个扑动周期内,翼的下拍过程主要产生升力,而推力的产生主要来源于翼的上挥运动.