基于元结构的螺杆转子磨床床身动静态特性分析与优化
基于ANSYS Maxwell 2D内置式“V”型永磁同步电动机的转子结构优化-陈贤阳

[ Keyword ] interior; permanent magnet synchronous motor; magnetic pole shift; rotor eccentric; ANSYS Maxwell2D; cogging torque
1 前言
世界各国节能和环保的政策要求,电动汽车的研制和推广已得到广泛的关注,而对高
为槽数,
GCD(z,2p)
为
2p
和
z
的最大公约数。
由(6) ~(8)分析可知,当永磁体对称时,n 只有取值为 Np 的倍数时,该次谐波才不为零。
[6]
故可得知磁极偏移对整数槽永磁电动机的齿槽转矩的消弱是有明显效果的 。
3 磁极偏移对齿槽转矩的影响
利用 Maxwell 有限元分析软件,分析不同的磁极偏移角度时,电机齿槽转矩的变化情
已知一款汽车用永磁同步电动机的主要参数,基于 Maxwell2D 有限元仿真,采用磁极
[5]
偏移和转子铁芯的偏心距措施,使电机的齿槽转矩得到优化 。根据优化后电机尺寸参数
试制样机,利用电机实验平台,测得样机的性能符合要求。
1.1 永磁同步电动机主要技术参数
本方案主要技术指标如表 1 所示
表 1 主要技术指标
额定电压:183V
基于有限元分析的机械零部件强度与刚度优化研究

基于有限元分析的机械零部件强度与刚度优化研究在机械设计中,强度与刚度是关键考虑因素。
为了提高机械零部件的性能和使用寿命,基于有限元分析的强度与刚度优化研究成为了一种常用的方法。
本文将探讨基于有限元分析的机械零部件强度与刚度优化研究的方法和应用。
1. 强度优化在机械设计中,强度是指零部件能够承受外部载荷而不发生破坏的能力。
强度优化的目标是通过调整零部件的几何形状和材料,使其在满足载荷要求的前提下,尽可能减小重量和材料成本。
基于有限元分析的强度优化研究可以帮助设计师在设计初期就确定合适的零部件形状和材料,提高设计效率和成功率。
2. 刚度优化刚度是指零部件抵抗变形的能力。
在机械设计中,刚度优化的目标是通过调整零部件的几何形状和结构参数,使其在承受外部载荷时尽可能减小变形,提高零部件的稳定性和精度。
基于有限元分析的刚度优化研究可以帮助设计师确定合适的零部件结构和参数,提高设计的精度和可靠性。
3. 有限元分析有限元分析是一种数值计算方法,广泛应用于机械工程中。
它将复杂的结构分割为许多小的有限元,通过求解有限元之间的力学关系,来预测结构的强度和刚度。
有限元分析可以模拟各种载荷条件和工况,为设计提供科学的依据。
4. 强度与刚度优化的流程强度与刚度优化研究通常包括以下几个步骤:确定优化目标和约束条件、建立有限元模型、设定载荷和边界条件、进行有限元分析、优化参数的选择和调整、重新进行有限元分析,直到满足设计要求。
这个流程需要反复进行,直到最终找到最优的设计方案。
5. 案例研究通过一个简单的案例来说明基于有限元分析的机械零部件强度与刚度优化研究的具体过程。
假设我们要优化一台机械设备中的一根连杆,使其在满足载荷要求的前提下尽可能减小重量。
我们先建立连杆的有限元模型,设定合适的载荷和边界条件,进行有限元分析。
然后根据分析结果,选择适当的优化参数,例如连杆的截面尺寸和材料,重新进行有限元分析。
通过多次优化和分析,最终找到连杆的最优设计方案。
机械结构刚度与振动特性分析与优化设计

机械结构刚度与振动特性分析与优化设计导言:机械结构在各种工程领域中起到至关重要的作用,如航空航天、汽车制造、建筑工程等。
机械结构的刚度和振动特性对其性能有着直接影响。
本文将深入探讨机械结构刚度与振动特性的分析与优化设计方法,以期为工程师和研究人员提供有关信息,从而提高机械结构的性能和可靠性。
第一部分:机械结构刚度的分析1.1 定义和意义机械结构的刚度代表了其在外力作用下的变形能力。
刚度直接关系到机械结构的稳定性和承载能力。
因此,对机械结构的刚度分析是确保其运行安全可靠的关键一步。
1.2 刚度计算方法刚度可以通过解析方法或数值模拟方法来计算。
解析方法可以通过力学原理和公式来计算结构的刚度,但只适用于简单的结构。
复杂的结构需要采用数值模拟方法,如有限元分析,以获得更精确的计算结果。
1.3 刚度的优化设计刚度的优化设计是通过调整结构的材料、几何形状和连接方式等来实现。
例如,在飞机设计中,使用轻质高强度材料可以提高结构的刚度。
同时,通过优化结构的几何形状和连接方式,可以进一步提高结构的刚度。
第二部分:机械结构振动特性的分析2.1 振动的定义和分类振动是指物体在受到外力或激励作用下发生的周期性运动。
根据振动的特点和性质,振动可以分为自由振动和强迫振动。
自由振动是物体在无外力作用下由初始位移引起的振动,而强迫振动是在外力作用下发生的振动。
2.2 振动分析方法振动的分析可以采用解析方法或数值模拟方法。
解析方法包括模态分析和频率响应分析。
模态分析是通过求解结构固有振型和固有频率来获得结构的振动特性。
频率响应分析是通过施加外力或激励信号来研究结构的响应。
2.3 振动的优化设计振动的优化设计是通过调整结构的材料、几何形状和质量分布等来减小振动幅度和提高振动频率。
例如,通过增加结构的刚度可以提高自由振动频率。
同时,通过优化结构的质量分布可以减小结构的振动幅度。
第三部分:机械结构刚度与振动特性的优化设计方法3.1 整体优化设计方法整体优化设计方法是综合考虑结构刚度和振动特性的优化设计方法。
(完整版)三相6_4极开关磁阻电机转矩特性分_析与优化设计毕业设计

密级:内部三相6/4极开关磁阻电机转矩特性分析与优化设计Analysis and Optimal Design of Torque Characteristics of Three-phase 6/4 Pole SwitchReluctance Motor学院:电气工程学院专业班级:电气工程及其自动化1003班姓名:陈运楷指导教师:张殿海(讲师)2014年6月摘要近年来随着电力电子技术和控制技术的发展,诞生了一种新的特种电机—开关磁阻电机。
该电机具有结构简单、调速性能优良、成本低廉、可靠性高、起动转矩大、效率高等优点。
因此,被广泛应用于牵引传动、通用工业、家用电器等众多领域。
然而,由于开关磁阻电机的双凸极结构所引起的磁路非线性和饱和效应以及特殊的供电方式,与传统的电机相比存在着振动和噪声大的缺点,这就大大限制了开关磁阻电机向更多应用领域的拓展。
因此为了得到更好的开关磁阻电机的动静态性能,如何降低转矩脉动和抑制噪声已经成为今后开关磁阻电机控制系统的研究重点。
首先根据开关磁阻电机的运行机理,以三相6/4极开关磁阻电机作为分析模型,利用ANSOFT软件中的Maxwell模块完成电机的建模和分析。
其次通过修改开关磁阻电机转子极弧系数以及在转子表面开口的方法,改善电机的输出转矩特性。
结合MATLAB软件分析修改转子对平均转矩和转矩脉动的影响。
最后利用实验室自行开发的多目标优化软件对平均转矩和转矩脉动进行多次优化,经过比较后找到最佳解,得到平均转矩提高、转矩脉动下降的结果,达到优化设计的最终目的。
关键词:开关磁阻电机;转矩脉动;平均转矩;优化设计AbstractIn recent years, with the development of power electronic technology and control technology, a new motor called switch reluctance motor, which has so many advantages such as simple structure, excellent performance of speed adjustment, low cost, high reliability, and large starting torque, high efficiency was developed. Therefore, it was applied in many fields such as traction drive, general industrial, and household appliances etc.However, due to the double salient structure of switch reluctance motor which caused nonlinearity of the magnetic circuit and saturation effect as well as the special power supply pattern, compared with the traditional motor the vibration and noise is significant. This feature greatly limited the application of switch reluctance motor to more fields. Therefore, in order to achieve the better dynamic and static performance for the switch reluctance motor, how to reduce the torque ripple and noise has become the hot spot of the future research of switch reluctance motor and its control system.Firstly, according to the operating mechanism of the switch reluctance motor, a three-phase 6/4 pole switch reluctance motor is taken as the analysis model, the torque characteristics is analyzed by utilizing the ANSOFT Maxwell module.Secondly, in the optimization model, the rotor pole arc coefficient and sub-slot on the surface of rotor are taken as the design variables, the torqueripple and average torque are taken as two objective functions. The MATLAB software is applied to calculate the average torque and torque ripple from the Maxwell results.Finally, a multi-objective optimization algorithm which was developed by the laboratory is applied to find out the optimal solution. In order to determine the global optimal solution, the optimization procedure was carried out twice. From the results, the average torque and torque ripple characteristic were improved.Keywords:Switch reluctance motor; torque ripple; average torque; optimal design目录摘要 (I)A bstract........................................................................................................................ I I 第1章绪论 (1)1.1课题背景及意义 (1)1.2课题国内外研究现状及趋势 (3)1.2.1国内发展趋势 (3)1.2.2国外发展趋势 (4)1.3课题主要研究内容 (5)1.4本章小结 (6)第2章开关磁阻电机特点与设计方法 (7)2.1三相6/4极开关磁阻电机的结构与原理分析 (8)2.1.1三相6/4极开关磁阻电机的结构 (8)2.1.2三相6/4极开关磁阻电机的运行原理 (9)2.2开关磁阻电机分析与设计方法 (11)2.2.1 基于Ansoft 的开关磁阻电机有限元分析介绍 (11)2.2.2 转矩脉动、噪声和振动产生的根源 (13)2.2.3 采用的设计方法 (13)2.3本章小结 (14)第3章开关磁阻电机建模 (15)3.1创建电机几何模型 (15)3.1.1创建项目 (15)3.1.2建模过程 (16)3.2材料定义及分配 (21)3.3激励源与边界条件定义及加载 (23)3.4运动选项设置 (27)3.5求解选项参数设定 (28)3.6磁力线与磁密云图 (31)3.7外电路与有限元连接 (33)3.8本章小结 (34)第4章开关磁阻电机优化设计 (35)4.1优化与设计 (35)4.1.1多目标优化简介 (35)4.1.2响应表面的应用 (36)4.2修改转子极弧系数及结构 (37)4.3求解转矩 (38)4.4利用MATLAB求解平均转矩和转矩脉动 (41)4.5优化过程 (44)4.5.1一次优化 (45)4.5.2 二次优化 (46)4.6本章小结 (50)第5章结论 (51)参考文献 (53)致谢 (56)第1章绪论1.1课题背景及意义开关磁阻电机(Switch Reluctance Motor简称SR电机)具有结构简单、转子无绕组、无永磁体、可靠性高等特点,且有控制方式灵活、调速性能好等许多优点。
机械摩擦学特性分析与摩擦副优化设计

机械摩擦学特性分析与摩擦副优化设计摩擦是机械系统中的一个普遍现象,对机械运动和能量传递起着至关重要的作用。
了解机械摩擦学特性并进行摩擦副的优化设计,对于提高机械系统的效率和寿命具有重要意义。
本文将分析机械摩擦学的特性,并探讨如何进行摩擦副的优化设计。
一. 摩擦学特性的分析摩擦学是研究摩擦、磨损和润滑的科学。
在机械系统中,摩擦是由于两个物体之间的相对运动而产生的一种阻力。
摩擦学包含摩擦力、摩擦系数、摩擦磨损和润滑等方面的内容。
了解这些特性对于理解机械运动过程和改善机械系统性能至关重要。
摩擦力是摩擦副中最基本的特性之一。
它是指两个物体之间由于接触而产生的力,可以分为静摩擦力和动摩擦力。
静摩擦力是两个物体在相对静止时的摩擦力,动摩擦力则是两个物体在相对运动时的摩擦力。
了解摩擦力的大小和变化规律对于预测机械系统的摩擦效应至关重要。
摩擦系数是描述两个物体之间摩擦特性的参数,是摩擦力与法向压力之比。
它受摩擦副材料、表面形状、润滑状况等因素的影响。
不同材料和不同工况下的摩擦系数有所不同。
了解摩擦系数的变化规律,可以指导选择合适的材料和设计合理的表面形状,以减小摩擦力和磨损。
摩擦磨损是机械系统中不可避免的问题。
摩擦副在长时间使用过程中,由于摩擦力的作用,会导致其表面的材料失去或改变。
磨损的严重程度直接影响到机械系统的运行效率和寿命。
因此,研究摩擦磨损的规律,并采取相应的措施进行预防和修复,是摩擦学的重要研究内容。
二. 摩擦副的优化设计在机械系统中,摩擦副的设计是摩擦学研究的核心问题之一。
通过合理的摩擦副设计,可以减小摩擦力和磨损,提高机械系统的性能。
以下是摩擦副优化设计的几个关键方面:1. 材料选择:不同材料的表面性质和耐磨性不同,选择合适的材料对于减小摩擦力和延长摩擦副寿命至关重要。
在选择材料时,需要考虑材料的硬度、热导率、热膨胀系数等因素。
2. 表面处理:通过表面处理,可以改变摩擦副的摩擦系数和润滑性能,减小摩擦力和磨损。
机械结构固有频率分析与优化

机械结构固有频率分析与优化机械结构是人工制造出来的具有特定功能的物体,如汽车发动机、桥梁、飞机机翼等。
在设计和制造机械结构时,固有频率分析与优化是一个非常重要的步骤。
通过对机械结构的固有频率进行分析和优化,可以提高结构的稳定性和可靠性,减少结构的振动和疲劳破坏,从而延长结构的使用寿命。
固有频率是指机械结构在没有外部激励的情况下自由振动的频率。
每个机械结构都有多个固有频率,对应于不同的振动模态。
固有频率的高低直接影响着机械结构的动态响应和振动特性。
较低的固有频率可能导致结构共振,造成动态失稳和结构破坏;而较高的固有频率则可以减小结构振动的幅度和响应,提高结构的稳定性和工作效率。
固有频率的分析可以通过有限元方法进行。
有限元方法是一种将复杂结构分割成小的有限单元,通过计算每个单元的振动特性,然后将这些单元牵连起来得到整个结构的振动响应的数值计算方法。
在有限元分析中,固有频率一般通过求解结构的特征方程得到。
特征方程是一个关于固有频率与振型的本征值问题,通过数值求解可以得到结构的固有频率和相应的振动模态。
固有频率分析的结果可以用来指导结构的优化设计。
在机械结构的优化设计中,通常需要对结构的材料、构型和连接等参数进行调整,以使得结构的固有频率达到设计要求。
例如,对于桥梁结构来说,为了防止共振和减小结构的振动,可以增大桥梁的自然频率,有助于提高桥梁的稳定性和承载能力。
而对于飞机机翼来说,需要根据不同飞行状态和工作要求,调整机翼的结构参数,以提高固有频率,减小结构的振动。
除了固有频率的分析和优化,机械结构的动态特性还包括振动模态、振动幅值和振动形态等。
在进行固有频率分析时,也可以得到结构的不同振动模态的形态和频率。
振动幅值和振动形态可以通过模态分析和振动实验得到,用来评估结构在不同振动状态下的响应和振幅。
根据振动特性的分析结果,可以对结构的材料和构造进行优化设计,以提高结构的稳定性和工作效率。
综上所述,机械结构固有频率分析与优化是设计和制造过程中不可或缺的一环。
重载机械的动态载荷分析与结构优化

重载机械的动态载荷分析与结构优化重载机械普遍存在于现代工业生产的各个环节中,其具备高负载和高速度的特点,对设备的结构稳定性和可靠性提出了极高的要求。
因此,对于重载机械的动态载荷分析和结构优化是非常必要的,它能够帮助我们了解机械系统在负载作用下的工作状态,并进一步提高机械的性能和寿命。
本文将探讨重载机械的动态载荷分析与结构优化的举措和方法。
首先,我们需要了解重载机械的动态载荷分析是建立在静态载荷分析的基础上的。
静态载荷分析是指机械在静止状态下承受外部力的情况。
而动态载荷分析则更加复杂,因为机械在工作过程中不仅会受到外部力的作用,还会产生惯性力和振动力。
因此,我们需要综合考虑这些力的影响来进行动态载荷分析。
在进行动态载荷分析之前,首先需要对重载机械的负载进行测量和监测。
一种常用的方法是使用力传感器和加速度传感器等传感器来测量机械系统中的受力和振动情况。
通过分析传感器的信号,我们可以获取机械系统在工作状态下的负载情况。
此外,还可以通过数值仿真的方式来模拟机械在不同工作条件下的负载。
这些数据的准确获取对于加深对重载机械动态载荷的理解和分析非常重要。
动态载荷分析的下一步就是识别机械系统的共振频率。
当机械系统的共振频率与其激励频率相同时,机械系统会受到更大的振动力和应力,从而导致结构的疲劳和破坏。
因此,了解机械系统的共振频率并采取相应的措施来避免共振现象的发生非常重要。
一种常用的方法是通过有限元分析来计算机械系统的共振频率,并根据计算结果来调整机械系统的结构参数。
在进行动态载荷分析的基础上,我们可以进一步对重载机械的结构进行优化。
结构优化的目标是在保持机械系统的强度和刚度的前提下,尽可能减小机械系统的质量和体积。
优化的方法有很多,例如减少结构中的冗余部分、采用新材料和新工艺等。
此外,还可以通过改变机械系统的工作方式来降低对结构的负载。
例如,在重载机械中引入减振器或减震装置,可以有效地减小机械系统的振动和应力。
钢管夹持机构的模态分析与优化

Modeling and Simulation 建模与仿真, 2022, 11(1), 214-223Published Online January 2022 in Hans. /journal/moshttps:///10.12677/mos.2022.111019钢管夹持机构的模态分析与优化胡雷,温辉,周成上海理工大学,上海收稿日期:2021年11月29日;录用日期:2022年1月19日;发布日期:2022年1月26日摘要针对某钢管夹持机构的振动问题,本文应用SolidWorks三维建模软件对钢管夹持机构实体进行简化建模,采用Workbench有限元软件对钢管夹持机构进行模态分析,计算并分析了其前四阶固有频率和模态振型。
在此基础上,对其结构形状,尺寸参数和固定端支撑方式进行了定向优化,并将优化前后固有频率改变进行了对比。
结果证明改变结构形状尺寸和固定端支撑方式对优化机构动态特性具有一定可行性。
关键词模态分析,模态优化,固有频率,振型Modal Analysis and Optimization of SteelPipe Clamping MechanismLei Hu, Hui Wen, Cheng ZhouUniversity of Shanghai for Science and Technology, ShanghaiReceived: Nov. 29th, 2021; accepted: Jan. 19th, 2022; published: Jan. 26th, 2022AbstractAiming at the vibration problem of a steel pipe clamping mechanism, in this paper, SolidWorks was used to simplify the model of the clamping mechanism for steel tubes. Workbench was applied to analyze the modality of the clamping mechanism for steel tubes, and the first 4 natural frequen-cies and mode shapes were calculated and analyzed. The structure, the parameters of size and fixed support were optimized, and the natural frequency changes before and after optimization were compared. The results show that it is feasible to optimize the dynamic characteristics of the me-chanism by changing the shape and size of the structure and the support method of the fixed end.胡雷 等KeywordsModal Analysis, Modal Optimization, Natural Frequency, Mode ShapeCopyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言钢管夹持机构主要应用于管状钢材的运输存放(图1)。
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摘 要 :螺杆转子磨床床身是关键的承载大件, 其动静态性能的好坏将直接影响整机的加工精度和稳定性。为实
现床身的快速动态优化设计 , 首先基于元结构理论 , 使用 A S S软件仿真分析了床身筋格元结构各主要参数对其动态 特 NY 性的影响。在此基础上 , 以提高床身低 阶模态 固有频率和降低床身重量为 目标 , 对床身 的结构参数进行优化 , 同时通过 静
( c ol f caia E g er g N nigU i r t o c nea dT cnlg , a n 104 h a Sho o Mehncl ni ei , aj nv sy f i c n ehooy N mig20 9 ,C i ) n n n e i S e n
振
第3 第l 1卷 6期
动与冲Fra bibliotek击 J OURNAL OF VI BRAT ON I AND HOC S K
基 于元 结构 的螺 杆转 子磨 床 床 身 动静 态特 性 分析 与优 化
王禹林 ,孙文钊 ,冯虎 田
( 京理 工大学 机械工程学院机械 电子工程系 , 南 南京 20 9 ) 104
Absr c t a t: Th d f s rw r tr g i d r i a k y a t o e r l a a we g t e be o c e oo rn e s e p r t b a o d nd ih ,wh s d n mi a d sa i o e y a c n ttc
力分析验证 了优化方案的可行性。优化后 , 床身低 阶固有频率得到 了较大幅度的提高 , 中一 阶固有频率提 高了2 .% , 其 23 床身的重量下降 了 83 % , .9 同时静刚度也有明显提高 , 改善 了床 身 的动 静态特性 , 节约 了制造成 本。该方法 对其他类 似 关键零部件 的动态优化设计具有一定的借鉴意义。 关键词 :元结构 ; 身; 床 动静态特性 ; 参数优化
c r ce sis d r cl fe tt e wh l c i eS p o e sn c u a y a d sa ii . To r a ie f s y a c o tmiain ha a tr tc ie ty af c h oe ma h n ’ r c s i g a c r c n t blt i y e l a td n mi p i z to z d sg ft e b d b e in o h e y ANS YS,t i x p r mee s n ue c s o h i o ’ y a c h r ce itc wee n lz d he rb bo a a tr’i f n e n t e rb b x S d n mi c a a trsi r a ay e l b s d o h n tsr t r he r .Th n t e sr cur lp r mee so e r pt z d t a s a u a r q n is a d a e n t e u i tucu e t o y e h tu t a a a tr fb d we e o i e o r ie n t r lfe ue ce n mi r d c e ih . T e fa i lt ft e c mprhe sv p i z to c e sv rfe h o g h o r s n n ttc e u e b d we g t h e sbi y o h o i e n i e o tmiain s h me wa e i d t r u h t e c re po dig sa i i a ay i.T e u t h w h tt e b dSd n mi e f r n ei mprv d a h n f cu n o ti a e r a l h n l ss her s lss o t a h e ’ y a cp ro ma c si o e nd t e ma u a t r gc s ss v d g e t i y:t e i s r e t r l ̄e u n y i n r a e 2. frto d rnau a q e c si c e s d by2 3% ,t e i h s d c e s d b 3 he b d weg ti e r a e y 8. 9% ,wh l h t t t f e s i ie t e sa i si n s s c f a s n r a e sg fc n l . Th o t l lo ic e s d ini a ty i e p i meh d a e o t e n t tu t r c n ma t o b s d n h u i sr c u e a be lo p le t t e y a c a s a p id o h d n mi
中 图分 类 号 :T 1 . H13 1 文 献 标 识 码 :A
Dy m i nd sa i h r c e itc n l ss a d o tm i a i n na c a t tc c a a t r si s a a y i n p i z to
o c e r t r g i e d b s d o un t sr c u e fs r w o o rnd r be a e n i t u t r WANG u l Y —i n.S 耽 za —h o,FENG —i n Hu t a