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关键词： 汽轮发电机   电磁场   温度场   磁性槽楔   故障分析  

摘要： 汽轮发电机运行过程中涉及多个物理场,包括电磁、热、流体和力等物理场。这些物理场相互影响并相互耦合。虽然对汽轮发电机多物理场数值分析和计算的研究已经取得了丰硕的成果,但现有研究方法需要大量的计算资源,不能完全满足工程分析和设计的需求。为提高发电机的效率,人们提出以磁性槽楔替代非磁性槽楔。但磁性槽楔的现有研究成果尚不能完全满足工程分析和设计的需求。此外,汽轮发电机在运行过程中将不可避免地发生各种故障,由此危及发电机的安全稳定运行,进而导致电力供应中断,影响基础设施的正常运行。 因此,本文从工程应用的角度,以某台6 MW空冷汽轮发电机为研究对象,对其多物理场模型,发电机槽楔材料、槽分度数对电机性能的影响,以及故障工况下发电机的性能进行了全面、深入的研究。主要成果为: (1)建立了汽轮发电机三维温度-流体场模型,并对汽轮发电机流体场与温度场进行深入和系统的研究。 (2)研究了发电机转子槽楔材料对电机性能的影响。为此,建立了发电机电磁性能参数计算的场-路耦合模型。在此基础上进行了深入的分析和计算,计算了不同槽楔材料时发电机的同步电抗值,得到了汽轮发电机同步电抗解析式。此外,对槽楔材料发生变化后发电机的损耗进行了分析和计算。 (3)探讨了发电机转子槽分度数对汽轮发电机性能的影响,包括对汽轮发电机同步电抗、气隙磁场波形和损耗的影响。 (4)建立了不同故障工况下汽轮发电机性能参数计算的场-路耦合模型,通过仿真计算对不同故障工况下的发电机参数进行了分析。

关键词： 腰椎间盘突出症   低频脉冲电磁场治疗仪   腰背肌核心肌力训练   疼痛   腰椎功能  

摘要： 目的 探讨低频脉冲电磁场治疗仪联合腰背肌核心肌力训练对腰椎间盘突出症（LDH）患者术后康复效果的影响。方法 选择河北邢台人民医院2021年11月—2023年5月收治的60例LDH患者为研究对象，按随机数字表法将其分为对照组及观察组，每组30例。对照组进行腰背肌核心肌力训练，观察组在此基础上使用低频脉冲电磁场治疗仪，均持续干预3个月。对比两组患者的腰椎日本骨科协会评估治疗分数（JOA）、Oswestry功能障碍指数（ODI）评分、疼痛视觉模拟（VAS）评分。结果 干预后，观察组的JOA量表中自觉症状、临床体征、日常生活能力和膀胱功能评分分别为（7.26±0.85）分、（4.33±0.72）分、（11.30±1.36）分、（-2.02±0.71）分，均高于对照组的（6.63±1.04）分、（3.67±0.98）分、（10.42±1.55）分、（-2.60±0.65）分，组间差异有统计学意义（P<0.05）。干预后，观察组的ODI、VAS评分分别为（15.84±3.37）分、（2.38±1.14）分，均低于对照组的（19.74±4.60）分、（3.29±1.06），组间差异有统计学意义（P<0.05）。结论 LDH术后患者采用低频脉冲电磁场治疗仪联合腰背肌核心肌力训练，能减轻腰背部疼痛，改善腰椎功能，促进疾病康复。

关键词： 射频   介电特性   果胶   超声  

摘要： 果胶是一种天然的多糖,主要存在于植物的细胞壁中,作为稳定剂、乳化剂、增稠剂或胶凝剂广泛应用于食品、化妆品和制药行业。目前,商业果胶的主要来源为柑橘皮和苹果渣等。在工业上,主要使用热水酸法提取果胶,并且多采用无机酸作为溶剂,提取时间长并且对环境造成污染。采用微波和射频也可以提取果胶,并具有提取速度快、绿色环保等特点;其中射频加热具有加热速率快,穿透深度大的优势,在果胶提取方面具有潜在的应用前景。综上所述,本文以柚皮和苹果渣果胶提取液混合物为研究对象,分析了柚皮果胶提取混合物的介电特性和穿透深度,并针对混合物中各组分的介电特性进行研究;探究射频加热对果胶提取的影响,采用射频和常规加热两种方法在相同加热速率和加热均匀性的条件下提取苹果渣果胶和柚皮果胶,对比果胶的产率、理化性质和结构特性,探究射频对果胶提取的影响;最后研究超声和射频协同提取技术,采用响应面设计试验并优化得到最优条件,对比由不同方法提取出的果胶的结构特性和理化性质,为射频提取果胶的工业化提供实验数据和理论依据。主要研究内容和结果如下: (1)测量柚皮-柠檬酸混合物的介电特性,其受液固比影响不显著,介电常数随频率和温度增加而下降,介电损耗则随着频率的增加而下降,随着温度的增加而上升。在四个特定频率下,提取体系的介电损耗随温度的升高而增大,随p H的增大而减小;介电常数则随着温度和p H的增大而减小。射频(27和40 MHz)的穿透深度均大于微波(915和2450 MHz),因此射频技术更适合应用于大批量果胶提取。回归模型可以较为准确地预测介电特性的变化趋势,可为后续的介电加热提取果胶提供数据支撑。在27MHz和915 MHz下,果胶提取体系中各组分的介电特性有很大差异,介电加热酸提果胶时电磁波在柠檬酸与果渣之间具有潜在的选择性加热效应。 (2)对比在相同的升温速率(4,9,14℃/min)和加热均匀性条件下,使用射频加热所得到的苹果果胶和柚皮果胶的产量均高于加热板加工所得到的果胶,用射频加热提取的苹果果胶和柚皮果胶的半乳糖醛酸含量、酯化度和热稳定性等均高于加热板加热方式提取的果胶。两种方法提取的果胶热稳定性相近,主要化学结构差异不大,晶体结构相似,但射频方法提取的果胶表面较为粗糙。这表明在射频加热过程中的选择性加热会对植物果胶的提取具有促进作用,并且会对提取的果胶表面结构产生影响。 (3)以柚皮果胶为对象,采用响应面法设计了以超声-射频、射频超声、超声和射频辅助提取四种提取方法为因素的试验,并优化得到果胶产率最高的提取方法和最优参数条件,为柠檬酸p H 1.5、183 W超声处理24 min和87°C射频加热23 min。根据最优参数对比了四种方法的果胶产率、理化性质和结构特性,得到超声-射频辅助提取的果胶产率最高28.36±0.85%,显著高于其他方法。超声射频顺序处理所获得的果胶的酯化度较低(56.2%),但半乳糖醛酸含量最高(54.1%),呈暗黄色。四种方法所提取的果胶之间的热稳定性、主要晶体结构和主要化学结构没有显著性差异,扫描电镜分析表明,超声-射频协同方法提取的果胶的表面形貌致密、光滑、平整,裂纹较少。结果表明,顺序超声-射频提取出的果胶产率最高,是提高果胶提取效率的有效方法。

关键词： 混流装配线平衡问题   多人共站   电磁场优化算法   数学建模  

摘要： 大型装备制造业是国民经济的重要支柱产业,对于国家经济的持续发展、提升综合国力有着重要的推动作用,而装配过程是制造业的核心环节之一,因此装配线平衡优化的效果是影响装备制造企业生产效率和生产成本的关键因素。由于大型装备的体积庞大、工序复杂且客制化程度高,装配时多采用混流多人共站方式进行,而工人加工不同产品时的负载差异较大,使得生产效率较低。为了提高工人的利用率和生产效率,降低企业生产成本,本文将混流生产的产品中满足一定条件的工序定义为流动加工工序,这些工序由相应的可在工台间流动的工人进行加工,通过采用这种流动加工的方式提高工人的利用率。同时,通过智能优化方法实现装配线优化,提高生产效率。本文主要的工作内容包括: (1)在调研了装配线平衡优化的相应研究现状后,针对大型装备装配线的实际生产特点,以大型装备的混流装配过程中各产品间工序的差异性作为出发点,提出了让少部分工人可以在工作站之间移动从而提高工人利用率的流动加工概念。首先建立了一般混流多人共站装配线平衡优化模型(MMALBP),再引入流动加工的相关约束,提出了考虑流动加工的混流多人共站装配线平衡优化模型(MMALBP-F)。根据混流多人共站问题生成了16小规模和20大中规模算例,分别对其进行MMALBP和MMALBPF建模去验证模型有效性。对小规模算例采用CPLEX求解器精确求解,结果表明利用流动加工思想建立的MMALBP-F模型在100%的算例中均能找到不差于原MMALBP模型的结果,其中在71%的算例能找到比原模型更好的结果。同时,对生成的20个大中规模算例用本文后面所提的改进电磁场优化算法求解,结果表明MMALBP-F模型能够在80%的算例下找到更好的解,验证了所建立的模型的有效性。 (2)针对本文提出的MMALBP-F模型,提出了改进电磁场优化算法(IEFO)进行求解。在电磁场优化算法的基础上引入了基于混沌的粒子初始化策略和重新生成策略,从而提高了初始粒子的质量和寻优过程中解的多样性,并针对MMALBP-F模型的问题特点设计了编码和解码方案。通过所设计的实验,将其与基本电磁场优化算法和模拟退火算法进行对比,结果表明改进电磁场算法在所有20个算例上都能找到比基本电磁场算法更好的结果,而改进电磁场优化算法能在17个的算例中找到不差于模拟退火算法的最优解,其中14个好于模拟退火算法,验证了本文提出的改进电磁场优化算法的有效性。 (3)将MMABLP-F模型应用于某车辆装配企业的装配过程中,采用IEFO算法优化该企业的装配线平衡方案,与原来利用启发式规则获得的装配线平衡方案对比,工人数量和工台数量均获得了优化,且线效率提升15%,工人负载平滑度优化了38%,验证了模型和算法的有效性与实用性。

关键词： 汽轮发电机   磁场分布   端部温度   预测模型  

摘要： 汽轮发电机作为电力工业中最重要的发电设备之一，在工业、农业、国防、科技及日常生活的各个方面，发挥着不可替代的作用，其性能和寿命直接影响着电力系统的运行和可靠性。在大型核电站中，核电汽轮发电机不仅要满足高效率、高功率输出、长寿命等要求，还要具备良好的电磁兼容性和电磁屏蔽能力。汽轮发电机端部是设计的核心部分，其电磁场分布和各结构件的损耗与温升对汽轮发电机性能和寿命具有重要影响。本文以一台1407MVA核电半速汽轮发电机为研究对象，详细研究了发电机不同端部结构以及发电机端部屏蔽材料对汽轮发电机端部区域损耗与温升的影响，并实现对汽轮发电机端部最高温度的快速预测。　　首先，对核电半速汽轮发电机端部电磁场进行了分析计算。根据电磁学的基本理论，建立了核电半速汽轮发电机的三维端部电磁场数学模型和物理模型，深入研究了额定工况下端部电磁的分布情况。针对核电半速汽轮发电机端部构件中屏蔽压板温度过高的问题，提出了改变屏蔽压板内径的几种方案，分析了屏蔽压板内径对端部各构件磁密和损耗的变化规律。同时还研究了全铁、铜铁合金材料以及铜铁交错分布等端部磁屏蔽方案对端部电磁场和各结构件损耗的影响，分析了磁屏蔽的不同材料下端部各构件磁密和损耗的变化规律。　　其次，建立了核电半速汽轮发电机三维端部区域流固耦合传热模型，将三维端部瞬态电磁场计算得到的端部构件损耗作为热源，流体网络计算的入口速度和风扇出口的压力值应用到流固耦合模型中作为三维流固耦合传热方法的边界条件来计算端部结构的温度。研究全铁、铜铁合金材料以及铜铁交错分布等端部材料和屏蔽压板结构对端部构件温度的影响及其变化规律。　　最后，研究了端部流体风孔入口速度、水管入口进水温度对发电机端部冷却效果的影响。建立支持向量机网络(Support Vector Machine,SVM)模型，以流体风孔入口速度、水管入口进水温度、屏蔽压板内径、磁屏蔽材料导热系数为输入变量，以端部构件最高温度为输出目标，得到它们之间的映射关系。样本测试结果表明，所提模型能够实现对半速核电汽轮发电机端部最高温度的快速预测。

关键词： 汽车转动轴   磁聚焦   电磁式扭矩传感器   电磁场分析   LINWPSO优化算法  

摘要： 全球科技进步,使得汽车产业及其相关传感器技术进一步发展及融合。扭矩作为反映汽车发动机、变速器和传动系统中运行状态的主要参数,对扭矩检测显得尤为重要。扭矩可影响整车性能,如发动机输出功率、汽车油耗、使用寿命、安全性及稳定性等。电磁式扭矩传感器可实现对扭矩的非接触式测量,它具有精度高、抗干扰能力强、适应性强和易于安装等优点。该传感器非常适合高温(汽车发动机)、雨雪天气(汽车转动轴)和粉尘(特殊路况:工地、戈壁和沙漠等)的汽车使用环境。 传统电磁式扭矩传感器的创新仍停留在结构创新与改变,如平面式和立体式,没有在测量原理、方法或与其他领域理论相结合上实现进一步改进与突破。传统电磁式扭矩传感器存在以下缺点:一是需要利用转子产生涡流磁场才能实现对角度和扭矩的测量,无法降低涡流损耗;二是线圈绕组最佳模式如何设计的技术难题;三是电磁式角度/扭矩传感器都要设计符合自身的线性化算法,存在无法统一的难题。为解决上述问题,本文以电磁感应原理为基础,引入磁聚焦技术,将其与电磁式扭矩传感器的相位差法结合,提出一款适用于车用轴系的磁聚焦式扭矩传感器。利用基尔霍夫定律和Neumann公式,对传感器电磁耦合进行研究,给出传感器等效电路模型、激励线圈自感模型及激励与接受线圈间互感模型等。再利用截断区域展开式(Truncated Regioneig Enfunction Expansion,TREE)法和时谐磁场Maxwell方程组研究并分析磁聚焦式扭矩传感器空间磁场分布规律,进而对影响其输出信号的相关参数进行讨论。进而获得降低传感器非线性误差的结构参数,实现传感器输出信号直接线性化。利用磁聚焦技术,使聚焦磁场替代涡流磁场,实现对传统电磁式角度-扭矩传感器的发展和创新。 对磁聚焦式扭矩传感器结构进行设计,提出阿基米德螺线作为传感器激励线圈的布局,并将其布置在印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)上。针对现有激励线圈与转轴间隙较大时,聚焦磁场发散问题。根据电磁场理论分析传感器工作原理,设计一种新型导磁体,并提出金属屏蔽层构想,即空芯导磁体。提出一种新激励装置,将原有传感器探头,改为实芯导磁体+空芯导磁体+阿基米德螺线的组合,实现磁场聚焦。通过激励线圈电磁场模型和有限元仿真验证,证明圆形阿基米德螺线是实现磁场聚焦最佳的激励线圈。利用磁场叠加和聚焦效应,基于阿基米德螺线的磁聚式扭矩传感器能够感应出足够大磁场,且聚焦磁感应强度B大于周边漏磁的10倍以上,进而实现对漏磁忽略。因此,该方式可满足对转动轴的扭矩测量。 考虑到处理传感器输出信号的复杂性,设计去掉金属叶片状转子。避免对激励磁场与涡流磁场解耦这一繁琐过程的设计和实施,实现激励磁场和接受线圈内电场直接耦合,感应出电压信号。基于柔性电路板(Flexible Printed Circuit,FPC)技术实现布置线圈可随意弯折的特点,设计接受线圈走线,实现两组接受线圈组均沿着转动轴径向布置一周并随之转动的需求。再通过数值计算方式,推导出聚焦磁场与接收线圈形状——正方形,从而实现感应电压直接线性化。基于磁聚焦式传感器上述结构,利用TREE法研究传感器所在空间磁场分布特性并对加入导磁体后,激励装置所产生磁矢势的分布规律进行分析。利用Maxwell方程组推导激励线圈磁矢势方程,进而对其所激发的时谐磁场分布规律进行研究,为后续传感器仿真及优化研究提供支撑。 根据毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart Law)和磁聚焦式传感器各部分空间结构,利用聚焦磁场和FPC线圈面积之间的耦合变化关系,建立传感器感应电压数学模型。通过对不同频率和转速下感应电压进行仿真,分析感应电压变化规律,研究表明:频率是影响感应电压幅值的主要因素。相对于传统线圈式扭矩传感器,磁聚焦式传感器磁场漏磁少,输入频率可降低不止一个数量级。对比一款平面式电磁传感器,涡流损耗从2.1304W降低到仅有0.3625W。通过Plackett-Burman Design试验筛选对传感器线性度影响最大的设计参数进行优化。针对传感器优化时,普通粒子群算法收敛速度慢,存在收敛到局部最优,而非全局最优解的现象。本文利用线性递减惯性权重粒子群优化算法(LINWPSO),对传感器进行优化,降低传感器非线性误差,进而提高整体性能。 试制磁聚焦式扭矩传感器样机,测试传感器相关性能。以测量转动轴上扭矩为目标,自建传感器测试平台,完成传感器静态标定。进行不同转速和扭矩下的动态试验,验证磁聚焦式扭矩传感器性能。最终测得传感器非线性误差为0.809%、重复性误差为1.469%及精度等级为1.0%F.S。