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概念设计机电一体化系统Yethreb Ben Messaoud引用此版本:YethrebBen Messaoud. 机电一体化系统概念设计阶段多物理场磁热耦合的解析建模机械工程〔物理学. PH级〕巴黎萨克雷大学(COmUE),2018年。英语NNT:2018SACLC079。电话:02058999HAL Id:tel-02058999https://theses.hal.science/tel-020589992019年3月6日提交HAL是一个多学科的开放获取档案馆,用于存放和传播科学研究文件,无论它们是否已这些文件可能来自法国或国外的教学和研究机构,或来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire机械系统预设计阶段多体磁耦合的模态分析巴黎萨克雷大学博士论文高等教育École doctorale n°573 interfaces:approchesinterdisciplinaires,fondements,applications etinnovation(Interfaces)博士专业:工业科学与技术Thèse présentée et soutenue à Saint Ouen,le 17/12/2018,parYethreb BEN MESSAOUD评审团组成:Jean GaubertAix-Marseille大学校长Dimitri GALAYKO索邦大学人类发展报告会议主席(LIP6)特别报告员Mohammed FEHAM特莱姆森大学讲师特别报告员谢里夫·拉鲁奇人类发展报告会议主任,ESTACA(ESTACA'Lab)2001年12月25日至26日,研究工程师,SUPMECA(QUARTZ)M.阿舒尔·乌斯利马尼Enseur,ENSEA(QUARTZ)M. Jean-Yves CHOLEYSUPMECA(QUARTZ)联合主任M. Abed-Elhak KASBARI会议室主任,ENSEA(QUARTZ)邀请NNT:标题:Modélisation analytique du couplage multi-physique magnétique-Escherichia dans la phasede préconcept d'un système mécatroniqueMots clés:Phase de préconception,Contraintes multi-physiques,Sélection简 历 : Durant la phase de concept , lesdifférentes équipes然而,由于时间的变化以及长时间的迭代和羊角面包的变化而产生的不满意的结果。为了解决这一问题,必须考虑到前概念阶段的几何约束和多物理约束事实上,一个名为SAMOS的过程是为了选择多形体3D建筑而进行的,它可以保证工程师之间的协作效率。D’ailleurs, il est basé surdeuxextensionsenSysMLpermettantl’enrichissementdel’architecturepardesinformations géométriques et另一方面,这篇论文集中于对磁约束和磁耦合的研究。由于这一阶段不需要对元素进行模拟,因此基于几何学的分析模型足以使结果近似。在此背景下,不同的分析模型都经过了研究和验证,以模拟不同的环境和测量方法,从而为Néodyme中的永久目标提供更多事实上,温度的增加并不会使磁通密度减小,但它可能会引起异常的磁共振实际上,只要恢复初始温度,目标的特性就不会改变。对影响去镁化进程的各种因素进行了研究。此外,巴黎-萨克雷大学Espace Technologique/Immeuble DiscoveryRoute de标题:机电一体化系统关键词:概念设计阶段,多物理约束,体系结构选择,系统工程,磁热耦合,钕铁硼磁体翻译后摘要:在设计阶段,不同的工程团队进行多个FE模拟处理各种物理行为,以确保验证和确认。然而,不令人满意的结果导致后期更改,从而导致长时间的迭代和增加的成本。为了解决这一问题,从概念设计阶段开始,就必须考虑复杂系统体系结构中的几何约束和多物理约束。事实上,开发了一个称为SAMOS的过程,旨在选择最合适的3D多物理架构,同时确保工程团队之间的有效协作。此外,这个框架是基于两个SysML扩展,允许几何和多物理数据的架构丰富。此外,本文还重点研究了磁约束和磁热耦合问题。由于该阶段不支持长时间的有限元模拟,因此基于简化几何形状的分析模型足以提供令人满意的近似结果。在这种情况下,不同的分析模型进行了研究和验证,通过有限元模拟和措施的几种情况下,如钕铁硼永磁体。实际上,温度升高不仅会降低制冷剂通量密度,而且还会导致不可逆的损失。事实上,一旦我们回到初始温度,磁体的特性就会改变。讨论了影响退磁过程的各种因素此外,由于无刷电动机是一个复杂的机电一体化系统,研究了温度对无刷电动机性能的影响。巴黎-萨克雷大学Espace Technologique/Immeuble DiscoveryRoute de“我追求欲望和谨慎的目标,忘却崎岖的峡谷,我也不会回避也不是烈火的喷涌不爱登山的,必永远住在山谷阿布·卡西姆·沙比II确认这是真的,完成这个博士学位不是一件容易的工作,这将是不可能没有帮助。我想感谢每一个在这项工作中做出贡献或以某种方式帮助我完成这项工作的首先,我要衷心感谢我的直接导师Achour OUSLIMANI教授,Jean-YvesCHOLEY教授和Abed-Elhak KASBARI教授,他们在博士期间给予了我无尽的耐心,指导和支持,以及无数的建议。其次,我要感谢Supméca(巴黎)的研究工程师Olivia PENAS和RomainBARBEDIENNE博士,感谢他们给我机会撰写“基于多物理和概念设计系统组织的空间建筑SAMOS”论文,该论文在2015年IEEE系统工程国际研讨会上发表。我非常感谢ENSEA和SUPMECA的QUARTZ实验室的所有成员,教授,工程师,博士生和行政人员,他们欢迎我,鼓励我,给我这样一个雄心勃勃的工作环境。III奉献首先,我想把这项工作献给我亲爱的父母Leila和Salem,他们不仅培养了我对知识的热情和实现最高床垫的野心,而且还用他们的关心和爱包围了我。 我希望我能感谢他们,感谢他们为了看到我走到今天而做出的牺牲。第二,感谢我的姐妹Mechket和Yomen,她们与我一起远离家乡,共同生活在艰苦的环境中,与她们一起成长,我感到自己越来越有爱心和责任感。第三,感谢我的阿姨Awatef,她的丈夫Lotfi和孩子Nadher,Nourane和Nohlene,他们一直在我身边此外,我要感谢两位非常善良的老师,我永远不会忘记,也永远钦佩他们:Cherifa Hannachi夫人,我的第一位学校老师,她教会了我在数字和字母之前的尊重和善良; Badiaa Yahyaoui夫人,我的中学阿拉伯语教授,她教会了我一个女人如何变得强大,特别和令人难忘,多亏了她,我喜欢阿拉伯文学,当我有空的时候,我会狼吞虎咽地阅读书籍。我把这项工作也献给我的大家庭和亲爱的朋友的所有成员,他们支持我,帮助我有效地完成我的项目,并鼓励我通过博士学位的方式工作,这条道路使我获得了宝贵的生活经验,否则我会错过。最后但并非最不重要的是,我的祖父和我的叔叔很早就离开了我们叶特雷布IV内容致谢。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II奉献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .III内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IV图表列表。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .VII表的列表。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .X缩略语列表。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Xi导论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21一般背景。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22有问题. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33、论文概述。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41最新技术。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71.1导言。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71.2机电一体化系统设计。. . . . . . . . . . . . . . . . . . .81.2.1一般说明。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81.2.2传统的设计方法。. . . . . . . . . . .101.2.3机电一体化设计过程。. . . . . . . . . . . . . . .151.2.4系统工程方法。. . . . . . . . . . . . . .171.3多物理耦合。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211.3.1一般说明。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211.3.2不同类型的多物理耦合。. . . . . .231.3.3永磁材料。. . . . . . . . . . . . . .26a.一般介绍。. . . . . . . . . . . . .26B.永磁体的温度依赖性......................................................351.4结论v2多物理体系结构生成方法。.452.1导言.452.2工业要求462.3概念设计阶段2.3.1一般介绍.472.3.2UML profiles/SysML extensions502.3.3几何一体化522.3.43D物理架构评估522.4具有几何和物理限制的概念评估的不同方法552.4.1第一种办法552.4.2第二种办法572.4.3第三种方法592.5SAMOS框架的实施2.5.1系统建模语言的选择2.5.2模型转换过程的选择642.5.3几何延伸652.5.4多物理分机662.5.5框架实施情况说明2.6热磁耦合模型在Modelica/Dymola692.6.1[105]第109话a.Dymola架构69b.Dymola图形用户界面702.6.2执行情况722.7结论743磁约束和热约束3.1一、导言. 763.2永磁无刷电机(PMBMs)773.2.1A.一般介绍. 773.2.2基本方程793.2.3永磁电机中的永磁体退磁813.2.4损失分析3.2.5热磁耦合893.3实验工具933.3.1测量设备93via.永久磁铁93b.高斯计94c.霍尔效应传感器94d.热成像摄像机95e.热风枪953.3.2有限元工具963.4磁约束的研究963.4.1第一个案例:线圈963.4.2第二种情况:永磁体101a.在空中101b.在磁路104中,3.5磁热耦合的研究1083.5.1第一种情况:永磁体108a.分析研究108b.实验描述108c.结果109d.结论1113.5.2第二种情况:永磁电机117a.实验台描述118b.实验描述119c.验证1203.6结论122结论和展望124参考书目128A NdFeB性能142B永磁体的尺寸和等级143C 物理永磁体数据146D 高斯计数据表147E霍尔效应传感器152F热成像相机数据表154G 所选BLDC电机特性155VII图目录1.1纯机械系统到机电一体化系统的历史发展[1]。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81.2机电一体化的跨学科性[14]。. . . . . . . . . . . . .91.3机电系统组件[14]101.4传统设计111.5瀑布生命周期模型[21]121.6V生命周期模型[6]131.7螺旋生命周期模型[21]141.8系统工程设计周期[28]181.9MBSE路线图[30]191.10 SysML图表[34]201.11 [35]第二十五话1.12 多物理空间[36]221.13 RF MEMS开关耦合场分析程序流程图[38]231.14 联轴器图[42]241.15 感应加热磁热耦合过程[46]251.16 迭代流程图的一个例子[51]261.17 左边是硬磁材料的示例图,软磁材料,向右[58]281.18 退磁曲线、反冲回线、PM的能量和反冲磁导率[57]281.19 B−H和Bi−H退磁曲线的比较以及烧结N48M NdFeB永磁材料随温度的变化(日本信越公司[57]311.20 不同形状的永磁体[61]341.21 由于工作点低于拐点而导致的不可逆退磁[64]361.22 不同PM材料的退磁曲线[57]37VIII1.23 NdFeB样品的剩磁(十字)和本征矫顽力(圆圈)作为温度的函数[70]391.24 Bi−H曲线和B−H曲线的比较(a)提供由供应商提供。(b)通过应用所提出的温度相关退磁模型(α1=−0,1,α2= 0,β1= −0,6和 β2=0)[64]422.1系统架构师的活动[79]492.23D架构生成的第一种方法的描述562.33D架构生成的第二种方法的描述582.43D架构生成的第三种方法的描述602.5SAMOS平台的实施2.6组件之间相互作用的逻辑方案,3D多物理体系结构672.7导航工具702.8螺旋桨图标702.9绘图工具712.10 螺旋桨图712.11 Propeller Modelica text722.12 热磁耦合模型icon732.13 磁热耦合模型的Modelica文本732.14 磁热耦合部件743.1永磁无刷电机和永磁直流换向器电机的比较[57]793.2图中表示的是永磁同步电动机中的永磁同步电动机负载恒定转矩[72]823.3定子齿平均磁通密度分析。(a)斜齿模型。(b)齿平均磁通密度。[135]................................................................................................................... 第八十八章3.4实验平台[135]903.5高斯计943.6霍尔效应传感器943.7热成像摄像机953.8热风枪953.9不同线圈的磁场测量973.10 线圈1的磁通密度983.11 线圈2的磁通密度993.12 线圈3的磁通密度1003.13 COMSOL100中的线圈模拟IX3.14 空气中的PM模拟1043.15 磁路中永磁体的磁通密度1053.16 磁路中的PM模拟1073.17 PM加热1103.18 PM冷却1103.19 根据温度的不同退磁类型。1123.20 轴向磁化圆柱形稀土永磁体的Pc。1133.21 平行六面体稀土永磁体的Pc1143.22 N42 PM 114级BH曲线下午3时23分,20摄氏度116下午3时24分,100摄氏度1173.25 实验台1183.26 BLDC电机119G.1技术图纸156X表的列表2.1概念设计阶段的主要部分[78]472.2TTRS类和相关MRGE653.1线圈1的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .983.2线圈2的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .983.3线圈3的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .993.4根据永磁体形状的磁通密度方程。. .1023.5永磁体磁场的理论值、模拟值和实测值通量密度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1033.6磁通密度受黄铜和铝的影响。.1063.73.8加热过程中热流密度随温度的变化。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .冷却过程中热流密度随温度的变化。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110110B.1盘式永磁同步电机的尺寸和等级。. . . . . . . . . . . . . .143B.2气缸PM的尺寸和等级。. . . . . . . . . . .144B.3无刷永磁体的尺寸和等级。. . . . . . . .144B.4Cube PM的尺寸和等级。. . . . . . . . . . . . . .144B.5球PM的尺寸和等级。. . . . . . . . . . . . . .144B.6环PM的尺寸和等级。. . . . . . . . . . . . . .145B.7圆锥PM的尺寸和等级。. . . . . . . . . . . . . .145C.1 物理磁体数据。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146G.1 BLDC电机特性。. . . . . . . . . . . . . . . . . . .155Xi缩略语列表交流交流电电磁轴承无刷直流无刷直流电机BPMM 无刷永磁电机CAD计算机辅助设计CFD计算流体动力学DC直流DCM直接耦合模型装配设计EMF电动势ES进化策略FBS功能行为结构FE有限元有限元分析有限元法有限元法G几何全球GPS产品规格GUI图形用户界面HTML超文本标记语言ICM间接耦合模型IEEE电气和电子工程师协会IFAC国际自动化控制联合会INCOSE国际系统工程委员会IPMM内部永磁电机ISO国际标准化M2M模型到模型基于模型的系统工程磁流体动力学最小参考几何元素对象管理组永磁材料PMBM永磁无刷电机PMM永磁电机PMSM永磁同步电动机PWM脉宽调制RGE 简化几何元素SA系统架构半地面自动环境XII基于多物理场和系统组织的SAMOSSA-CAD系统结构计算机辅助设计SE系统工程ST模拟团队SysML系统建模语言TRN热阻网络TTRS技术和拓扑相关表面UML统一建模语言VRML虚拟现实建模语言2介绍1一般背景由于在多个领域(汽车、航空航天、计算机等)中使用的机电一体化系统的发展,工业世界已经发生了革命性的变化行业 领域的竞争促使公司更新其产品并有效地使用技术,以便为客户提供最好的产品。事实上,这样的演变导致了更高的成本和更长的设计时间,这是由物理行为的有限元模拟和设计过程中发生的长时间迭代造成的事实上,机电一体化系统是将不同的工程学科,如机械,电子,控制,磁学等集成和合并在一个自治系统中的结果 与仅包括一个领域的传统系统不同,这种多学科性在机电系统中存在的多个物理现象之间产生了许多耦合。事实上,需要开发新的方法和设计工具,以便从系统设计的第一阶段起就考虑到机电系统多学科方面的所有影响,提高其性能并减少与系统设计过程相关的时间和成本因此,公司的目标是确保不同工程团队之间的合作,以及从第一个设计阶段开始多学科整合的效率,而不会造成成本或时间损失。此外,从概念设计开始,就必须考虑多物理约束及其耦合的建模2. 问题3因为工程团队只需要一般化的结果来验证他们在这一步的工作事实上,石英实验室提出的项目考虑了三种物理现象,如温度,磁性和振动,分别在三个不同的博士论文中研究,条件基本相同。 在这篇博士论文中,我们特别关注了磁约束及其与热约束的耦合。2问题多学科系统的设计是一个复杂的过程,因为大量的组件和它们之间的多物理约束此外,在从事各种学科的不同工程团队之间缺乏协作以及使用不可互操作的仿真工具导致在实施例和详细设计阶段期间的长时间迭代。此外,如果从概念设计开始就没有在物理架构中考虑几何和多物理约束,则在实施例和详细设计阶段会发生后期改变,导致时间和成本的增加。因此,各种可能的3D架构应该集成几何和物理信息。因此,MBSE方法不仅要确保建模数据的一致性,可追溯性过程和所有团队之间的有效合作,而且还要考虑到几何和多物理约束。这将有助于系统架构师选择方便的物理架构事实上,这种方法必须满足与概念设计阶段相关的这些要求:模拟基于使用分析多物理方程的简单组件的几何形状,以便提供具有简化几何形状的近似结果,从而允许在概念设计阶段对可能的3D架构进行比较和验证,但精度不高,因为所有这些工作都是在不支持长时间和昂贵的有限元模拟的特定阶段实现的。第四章导言我们在这个博士工作的主要问题是:• 一方面,如何在概念设计阶段选择最方便的物理架构,包括几何和多物理约束,以减少后期更改的风险,导致时间和成本的巨大损失。• 另一方面,研究不同系统的磁约束及其与热约束的耦合3论文大纲全文共分三章。首先,第一章题为最新技术水平,首先介绍了机电一体化系统设计的传统设计方法和公司面临的问题的一般概述。此外,第1.2节定义了与机电系统相关的一些重要概念,并描述了其设计生命周期的不同步骤。此外,它提供了一个基于模型的系统工程(MBSE)的方法,代表了一个非常适当的过程来设计复杂的系统的描述。然后,列举了研究多物理约束及其耦合的多种方式,重点是磁热耦合。第二部分(1.3节)一般描述了影响不同类型系统的多物理耦合,然后重点讨论了永磁材料的磁约束和热约束。最后,给出了永磁体(PMs)的一般描述,同时强调了磁热耦合对该应用情况的重要性。第二章"多物理体系结构生成方法的选择“首先描述了概念设计
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