机电动力系统分析

本书综合国内外相关研究成果及作者在教学、科研和研究生培养等工作中积累的大量新素材编著而成，内容与机电动力系统计算机辅助分析的理论、方法和实践密切相关。全书共五章，分别介绍了机电动力系统状态变量分析模型及基数值解法；直流电机及其系统的分析方法；交流电机的任意参照系理论；以及应用参照系理论对异步电机和同步电机及其矢量控制变速传动系统的探讨。书中给出的各类电机及其系统动态行为的数值仿真结果和结论，对机电动力系统的分析设计和运行控制具有指导意义。

本书可作为电气工程学科研究生的教学用书，也可供在电机、电气传动与控制、工业自动化、电力电子技术等领域内从事教学、科研工作的教师、科研人员和工程技术人员参考。

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应用热力学理论和分析方法，对气动汽车动力系统各主要环节在工作过程中能量损失情况进行了研究，结果表明，由于节流、泄漏和高压尾气排放等原因，在高压减压阀和气动发动机两个环节存在损失。运用平衡方程对相关环节中的损失进行计算，建立了系统的分析数学模型，并针对一气动汽车动力系统实例，应用该模型仿真计算得到了系统的流图，图示结果表明，最终做功输出的不到总有用能量的1/3，尾气排放、节流减压和泄漏等原因引起的 损失分别达43.2%、18.3%和7.8%，对系统整体效率有较大的影响。

气动动力系统气动汽车动力系统工作过程

气动汽车动力系统主要由车载高压储气罐组、高压减压阀、流量调节阀、气动发动机和串连这些部件的管道等组成，其工作过程中能量流动的情况如。车载高压储气罐组中的高压空气流出气罐后通过节流阀减压至设定的压力，作为发动机的进气。随后的流量调节阀用于控制进入气动发动机气缸的气体流量，以此调节发动机的转速，适应不同工况的要求。在气缸中膨胀做功的气体的压力并不能最终降低到大气压力，而是以一定的残余压力在工作循环结束时通过排气门排放至环境中。

气动汽车动力系统的几乎所有能量来源于车载气罐组中高压气体的压力能，还有部分能量来源于高压气体经过热交换器时从环境中吸收的热量。气体从气罐出来后所经过的各个环节均存在不同的能量损失情况，主要有流过管路和接头等处时壁面摩擦引起的能量损失；高压减压阀减压过程中气体状态不可逆变化过程引起的能量损失；气体在发动机内的膨胀做功过程，存在泄漏、尾气带压排放等情况，是不可逆过程，也将引起能量损失。以上环节是进行分析的重点，考虑到气体的黏性很小，且管道长度较短，气体与管壁摩擦引起的损失可以忽略，同时，流量调节 阀由于一般通 径较大，对气体状态影响较小，引起的能量损失也较小。

气动动力系统气动发动机的损失

以往复活塞式气动发动机为例，在理想的工作过程中气缸内气体压力的变化，1点(上止点)进气冲程开始，进气门开启，缸内压力迅速上升到进气压力pin，并继续向气缸内进气，进尔推动活塞下行，对外做功。当活塞运行到由设定的膨胀比确定的位置3时，进气门关闭，封闭在气缸中的高压气体开始膨胀，压力能释放，并继续推动活塞

下行对外做功。当活塞运行到下止点4时，排气门开启，缸内气体向外排出，压力降低到大气压p0，之后到达下止点5，活塞上行将缸内残余气体排出回到上止点1，完成一个工作循环。在这个过程中，由于结构和膨胀比有限等原因，不可避免地存在一定的泄漏、尾气排放压力较高等情况，气体经历了一个不可逆热力学过程，损失较大。以下对一个发动机工作循环内 损失情况进行分析。

在进气过程中，由于气缸内气体压力和温度保持不变，泄漏引起的 损失是泄漏气体自身具有的，为了研究泄漏的影响，

进气门关闭后气体在膨胀阶段膨胀做功，由于一般发动机转速较高，一个工作循环中吸热量相对很小，对输出功的影响可以忽略，因此膨胀过程可视为绝热膨胀。由于有泄漏的存在，气缸内气体的状态变化并不等同于定质量系统绝热变化过程，是一个变质量热力过程。变质量系统热力学研究表明，引入过程多变指数，可以推导得到有泄漏存在时绝热变化过程中气体状态参数变化规律。

气动动力系统动力系统分析仿真计算

由分析建立的气动汽车动力系统分析模型可知，由于气罐中气体的温度在系统工作过程中不保持恒定，将会影响到后续环节损失的计算，需要在整个工作时间段内进行积分计算。基于以上模型编写了数值计算程序，对不同工作情况下系统的损失进行了仿真计算。

选取如下气动汽车动力系统相关参数：初始压力为20MPa，总容积为300L，发动机进气压力为1.5MPa，发动 机转速为1500r/min，总排量为0.8L，膨胀比为1.7，发动机进气阶段泄漏系数为0.08，膨胀阶段泄漏系数为0.05，空气绝热指数为1.4，空气气体常数为0.287kJ/(kgK)，计算得到系统流程图。

由计算结果可以看到，由于气动发动机膨胀比较小，尾气压力排放较高，损失了大量的，同时经历过程为绝热过程。温度低于环境压力的进气所具有的冷量 也随之损失，因此尾气排放时的损失最多，占到接近总量的一半。其次是高压减压阀节流产生的损失，占到接近总量的1/5，且随减压比的提高而增大。泄漏损失在 损失的总量中虽然较小，但随泄漏系数的增大将迅速增大。因此，由以上多方面原因造成的 损失，最后可用于做功输出的不到总量的1/3。

测量系统分析测量系统

量具 ( instruments or gages)

标准（standards）

操作（operations）

夹具（fixtures）

软件（software）

人员 ( personnel )

被测工件 ( parts )

环境（environment）

程序、方法 ( procedure, methods )

假设（assumptions）

测量系统分析理想测量系统

理想的测量系统在每次使用时，应只产生“正确”的测量结果。每次测量结果总应该与一个标准值相符。一个能产生理想测量结果的测量系统，应具有零方差、零偏倚和所测的任何产品错误分类为零概率的统计特性。

理想测量系统的技术指标如下表所示 ：

测量系统分析注意事项

量具和测量设备是否能够被正确使用，很大程度上决定了过程变差与产品公差。为了保证结果的正确性和整个系统性能的最优化，需要对设备进行评估。当然，设备评估不只是在实验室里，而且也要在生产环境中进行。

书名：微机电耦合动力学

书号：978-7-118-10053-2

作者：许立忠

出版时间：2015年5月

译者：

版次：1版1次

开本：16

装帧：精装

出版基金：国防科技图书出版基金

页数：303

字数：350

中图分类：TM

丛书名：微米纳米技术丛书·MEMS 与微系统系列

定价：98.00

本书主要介绍MEMS 典型构件机电耦合及机电流体耦合动力学的相关理论与应用。全书共分12 章,主要内容包括:微机电系统及微机电系统动力学问题的发展与应用现状;静电驱动微板、微梁机电耦合动力学理论;静电驱动微板、微梁机电耦合非线性动力学理论;考虑压膜阻尼的微梁机电流体耦合动力学理论;谐振式微型压力传感器敏感性分析;静电微泵泵膜动力学、流量及结构优化分析;静电驱动微板动力学实验测试。

本书可供高等院校微电子、机电一体化等专业的师生阅读,也可作为从事微机电系统工程设计开发的研究生和科研技术人员参考。 This book mainly introduces the electromechanical coupled and electrome- chanical fluid coupled dynamics theory and application of MEMS typical micro components.There are 12 chapters in this book: Introduction, Electromechanical coupled dynamics of electrostatically driven micro - plates and micro - beams, E- lectromechanical coupled nonlinear dynamics of electrostatically driven micro - plates and micro - beams, Electromechanical fluid coupled dynamics of micro - beams considering squeeze film damping, Sensitivity about resonant pressure micro sensor, Dynamics of the electrostatic micro - pump membrane, its flow and struc- tural optimization, Dynamics test of electrostatically driven micro - plate. This book can be used as reference book for teachers, students and engineers of microelectronics, mechatronics majors, and other relevant majors.