开关磁阻电机定子铁心及实体的模态仿真对比.pdf
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1、第 卷 年第 期 月.开关磁阻电机定子铁心及实体的模态仿真对比王 峰 贾泽锦 徐 征 王志强 王旭龙(天津职业技术师范大学 汽车与交通学院 天津)摘 要:开关磁阻电机()的径向电磁力大 振动问题相较其他类型电机更为突出 分析明确定子的振动模态成为制约电磁力激励下的电机耦合振动研究的先决条件 然而 真实电机定子既含有定子铁心核心部件 也包括外壳、端盖、绕组和散热筋等外围部件 复杂定子的固有频率和振动模态分析仍缺少全面可靠的结果 定子铁心、真实定子的固有频率和模态 采用有限单元方法分别进行了仿真 并归纳出各自的模态振型特点和演化规律 结果证明相较定子铁心 真实定子出现了密集的局部变形模态 定子模态
2、分析思路和振型规律 为 的振动抑制以及节能降噪奠定了先期基础关键词:开关磁阻电机 定子 固有频率 模态分析 有限元中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:基金项目:天津市教委科研计划项目()作者简介:王 峰()男 博士 讲师 研究方向为新能源汽车电机驱动系统 复杂结构振动与控制贾泽锦()男 硕士研究生 研究方向为新能源汽车电机驱动系统 引 言开关磁阻电机()具有可靠性高、成本低、高效平台宽等优点 但其转矩脉动大、功率密度低和振动噪声突出 电磁径向力导致的定子振动被认为是噪声的主要来源 这严重限制了其在电动汽车、家用电器等噪声敏感应用领域的普及 由振动理论易知 当定子固有频率与
3、径向电磁力的基频或高次谐波重合时定子共振会产生大幅振动并通过空气传播从而释放噪声 掌握定子的振动特性是有效控制 的振动噪声的前提条件 因此需要分析定子的固有振动频率和模态振型目前分析 定子固有频率的方法主要有两类:第一类是解析计算法 该方法通过牛顿定律建立简化实体结构的振动方程 提取特征矩阵解析计算其特征值和特征向量从而获得固有频率和振型 适合简单实体的模型且计算精度一般 第二类是数值方 卷法 包括傅里叶级数法、有限元法()等 这类方法通常难以获取固有频率的精确解 只能得到较高精度的数值解 其中 广泛应用的有限元方法 先把实体结构用节点离散为由许多微小单元构成的互连子域 再对每个单元假定合适近
4、似解 由单元振动方程生成整体结构的振动方程 最后得到振动问题的数值解 计算精度高且适合各种复杂实体 因此 采用有限元法仿真 定子模态时往往能快速获得具有一定精度的结果 易于通过可视化后处理显示定子的各阶固有频率及对应振动模态 定子的振动模态分析在业界已取得一定进展 赵天环建立了 定子的三维模型 计算出定子自由振动的固有频率和振型 提出了避免定子固有频率接近电磁力高次谐波的若干措施 谭超等计及绕组、线圈和底座等 建立定子模型后仿真了无轴承 定子的周向模态 王喜莲利用 电磁软件仿真了含有绕组的定子模态 提出了多种控制策略实现抑制 的转矩脉动 郝玉伟从定子模态、偏心径向力和减振降噪等出发 对无轴承
5、的振动性能进行了全面分析 薛惟栋建立了包括机壳、端盖及散热筋等在内的 定子模型 仿真求解对比了两侧端盖对定子固有频率的影响 指出端盖会显著改变定子的固有频率适当对称振型发生畸变 袁西冰先结构仿真了定子固有频率和径向振型 再电磁仿真出定转子间的电磁力 最后逐一对比电磁力谐波频率和定子固有频率 以期避免电机发生特征共振 蔡健通过谐响应振动研究 获得了定子在径向电磁力激励下的典型共振频率 郭小强提出优化绕组开关角来抑制定子大幅振动的方案 通过仿真和实验测试验证了抑制振动的有效性综上可知 尽管诸多学者从模态或激励源的不同角度进行了大量分析 但关于定子的模态研究多基于以定子铁心为主的简单模型 真实定子包
6、括定子铁心、外壳、端盖、绕组等的诸多部件 其固有频率和模态分析仍有待深入 因此 本文立足真实定子模型提供有限元模态分析流程 梳理振动频率和模态变形结果 研究端盖、外壳、接线盒等周围部件如何影响定子固有频率和模态的规律 振动固有频率和模态求解理论从振动理论角度 定子连续实体的振动可等效为无穷维度的多自由度振动系统 采用有限元计算时 正是采用节点离散方式将真实定子简化成有限维多自由度系统加以分析 设离散后 定子为 自由度的系统 物理坐标为、建立定子系统的振动微分方程如下()()()()()其中 ()为定子振动系统的质量系数 对应在第 坐标上施加的力而只在 坐标上产生的单位加速度()为阻尼系数 对应
7、在第 坐标上施加的力而只在 坐标上产生的单位速度()为刚度系数 对应在第 坐标上施加的力而只在第 坐标上产生的单位位移将其改写成矩阵式 则为 ()()这里、分别为定子振动的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵()表示对应离散节点上所施加的外力矢量计算定子固有频率时 忽略系统阻尼 令力矢量 于是对定子无阻尼自由振动分析时定子振动的特征方程写为()()由线性代数知识 该方程有非零解充要条件是 ()同时满足方程()和方程()的各个特征值 即为 定子的各阶固有频率 相应的非零解向量 即为相应的定子模态振型 固有频率和模态有限元求解四相/极 样机的定子被用于开展振动模态研究 主要结构参数如表 所示 小型电机绕组
8、的刚度使固有频率增加 绕组的质量使固有频率减小 两者相近进而大体抵消 因此建模时未加入定子绕组 并忽略了定子铁心和端盖等部件的倒角、工艺槽等次要尺寸表 四相/极 样机定子主要结构参数参数参数值定子极数 转子极数 定子极弧度 定子外径/定子内径/定子长度/散热筋数量 为发挥软件优势兼顾计算效率 这里使用 软件建立定子铁心、外壳、端盖等模部件型 用 进行定子的模态求解 为研究定子铁心和定子实体的模态差异 建立了两个定子模型即:定子铁心模型 含有外壳、端盖的定子实体模型 如图 所示 期王 峰等:开关磁阻电机定子铁心及实体的模态仿真对比图 定子铁心及定子实体模型 建立三维模型并划分有限元网格材料是组成
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