开关磁阻电机定子铁心及实体的模态仿真对比.pdf

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 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实体的基础 正确输入各零件的材料参数才能准确获得模态结果 模型导入 后 需要设置零件的材料 其中 定子铁心使用硅钢片 外壳和端盖采用铝合金 定子各部件的材料参数如表 所示表 定子各部件的材料参数零件材料弹性模量/泊松比密度/(/)定子铁心硅钢片 外壳、端盖铝合金 网格划分的作用是将复杂的模型离散化 形成有限单元求解域问题 四相/极 定子铁心具有结构简单的特点 端盖的结构对称性较强 外壳在建模时简化了散热筋的形状 故定子选择自动划分网格法进行扫掠网格或四面体网格划分 为保证网格的质量 可单独细化关键部分网格 划分的网格质量要进行检查 包括单元质量、纵横比、翘曲度、单元坍塌比、体积扭曲度等指标 含有端盖、外壳的定子实体有限元网格划分 如图 所示图 定子实体的有限元网格划分 定子的模态分析参数设置定子铁心与外壳之间的组装方式为过盈配合装配 外壳和定子铁心相当于粘结到一起 接触设置采用绑定接触()端盖用螺栓与外壳用螺栓紧固 两零件的贴合面也无相对滑移 接触方式也为绑定接触为直观对比定子铁心和定子实体的振动特性分别仿真两个不同复杂程度定子模型的固有频率和模态情况 分析定子铁心时 不添加任何约束 分析定子实体时 一侧端面施加固定约束 另一侧端面为自由状态不添加任何位移约束定子的低阶振动模态对 的振动噪声贡献最大 为尽可能同时满足模态阶数和计算速度 设置求解定子的前 阶振动模态 完成相关设置后 点击求解即可仿真求解定子的固有频率和振型 最后利用软件的后处理功能将计算结果可视化显示 对比讨论定子的模态结果 定子模态计算结果及讨论 定子铁心的固有频率和模态在没有施加任何约束的自由振动情况下 定子铁心出现平移或转动刚体运动 固有频率接近于 定子铁心存在弹性变形的前 阶固有频率和振动变形模态 如图 所示 卷图 定子铁心自由振动前 阶固有频率和振动模态其中 第、阶为周向模态 定子铁心居中部分出现交替扩张压缩 振型呈椭圆形 第、阶为周向模态 定子铁心居中部分出现交替扩张压缩振型呈三角形 第、阶振型为周向模态 定子铁心外轮廓呈四边形 第、阶振型 周向呈椭圆变形 且两端椭圆变形扭转相差 第、阶振型 周向呈三角变形 且两端三角变形扭转相差 定子铁心的空间结构对称 使得铁心存在多对变形相似的对称模态和反对称模态 二者对应的固有频率数值非常接近 可视为同一变形模态 例如 阶和 阶 阶和 阶 实际上 计算定子铁心振动的特征方程时会出现重根特征值 此时相同固有频率对应一对相似的振动模态 这对模态仅沿圆周扭转特定角度尽管定子铁心振动呈现椭圆形、三角形和四边形等模态 但由于 电磁力激励的成对分布规律 定子的椭圆形、四边形等偶数阶模态对电机的振动贡献 要远高于三角形等奇数阶模态 定子实体的固有频率和模态计及外壳及端盖的定子进行模态仿真之后 前 阶固有频率和对应的模态振型 如图 所示图 计及端盖定子前 阶固有频率和振型其中 第、阶模态为摇摆振型 定子外壳沿着被固定的一侧端盖平面以左右方向摇摆 壳体形变微弱 第、阶模态呈椭圆形 壳体的压缩扩张方向不同 扭转特定的角度 第 阶模态为扭转振型 定子绕端盖固定约束端面扭转 接线盒和散热筋出现比整体更大的变形 第 阶模态为两端盖鼓形呼吸振型 定子外壳呈微弱压缩扩张 第、阶模态为摆动振型 定子实体沿轴线左右摆动 散热筋及接线盒变形显著 第、阶模态以接线盒、散热筋等的局部大变形振动为主 同时定子外圆周整体呈现变形较小的三角振型定子的前 阶模态的振型 主要是定子铁心、外壳和定子齿的整体形变 但散热筋、接线盒等刚性较小部分并没有出现明显变形 该分析结果与定子铁心的模态结构大体一致 然而 定子实体的 至 阶模态 因为散热筋、接线盒等薄壁结构刚度较小 导致出现了显著局部形变 定子铁心的良好对称性 导致模态也具有明显的对称性 然而 计 期王 峰等:开关磁阻电机定子铁心及实体的模态仿真对比及外壳、端盖、接线盒和散热筋的定子实体 一定程度上改变了定子结构的对称性 在定子的较高阶振动模态中出现了以局部变形为主的模态振型定子铁心和定子实体的固有频率值对比结果如表 所示 由此可知 由于接线盒、散热筋等的局部变形 定子实体相比单纯定子铁心涌现了大量密集模态 这些局部变形对应的模态固有频率和模态 一定程度上定子的对称和反对称模态的不再相邻成对出现 特别强调 这些局部模态对电磁力激励下的定子振动也会产生明显影响 在分析定子的受迫振动时需要特别引起关注表 定子铁心和定子实体的固有频率值模态阶数定子铁心/定子实体/阶 阶 阶 阶 阶 阶 阶 阶 阶 阶 结 语本文基于真实开关磁阻电机的定子 阐述了定子模态分析的基本理论和有限元仿真步骤 通过建立纯定子铁心、计及端盖及外壳的两种定子实体数值仿真并对比其固有频率和模态 归纳出了定子铁心及定子实体的模态振型变形特点 探讨了外壳、端盖等外围部件对定子模态的影响规律 由仿真结果和对比分析主要得出以下结论:定子铁心的固有频率成对出现 每个固有频率对应两个相似的振动变形模态 即定子的对称模态和反对称模态散热筋、接线盒等刚性较低部分 导致了定子实体产生显著的局部变形模态 定子实体的固有频率和模态比定子铁心出现大量密集局部模态 这些密集模态对定子受迫/耦合振动的影响值得关注实际定子的振动模态比简单定子铁心要复杂得多 只考虑定子铁心的电机振动研究往往只能得到定性结果 尽可能考虑全部零件研究定子实体的模态及振动利于获得更加精确的结论真实定子固有频率和模态求解结果 为指导定子锤击模态测试和谐响应实验提供了参照依据 同时奠定了电磁力激励下定子振动以及定转子耦合振动的研究基础参考文献 .():.刘麦.电动汽车驱动电机的应用现状与发展趋势.汽车零部件():.():.:.():.胡胜龙 左曙光 刘明田.开关磁阻电机非线性径向电磁力解析建模.电工技术学报 ():.黄朝志 段锦锋 周满国 等.定子齿顶开槽减小开关磁阻电机振动和噪声分析.微特电机 ():.赵天环 高国旺 王卫民 等.基于 的开关磁阻电机定子振动模态分析.电机与控制应用 ():.谭超 王宏华 陈凌.双绕组 定子振动模态有限元分析.河海大学学报(自然科学版)():.王喜莲 崔睿珍 郝毅 等.考虑磁饱和的共悬浮绕组式无轴承开关磁阻电机径向力模型.电机与控制学报 ():.郝玉伟.无轴承开关磁阻电机及其定子振动分析.北京:北京交通大学.薛惟栋 曲兵妮.抑制开关磁阻电机振动的结构设计研究.电机与控制应用 ():.袁西冰 葛发华 李长虹 等.电机定子系统振动模态的研究分析.电机与控制应用 ():.蔡健 孙宝江.基于多场耦合的开关磁阻电机振动研究.齐鲁工业大学学报 ():.():.:.():.:.():.朱安宇.基于径向力分析的开关磁阻电机振动噪声抑制研究.南京:南京航空航天大学.赵龙攀.开关磁阻电机的噪声分析与抑制.南京:东南大学.