結構模態(tài)分析中固有頻率的確定

結構模態(tài)分析中固有頻率的確定

0電機結構的模態(tài)頻率振動噪聲是導致電機疲勞和縮短電機壽命的主要因素。這是衡量電機設計質量的重要指標。在能源以及環(huán)境污染問題日趨嚴峻的形勢下,電動汽車的研發(fā)引起了世界各國的高度關注。為提高電動汽車的市場競爭力,搶占環(huán)保產業(yè)的發(fā)展先機,電動汽車驅動用電機在設計上采取高密度、寬調速、輕量化和低成本的設計方案,導致電機結構復雜、輕薄、剛度難以提高,電磁噪聲的抑制難度較大。作用于電機定子結構上的各次徑向電磁力波和定子結構的各階徑向模態(tài)是決定電磁振動和電磁噪聲的2個關鍵因素。為有效抑制電磁振動和電磁噪聲,必須確保電機調速范圍內電機結構的各階模態(tài)頻率遠高于相應次數電磁力波的最高頻率。準確預測電機結構的各階模態(tài)頻率是抑制電磁振動和電磁噪聲的前提。有限元法(finiteelementmethod,FEM)能夠考慮結構的不規(guī)則性,計算精度較高,本文采用有限元法對一臺調速范圍內存在較大電磁噪聲的電動汽車驅動用異步電機進行有限元模態(tài)分析,樣機的技術指標如表1所示。1對電動汽車電機的有限模態(tài)分析1.1模型建立與分析本文依次建立樣機定子鐵心、鐵心與繞組、定子結構和整個電機4種結構的三維有限元仿真模型,通過對4種結構的有限元模態(tài)仿真,分析結構部件對電機結構模態(tài)頻率的影響。電動汽車驅動用電機的電磁負荷高,一般采用水冷的冷卻方式,電機的水冷機殼與定子鐵心采用過盈配合緊密接觸。為簡化分析,本文在建立車用電機結構的模態(tài)有限元仿真模型時作如下處理:1)假設電機結構部件之間配合緊密;2)忽略對結構剛度影響很小的小孔和倒角。繞組對電機模態(tài)頻率的影響一直是電機模態(tài)分析中的難點,原因是:1)繞組端部形狀復雜,建模難度大;2)繞組的彈性模量等力學參數受槽滿率和浸漆工藝影響較大,模態(tài)仿真參數難以確定。為了簡化分析,早期研究一般將繞組作為定子鐵心的附加質量來考慮繞組對電機模態(tài)的影響。隨著研究的不斷深入,人們發(fā)現與定子鐵心緊密接觸的繞組對電機模態(tài)的影響不僅是附加質量作用,還有剛度效應。M.Benbouzid等研究指出與鐵心緊密接觸的繞組將使定子結構的固有頻率明顯提高。實際繞組端部形狀復雜,難以產生質量較好的有限元剖分網格,需要對槽內和端部繞組進行合理簡化,本文在建立繞組模型時所做簡化如下:1)將繞組端部形狀等效為與實際繞組體積相同的空心圓柱體;2)繞組密度按估算繞組中銅線、絕緣材料和氣隙所占比例等效。通過對樣機進行以上假設和等效,得到樣機結構的模態(tài)有限元仿真模型如圖1所示,其中鐵心與繞組的模態(tài)有限元仿真模型如圖2所示。銅線與銅條相比,X、Y方向彈性模量將明顯下降,本文繞組的彈性模量取值參考文獻,樣機的模態(tài)有限元仿真參數如表2所示。本文采用Ansys有限元仿真軟件,選擇solid45結構分析單元仿真電機4種結構模型在自由無約束條件下的模態(tài)頻率,圖3所示為樣機模態(tài)有限元仿真模型的網格剖分圖。1.2轉子結構對電機模態(tài)頻率的影響4種結構模態(tài)頻率的有限元分析結果如表3所示。由表3可知,電機結構的2階模態(tài)頻率較低,容易在車用電機調速范圍內發(fā)生電磁共振。定子繞組、機殼端蓋和轉子結構使電機結構各階模態(tài)頻率產生的相對變化率如圖4所示。由圖4可知,各結構部件均對樣機結構徑向各階模態(tài)頻率產生一定的影響,尤其是機殼和端蓋對樣機結構各階模態(tài)頻率的影響較大;因此,為準確預測車用電機結構的模態(tài)頻率,建立完整的電機結構有限元仿真模型是必要的。圖5為樣機各階徑向模態(tài)振型,左為電機結構振型的整體視圖,右為電機結構振型的鐵心視圖。2樣機檢測結果分析為驗證電機結構有限元模態(tài)分析的正確性,本文采用南京安正軟件公司的CRAS信號分析系統(tǒng)對樣機結構的進行錘擊法模態(tài)測試。為獲得與有限元模態(tài)仿真一致的邊界約束條件,將被測樣機放置于彈性塑膠墊上。圖6所示為樣機模態(tài)測試的示意圖。圖7為實驗樣機照片。在樣機機身中間部位沿周向選擇40個激振點,對每個激振點進行敲擊,錘擊時使錘頭垂直電機表面敲擊,采取適當的錘擊力度,盡量使敲擊信號接近脈沖信號。由于人工敲擊很難保證敲擊的力度和位置,為了提高加速度信號與力錘信號的相關性,減小干擾信號造成的誤差,采取同一點多次敲擊并對傳遞函數取平均值的方法,保證分析結果的可靠性。通過與加速度計和力錘連接的傳感器,將每個激振力信號和響應信號傳輸到CRAS信號分析系統(tǒng)中進行分析、處理,獲得各測試點的頻響函數。圖8為樣機某一測試點的頻響函數曲線,虛部峰值對應的頻率為1400Hz,與樣機結構2階徑向模態(tài)的有限元分析結果(1466Hz)基本一致。由于錘擊法模態(tài)試驗的激振力頻率范圍不易控制,且電機結構存在結構阻尼,對于高頻模態(tài)不易激發(fā)出來,本文錘擊法模態(tài)測試得到的模態(tài)振型只有2階模態(tài)。3電機負載噪聲特性車用電機調速范圍較寬,發(fā)生電磁共振的可能性很大。當作用于電機結構的某次電磁力波頻率接近或等于電機結構相應階次的固有頻率時,電機將輻射較大的電磁噪聲,因此通過對電磁噪聲的頻譜分析可以間接地證明電機結構固有頻率分析結果的正確性。異步電機可能存在的電磁力波次數為式中:μi為定子磁場產生的氣隙磁密諧波次數;λj為轉子感應磁場產生的氣隙磁密諧波次數;p為電機極對數。電磁力波的頻率為式中:f1為基頻;k為正整數;S2為轉子槽數;s為轉差;Γ1表示力波旋轉方向與磁密基波方向相同;Γ2表示力波旋轉方向與磁密基波方向相反。分析36/34槽配合異步電機的電磁力波可知,定子磁場17次齒磁密諧波與轉子感應磁場的16次氣隙磁密諧波互相作用產生2次電磁力波,定子磁場35次和37次齒諧波磁密與轉子感應磁場的33次和35次氣隙磁密諧波互相作用產生4次電磁力波。測試樣機的空載噪聲特性,電機置于彈性橡膠墊上,采用BK聲級計測試樣機在6000r/min以下18個不同轉速工作點的空載噪聲,樣機的空載噪聲特性曲線如圖9所示。在樣機噪聲測試過程中發(fā)現,電機在轉速n=2600r/min附近噪聲明顯增大,表現為刺耳的嘯叫聲。隨著轉速的進一步增大,嘯叫聲明顯減小,在轉速接近5200r/min時電機振動加劇,噪聲增大。異步電機空載時轉差接近于0,由式(2)可知作用于電機結構的2次電磁力波在轉速為2600和5200r/min下的力波頻率分別為1473.3和2946.7Hz;4次電磁力波在轉速5200r/min下的力波頻率為5893.3Hz。對樣機各轉速工作點的噪聲進行頻譜分析,樣機轉速分別為2600,5200r/min時的空載噪聲頻譜如圖10、11。n=2600r/min的噪聲頻譜中峰值聲壓對應的頻率為1477Hz,n=5200r/min的噪聲頻譜中2個峰值聲壓對應的頻率分別為2942和5896Hz,與兩個轉速下2次和4次電磁力波的頻率基本一致。依次對各轉速的空載噪聲頻譜進行分析,得到2次和4次電磁力波產生的噪聲聲壓隨電機轉速的變化曲線,如圖12。2次和4次力波分量引起的電磁噪聲聲壓分別在轉速為2600和5200r/min時達到最大。電機結構在這兩個轉速點發(fā)生電磁共振,輻射較大的電磁噪聲,由此推知,電機結構的2階和4階固有頻率分別近似為1473.3和5893.3Hz,與電機結構有限元模態(tài)分析結果基本一致,從而間接證明了電機結構固有頻率理論分析的正確性。4實驗結論和討論本文以一臺調速范圍內存在電磁共振的電動汽車驅動用電機