无人艇电动舵机电磁振动仿真与分析
发布时间：2021-08-19 16:16
以某水面无人艇配备的电动舵机为研究对象,针对由永磁同步电机电磁激励引起的电动舵机电磁振动展开了分析。建立了永磁同步电机的电磁场模型、电动舵机的结构模型和谐响应模型。从电磁激励、模态特性及振动响应3方面对电磁振动进行了仿真分析,研究影响电磁振动的因素以及在这些因素作用下的振动响应。仿真结果表明,在电磁激励幅值较大的频率和舵机的模态固有频率处,振动响应存在峰值。
【文章来源】：中国造船. 2020,61(S1)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
电磁场模型
质量矩阵和刚度矩阵，u(t)和u(t)分别是系统内各质点的加速度向量和位移向量。设想结构产生同频率、同相位但各质点不同振幅的振动：u(t)φsin(t)（5）式中，φ是各质点振动幅值组成的向量，ω表示运动的角频率。将式（5）代入式（4），得到这一运动需满足的条件是存在非零向量φ，使2(KM)φ0（6）满足式（6）的特征根ωr即为结构模态的固有频率，非零解向量φr为对应频率下的振型[5]。建立包括永磁同步电机、丝杠、固定机座的舵机仿真模型，如图4所示，应用有限元法求解模态参数。建模时忽略了对模态参数影响不大的倒角、圆角等特征，以提高求解效率。图4电动舵机电机壳体、丝杠壳体的材料为铝，定子铁心的材料为硅钢，其他部件的材料为不锈钢，各部分材料属性如表2所示。表2材料属性材料密度/(kg/m3)泊松比杨氏模量/Pa铝26300.3371010不锈钢79800.32.151011硅钢78500.31.951011舵机通过地脚螺栓固定在工装上，对螺栓孔施加固定约束限制其位移。电机的转子与定子通过轴承耦合，使用Bearing连接于模拟轴承的支承。Bearing将轴承等效为具有一定刚度的弹簧，刚度大小按式（7）计算[6]：213213b13vcos0.177236sinkZDF（7）式中，Z为轴承滚动体个数，Db为滚动体直径，α为接触角，Fv为轴承的轴向预紧力。计算得到两轴承的等效刚度为：k1=k2=1.31108N/m。
154中国造船学术论文对前几阶模态进行求解，各阶模态的固有频率如表3所示。表3各阶模态的固有频率模态阶数12345678910固有频率/Hz133.14287.63349.43575.49733.18855.7984.031203.91506.91939.73振动响应以上分别从电机振动的激励和系统的结构特性出发，研究了电磁力和模态这两个决定振动频率分布和幅值大小的因素。建立电动舵机的谐响应模型，将电磁力加载至电机定子，研究电磁激励作用下系统振动响应的频域特征，对舵机的振动做出分析和预测。电磁力作用在定子铁心的齿部，使其产生振动。当定子齿部发生变形，并进一步传递至定子轭部和壳体时，电磁场的分布也将因为结构的变化而改变。激励作用下的变形是微小的，由此导致的电磁场的变化可以忽略不计，因此建立结构与电磁场的弱耦合模型，两个场之间变量的传递是单向的。耦合部分的模型如图5所示。图5耦合部分的模型对模型进行求解，得到舵机机座上一点的振动响应，如图6所示。在振动响应当中，100Hz、200Hz、300Hz处的峰值较为明显，这些频率对应的是电磁力的1次谐波、2次谐波和3次谐波分量。电磁力的低次谐波幅值较大，因而作用于定子铁芯，引起的结构振动响应也更为剧烈。在1000Hz、1900Hz处，虽然电磁激励的作用不大，但是，这两个频率点接近于舵机的固有频率984.03Hz、1939.7Hz，因而也产生了较大幅值的振动。0500100015002000频率/Hz6050403020100振动响应幅值/μm图6舵机机座上一点的振动响应
【参考文献】：
期刊论文
[1]推进电机的模态分析与实验研究[J]. 刘磊,赵国平,魏娟,郑林,田冠枝. 微特电机. 2018(12)
[2]永磁同步推进电机电磁振动分析[J]. 陈益广,韩柏然,沈勇环,魏娟,郭喜彬. 电工技术学报. 2017(23)
[3]预紧后角接触球轴承刚度计算[J]. 戴曙,邢济收. 机床. 1990(05)
本文编号：3351733
【文章来源】：中国造船. 2020,61(S1)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
电磁场模型
质量矩阵和刚度矩阵，u(t)和u(t)分别是系统内各质点的加速度向量和位移向量。设想结构产生同频率、同相位但各质点不同振幅的振动：u(t)φsin(t)（5）式中，φ是各质点振动幅值组成的向量，ω表示运动的角频率。将式（5）代入式（4），得到这一运动需满足的条件是存在非零向量φ，使2(KM)φ0（6）满足式（6）的特征根ωr即为结构模态的固有频率，非零解向量φr为对应频率下的振型[5]。建立包括永磁同步电机、丝杠、固定机座的舵机仿真模型，如图4所示，应用有限元法求解模态参数。建模时忽略了对模态参数影响不大的倒角、圆角等特征，以提高求解效率。图4电动舵机电机壳体、丝杠壳体的材料为铝，定子铁心的材料为硅钢，其他部件的材料为不锈钢，各部分材料属性如表2所示。表2材料属性材料密度/(kg/m3)泊松比杨氏模量/Pa铝26300.3371010不锈钢79800.32.151011硅钢78500.31.951011舵机通过地脚螺栓固定在工装上，对螺栓孔施加固定约束限制其位移。电机的转子与定子通过轴承耦合，使用Bearing连接于模拟轴承的支承。Bearing将轴承等效为具有一定刚度的弹簧，刚度大小按式（7）计算[6]：213213b13vcos0.177236sinkZDF（7）式中，Z为轴承滚动体个数，Db为滚动体直径，α为接触角，Fv为轴承的轴向预紧力。计算得到两轴承的等效刚度为：k1=k2=1.31108N/m。
154中国造船学术论文对前几阶模态进行求解，各阶模态的固有频率如表3所示。表3各阶模态的固有频率模态阶数12345678910固有频率/Hz133.14287.63349.43575.49733.18855.7984.031203.91506.91939.73振动响应以上分别从电机振动的激励和系统的结构特性出发，研究了电磁力和模态这两个决定振动频率分布和幅值大小的因素。建立电动舵机的谐响应模型，将电磁力加载至电机定子，研究电磁激励作用下系统振动响应的频域特征，对舵机的振动做出分析和预测。电磁力作用在定子铁心的齿部，使其产生振动。当定子齿部发生变形，并进一步传递至定子轭部和壳体时，电磁场的分布也将因为结构的变化而改变。激励作用下的变形是微小的，由此导致的电磁场的变化可以忽略不计，因此建立结构与电磁场的弱耦合模型，两个场之间变量的传递是单向的。耦合部分的模型如图5所示。图5耦合部分的模型对模型进行求解，得到舵机机座上一点的振动响应，如图6所示。在振动响应当中，100Hz、200Hz、300Hz处的峰值较为明显，这些频率对应的是电磁力的1次谐波、2次谐波和3次谐波分量。电磁力的低次谐波幅值较大，因而作用于定子铁芯，引起的结构振动响应也更为剧烈。在1000Hz、1900Hz处，虽然电磁激励的作用不大，但是，这两个频率点接近于舵机的固有频率984.03Hz、1939.7Hz，因而也产生了较大幅值的振动。0500100015002000频率/Hz6050403020100振动响应幅值/μm图6舵机机座上一点的振动响应
【参考文献】：
期刊论文
[1]推进电机的模态分析与实验研究[J]. 刘磊,赵国平,魏娟,郑林,田冠枝. 微特电机. 2018(12)
[2]永磁同步推进电机电磁振动分析[J]. 陈益广,韩柏然,沈勇环,魏娟,郭喜彬. 电工技术学报. 2017(23)
[3]预紧后角接触球轴承刚度计算[J]. 戴曙,邢济收. 机床. 1990(05)
本文编号：3351733
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/3351733.html
