开关磁阻电动机振动特性的有限元分析

　　引　　言

　　开关磁阻(SR)电机作为一种新型可变速驱动系统,其结构简单、坚固,成本低,具有良好的调速性能,在宽广的调速范围内都具有较高的效率。但SR电机的噪声和振动是其突出的问题。SR电机振动特性的分析是SR电机振动理论及控制策略研究的重要基础。对SR电机的振动特性分析可以采用机电类比法、基于拉格朗日方程的能量法、有限元法。为了提高计算精度,本文利用有限元分析的工具软件建立了SR电机的2D和3D有限元模型,计算了SR电机的振动特性,同时分析了SR电机定子结构对其模态和振型的影响,并与实验结果进行了对比分析。

　　1　SR电机有限单元分析的模型

　　本文对一台定子铁心外径为130mm的8/6极SR电机进行分析计算,其机壳轭厚hfs:7mm;机壳长度1f:140mm;冷却筋尺寸(梯形):2.5×4×15mm;定子磁极极数Ns:8;转子磁极极数Nr:6。本文所使用的SR电机材料及其特性如表1所示:

　　为了对SR电机定子各部分结构对其模态的影响进行分析,根据样机参数本文建立了以下几种模型,如图1所示:

　　图1中所示的有限单元模型中,2D/3D-Ⅰ为不考虑SR电机的底座、凸极及散热筋的影响建立的模型,2D/3D-Ⅱ为不考虑底座和散热筋的影响所建立的模型,2D/3D-Ⅲ为不考虑散热筋的影响所建立的模型,2D/3D-Ⅳ为综合考虑底座、凸极和散热筋的影响所建立的完整的SR电机模型。

　　2　SR电机2D模型的有限单元法分析

　　SR电机的2D模型的有限元分析以图1所示的2D-Ⅳ模型为重点,同时为了分析SR电机定子各部分的结构对其振动模态的影响,对其他各个模型也进行了分析并做了对比。

　　2.1　2D模型模态分析

　　图2为模型2D-V的计算结果

　　2D-Ⅰ到2D-Ⅲ模型的有限元分析结果及其与2D-Ⅳ模型分析结果的对比如表2所示。

　　由表2的对比结果可以看出:仅仅考虑定子轭及机壳轭部影响的模型2D-Ⅰ和仅仅考虑定子轭、机壳轭部以及定子凸极影响的模型2D-Ⅱ的有限元分析结果与SR电机的完整模型2D-Ⅳ有限元计算的结果有比较大的差异;2D-Ⅱ与2D-Ⅲ只是相差底座,而振动模态发生了非常大的变化,每阶模态从单个振型变化为多个振型。

　　虽然模型2D-Ⅰ和2D-Ⅱ均为圆对称结构,但是,对于无限圆对称的结构(如模型2D-Ⅰ),每阶模态只有一个固有振动频率;而对于有限圆对称的结构,若对称数为N(N指在整个圆周上对称结构重复的次数),则模态阶数小于N/2的只有一个固有振动频率,模态阶数等于N/2的为两个固有频率[1]。如模型2D-Ⅱ的前三阶模态只有一个固有频率,而第四阶模态有两个固有频率。同时可以发现,当计及定子凸极后,其固有频率下降,因为增加了定子凸板后虽然电机的刚度增大(它的影响将使电机的固有频率降低)但同时电机质量也增大,总体上将降低定子的固有频率。