以某水面無人艇配備的電動(dòng)舵機(jī)為研究對象,針對由永磁同步電機(jī)電磁激勵(lì)引起的電動(dòng)舵機(jī)電磁振動(dòng)展開了分析。建立了永磁同步電機(jī)的電磁場模型、電動(dòng)舵機(jī)的結(jié)構(gòu)模型和諧響應(yīng)模型。從電磁激勵(lì)、模態(tài)特性及振動(dòng)響應(yīng)3方面對電磁振動(dòng)進(jìn)行了仿真分析,研究影響電磁振動(dòng)的因素以及在這些因素作用下的振動(dòng)響應(yīng)。仿真結(jié)果表明,在電磁激勵(lì)幅值較大的頻率和舵機(jī)的模態(tài)固有頻率處,振動(dòng)響應(yīng)存在峰值。 

【文章來源】：中國造船. 2020,61(S1)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

電磁場模型

質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，u(t)和u(t)分別是系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的加速度向量和位移向量。設(shè)想結(jié)構(gòu)產(chǎn)生同頻率、同相位但各質(zhì)點(diǎn)不同振幅的振動(dòng)：u(t)φsin(t)（5）式中，φ是各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅值組成的向量，ω表示運(yùn)動(dòng)的角頻率。將式（5）代入式（4），得到這一運(yùn)動(dòng)需滿足的條件是存在非零向量φ，使2(KM)φ0（6）滿足式（6）的特征根ωr即為結(jié)構(gòu)模態(tài)的固有頻率，非零解向量φr為對應(yīng)頻率下的振型[5]。建立包括永磁同步電機(jī)、絲杠、固定機(jī)座的舵機(jī)仿真模型，如圖4所示，應(yīng)用有限元法求解模態(tài)參數(shù)。建模時(shí)忽略了對模態(tài)參數(shù)影響不大的倒角、圓角等特征，以提高求解效率。圖4電動(dòng)舵機(jī)電機(jī)殼體、絲杠殼體的材料為鋁，定子鐵心的材料為硅鋼，其他部件的材料為不銹鋼，各部分材料屬性如表2所示。表2材料屬性材料密度/(kg/m3)泊松比楊氏模量/Pa鋁26300.3371010不銹鋼79800.32.151011硅鋼78500.31.951011舵機(jī)通過地腳螺栓固定在工裝上，對螺栓孔施加固定約束限制其位移。電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子通過軸承耦合，使用Bearing連接于模擬軸承的支承。Bearing將軸承等效為具有一定剛度的彈簧，剛度大小按式（7）計(jì)算[6]：213213b13vcos0.177236sinkZDF（7）式中，Z為軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，Db為滾動(dòng)體直徑，α為接觸角，F(xiàn)v為軸承的軸向預(yù)緊力。計(jì)算得到兩軸承的等效剛度為：k1=k2=1.31108N/m。

154中國造船學(xué)術(shù)論文對前幾階模態(tài)進(jìn)行求解，各階模態(tài)的固有頻率如表3所示。表3各階模態(tài)的固有頻率模態(tài)階數(shù)12345678910固有頻率/Hz133.14287.63349.43575.49733.18855.7984.031203.91506.91939.73振動(dòng)響應(yīng)以上分別從電機(jī)振動(dòng)的激勵(lì)和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，研究了電磁力和模態(tài)這兩個(gè)決定振動(dòng)頻率分布和幅值大小的因素。建立電動(dòng)舵機(jī)的諧響應(yīng)模型，將電磁力加載至電機(jī)定子，研究電磁激勵(lì)作用下系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的頻域特征，對舵機(jī)的振動(dòng)做出分析和預(yù)測。電磁力作用在定子鐵心的齒部，使其產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)定子齒部發(fā)生變形，并進(jìn)一步傳遞至定子軛部和殼體時(shí)，電磁場的分布也將因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的變化而改變。激勵(lì)作用下的變形是微小的，由此導(dǎo)致的電磁場的變化可以忽略不計(jì)，因此建立結(jié)構(gòu)與電磁場的弱耦合模型，兩個(gè)場之間變量的傳遞是單向的。耦合部分的模型如圖5所示。圖5耦合部分的模型對模型進(jìn)行求解，得到舵機(jī)機(jī)座上一點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，如圖6所示。在振動(dòng)響應(yīng)當(dāng)中，100Hz、200Hz、300Hz處的峰值較為明顯，這些頻率對應(yīng)的是電磁力的1次諧波、2次諧波和3次諧波分量。電磁力的低次諧波幅值較大，因而作用于定子鐵芯，引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)也更為劇烈。在1000Hz、1900Hz處，雖然電磁激勵(lì)的作用不大，但是，這兩個(gè)頻率點(diǎn)接近于舵機(jī)的固有頻率984.03Hz、1939.7Hz，因而也產(chǎn)生了較大幅值的振動(dòng)。0500100015002000頻率/Hz6050403020100振動(dòng)響應(yīng)幅值/μm圖6舵機(jī)機(jī)座上一點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3351733