以某水面無人艇配備的電動舵機為研究對象,針對由永磁同步電機電磁激勵引起的電動舵機電磁振動展開了分析。建立了永磁同步電機的電磁場模型、電動舵機的結(jié)構(gòu)模型和諧響應(yīng)模型。從電磁激勵、模態(tài)特性及振動響應(yīng)3方面對電磁振動進(jìn)行了仿真分析,研究影響電磁振動的因素以及在這些因素作用下的振動響應(yīng)。仿真結(jié)果表明,在電磁激勵幅值較大的頻率和舵機的模態(tài)固有頻率處,振動響應(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)點不同振幅的振動：u(t)φsin(t)（5）式中，φ是各質(zhì)點振動幅值組成的向量，ω表示運動的角頻率。將式（5）代入式（4），得到這一運動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、絲杠、固定機座的舵機仿真模型，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電動舵機電機殼體、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）計算[6]：213213b13vcos0.177236sinkZDF（7）式中，Z為軸承滾動體個數(shù)，Db為滾動體直徑，α為接觸角，F(xiàn)v為軸承的軸向預(yù)緊力。計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振動響應(yīng)以上分別從電機振動的激勵和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，研究了電磁力和模態(tài)這兩個決定振動頻率分布和幅值大小的因素。建立電動舵機的諧響應(yīng)模型，將電磁力加載至電機定子，研究電磁激勵作用下系統(tǒng)振動響應(yīng)的頻域特征，對舵機的振動做出分析和預(yù)測。電磁力作用在定子鐵心的齒部，使其產(chǎn)生振動。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，電磁場的分布也將因為結(jié)構(gòu)的變化而改變。激勵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，因此建立結(jié)構(gòu)與電磁場的弱耦合模型，兩個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，得到舵機機座上一點的振動響應(yīng)，如圖6所示。在振動響應(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)振動響應(yīng)也更為劇烈。在1000Hz、1900Hz處，雖然電磁激勵的作用不大，但是，這兩個頻率點接近于舵機的固有頻率984.03Hz、1939.7Hz，因而也產(chǎn)生了較大幅值的振動。0500100015002000頻率/Hz6050403020100振動響應(yīng)幅值/μm圖6舵機機座上一點的振動響應(yīng)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]推進(jìn)電機的模態(tài)分析與實驗研究[J]. 劉磊,趙國平,魏娟,鄭林,田冠枝.  微特電機. 2018(12)
[2]永磁同步推進(jìn)電機電磁振動分析[J]. 陳益廣,韓柏然,沈勇環(huán),魏娟,郭喜彬.  電工技術(shù)學(xué)報. 2017(23)
[3]預(yù)緊后角接觸球軸承剛度計算[J]. 戴曙,邢濟(jì)收.  機床. 1990(05)



本文編號：3351733