无刷直流力矩电动机轴向随机振动分析

肖渊海，方晓强，严 亮，王学彬，张炜卓

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

随着工业科技的发展，对电机的效率、可靠性和能耗提出了越来越高的要求。电机的随机振动是危害电机-负载系统的高可靠性和高效率运行的主要原因之一。研究和分析电机的随机振动特性，已成为国内外电机制造企业的重要课题[1]。本文以无刷直流力矩电动机的实际振动试验过程为例，该电机在整机进行轴向随机振动试验过程中，发生了定子轴向尺寸变大，以致于安装在定、转子上的动、静试验光栅盘出现摩擦损坏的现象。下面主要从电机的随机振动试验工况着手，利用ANSYS Workbench有限元分析软件对电机振动试验过程中的轴向随机振动响应进行动态分析，并阐述其定子轴向尺寸变大的原因。

1 随机振动分析理论简介

随机振动是一种给定某一具体时刻而无法预先确定其瞬时值，并且随着时间的变化，其振动波形杂乱且未有一定规律的振动[2]。随机振动分析是一种运用概率统计学对其运动方程进行线性变化，进而求解出在随机激励载荷下的应力、位移等物理量的概率分布情况的谱分析技术。近年来，随机振动分析广泛应用于抖动光学设备、装载声学设备、电子机载设备等领域，其运动方程[3]：

(1)

在功率谱密度为Sff(ω)的外部载荷f(t)激励下，结构响应于y的功率谱Syy(ω)如下：

Syy(ω)=|H(ω)|2Sff(ω)

(2)

H(ω)=(-ω2M+iωC+K)-1

(3)

式中：H(ω)为频响函数，即i阶模态下的固有频率ω所对应的固有阵型；M，C，K分别为结构的质量、阻尼和刚度。因此，在进行随机振动分析前，还需要对结构进行模态分析，求解出结构的固有频率ω和固有阵型H(ω)。

2 有限元模型的建立

2.1 建立三维分析模型

本文主要的研究重点在于定子轴向尺寸，同时为了提高网格划分效率及有限元仿真计算效率，因此对电机的电枢绕组、内转子等通过加质量点的方式进行了合理的简化。图1为本文建立的无刷直流力矩电动机几何模型。

图1 几何模型

2.2 设置材料参数

本文各零件的材料参数如表1所示。

表1 材料参数

3 有限元分析及结果

因定子轴向尺寸变大，安装于定、转子上的动、静试验光栅盘出现摩擦损坏的现象，如图2、图3所示。可以预估定子销钉尺寸控制不当，导致个别销钉尺寸偏小，引起销钉与销钉孔之间的过盈配合失效，使得销钉与销钉孔之间产生间隙。在轴向随机振动试验过程中，销钉与销钉孔之间的间隙进一步扩大，导致销钉松动后发生倾斜，引起定子轴向尺寸变大，使得定、转子间发生轴向相对位移，以致于安装在定、转子上的动、静试验光栅盘发生摩擦损坏。

图2 电机定子

图3 损坏的试验光栅盘

3.1 模态分析及结果

在有限元仿真过程中，抑制某一定子销钉，使其与销钉孔之间的过盈配合失效，结构模型的外部边界条件如图4进行加载，根据其外部边界条件对电机进行模态分析。基于ANSYS Workbench有限元分析软件，得到了电机的前6阶固有频率和固有振型，具体如图5和图6所示。

图4 电机外部约束条件

图5 固有频率

图6 固有振型分布云图

3.2 随机振动分析及结果

基于上述的电机模态分析结果，根据表2的随机振动试验条件加载参数PSD(功率谱密度)，对上述建立的无刷直流力矩电动机三维有限元模型进行轴向随机振动模拟仿真，具体的有限元仿真结果如图7和图8所示。

表2 随机振动试验参数

图7 模型最大等效应力云图

图8 模型最大轴向变形云图

由轴向随机振动仿真分析结果可知，等效应力最大值位于销钉处，其具体值为1 289 MPa，大于屈服应力440 MPa(由于随机振动分析是一种线性分析，其弹性变形阶段的应力值是真实的，而当应力值大于材料屈服应力值时，其应力值不是实际的应力值，只是代表着其结构发生了塑性变形)；轴向位移最大值位于销钉处，其具体值为0.016 mm。由此可见，当定子销钉尺寸控制不当，导致个别销钉尺寸偏小，引起销钉与销钉孔之间的过盈配合失效，使得销钉与销钉孔之间产生间隙时，在轴向随机振动过程中，销钉发生了塑性变形，产生了轴向位移；同时由于电机随机振动试验时间较长，且振动反复，使得销钉与销钉孔之间的间隙进一步扩大，导致销钉松动后发生倾斜，最终引起定子轴向尺寸变大，使得定、转子间发生轴向相对位移，以致于安装在定、转子上的动、静试验光栅盘发生摩擦损坏。通过对电机进行工业CT扫描，如图9所示，销钉确实发生了倾斜，产生了塑性变形。

图9 电机工业CT扫描图

4 结 语

本文通过建立电机的轴向随机振动三维有限元模型，分析了电机的轴向随机振动特性，得到的结论如下：

通过研究电机的轴向随机振动特性，找到了定子轴向尺寸变大，安装在定、转子上的动、静试验光栅盘发生摩擦损坏的主要原因，即：个别销钉尺寸偏小，使得销钉与销钉孔之间产生间隙，在轴向随机振动过程中，销钉发生了塑性变形，且由于振动时间长且反复，使得销钉与销钉孔之间的间隙进一步扩大，导致销钉倾斜，从而引起定子轴向尺寸变大，以致于安装在定、转子上的动、静试验光栅盘发生摩擦损坏，并结合物理分析手段验证了分析结果。

本文采用ANSYS Workbench有限元软件中的RandomVibration(随机振动)模块建立的电机轴向随机振动三维有限元模型是准确可靠的，通过模拟分析其随机振动特性,可以避免共振引起的结构失效，减轻振动对电机及其传动系统的破坏，同时为电机的结构优化提供有效依据，具有重要的工程应用价值。