基于ANSYS Workbench的开关磁阻电机定子振动分析

基于ANSYS Workbench的开关磁阻电机定子振动分析赵玉成;郑宝周;顿文涛;李富强;袁超;马斌强
【摘要】The finite element model of SRM stator including cooling
fin,motor enclosure and endshield is built to carry on the modal analysis with ANSYS Workbench software.The natural frequencies of SRM stator excluding the endshield is compared with the corresponding modal shapes of the SRM stator including the endshield.The results show that the lower rank natural frequencies of SRM stator inclu-ding the endshield are increased compared with those of the SRM stator including the endshield.The motor endshield has a significant effect on the natural frequencies of the SRM stator which can not be ignored in the study of motor noise.%建立了计及散热筋、电机壳和端盖的开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)定子的有限元模型,应用ANSYS Workbench软件对其进行模态分析,比较了不计及端盖和计及端盖的定子对应模态振型的固有频率.结果表明,计及端盖的SRM定子的低阶模态固有频率相比不计及端盖时明显升高,端盖对SRM定子振动的固有频率有很大的影响,在电机噪声抑制的分析研究中,是不容忽略的重要因素.
【期刊名称】《河南农业大学学报》
【年(卷),期】2018(052)003
【总页数】5页(P366-370)
【关键词】开关磁阻电机;定子;模态分析;ANSYS Workbench
【作者】赵玉成;郑宝周;顿文涛;李富强;袁超;马斌强
【作者单位】河南省农业机械试验鉴定站,河南郑州450008;河南农业大学理学院,河南郑州450002;河南农业大学信息化办公室,河南郑州450002;河南农业大学理学院,河南郑州450002;河南农业大学理学院,河南郑州450002;河南农业大学理学院,河南郑州450002
【正文语种】中文
【中图分类】TM352
开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)作为一种无需稀土材料的无刷直流调速电机，随着电力电子、计算机和控制技术的快速发展而迅速发展起来。

其调速系统兼具有直流、交流两类调速系统的优点，并且具有结构简单，成本低，运行可靠，控制方式灵活及效率高等突出特点，已被广泛应用于电动车驱动、家用电器和电力传动、航空航天等各个领域[1]。

虽然开关磁阻电机的诸多优势使其具有广阔的应用前景，但是特殊的双凸极结构和供电方式使其在调速过程中会产生很大的振动和噪声。

这种振动和噪声不但对电机自身的功能造成一定的影响，而且还会对其周围的机械振动产生影响，进而影响到整套设备的性能[2]。

研究表明，电机的电磁振动对开关磁阻电机的振动和噪声的影响最大[1-3]。

这种振动是由于电机在脉冲供电方式下，其定、转子磁极间产生的径向磁吸力使定、转子不断发生相对运动，造成定子、转子间气隙不断发生变化，引起电机内部不均匀的电磁场交替出现，形成一个脉动的电磁力波。

定子是壳体结构，在这个脉动电磁力的作用下，不可避免地形成压缩、扩张振动，并通过机壳向外发射噪声。

当这个脉动电磁力的谐波频率和定子的固有振动频率一致时，将会使开关磁阻电机产生振动，噪声将进
一步加剧。

因此，要有效地降低和控制开关磁阻电机的振动和噪声，对电机定子的振动特性进行深入地研究和分析是十分必要的。

随着计算机技术的发展，在对开关磁阻电机定子的振动分析中，基于有限元理论的数值计算方法得到了越来越广泛的应用。

赵天环等[4]，郝玉伟[5]，李鹏等[6]建立了开关磁阻电机定子的有限元模型，并分析计算出定子在无任何约束情况下自由振动的振型和固有频率；相龙洋等[7]
分析电机的振动特性时，建立的定子的有限元模型考虑了电机壳和散热筋的影响，并对定子结构进行了优化；谭超等[8]建立了计及绕组、散热筋和底座的开关磁阻
电机定子的有限元模型，获得了定子轴向阶数为零的各阶模态振型。

以上研究均利用有限元方法对电机定子的振动特性进行了深入研究，建模的侧重点虽有不同，但都忽略了电机端盖对电机定子模态分析的影响。

电机端盖为盘式结构，径向振动困难，与电机机壳装配后，对机壳的径向振动应有较大的约束作用。

因此，了解端盖对定子振动的影响也是十分必要的。

本研究基于ANSYS Workbench平台，建立计及散热筋、接线盒和端盖的开关磁阻电机的有限元模型，并对其定子进行模态分析，分析了端盖对定子模态振型和固有频率的影响。

1 SRM定子建模
1.1 SRM样机的定子结构参数
本研究选取1台额定功率为0.75 kW、额定转速为1 500 r·min-1的三相6/4极SRM样机来研究[9]，其定子结构参数如表1所示。

表1 SRM样机定子结构参数Table 1 The stator dimensions of SRM prototype参数 Parameters数值 Value参数 Parameters数值 Value定子外径
/mmStator outer diameter139每相绕组匝数/匝 Winding turns128定子极弧
系数Stator pole-arc coefficient0.52机壳轭高/mmMotor enclosure yoke thickness7定子轭高/mmStator yoke thickness12机壳长度/mm Motor enclosure length160定子内径/mmStator inner diameter83散热筋尺寸(长×
宽×高)/mmCooling fin dimensions(L×W×H)15×2.5×4定子长度/mm Stator length120散热筋数量Cooling fin numbers25
1.2 SRM定子有限元模型
有限元建模要注重模型的真实性和可行性，需根据实际情况进行适当的简化，以兼顾分析的合理性和高效性。

本研究只对定子进行模态分析，而非应力分析。

在建模时，忽略小的圆角和倒角的影响；梯形散热筋等体积转换为长方形散热筋。

研究表明，小型电机绕组的刚度使固有频率增加的程度，与绕组的质量使固有频率减小的程度相近，互相抵消[10]。

因此，文中建立的SRM定子有限元模型是定子，电机壳(包含接线盒)，端盖装配后的三维模型，而未涉及绕组。

图1所示为SRM定子的三维模型，图2所示为SRM定子在ANSYS Workbench软件中离散后的有限元模型。

图1 SRM定子的三维模型Fig.1 The exploded views of the 3D model of SRM stator
另外，此模型中电机壳和端盖均选取铸铁材料，定子采用硅钢片。

在设置材料属性时，考虑到定子铁芯是由硅钢片叠压而成，与实心材料不同。

根据文献[11]的研究结果，定子铁芯的弹性模量几乎不受叠压的影响。

定子铁芯的材料密度考虑到叠压的影响取为KFe×ρFe，KFe为叠压系数，ρFe为硅钢片的材料密度。

电机定子各部分材料属性如表2所示。

图2 SRM定子的有限元模型Fig.2 The finite element model of SRM stator表2 SRM定子各部分材料属性Table 2 Material properties of the components of SRM stator
材料属性 Material properties电机壳 Motor enclosure定子铁芯Stator core电机端盖Motor endshield弹性模量/PaYoung
modulus1.15×10112.05×10112.05×1011泊松比Poisson’s
ratio0.250.250.25密度/(kg·m-3)Density7.0×1030.95×7. 8×1037.0×103
2 SRM定子的模态分析
在实际中，电机端盖虽然不直接受电磁激振力的作用，但与电机壳装配后，电机端盖会对电机壳因受到电磁激振力的作用而产生的径向振动起到一定的约束作用。

电机端盖装配于电机壳，并采用螺栓紧固，两者之间的贴合面可视为无相对位移，分析时的接触方式定义为Bonded方式。

另外，电机壳与定子采取过盈装配，在分析时，将两者之间的接触方式也定义为Bonded方式。

为了更直观地了解电机端盖对定子振动特性的影响，文中分别对不计及端盖和计及端盖的SRM定子模型进行自由模态分析，以比较二者的区别。

在自由振动下，三维有限元模态分析的结果存在很多不同振型，由于电机的电磁激振力一般均匀作用于磁极表面，因此真正对噪声有影响的是轴向振动节点数为0的振型，即轴向无变形的振型。

由空气噪声的观点看，对于小型电机，最主要的振型阶数是1、2、3、4。

本研究在ANSYS Workbench的Modal模块中，计算得到不计及端盖的SRM定子模型的前4阶振型以及对应振型的计及端盖的SRM定子模型的各振型(图3)。

另外，不计及端盖和计及端盖的SRM定子模型对应振型的固有频率如表3所示。

由图3可以看出，不计及端盖的SRM定子的前4阶振型和对应振型的计及端盖的SRM定子的各振型的对比情况。

1、2阶模态振型，主要表现为定子铁芯及与之装配的电机壳的变形，散热筋和接线盒并未出现明显的变形；3、4阶模态振型，除了定子铁芯及与之装配的电机壳出现变形，散热筋和接线盒也出现了明显的变形，这表明散热筋和接线盒等构件使定子在结构上出现不对称，而对高阶模态产生较大影响。

另外，计及端盖的SRM定子的各阶模态振型出现的构件变形情况明显小于不计及端盖的情况。

由表3可知，不计及端盖的SRM定子的1、2阶模态的固有频率比计及端盖的固
有频率下降了22%；不计及端盖的SRM定子的3、4阶模态的固有频率比计及端盖的固有频率下降了47%。

端盖对SRM定子振动的固有频率有很大的影响。

3 结论
本研究应用有限元软件ANSYS Workbench对一台三相6/4极、0.75 kW、1500 r·min-1的SRM进行模态分析，比较了SRM定子模型在不计及端盖和计及端盖
的情况下，相同模态振型对应的固有频率。

研究表明，SRM定子模型在计及端盖
后的振动变形明显小于不计及端盖的情况，并且各低阶模态固有频率相比不计及端盖时明显升高。

电机噪声的主要来源是电磁噪声，由径向电磁力波和转矩波动引起，尤其是电机定子振动的2阶模态(椭圆振型)的影响最为显著[12]。

因此，在对电机噪声抑制的分析研究中，端盖是不容忽略的重要因素，甚至可以通过调整端盖的结构或材料，来改变定子的固有频率。

图3 SRM定子不计及端盖和计及端盖的对应振型比较Fig.3 The modal shapes
of SRM stator excluding endshield in comparison with that of including endshield表3 SRM定子不计及端盖和计及端盖的对应振型的固有频率Table 3 The natural frequencies of the corresponding modal shapes of SRM stator excluding endshield in comparison with that of including endshield
阶数 Rank1234固有频率(不计及端盖)/HzNatural frequency(endshield excluded)2 126.52 160.02 621.62 685.2对应振型的固有频率(计及端
盖)/HzNatural frequency(endshield included)2 752.22 771.34 959.05 106.2 参考文献：
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