永磁耦合调速器机座振动模态的仿真分析 陈烨

永磁耦合调速器机座振动模态的仿真分析陈烨
发表时间：2018-05-10T15:58:38.837Z 来源：《电力设备》2017年第35期作者：陈烨[导读] 摘要：对于高速旋转设备而言，准确的计算振动模态和固有频率是降低其噪声和振动的基础，文中利用三维有限元分析软件分析了永磁耦合调速器机座的振动模态和固有频率，对研究永磁耦合调速器如何防止共振及降低噪声具有指导意义。

(江苏磁谷科技股份有限公司江苏镇江 212000) 摘要：对于高速旋转设备而言，准确的计算振动模态和固有频率是降低其噪声和振动的基础，文中利用三维有限元分析软件分析了永磁耦合调速器机座的振动模态和固有频率，对研究永磁耦合调速器如何防止共振及降低噪声具有指导意义。

关键词：永磁耦合调速器模态分析有限元固有频率永磁耦合调速器是一种新型的调速设备，具有节电率高、控制方便、可靠性好等优点，特别适用于风机水泵等需要调速的场所。

该设备包含内绕组转子、外永磁转子、机座、等几部分，内外转子分别与电机和负载连接，电机带动外永磁转子旋转，使得绕组中产生感应电流，感应电流磁场与永磁磁场相互作用传递扭矩，通过绕组电流的回收和控制即可调整传递扭矩的大小，从而实现节能和调速的目的。

永磁耦合调速器内外转子的高速旋转，必将产生噪声和振动，这是由于内外转子的动不平衡和电磁力共同作用引起的，当调速器结构发生共振时，设备的噪声和振动会更大。

为了避免共振的产生，必须准确的确定激振力的大小和频率以及调速器的振动模态和固有频率。

永磁耦合调速器与电机的结构有共通处，我们可以借鉴电机的研究方法来研究调速器的振动问题。

本文基于有限元软件调速器的机座建立了仿真模型，计算其振动模态和固有频率，并研究了端盖、侧板结构对机座固有频率的影响。

1，模态分析理论
模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。

其实质上是一种坐标变换，目的在于把原物理坐标系统中描述的相应向量转换到模态坐标系统中来描述。

具体做法是利用线性系统固有模态的正交性，以系统的各阶模态振型向量所组成的模态矩阵作为变换矩阵，对选取的物理坐标作线性变换，使得振动系统以物理坐标和物理参数所描述的、相互耦合的振动微分方程组能够解耦为一组彼此独立的模态方程(每个独立方程只包含一个独立的模态坐标)，从而解出系统的各阶模态参数(主要是模态频率和模态向量)。

由于坐标变换是线性变换，系统任意一点对激励的物理响应可表示为各阶模态响应的线性组合，而各阶模态对物理响应存在不同的贡献量或权系数[6]。

根据Hamilton原理和应力－应变、应变－位移的关系，可得有限元离散后机座结构的拉格朗日运动方程为:
2，机座建模及有限元分析
在CATIA中建立某一1600kW、4极永磁耦合调速器机座的CAD模型，该机座宽1270mm，高1240mm，轴向长度924mm，采用Q235钢板焊接而成，机座两端板厚30mm,板上开有直径为1150mm圆孔用于安装端盖，顶板和侧板的板厚14mm，侧板上开有700mm*700mm方孔，用于散热，机座中部筋板厚为20mm，顶部焊有无缝管，起加固结构及走线作用，机座底部安装板板厚为40mm，安装板上配有4个直径42的安装孔。

该模型记为机座Ⅰ，如图1所示。

通过仿真可得出机座Ⅰ模型的一阶模态为沿轴向的前后振动，二阶模态为垂直轴向的左右振动，三阶模态为沿轴向的前后反对称振动，一阶和二阶振型的固有频率相近。

当端盖装配于机座上，两者之间可视为紧密配合(贴合面无相对位移)，这对机座的振动存在较大影响，因此，清楚了解端盖对机座振动的影响是必要的，我们在机座Ⅰ模型基础上加入前后端盖，该模型记为机座Ⅱ，如图3所示。

仿真计算时，机座Ⅱ的约束及材料设置与机座Ⅰ一致。

机座Ⅱ模型的低阶模态振型如图4所示，其固有频率见表2。

通过仿真可得出机座Ⅱ模型的一阶模态为沿轴向的前后振动，二阶模态为沿轴向的前后反对称振动，三阶模态为机座端盖沿轴向的反向振动，对比表1、表2可以看出端盖对机座的轴向刚度影响较小，由于质量的增加，固有频率反而略有下降。

端盖可以显著提高机座垂直轴向的水平方向的刚度，机座原来二阶振型的固有频率由65.38Hz提高至183.9Hz，端盖对原机座三阶振型的固有频率也有影响，该振型的固有频率由98.53Hz提高至119.14Hz。

该型号调速器在试验过程中存在轴向振动超标的情况，而机座在安装端盖后一阶振型的固有频率并无提高，因此我们考虑通过机座散热孔的改变来提高一阶振型的固有频率，具体为在原700mm*700mm方孔中留两条斜筋，筋板宽度为50mm，更改后的模型如图5所示，记该模型为机座Ⅲ。

仿真计算时，机座Ⅲ的约束及材料设置与机座Ⅰ一致。

机座Ⅲ模型的低阶模态振型如图6所示，其固有频率见表3。

机座Ⅲ前三阶的振型与机座Ⅱ振型一致，但一阶固有频率由58.61Hz提高至80.76Hz，提高了37.8%，二阶固有频率由119.14Hz提高至138.35Hz，提高了16.1%，三阶固有频率变化不大。

因此，通过散热孔留斜筋对机座一二阶振型的固有频率影响较为明显。

3，结论
本文以一台永磁耦合调速器的机座为研究对象，建立了机座的三维有限元仿真模型，并分析了端盖、散热孔斜筋对机座模态的影响，得出了以下结论:
1，端盖可以显著提高机座垂直轴向的水平方向的刚度，但对轴向刚度的影响较小。

2，散热孔斜筋对机座的轴向刚度影响较大，可以提高机座轴向振动的固有频率。

我们可以通过调整端盖和散热孔的形状来改变机座低阶振动的固有频率，从而避免共振的产生。

参考文献:
[1] 张贤彪，王东，顾太平等.船用高速发电机基波磁场下机座电磁振动[J].振动与冲击，2016,35（2）：195-200
[2] 蒋晓东，李岩，夏加宽.永磁同步电机机座振动模态仿真分析[J].微电机，2013,46(12）：12-16。