本發(fā)明屬于電磁分析和振動工程，具體涉及一種基于多激勵源和多傳遞路徑的電磁與機械振動耦合分析方法。

背景技術(shù)：

1、永磁同步電機具有優(yōu)異的性能表現(xiàn)，因而被廣泛應(yīng)用于電動汽車、工業(yè)生產(chǎn)和船舶推進等領(lǐng)域，隨著相關(guān)設(shè)備對舒適度、精度和隱蔽性等需求的不斷提高，永磁同步電機振動噪聲水平面臨的挑戰(zhàn)也越來越嚴苛。因此永磁電機的電磁振動與減振降噪已經(jīng)成為設(shè)計過程中重要一環(huán)，其中多激勵源-多傳遞路徑的耦合振動分析是永磁電機振動研究基礎(chǔ)。

2、目前，國內(nèi)外的大部分研究都還是把電磁激勵和機械激勵分開研究，單獨加載到電機上計算其振動響應(yīng)，這種處理降低了研究難度，對電磁和機械無耦合的情況是可以接受的。但是這種方法忽略了電磁與機械激勵的耦合性，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心或施加負載的時候，其計算結(jié)果相差甚遠。因此研究和建立一種能夠適用多激勵源多傳遞路徑的振動耦合分析方法具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于多激勵源和多傳遞路徑的電磁與機械振動耦合分析方法。

2、一種基于多激勵源和多傳遞路徑的電磁與機械振動耦合分析方法，包括以下步驟：

3、步驟1：分析電磁激勵中空載氣隙磁密，獲取空載工況定子開槽電機模型中的氣隙磁密；

4、步驟2：分析電磁激勵中電樞反應(yīng)氣隙磁密，獲取全部線圈產(chǎn)生的電樞反應(yīng)氣隙磁密；

5、步驟3：分析電磁激勵中由于svpwm調(diào)制產(chǎn)生的高頻氣隙磁密，獲取定子開槽下高頻電流諧波產(chǎn)生的氣隙磁密；

6、步驟4：將空載氣隙磁密、電樞反應(yīng)氣隙磁密和高頻氣隙磁密相疊加，得到負載工況氣隙總磁密，并計算電磁激勵中負載電磁力；

7、步驟5：計算由于轉(zhuǎn)子動不平衡和不對中產(chǎn)生的不平衡磁拉力；

8、步驟6：獲取滾動軸承的機械激勵與負載設(shè)備的流體激勵、嚙合激勵和空氣流動激勵；

9、步驟7：建立永磁電機的結(jié)構(gòu)有限元模型，對電機進行模態(tài)分析并利用模態(tài)試驗對有限元模型進行修正，通過仿真計算得到定子—機殼—機腳的傳遞函數(shù)和轉(zhuǎn)子—軸承—端蓋—機殼—機腳的傳遞函數(shù)；

10、步驟8：在永磁電機的結(jié)構(gòu)有限元模型中，將電磁激勵中負載電磁力施加到定子內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子外表面，將由于轉(zhuǎn)子動不平衡和不對中產(chǎn)生的不平衡磁拉力施加到轉(zhuǎn)子，將滾動軸承的機械激勵施加到軸承座，將流體激勵、嚙合激勵和空氣流動激勵施加到電機輸出端的轉(zhuǎn)軸，獲取振動響應(yīng)結(jié)果。

11、進一步地，所述步驟1具體為：

12、極坐標(biāo)系下，空載工況定子無槽電磁模型氣隙中徑向磁感應(yīng)強度bradial(r,θ,t)和切向磁感應(yīng)強度btangential(r,θ,t)為：

13、

14、其中，r表示磁場半徑；θ表示磁場角度；t表示時間；n表示時間諧次；p表示永磁電機極對數(shù)；和表示只與半徑r有關(guān)的系數(shù)；ωe表示機械頻率；

15、復(fù)相對氣隙磁導(dǎo)函數(shù)λ為：

16、λ＝λa+jλb

17、其中，λa、λb分別為λ的實部與虛部，j為虛數(shù)單位；

18、基于柯西-黎曼條件，經(jīng)過保角映射后兩個電磁模型中電磁場場量的關(guān)系為：

19、

20、其中，是空載工況定子開槽電機模型中的磁密分布，bs_rad(r,θ,t)和bs_tan(r,θ,t)分別表示空載工況定子開槽電機模型中的徑向氣隙磁密和切向氣隙磁密。

21、進一步地，所述步驟2具體為：

22、電樞反應(yīng)氣隙磁密是通過將每個線圈產(chǎn)生的磁密進行相移和疊加獲得的，同時需要注意線圈中電流的方向以及線圈所屬的相位，每個線圈的位置和方向通過繞組星形矢量圖來確定，全部線圈產(chǎn)生的電樞反應(yīng)氣隙磁密為：

23、

24、其中，basr(r,θ,t)為全部線圈產(chǎn)生的電樞反應(yīng)氣隙磁密徑向分量；basθ(r,θ,t)為全部線圈產(chǎn)生的電樞反應(yīng)氣隙磁密切向分量；i(t)表示瞬時相電流；mp是相數(shù)；若線圈中電流為正向，則sgni取1；若線圈中電流為負向，則sgni取-1；αi是電流所在線圈的機械角度；nc表示每個線圈匝數(shù)；qs表示定子槽數(shù)；na表示傅里葉系數(shù)的最大階次；basrk(r)和basθk(r)表示只與半徑r有關(guān)的系數(shù)。

25、進一步地，所述步驟3具體為：

26、高頻電流諧波的三相電流解析模型為：

27、

28、其中，iab為電流諧波幅值；fs為開關(guān)頻率；為電流諧波相位；fe表示基波電流頻率；a、b表示奇偶性相異的自然數(shù)；

29、定子開槽下高頻電流諧波產(chǎn)生的徑向和切向氣隙磁密分別為：

30、

31、其中，和表示只與半徑r有關(guān)的系數(shù)。

32、進一步地，所述步驟4具體為：

33、將空載氣隙磁密、電樞反應(yīng)氣隙磁密和高頻氣隙磁密相疊加，得到負載工況氣隙總磁密的徑向分量br(r,θ,t)與切向分量bθ(r,θ,t)為：

34、br(r,θ,t)＝bs_rad(r,θ,t)+basr(r,θ,t)+bsr_pwm(r,θ,t)

35、bθ(r,θ,t)＝bs_tan(r,θ,t)+basθ(r,θ,t)+bsθ_pwm(r,θ,t)

36、基于maxwell應(yīng)力張量法計算負載電磁力的徑向分量pr(r,θ,t)與切向分量pθ(r,θ,t)：

37、

38、其中，μ0為真空磁導(dǎo)率。

39、進一步地，所述步驟5具體為：

40、計算由于轉(zhuǎn)子動不平衡和不對中產(chǎn)生的不平衡磁拉力；

41、

42、其中，r0為電機氣隙半徑，l為電機軸向長度。

43、進一步地，所述步驟6中獲取滾動軸承的機械激勵的方法具體為：

44、根據(jù)滾動軸承的機械激勵滾動軸承的振機理和信號特征，將滾動軸承正常運行過程中的特征頻率分為

45、(1)內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率

46、

47、(2)保持架旋轉(zhuǎn)頻率

48、

49、(3)滾動體自轉(zhuǎn)頻率

50、

51、(4)保持架通過內(nèi)圈頻率

52、

53、(5)滾動體通過內(nèi)圈頻率

54、

55、(6)滾動體通過外圈頻率

56、

57、其中，n是軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；α為接觸角；d為節(jié)徑；d為滾動體直徑；z為滾動體個數(shù)；根據(jù)滾動軸承的頻率特征合成滾動軸承的機械激勵時域函數(shù)fr。

58、進一步地，所述步驟8中根據(jù)激勵作用位置，在永磁電機的結(jié)構(gòu)有限元模型中將pr和pθ施加到定子內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子外表面，將由于轉(zhuǎn)子動不平衡和不對中產(chǎn)生的不平衡磁拉力fx和fy施加到轉(zhuǎn)子，將滾動軸承的機械激勵fr施加到軸承座，將流體激勵fliquid、嚙合激勵fengage和空氣流動激勵fair施加到電機輸出端的轉(zhuǎn)軸，獲取振動響應(yīng)結(jié)果：

59、x＝(pr+pθ)×[h1(s)+h2(s)]+(fx+fy)×h2(s)+fr×h2(s)+(fliquid+fengage+fair)×h2(s)

60、其中，h1(s)為定子—機殼—機腳的傳遞函數(shù)；h2(s)為轉(zhuǎn)子—軸承—端蓋—機殼—機腳的傳遞函數(shù)。

61、本發(fā)明的有益效果在于：

62、本發(fā)明通過分析不同的電磁激勵、機械激勵和傳遞路徑計算了多激勵源-多傳遞路徑下的耦合振動響應(yīng)。本發(fā)明把包括負載激勵、svpwm高頻激勵、轉(zhuǎn)子不對中激勵和軸承激勵等多個電磁激勵和機械激勵考慮在內(nèi)，能夠為不同永磁電機設(shè)計方案的振動響應(yīng)分析提供參考，為永磁同步電機減振降噪優(yōu)化設(shè)計提供新方案。利用本發(fā)明計算多激勵源-多傳遞路徑下的耦合振動響應(yīng)是準(zhǔn)確高效的，可以快速研究永磁同步電機驅(qū)動負載設(shè)備的全頻段振動響應(yīng)分布和特性，進而可以用于指導(dǎo)低噪聲永磁同步電機系統(tǒng)的實際設(shè)計生產(chǎn)。