車用交流發(fā)電機(jī)整機(jī)的模態(tài)分析與試驗(yàn)研究

段 敏，郝 亮，李衛(wèi)民，曹景勝

(遼寧工業(yè)大學(xué)，錦州 121001)

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車用交流發(fā)電機(jī)整機(jī)的模態(tài)分析與試驗(yàn)研究

段 敏，郝 亮，李衛(wèi)民，曹景勝

(遼寧工業(yè)大學(xué)，錦州 121001)

根據(jù)某一類型爪極發(fā)電機(jī)的基本尺寸，建立發(fā)電機(jī)的整機(jī)三維模型，并且利用Hyper Mesh軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用有限元法對電機(jī)的整機(jī)模型進(jìn)行模態(tài)分析，確定振型和固有頻率，最終通過試驗(yàn)方式驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，以及電機(jī)的5階模態(tài)對噪聲和振動(dòng)的貢獻(xiàn)最大。由此建立了一整套較為完整分析流程，為進(jìn)一步對同類別發(fā)電機(jī)電磁噪聲問題研究奠定了一定基礎(chǔ)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

爪極發(fā)電機(jī)；有限元法；模態(tài)分析；固有頻率

0 引 言

隨著生活水平的提高，人們對日常工作和學(xué)習(xí)的環(huán)境舒適性提出了更高的要求，發(fā)電機(jī)的電磁噪聲作為影響車輛舒適性的主要噪聲源之一，受到了研究人員的重視[1]。但是，電磁噪聲問題較為復(fù)雜，它是定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁密產(chǎn)生電磁力波，該力波的徑向分量作用在定子上產(chǎn)生振動(dòng)引起的[2]，通過研究電機(jī)的固有模態(tài)和頻率來確定徑向激振力和諧振頻率對于有效預(yù)測抑制電機(jī)的電磁噪聲具有重要意義。

本文利用CATIA建立優(yōu)化的電機(jī)整機(jī)三維模型，導(dǎo)入HyperMesh網(wǎng)格劃分軟件中通過定義材料屬性對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench對車用電機(jī)整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)而得到整機(jī)的模態(tài)陣型和固有頻率，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明電機(jī)整機(jī)的5階模態(tài)產(chǎn)生了最大的噪聲和振動(dòng)，這對爪極電機(jī)的技術(shù)改進(jìn)有一定的參考價(jià)值。

1 有限元分析的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)簡介

動(dòng)力學(xué)分析作為確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的一種技術(shù)手段，其分為兩類，第一類是結(jié)構(gòu)固有模態(tài)，它包括結(jié)構(gòu)自身的的固有頻率和對應(yīng)陣型，第二類是屬于動(dòng)態(tài)過程，主要研究物體在外力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，它包括位置的變化、結(jié)構(gòu)的形變和受到的內(nèi)力問題，這些量是隨時(shí)間變化的[3-4]。本文對電機(jī)的整機(jī)分析采用的是第一類方式。

電機(jī)的動(dòng)力學(xué)問題遵循的平衡方程[5]：

動(dòng)力學(xué)分析適用于快速加載，沖擊碰撞的情況，因?yàn)樵谶@種條件下，不能忽略慣性力和阻尼的影響。如果結(jié)構(gòu)靜定，載荷速度較慢，則在計(jì)算動(dòng)力學(xué)結(jié)果中，可以把它歸類為靜力學(xué)問題[6]。

電機(jī)的模態(tài)分析可歸結(jié)為靜力學(xué)問題，通過電機(jī)的模態(tài)分析可以有效地幫助電機(jī)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電機(jī)過程中避開電機(jī)的固有頻率，從而避免了共振，并且還能幫助工程師預(yù)測不同加載下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。此外，借助模態(tài)分析可以估算其它動(dòng)力學(xué)的參數(shù)，比如為了保證瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的精度，通常會(huì)要求在結(jié)構(gòu)上取不少于25個(gè)振動(dòng)周期點(diǎn)，進(jìn)而通過模態(tài)分析就可確定結(jié)構(gòu)的自振周期，這可給設(shè)計(jì)人員對研究發(fā)電機(jī)的其它振動(dòng)響應(yīng)具有非常好的參考價(jià)值。

模態(tài)分析模態(tài)提取方法通常包括[7-10]：Block Lanczos, Subspace, PowerDynamics,Reduced ,Unsymmetric,Damped等。本文選用Blcok Lanczos法，這種方法和子空間法一樣精確，但速度更快。無論EQSLV命令指定過何種求解器進(jìn)行求解，Block Lanczos法都將自動(dòng)采用稀疏矩陣方程求解器。在殼體單元和實(shí)體單元的分析中經(jīng)常應(yīng)用這種算法。

2 發(fā)電機(jī)整機(jī)模態(tài)分析

發(fā)電機(jī)的前后端蓋通過緊固螺栓與定子緊密固定在一起，徑向電磁力作用于定子時(shí)，會(huì)將這部分力傳遞給前后端蓋，由于發(fā)電機(jī)前后端蓋(外殼)剛度小、易變形，因此，為了研究定子對前后端蓋的作用和對整機(jī)頻率的影響，建立整機(jī)模型進(jìn)行模態(tài)分析。

汽車發(fā)電機(jī)零件種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整流板、風(fēng)扇等參數(shù)不確定，而這些零件對電機(jī)本身的模態(tài)影響較小，建模時(shí)候可忽略不計(jì)[11]。因此，僅需要建立發(fā)電機(jī)前端蓋、定子、后端蓋及整機(jī)的三維有限元整機(jī)模型，以表1作為CATIA建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 爪極發(fā)電機(jī)的整機(jī)的基本參數(shù)

將CATIA建立三維電機(jī)模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行材料及屬性的添加(可參考表2)，并完成網(wǎng)格的劃分(如圖1所示)，然后將其導(dǎo)入Workbench，對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，對于沒有劃分小部分網(wǎng)格，如果出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，可通過sizing去單獨(dú)定義這部分的網(wǎng)格大小，然后單獨(dú)進(jìn)行劃分，完成整體網(wǎng)格劃分。最后在轉(zhuǎn)子及其它部分以以集中質(zhì)點(diǎn)的方式施加載荷在整機(jī)上進(jìn)行模態(tài)分析。

圖1 整機(jī)模型圖

表2 材料屬性表

對模型進(jìn)行求解，得出其各階固有頻率(見表3)和振型云圖(見圖2)。

表3 模態(tài)分析結(jié)果

(a)1階振型(b)2階振型(c)3階振型

(d)4階振型(e)5階振型(f)6階振型

圖2 發(fā)電機(jī)整機(jī)各階振型圖

通過圖2振型圖可知，前端蓋受到定子的影響較大，所以對于作用在定子上的電磁力，傳遞給前端蓋遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后端蓋。發(fā)電機(jī)在2階、3階、5階的固有頻率下，陣型較大，所以在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，盡量避免電磁力波的頻率與這三階的固有頻率相近。

3 車用發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)測試試驗(yàn)與分析

3.1 電磁噪聲試驗(yàn)

根據(jù)發(fā)電機(jī)研究人員的研究結(jié)果，轉(zhuǎn)速和噪聲頻率的關(guān)系式：

(1)

式中：f為電磁噪聲的頻率；O為階次；n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；Z為定子齒數(shù)。

由式(1)可知，電磁噪聲的頻率與轉(zhuǎn)速和階次成正比，發(fā)電機(jī)在6 000 r/min運(yùn)行時(shí),電磁噪聲為3 600 Hz，后續(xù)實(shí)驗(yàn)就是在半消聲室中采集6 000 r/min發(fā)電機(jī)整機(jī)的振動(dòng)和噪聲，如果這個(gè)點(diǎn)是共振頻率點(diǎn)，也對應(yīng)著最大噪聲頻率點(diǎn)。

測點(diǎn)選擇參考國內(nèi)某電機(jī)制造公司五點(diǎn)法發(fā)電機(jī)噪聲測試標(biāo)準(zhǔn)，在距離電機(jī)中心0.4 m處有5個(gè)測點(diǎn)(前、后、左、右和上測點(diǎn))以及前端蓋處加裝加速度傳感器作為第6個(gè)測點(diǎn)，應(yīng)用DS0250 Throughout Disk對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效分析。試驗(yàn)臺架圖片和測點(diǎn)布置如圖3所示，整個(gè)測試系統(tǒng)的電路圖搭建如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)臺架示意圖

圖4 車用交流發(fā)電機(jī)噪聲試驗(yàn)電路圖

3.2 電磁噪聲結(jié)果與分析

3.2.1 36倍頻電磁噪聲存在性驗(yàn)證

電機(jī)在1 100～17 968 r/min下的噪聲3D頻譜圖，如圖5所示。

圖5 發(fā)電機(jī)的噪聲

圖5中的亮色斜線所對應(yīng)的數(shù)字分別表示電機(jī)噪聲中的12倍頻、16倍頻、24倍頻、30倍頻、36倍頻數(shù)，由此證實(shí)了36倍頻噪聲的存在。

3.2.2 電磁噪聲試驗(yàn)結(jié)果分析

通過上面所搭建的試驗(yàn)裝置對發(fā)電機(jī)整機(jī)做振動(dòng)和噪聲試驗(yàn)，讓發(fā)電機(jī)在6 000 r/min穩(wěn)定運(yùn)行15 s，分別取14.86 s，14.88 s，14.90 s時(shí)刻3 600 Hz左右的振動(dòng)幅值，并應(yīng)用LMS Test.Lab對采集數(shù)據(jù)分析，從而得到如表4所示前端蓋第6個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)達(dá)到峰值；同時(shí)也可得到6 000r/min左右負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)的整機(jī)噪聲(機(jī)械噪聲、空氣噪聲和電磁噪聲)試驗(yàn)結(jié)果。

表4 發(fā)電機(jī)前端蓋振動(dòng)位移的仿真與測試結(jié)果對比

由圖6可知,發(fā)電機(jī)3 600 Hz產(chǎn)生的聲壓級最大。由上節(jié)仿真可知,發(fā)電機(jī)在2階、3階、5階的固有頻率下，振型較大，也就是此時(shí)36倍頻電磁力的頻率接近了發(fā)電機(jī)的5階振型的固有頻率值(3629.6Hz)，在共振點(diǎn)處振動(dòng)和噪聲級較高，這是產(chǎn)生電磁噪聲主要成分，電機(jī)固有頻率為3 629.6 Hz。

圖6 發(fā)電機(jī)在6 000 r/min噪聲

4 結(jié) 語

(1) 14 V/1 200 W型號的電機(jī)頻率在3 629.6Hz附近時(shí)，此時(shí)電磁力波頻率與電機(jī)固有頻率相近，振動(dòng)幅度達(dá)到最大，噪聲級達(dá)到最大。有限元計(jì)算固有頻率結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合，證明有限元理論的高效性和正確性。

(2) 發(fā)電機(jī)電磁噪聲中36倍頻成分的電磁力波與發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的固有頻率一致，使發(fā)電機(jī)發(fā)生共振，而其它倍頻對電磁噪聲的影響較小。由36倍頻噪聲產(chǎn)生的原因可以得出，在電機(jī)設(shè)計(jì)中盡量避開電機(jī)整機(jī)第5階振動(dòng)頻率來設(shè)計(jì)電機(jī)。

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Modal Analysis and Experiment Research of Generator for Vehicles

DUANMin,HAOLiang,LIWei-min,CAOJing-sheng

(Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)

According to the basic size of some kind of claw-pole generator, a three-dimensional model of the generator was built and it imported into HyperMesh software in order to mesh grid in the paper.Finite element method was used to make modal analysis in order to determine vibration mode and calculate the natural frequency.Finally, correctness of the simulation results and the 5th order modal of the most of contribution to the noise and vibration of generator are proved in experiment.So a set of relatively complete analysis process lays certain foundation to further research electromagnetic noise of generator in the same category and has certain engineering application value.

claw-pole generator; finite element method; modal analysis; natural frequency

2016-05-03

遼寧省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2013220022)

TM35

A

1004-7018(2016)09-0023-03

段敏(1963-)，教授，研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及控制、電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)。