开关磁阻电机模态仿真分析

1）开关磁阻电机有限元模型搭建

本节研究的1.5kW小功率通用型开关磁阻电机结构如图3.1所示。为了满足电机模态仿真的要求，搭建的开关磁阻电机有限元模型必须满足以下两个条件：①搭建的物理模型满足真实的几何尺寸和材料特性；②模型各部件之间的关联约束要符合真实的装配关系。

图3.1　开关磁阻电机结构

开关磁阻电机各部件的建模方法如下。

（1）主体机座由铸铁铸造而成。卧式电机通过螺钉将机座固定在工作台上。机座的模型通过约束螺孔和机座底面（接触面）等效实际地安装。

（2）前、后端盖由铸铁铸造而成。端盖通过螺钉安装在机座上，因此将端盖的模型固接在机座模型上。

（3）定子由0.5 mm厚度的硅钢片叠压而成。定子通过压机压入机壳内，与机座成为一个整体。同样将定子模型固接在机座模型中。

（4）绕组通过绝缘片固定在定子槽中，对定子模态的影响很大，建模过程中不能忽视。采用改变定子材料密度的方法等效绕组的影响

式中，为等效后的定子密度；ρs为定子的密度（硅钢片密度）；Vs为定子的体积；ρc为绕组的密度（铜线密度）；Vw为绕组的体积。

（5）转子由0.5 mm厚度的硅钢片叠压而成。转子与主轴采用无键的过盈配合，因此将转子的模型固接在主轴模型上。

（6）主轴材料为45号钢，通过轴承固定在前后端盖之间，将主轴模型与轴承模型的内圈固接。

（7）轴承编号为6204-RZ，类型为深沟球轴承。为了模拟该类型轴承的作用，在轴承模型内外圈之间设置一个摩擦因数为0.001 5的摩擦接触，两个轴承模型的外圈分别与前后端盖固接。

图3.2为搭建的开关磁阻电机的模型图。再对其进行有限元剖分，剖分后的开关磁阻电机有限元模型如图3.3所示。根据实际材料以及定子的等效处理，开关磁阻电机有限元模型组件的材料参数设置如表3.1所示。

图3.2　开关磁阻电机模型

（a）开关磁阻电机转子三维模型；（b）开关磁阻电机整机三维模型。

图3.3　开关磁阻电机有限元模型

表3.1　模型材料参数

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2）开关磁阻电机模态仿真计算

本节使用Ansys软件对开关磁阻电机的有限元模型进行模态仿真计算。Ansys作为通用有限元分析（FEA）软件，功能强大，兼容性强，在历年的FEA评比中都名列第一。

在进行模态计算之前，先进行开关磁阻电机的静力学仿真计算。静力学仿真的设置如下。

（1）模型输入：开关磁阻电机三维有限元模型。

（2）边界条件：约束机座底座的移动和转动。

（3）初始条件：无。

（4）加载受力：重力。

在重力和底座支撑的作用下，电机各部件在装配关系约束下将发生微量的形变，从而使部件产生应力和应变，如图3.4所示。表3.2为静力学计算得到的电机各部件因为装配约束和结构自重导致的细微形变。

图3.4　开关磁阻电机应力分布

（a）定子；（b）转子。

表3.2　各部件形变量

将静力学结果作为输入量导入到模态仿真之中，从而在模态计算中考虑电机自重和装配关系的影响。在此基础上对开关磁阻电机进行模态仿真计算，仿真设置如下。

（1）模型输入：开关磁阻电机三维有限元模型。

（2）边界条件：约束机座底座的移动和转动。

（3）初始条件：静力学计算结果。

仿真得到的结果如表3.3所示，仿真计算了电机前60阶模态，其中最高阶模态的固有频率达到了7 560.6 Hz。基于静力学预计算的模态仿真，其前10阶模态振型如表3.4所示。

表3.3　模态仿真结果

表3.4　模态振型结果