一種電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)與振動(dòng)特性獲得方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)與振動(dòng)特性獲得方法，屬于電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，適用于電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疊片鐵芯振動(dòng)特性的計(jì)算并可以指導(dǎo)電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性試驗(yàn)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是:克服現(xiàn)有傳統(tǒng)方法的不足，提供一種充分考慮電機(jī)定子鐵芯疊片結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，對鐵芯周向及軸向布點(diǎn)要求加以說明，便于指導(dǎo)后續(xù)定子鐵芯的振動(dòng)特性試驗(yàn)。同時(shí)在此試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提供一種利用優(yōu)化的方法進(jìn)行電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性獲得方法，充分考慮電機(jī)定子鐵芯的疊片結(jié)構(gòu)、繞組材料以及浸漆帶來的非線性，從鐵芯本身和繞組的材料參數(shù)出發(fā)，通過優(yōu)化的方法得出其材料參數(shù)的推薦取值，大大提高了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。
【專利說明】一種電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)與振動(dòng)特性獲得方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)與振動(dòng)特性獲得方法，屬于電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，適用于電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疊片鐵芯振動(dòng)特性的獲得并可以指導(dǎo)電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性試驗(yàn)。
【背景技術(shù)】
[0002]大型電機(jī)定子鐵芯一般由薄的硅鋼片沖制后疊壓而成，其材料特性為正交各向異性，主方向上的彈性模量不相等，各種繞組繞制或嵌入在疊片鐵芯上，而繞組又是由韌性較大的銅材料組成。由于疊片鐵芯結(jié)構(gòu)的不連續(xù)以及銅線繞組的非線性，使得對大型電機(jī)定子鐵芯振動(dòng)特性的研究，不論是試驗(yàn)研究還是仿真研究都存在困難，尤其是仿真計(jì)算時(shí)疊片鐵芯和銅線繞組材料參數(shù)的確定以及鐵芯疊片結(jié)構(gòu)的等效建模方式。鑒于電機(jī)定子鐵芯結(jié)構(gòu)和材料的復(fù)雜性，目前傳統(tǒng)的電機(jī)定子鐵芯振動(dòng)特性研究中，試驗(yàn)研究往往布點(diǎn)較疏，沒有考慮疊片引起的軸向節(jié)點(diǎn)的影響，仿真計(jì)算建模時(shí)往往忽略了疊片和繞組的各項(xiàng)異性與非線性特性，以及浸漆帶來的影響，以均勻圓筒結(jié)構(gòu)代替，材料特性為同性材料，并取經(jīng)驗(yàn)值，這樣計(jì)算得到的振動(dòng)特性與實(shí)際電機(jī)疊片鐵芯的振動(dòng)特性相差較大，計(jì)算模型的準(zhǔn)確性有待提高。并且目前還沒有將試驗(yàn)研究和仿真研究結(jié)合起來獲得電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，克服上述傳統(tǒng)方法的不足，提供一種充分考慮電機(jī)定子鐵芯疊片結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，對鐵芯周向及軸向布點(diǎn)要求加以說明，便于指導(dǎo)后續(xù)定子鐵芯的振動(dòng)特性試驗(yàn)。同時(shí)在此試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提供一種利用優(yōu)化的方法進(jìn)行電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性獲得的方法，充分考慮電機(jī)定子鐵芯的疊片結(jié)構(gòu)、繞組材料以及浸漆帶來的非線性，從鐵芯本身和繞組的材料參數(shù)出發(fā)，通過優(yōu)化的方法得出其材料參數(shù)的推薦取值，大大提高了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)，將加速度傳感器布置在定子鐵芯外表面，布點(diǎn)較常規(guī)結(jié)構(gòu)密集，周向測點(diǎn)一般沿圓周24?36個(gè),軸向測點(diǎn)一般間隔30mm?40mm布置，用力錘作激勵(lì)，力錘信號與加速度信號同時(shí)與數(shù)據(jù)采集前端連接，數(shù)據(jù)采集前端與模態(tài)分析軟件連接。。
[0005]一種電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性獲得方法，其特征在于，采用正交試驗(yàn)的原理，分別進(jìn)行了扇形和圓形兩種結(jié)構(gòu)型式下定子鐵芯不同疊壓系數(shù)、有無繞組及浸漆前后的模態(tài)測試，并以模態(tài)測試后的試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，利用優(yōu)化的方法來獲得電機(jī)定子鐵芯的振動(dòng)特性，包括以下步驟:
步驟1，以圓筒結(jié)構(gòu)代替疊片結(jié)構(gòu)建立定子鐵芯的幾何模型，并劃分有限元網(wǎng)格，電機(jī)鐵芯的層狀效應(yīng)、繞組及浸漆對鐵芯振動(dòng)特性的影響均通過材料參數(shù)(楊氏模量、剪切模量以及泊松比)反映；
步驟2，定義電機(jī)疊片鐵芯的材料模型為橫觀同性材料模型，確定其獨(dú)立的材料參數(shù)為Ex、Ez、Gxy、Gxz和Pxz五個(gè)參數(shù)；E為彈性模量，G為剪切模量，P為泊松比，下標(biāo)代表不同方向；
步驟3，通過敏感度分析確定電機(jī)鐵芯在不同疊壓系數(shù)、有無繞組及浸漆前后等狀態(tài)下的優(yōu)化參數(shù)；不同疊壓系數(shù)下優(yōu)化得到的材料參數(shù)的推薦值是不一樣的，繪制得到材料參數(shù)隨疊壓系數(shù)變化的曲線，后續(xù)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，查圖得到材料參數(shù)的推薦取值，帶入有限元模型進(jìn)行計(jì)算；
步驟4，將有限元仿真軟件與優(yōu)化軟件的輸入輸出參數(shù)建立關(guān)聯(lián)，輸入為材料參數(shù)，輸出為模態(tài)頻率，建立優(yōu)化流程；
步驟5，以模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，選用絕對值求和法或最小二乘法來構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)優(yōu)化參數(shù)僅與一階振型相關(guān)度較高時(shí)，則針對此階頻率建立單目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)優(yōu)化參數(shù)與多階振型相關(guān)度較高時(shí)，則建立多目標(biāo)函數(shù)；
步驟6，選擇合適的優(yōu)化算法迭代計(jì)算得到材料參數(shù)推薦值，建立單目標(biāo)函數(shù)時(shí)選用自適應(yīng)響應(yīng)面算法，建立多目標(biāo)函數(shù)時(shí)選用帕累托邊界算法。
[0006]本方法分別進(jìn)行了扇形和圓形兩種結(jié)構(gòu)型式下定子鐵芯不同疊壓系數(shù)、有無繞組及浸漆前后的模態(tài)測試。整個(gè)懸掛系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)小于定子鐵芯一階固有頻率的1/5，并且電機(jī)鐵芯測量點(diǎn)布置一般要較常規(guī)結(jié)構(gòu)密集，周向測點(diǎn)一般沿圓周24?36個(gè)，軸向測點(diǎn)一般間隔30_?40_布置。
[0007]具體的電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性獲得方法為:按照電機(jī)鐵芯實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立幾何模型和有限元模型，電機(jī)鐵芯的層狀效應(yīng)、繞組及浸漆對鐵芯振動(dòng)特性的影響均通過材料參數(shù)反映。首先認(rèn)為電機(jī)疊片鐵芯的材料模型為橫觀同性材料模型，確定其獨(dú)立的材料參數(shù)為Ex、Ez、Gxy、Gxz和Pxz 5個(gè)參數(shù)(z方向?yàn)榀B壓方向);通過敏感度分析確定電機(jī)鐵芯各狀態(tài)下的優(yōu)化參數(shù)，例如電機(jī)鐵芯發(fā)生純徑向振型(疊壓的Z方向上無節(jié)點(diǎn))和優(yōu)化參數(shù)Ex、Gxy相關(guān)度高，優(yōu)化此類型模態(tài)時(shí)，主要優(yōu)化Ex、Gxy兩個(gè)參數(shù)；將有限元仿真軟件與優(yōu)化軟件的輸入輸出參數(shù)建立關(guān)聯(lián)，輸入為材料參數(shù)，輸出為模態(tài)頻率，建立優(yōu)化流程；以模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，選用絕對值求和法或最小二乘法來構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)不同情況可以構(gòu)建單目標(biāo)函數(shù)或多目標(biāo)函數(shù)；最后選擇合適的優(yōu)化算法迭代計(jì)算得到材料參數(shù)推薦值。不同疊壓系數(shù)下優(yōu)化得到的材料參數(shù)的推薦值是不一樣的，后續(xù)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)則可根據(jù)得到的材料參數(shù)隨疊壓系數(shù)的規(guī)律，查圖得到材料參數(shù)的推薦取值，帶入有限元模型進(jìn)行計(jì)算。
[0008]所述的試驗(yàn)研究主要考慮了扇形和圓形兩種常規(guī)型式的鐵芯結(jié)構(gòu)，采用正交試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行不同疊壓系數(shù)、有無繞組和浸漆前后等情況下的模態(tài)測試，為后續(xù)仿真計(jì)算提供參考依據(jù)。
[0009]所述優(yōu)化的方法為利用優(yōu)化的思想來獲取材料參數(shù)的取值。具體為首先確定優(yōu)化參數(shù)，在橫觀同性材料5個(gè)獨(dú)立參數(shù)中，通過敏感度分析確定與某一階振型相關(guān)度較高的材料參數(shù)，在對該階振型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，則確定此敏感材料參數(shù)為優(yōu)化參數(shù)；然后構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，不同階振型其敏感參數(shù)不一樣，因此可以構(gòu)建單目標(biāo)函數(shù)或多目標(biāo)函數(shù)；最后選取合適的優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，這里選擇的是自適應(yīng)響應(yīng)面法或帕累托邊界法。
[0010]利用上述試驗(yàn)系統(tǒng)及計(jì)算方法進(jìn)行電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性研究時(shí)可以充分考慮電機(jī)疊片結(jié)構(gòu)、繞組以及浸漆帶來的影響，解決了鐵芯結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的建模的困難，同時(shí)給出了繞組等效參數(shù)與浸漆等效參數(shù)，并提出了試驗(yàn)時(shí)整個(gè)懸掛系統(tǒng)的要求以及鐵芯周向及軸向布點(diǎn)的要求，與傳統(tǒng)方法相比，大大提高了試驗(yàn)結(jié)果的有效性及計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。采用此方法計(jì)算得到的電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性與試驗(yàn)相比精度較高，能夠很好的指導(dǎo)電磁與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使電機(jī)主要階電磁力波頻率遠(yuǎn)離定子鐵芯的固有頻率，避免發(fā)生共振，具有重要意義。
[0011]實(shí)際電機(jī)振動(dòng)特性仿真計(jì)算是針對某一固定疊壓系數(shù)，帶繞組浸漆后進(jìn)行的，若不滿足推薦取值所在的疊壓系數(shù)范圍，則可重新利用此種優(yōu)化數(shù)值方法來確定各材料參數(shù)的取值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明提供的試驗(yàn)系統(tǒng)及組成；
圖2為本發(fā)明涉及的正交試驗(yàn)?zāi)B(tài)測試主要內(nèi)容；
圖3為本發(fā)明涉及的鐵芯各狀態(tài)下的優(yōu)化參數(shù)；
圖4為本發(fā)明提供的圓形鐵芯z向彈性模量隨疊壓系數(shù)變化曲線；
圖5為本發(fā)明試驗(yàn)系統(tǒng)獲得的圓形鐵芯模態(tài)頻率與利用本發(fā)明提供的鐵芯振動(dòng)特性獲得方法得到的模態(tài)頻率的對比情況。
【具體實(shí)施方式】
[0013]結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
實(shí)施例1:是本發(fā)明的基本實(shí)施例。一種電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)，將加速度傳感器布置在定子鐵芯外表面，布點(diǎn)較常規(guī)結(jié)構(gòu)密集，周向測點(diǎn)一般沿圓周24?36個(gè)，軸向測點(diǎn)一般間隔30mm?40mm布置，用力錘作激勵(lì)，力錘信號與加速度信號同時(shí)與數(shù)據(jù)采集前端連接，數(shù)據(jù)采集前端與模態(tài)分析軟件連接。
[0014]電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性獲得方法，采用正交試驗(yàn)的原理，分別進(jìn)行了扇形和圓形兩種結(jié)構(gòu)型式下定子鐵芯不同疊壓系數(shù)、有無繞組及浸漆前后的模態(tài)測試，并以模態(tài)測試后的試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，利用優(yōu)化的方法來獲得電機(jī)定子鐵芯的振動(dòng)特性，包括以下步驟:
步驟1，以圓筒結(jié)構(gòu)代替疊片結(jié)構(gòu)建立定子鐵芯的幾何模型，并劃分有限元網(wǎng)格，電機(jī)鐵芯的層狀效應(yīng)、繞組及浸漆對鐵芯振動(dòng)特性的影響均通過材料參數(shù)反映；
步驟2，定義電機(jī)疊片鐵芯的材料模型為橫觀同性材料模型，確定其獨(dú)立的材料參數(shù)為Ex、Ez、Gxy、Gxz和Pxz五個(gè)參數(shù)；E為彈性模量，G為剪切模量，P為泊松比，下標(biāo)代表不同方向；
步驟3，通過敏感度分析確定電機(jī)鐵芯在不同疊壓系數(shù)、有無繞組及浸漆前后等狀態(tài)下的優(yōu)化參數(shù)；
步驟4，將有限元仿真軟件與優(yōu)化軟件的輸入輸出參數(shù)建立關(guān)聯(lián)，輸入為材料參數(shù)，輸出為模態(tài)頻率，建立優(yōu)化流程；
步驟5，以模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，選用絕對值求和法或最小二乘法來構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)優(yōu)化參數(shù)僅與一階振型相關(guān)度較高時(shí)，則針對此階頻率建立單目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)優(yōu)化參數(shù)與多階振型相關(guān)度較高時(shí)，則建立多目標(biāo)函數(shù)； 步驟6，選擇合適的優(yōu)化算法迭代計(jì)算得到材料參數(shù)推薦值，建立單目標(biāo)函數(shù)時(shí)選用自適應(yīng)響應(yīng)面算法，建立多目標(biāo)函數(shù)時(shí)選用帕累托邊界算法。
[0015]所述的步驟3中，不同疊壓系數(shù)下優(yōu)化得到的材料參數(shù)的推薦值是不一樣的，繪制得到材料參數(shù)隨疊壓系數(shù)變化的曲線，后續(xù)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，查圖得到材料參數(shù)的推薦取值，帶入有限元模型進(jìn)行計(jì)算。
[0016]實(shí)施例2:是一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，為大型電機(jī)定子鐵芯為實(shí)施例，結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】如下:
如圖1所示，一種電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)主要由鐵芯，加速度傳感器，力錘，采集前端及帶模態(tài)分析軟件的PC機(jī)組成，通過此系統(tǒng)按照如圖2所示的正交試驗(yàn)?zāi)B(tài)測試內(nèi)容，可以獲得扇形或圓形定子鐵芯在不同疊壓系數(shù)，有無繞組及浸漆前后振動(dòng)特性的規(guī)律。
[0017]圖3所示為利用敏感度分析得到的電機(jī)定子鐵芯在各狀態(tài)下的優(yōu)化參數(shù)，根據(jù)此圖，可以確定在進(jìn)行不同狀態(tài)下的優(yōu)化計(jì)算時(shí)，所需要得到的優(yōu)化參數(shù)，從而構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，選擇合適的算法進(jìn)行計(jì)算。
[0018]圖4即為計(jì)算得到的不同疊壓系數(shù)下圓形鐵芯的z向彈性模量，這里僅提供了一個(gè)方向的材料參數(shù)，其它的材料參數(shù)均通過此種方法獲得。在此材料參數(shù)的基礎(chǔ)上，后續(xù)進(jìn)行鐵芯的振動(dòng)特性計(jì)算時(shí)，若疊壓系數(shù)落在此范圍內(nèi)，則可直接查表獲得。
[0019]圖5為本發(fā)明試驗(yàn)系統(tǒng)獲得的圓形鐵芯模態(tài)頻率與利用本發(fā)明提供的計(jì)算方法得到的模態(tài)頻率的對比情況，從圖中可以看出，兩者誤差較小，進(jìn)一步證明本發(fā)明提出的計(jì)算方法的合理性及有效性。
[0020]以上所述的僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不說明本發(fā)明的局限性，對于任何利用優(yōu)化的思想來進(jìn)行電機(jī)定子鐵芯振動(dòng)特性計(jì)算的方法都應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，將加速度傳感器布置在定子鐵芯外表面，布點(diǎn)較常規(guī)結(jié)構(gòu)密集，周向測點(diǎn)一般沿圓周24?36個(gè)，軸向測點(diǎn)一般間隔30mm?40mm布置，用力錘作激勵(lì)，力錘信號與加速度信號同時(shí)與數(shù)據(jù)采集前端連接，數(shù)據(jù)采集前端與模態(tài)分析軟件連接。
2.一種電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性獲得方法，其特征在于，采用正交試驗(yàn)的原理，分別進(jìn)行了扇形和圓形兩種結(jié)構(gòu)型式下定子鐵芯不同疊壓系數(shù)、有無繞組及浸漆前后的模態(tài)測試，并以模態(tài)測試后的試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，利用優(yōu)化的方法來獲得電機(jī)定子鐵芯的振動(dòng)特性，包括以下步驟: 步驟1，以圓筒結(jié)構(gòu)代替疊片結(jié)構(gòu)建立定子鐵芯的幾何模型，并劃分有限元網(wǎng)格，電機(jī)鐵芯的層狀效應(yīng)、繞組及浸漆對鐵芯振動(dòng)特性的影響均通過材料參數(shù)反映； 步驟2，定義電機(jī)疊片鐵芯的材料模型為橫觀同性材料模型，確定其獨(dú)立的材料參數(shù)為Ex、Ez、Gxy、Gxz和Pxz五個(gè)參數(shù)；E為彈性模量，G為剪切模量，P為泊松比，下標(biāo)代表不同方向； 步驟3，通過敏感度分析確定電機(jī)鐵芯在不同疊壓系數(shù)、有無繞組及浸漆前后等狀態(tài)下的優(yōu)化參數(shù)； 步驟4，將有限元仿真軟件與優(yōu)化軟件的輸入輸出參數(shù)建立關(guān)聯(lián)，輸入為材料參數(shù)，輸出為模態(tài)頻率，建立優(yōu)化流程； 步驟5，以模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，選用絕對值求和法或最小二乘法來構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)優(yōu)化參數(shù)僅與一階振型相關(guān)度較高時(shí)，則針對此階頻率建立單目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)優(yōu)化參數(shù)與多階振型相關(guān)度較高時(shí)，則建立多目標(biāo)函數(shù)； 步驟6，選擇合適的優(yōu)化算法迭代計(jì)算得到材料參數(shù)推薦值，建立單目標(biāo)函數(shù)時(shí)選用自適應(yīng)響應(yīng)面算法，建立多目標(biāo)函數(shù)時(shí)選用帕累托邊界算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述電機(jī)疊片鐵芯振動(dòng)特性獲得方法，所述的步驟3中，不同疊壓系數(shù)下優(yōu)化得到的材料參數(shù)的推薦值是不一樣的，繪制得到材料參數(shù)隨疊壓系數(shù)變化的曲線，后續(xù)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，查圖得到材料參數(shù)的推薦取值，帶入有限元模型進(jìn)行計(jì)算。
【文檔編號】G06F17/50GK103501088SQ201310477109
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】田磊, 張國兵, 彭思思, 陳云華, 丁天慧 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所