基于諧響應(yīng)分析方法的微型電機(jī)振動(dòng)失效分析
陳和詩(shī)l，賈方1，張德峰l，洪著財(cái)2
（1東南大學(xué)，江蘇南京211189；2江蘇斯菲爾電氣有限公司，江蘇江陰214429）
摘要：以hoerbicer微型電機(jī)為研究對(duì)象，建立了電機(jī)單自由度動(dòng)力學(xué)模型，列出碳刷一扭簧系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，采用諧響應(yīng)分析方法求解系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性。通過(guò)有限元軟件計(jì)算獲得在簡(jiǎn)諧激振下碳刷一扭簧系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性曲線(xiàn)。分析結(jié)果表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)振動(dòng)幅度影響較大。根據(jù)所獲得的電機(jī)轉(zhuǎn)速與振動(dòng)規(guī)律，合理地選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以避開(kāi)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的共振及跳躍等不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而有效地避免電機(jī)的振動(dòng)失效對(duì)電機(jī)壽命試驗(yàn)的影響，為合理確定電機(jī)壽命提供理論分析依據(jù)。
關(guān)鍵詞：微型電機(jī)；碳刷扭簧；振動(dòng)失效；諧響應(yīng)；壽命
中圖分類(lèi)號(hào)：tm38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1004-7018(2010)07-0015-04
0引言
微型電機(jī)指直徑小于160 mm或額定功率小于750 w或具有特殊性能、特殊用途的電機(jī)。微型電機(jī)品種多達(dá)5 000余種，已廣泛應(yīng)用于太空和軍事裁具、汽車(chē)、機(jī)器人等領(lǐng)域。為了滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的應(yīng)用要求，微型電機(jī)應(yīng)具有更高的可靠性和更長(zhǎng)的壽命。在微型電機(jī)型式試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)中，電機(jī)壽命試驗(yàn)最為耗時(shí)耗力。無(wú)論電機(jī)壽命試驗(yàn)還是電機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，選擇合理的轉(zhuǎn)速，都可以避開(kāi)電機(jī)共振區(qū)，避免電機(jī)因振動(dòng)失效而縮短壽命。
目前關(guān)于電機(jī)振動(dòng)特性的研究主要集中在大中型電機(jī)上，其中大部分研究集中在電機(jī)定子結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性上，也有部分學(xué)者研究電機(jī)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性取得了大量的研究成果[2-3]。但是由于微型電機(jī)結(jié)構(gòu)、尺寸與大中型電機(jī)存在較大差異，導(dǎo)致大中型電機(jī)的振動(dòng)特性的研究成果不適用于微型電機(jī)振動(dòng)特性研究。當(dāng)今對(duì)微型電機(jī)的研究主要集中在超微電機(jī)、超聲波電動(dòng)機(jī)等特種電機(jī)領(lǐng)域，對(duì)于常規(guī)微型電機(jī)的研究也主要關(guān)于噪聲控制，針對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性研究較少，而電機(jī)動(dòng)力學(xué)特性研究對(duì)降低電l機(jī)振動(dòng)失效，延長(zhǎng)電機(jī)壽命至關(guān)重要。我國(guó)微型電機(jī)技術(shù)主要依靠國(guó)外引進(jìn)，近十年來(lái)，微型電機(jī)行業(yè)吸引了大批外商投資。許多新品交貨時(shí)，常常因?yàn)檎駝?dòng)對(duì)壽命測(cè)試影響的標(biāo)準(zhǔn)不同而有爭(zhēng)議，因此研究微型電機(jī)振動(dòng)失效問(wèn)題，力電機(jī)壽命測(cè)試制定標(biāo)準(zhǔn)，具有極其重要的工程意義。
本文以寶馬汽車(chē)專(zhuān)用車(chē)載hoerbicer微型電機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)該型壽命測(cè)試試驗(yàn)中振動(dòng)失效；對(duì)電機(jī)壽命影響存在爭(zhēng)議的問(wèn)題，提出采用諧響應(yīng)分析方法來(lái)分析電機(jī)動(dòng)力響應(yīng)特性。在分析ho-erbiger型電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了電機(jī)碳刷扭簧系統(tǒng)的三維cad模型，采用hypermesh建立有限元模型；將該模型導(dǎo)人ansys中進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得出電機(jī)的諧振幅頻響應(yīng)特性曲線(xiàn)，從而確定電機(jī)的固有頻率及共振區(qū)。該分析結(jié)果為在滿(mǎn)足寶馬公司對(duì)車(chē)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速、運(yùn)行條件及可靠性要求的前提下，合理選擇電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載進(jìn)行周期性變速命測(cè)試試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)速提供了理論依據(jù)；為最終解決供需雙方在振動(dòng)失效對(duì)電機(jī)壽命影響的爭(zhēng)議問(wèn)題提供幫助。
1微型電機(jī)系統(tǒng)分析
1.1電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析
圖l為hoerbicer微型電機(jī)的端面視圖。該電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，碳刷經(jīng)扭簧壓緊在換向器上，電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)碳刷和換向器從外部獲得電能。
碳刷只能在如圖1所示的水平方向移動(dòng)。碳刷一扭簧系統(tǒng)阻尼很小，可略去阻尼，簡(jiǎn)化為單自由度無(wú)阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，如圖2所示。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為：
式中：m為碳刷質(zhì)量；k為扭簧水平方向等效剛度；x(t)為碳刷位移；f(t)為換向器對(duì)碳刷一扭簧系統(tǒng)的激勵(lì)。
1 2碳刷一扭簧系統(tǒng)承受激勵(lì)特征分析
電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)換向器外圓每一點(diǎn)在沿碳刷移動(dòng)方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，換向器外圓均勻分布7個(gè)溝槽，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)換向器外圓不光滑導(dǎo)致碳刷在水平方向移動(dòng)，即碳刷水平方向受到簡(jiǎn)諧激勵(lì)。因此電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)換向器給碳刷以7倍電機(jī)轉(zhuǎn)速 |
