用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法和装置

摘要

本发明是一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法和装置。包括对永磁同步电机中各零件的自身结构刚度模拟和各零件之间连接刚度的模拟；永磁同步电机中除转子、定子外的各零件的刚度由本身的材料性质及结构特征所决定；各零件之间连接刚度的模拟包括角接触球轴承的支撑刚度进行模拟和预紧环的轴向刚度进行模拟。本发明提出的永磁同步电机轴承支撑系统的刚度模拟方法及相关参数的计算方法，符合电机工作的支撑状态，提高了电机固有频率的仿真计算精度，解决了转子系统轴向预紧和刚度模拟问题，更符合电机的实际工作状态，提高了仿真计算精度；本发明提出的转、定子各项异性材料零件的结构刚度模拟方法，符合零件的刚度特性，并节省了仿真计算时间。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体的说是一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法和装置。

背景技术

永磁同步电机具有响应快、效率高、功率密度高以及精度高的优点，广泛的应用于混合动力汽车和纯电动汽车的驱动系统中。永磁同步电机是典型的转子旋转系统，在高速运转过程中会产生振动，当激励的频率区间与电机的固有频率发生重叠时，电机会发生共振，严重影响电机的工作状态，甚至导致电机快速损坏。为了避免电机发生共振，激励频率应避开电机的固有频率区间，获取永磁同步电机固有频率主要有两种手段，一种是试验技术手段。通过将试验电机安装在电机振动测试试验台上，在电机的表面布放加速度传感器，调节试验驱动电机的转速来获取不同频率下永磁同步电机的响应，通过响应的大小来识别电机的固有频率区间。一种是仿真技术手段，通过有限元软件建模仿真计算获得永磁同步电机的固有频率。但在对永磁同步电机的模态分析中，目前多数都只对定子、转子、壳体等单一的部分进行模态分析，并未考虑整机状态下的模态特性，这其中忽略了各零部件的连接刚度、轴承系统支撑刚度的影响，导致得到的结果与实际相差较多，仿真分析精度不高。

发明内容

本申请提供了一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法和装置，本发明提出的永磁同步电机轴承支撑系统的刚度模拟方法及相关参数的计算方法，符合电机工作的支撑状态，提高了电机固有频率的仿真计算精度，本发明提出的轴向预紧环刚度的模拟方法及相关参数的计算方法，解决了转子系统轴向预紧和刚度模拟问题，更符合电机的实际工作状态，提高了仿真计算精度；本发明提出的转、定子各项异性材料零件的结构刚度模拟方法，符合零件的刚度特性，并节省了仿真计算时间，解决了现有对永磁同步电机的模态分析中存在的上述问题。

本发明技术方案结合附图说明如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法，包括：

包括对永磁同步电机中各零件的自身结构刚度模拟和各零件之间连接刚度的模拟；其中，永磁同步电机中除转子、定子外的各零件的刚度由本身的材料性质及结构特征所决定；各零件之间连接刚度的模拟包括角接触球轴承的支撑刚度进行模拟和预紧环的轴向刚度进行模拟。

进一步的，所述角接触球轴承的支撑刚度进行模拟前先对永磁同步电机实体有限元网格建模；所述角接触球轴承的支撑刚度分为轴向刚度和径向刚度。

进一步的，所述角接触球轴承的轴向刚度和径向刚度采用径向弹簧和斜向弹簧的刚度值来模拟。

进一步的，所述斜向弹簧的刚度的计算方法如下：

通过轴承的设计参数获得轴承的径向刚度K

k

式中：

k

K

x

进一步的，所述径向弹簧的刚度的计算方法如下：

将计算得到的斜向弹簧刚度赋予对应弹簧单元，求解径向弹簧的刚度值；约束轴承的外圈节点，对轴承内圈施加径向的单位力载荷1N，通过仿真计算得到此时轴承内圈径向位移R

k

式中：

k

K

R

R

进一步的，所述预紧环的轴向刚度进行模拟前先对永磁同步电机实体有限元网格建模；预紧环的轴向刚度的计算方法如下：

预紧环采用轴向布放的弹簧来提供轴向的支撑刚度，并在初始装配时存在预紧力，采用轴向均匀分布的弹簧来模拟刚度；通过轴向预紧环的设计参数得到预紧环的轴向刚度为K，装配后的初始轴向预紧力为F

k＝K/n…………………………(3)

式中：

k为模拟预紧弹簧的刚度，单位N/mm；

K为轴向预紧装置的轴向刚度参数，单位N/mm；

n为模拟预紧装置的周向弹簧个数；

弹簧的初始压缩量Δl通过下式(4)计算得出：

Δl＝F

式中：

Δl为弹簧初始压缩量，单位mm；

F

进一步的，所述转子、定子的结构刚度的计算方法如下：

通过定义转子、定子材料的各项异性属性来模拟沿不同方向的刚度特性；具体包括径向弹性模量、轴向弹性模量、径向泊松比和轴向泊松比。

第二方面，本发明实施例还提供了一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟装置，该装置包括：

建模模块，用于采用实体网格单元建立永磁同步电机整机的有限元模型；

角接触球轴承刚度模拟模块，用于对角接触球轴承的支撑刚度进行模拟；

预紧环刚度模拟模块，用于对预紧环的轴向刚度进行模拟；

转子、定子刚度模拟模块，用于对转子、定子的结构刚度进行模拟。

第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例中任一所述的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例中任一所述的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法。

本发明的有益效果为：

1)本发明提出的永磁同步电机轴承支撑系统的刚度模拟方法及相关参数的计算方法，符合电机工作的支撑状态，提高了电机固有频率的仿真计算精度；

2)本发明提出的轴向预紧环刚度的模拟方法及相关参数的计算方法，解决了转子系统轴向预紧和刚度模拟问题，更符合电机的实际工作状态，提高了仿真计算精度；

3)本发明提出的转、定子各项异性材料零件的结构刚度模拟方法，符合零件的刚度特性，并节省了仿真计算时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例一中的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法的角接触球轴承刚度模拟示意图；

图2a-图2b为本发明实施例一中的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法的预紧环刚度模拟示意图；

图3为本发明实施例一中的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法的流程图；

图4为本发明实施例二中的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟装置的结构示意图；

图5是本发明实施例三中的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法的流程图，本实施例可适用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟的情况，该方法可以由本发明实施例中的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟装置来执行，该装置可采用软件和/或硬件的方式实现，如图3所示。

永磁同步电机的刚度模拟主要包含各零件部分的自身结构刚度和零件之间连接刚度的模拟。其中零件自身的结构刚度主要有本身的材料性质及结构特征所决定，电机的转子和定子为多层硅钢片的叠加结构，对其刚度模拟较为困难，本发明将转子、定子考虑为整体结构，通过赋予轴向和径向不同的材料特性(各向异性主要指轴向和径向的材料参数不同)来模拟其刚度特性。连接刚度的模拟困难在于轴承和预紧环这类的弹性支撑件，本发明采用弹簧单元模拟轴承和预紧环的支撑弹性体，通过赋予不同的弹簧刚度值来模拟其支撑刚度。

一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法，其特征在于，包括：

采用实体网格单元建立永磁同步电机整机的有限元模型；

对角接触球轴承的支撑刚度进行模拟；

参阅图1，角接触球轴承的支撑刚度分为轴向刚度和径向刚度。所述角接触球轴承的轴向刚度和径向刚度采用径向弹簧和斜向弹簧3的刚度值来模拟。

所述斜向弹簧3的刚度的计算方法如下：

通过轴承的设计参数获得轴承的径向刚度K

k

式中：

k

K

x

所述径向弹簧的刚度的计算方法如下：

将计算得到的斜向弹簧刚度赋予对应弹簧单元，求解径向弹簧的刚度值；约束轴承的外圈节点，对轴承内圈施加径向的单位力载荷1N，通过仿真计算得到此时轴承内圈径向位移R

k

式中：

k

K

R

R

对预紧环的轴向刚度进行模拟；

参阅图2a和图2b，弹簧来提供轴向的支撑刚度，并在初始装配时存在预紧力，采用轴向均匀分布的弹簧来模拟刚度；通过轴向预紧环的设计参数得到预紧环的轴向刚度为K，装配后的初始轴向预紧力为F

k＝K//…………………………(3)

式中：

k为模拟预紧弹簧的刚度，单位N/mm；

K为轴向预紧装置的轴向刚度参数，单位N/mm；

n为模拟预紧装置的周向弹簧个数；

弹簧的初始压缩量Δl通过下式(4)计算得出：

Δl＝F

式中：

Δl为弹簧初始压缩量，单位mm；

F

对转子、定子的结构刚度进行模拟。

所述转子、定子的结构刚度的计算方法如下：

通过定义转子、定子材料的各项异性属性来模拟沿不同方向的刚度特性；其各项异性参数如下表1所示。

表1定子铁芯与转子铁芯各向异性材料属性

实施例二

图4为本发明实施例二提供的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟装置的结构示意图。本实施例可适用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟的情况，该装置可采用软件和/或硬件的方式实现，该装置可集成在任何提供永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法的功能的设备中，如图4所示，所述一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟具体包括：

建模模块，用于采用实体网格单元建立永磁同步电机整机的有限元模型；

角接触球轴承刚度模拟模块，用于对角接触球轴承的支撑刚度进行模拟；

预紧环刚度模拟模块，用于对预紧环的轴向刚度进行模拟；

转子、定子刚度模拟模块，用于对转子、定子的结构刚度进行模拟。

上述产品可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

实施例三

图5为本发明实施例四中的一种计算机设备的结构示意图。图5示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性计算机设备12的框图。图5显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图5所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。

总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。

计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。

系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图5未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图5中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM,DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。

具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括——但不限于——操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。

计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。另外，本实施例中的计算机设备12，显示器24不是作为独立个体存在，而是嵌入镜面中，在显示器24的显示面不予显示时，显示器24的显示面与镜面从视觉上融为一体。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法。

实施例四

本发明实施例四提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请所有发明实施例提供的一种用于永磁同步电机整机模态分析的刚度模拟方法。

可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。