[发明专利]基于模态分析的叠压铁心各向异性参数的测量方法

摘要

本发明涉及电机叠压铁心参数的测量方法，具体为基于模态分析的叠压铁心各向异性参数的测量方法。解决现有测量方法只考虑叠压铁心结构外表面的模态振型所带来的缺陷和问题。本发明以精确的试验模态参数为基准，利用分组优化的基准比较方法，对叠压铁心结构进行全面精确的模态测量，对模态参数进行测量与识别，得到叠压铁心结构各阶次模态参数，与基于真实模型的特点，将叠压铁心结构等效为带有内齿形表面实体的横向各向异性均质材料的有限元模型的模态计算结果进行等效性分析，修正优化有限元模型的灵敏参数组，获取识别后的叠压铁心结构的等效结构及材料性能参数。本发明为叠压铁心的设计和制造提供一定的技术支持。

主权项

1.基于模态分析的叠压铁心各向异性参数的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，所述铁心叠压结构是由薄片结构沿铁心轴向叠压而成，包括外圆柱表面、内齿形表面和轴端压紧表面，精细化建立叠压铁心结构的有限元模型，基于真实模型的特点，将叠压铁心结构等效为带有内齿形表面实体的横向各向异性均质材料的有限元模型；步骤2，利用基于相对灵敏度分析的参数选择方法，对步骤1建立的叠压铁心结构有限元模型的待修正参数进行相对灵敏度分析，并进行参数分组，得到灵敏参数组；2.1对于径向对称的铁心轴向层叠结构，表现为横向各向异性，基于笛卡尔直角坐标系，将灵敏参数分为径向的各向同性平面XOY组和轴向Z组，其中各向同性的XOY平面即是叠片所在的平面，而垂直于叠片平面的叠片叠压方向为轴向Z方向；同时，由于整个叠压铁芯结构关于轴向Z方向对称，因此各向同性平面XOY组中的沿径向X和Y方向不做区分，即与X和Y方向相关的材料参数完全相同；将灵敏参数分为径向的各向同性平面XOY组和轴向Z组；(1)XOY组中，叠压铁心的杨氏模量E、切变模量G和泊松比υ的关系表达式为：EX＝EY其中：EX和EY分别是各向同性面沿径向的X和Y方向杨氏模量，υXY是各向同性面沿径向的X与Y方向的相关泊松比，GXY是各向同性面沿径向的X与Y方向的相关剪切模量；(2)Z组中，叠压铁心的杨氏模量E、切变模量G和泊松比υ的关系表达式为：GXZ＝GYZυXZ＝υYZ                            (2)其中：GXZ和GYZ是各向同性面沿径向的X和Y方向分别与轴向Z方向的相关剪切模量，υXZ和υYZ是各向同性面沿径向的X和Y方向与轴向Z方向的相关泊松比；2.2同样地，依据叠压铁心结构的径向对称性，将叠压铁心的模态振型分为四种类型：(1)铁心轴线两端同相变化的对称振型，标记为Psi，其中i是铁心沿周向做大幅度变化的振型节点数，i≥2；(2)铁心轴向两端反相变化的反对称振型，标记为Pai，其中i是铁心沿周向做大幅度变化的振型节点数，i≥2；(3)铁心轴向两端同相变化的内外表面收缩扩张振型，标记为P0；(4)其他复杂不规则振型；2.3结合2.1和2.2中的模态参数和灵敏参数的分组，以不同类型模态振型的频率变化为目标，参数化分析XOY组的EX、EY对对称模态Psi和同相收缩扩张模态P0的灵敏度，同时参数化分析Z组的GXZ、GYZ对反对称模态Pai的灵敏度，以及EZ的灵敏度；步骤3，在自由边界条件下，对叠压铁心结构进行全面精确的模态测量，对模态参数进行测量与识别，得到叠压铁心结构各阶次模态参数——模态频率和模态振型；模态试验中采用的试验系统包括脉冲力锤或激振器、加速度传感器、数据采集和分析仪、以及计算机，所述脉冲力锤或激振器，以及加速度传感器接入数据采集和分析仪，再与计算机相连接，还包括如下步骤：3.1对叠压铁心结构的外圆柱表面、内齿形表面和轴端压紧表面分别布置节点，按照物理模型的实际结构尺寸建立叠压铁心结构的点‑线‑面实验模型；在铁心的外圆柱表面，沿周向每圈至少均匀分布16个节点，同时沿轴向至少布置2圈，且要求2个轴端的周向必须各有至少1圈的节点；在铁心的内齿形表面，节点的布置与外圆柱表面的节点要求相同；在铁心的2个轴端压紧表面，每个表面相对应至少布置1圈节点，每圈的节点数和外圆柱表面周向节点数相同；同时，称重得叠压铁心结构的质量m；3.2利用足够强度的弹性绳索将叠压铁心结构悬挂，使其处于接近无约束条件状态；固定布置加速度传感器，需要满足同时测量各向同性面XOY的X、Y方向，以及轴向的Z方向的响应；3.3连接数据采集和分析仪，并设置数据采集和分析参数；3.4对叠压铁心结构沿垂直于外圆柱表面、内齿形表面和轴端压紧表面方向进行激励，利用多次平均的方式，采集每一节点在受到脉冲激励时的力信号与响应信号，得到节点的频响函数FRF；3.5用数据分析仪对节点的FRF曲线进行模态参数识别，通过曲线拟合得到叠压铁心结构的模态频率和模态振型；步骤4，以精确的试验模态参数为基准，利用分组优化的基准比较方法，基于步骤3得到的叠压铁心结构的模态参数，与步骤1建立的叠压铁心有限元模型的模态计算结果进行等效性分析，修正优化有限元模型的灵敏参数组，获取识别后的叠压铁心结构的等效结构及材料性能参数；4.1根据步骤2中模态参数的分组要求，对叠压铁心结构相对应的模态振型进行分组分析，确定振型的变化结构；同时，计算得出叠压铁心等效体积Veq，基于叠压铁心的现场称重质量m，最终确定叠压铁心的等效密度ρeq；4.2采用叠片的同性材料参数，设置叠压铁心有限元模型的υXZ和υYZ值；以对称振型Psi和同相收缩扩张振型P0的模态频率作为优化修正的基准，等效性对比分析叠压铁心有限元模型XOY组的EX和EY；同样地，以反对称振型Pai作为优化修正的基准，等效性对比分析叠压铁心有限元模型Z组的GXZ和GYZ；最后，基于有限元模型Z组的EZ对所有模态振型和频率的影响，根据相对偏差计算公式(4)，以引起某阶模态频率fi和fi‑1的相对偏差δ小于1％的EZ值，和有限元模型XOY组的EX或EY值，作为叠压铁心有限元模型Z组中EZ的临界值；其中，fi为第i阶模态频率，fi‑1为为第i‑1阶模态频率；最终，以模态试验振型频率fe和仿真计算振型频率fs的相似度ζ≥99.99％，以及基于模态试验振型频率的相对偏差δ≤3％，作为模态特性参数的评定标准；4.3以叠压铁心的其他复杂不规则振型为基准，对4.1和4.2中得到的横向各向异性叠压铁心有限元模型及其参数进行验证，使相对应振型频率的相似度ζ≥99.84％，相对偏差δ≤8％，并最终确定叠压铁心等效结构模型的各向异性等效参数。