關(guān)于定子耦合模型分析的研究

本白皮書討論了Johan Ihsan Mahmood關(guān)于定子耦合模型分析的研究。該研究旨在優(yōu)化定子聯(lián)軸器的設(shè)計，以通過有限元分析提高其固有頻率。使用ABAQUS軟件在定子聯(lián)軸器的設(shè)計和開發(fā)中進行了有限元分析。增加聯(lián)軸器中心孔的尺寸，并在結(jié)構(gòu)的柔性部分引入加強筋，增加了聯(lián)軸器的固有頻率。

抽象的

在這項研究中，有限元分析被用來優(yōu)化定子聯(lián)軸器的設(shè)計，以增加其固有頻率。通過設(shè)計迭代和分析，發(fā)現(xiàn)通過增加聯(lián)軸器的中心孔直徑，以及在結(jié)構(gòu)的柔性部分引入加強筋，固有頻率將從最初的714 Hz設(shè)計提高到優(yōu)化的1611赫茲。

介紹

聯(lián)軸器是一種主要用于連接兩個軸以傳遞動力或旋轉(zhuǎn)的裝置。在運動控制應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器用于將編碼器連接到電機軸（轉(zhuǎn)子部分），而定子聯(lián)軸器用于將編碼器連接到電機殼體（定子部分）。轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器與電動機軸一起旋轉(zhuǎn)，而定子聯(lián)軸器在電動機運行期間保持靜止。正確的聯(lián)軸器設(shè)計對于編碼器在檢測軸的轉(zhuǎn)速和位置時發(fā)揮良好作用至關(guān)重要。由于電動機可以以任何轉(zhuǎn)速或頻率旋轉(zhuǎn)，因此編碼器使用的聯(lián)軸器應(yīng)設(shè)計成具有較高的固有頻率，高于電動機的工作頻率范圍，以避免系統(tǒng)發(fā)生共振。諧振是電動機的工作頻率與聯(lián)軸器的固有頻率一致的條件。發(fā)生這種情況時，耦合可能會以高振幅振蕩，并且隨著該振幅的增加，可能會發(fā)生過早的故障。進行這項研究的主要目的是使用有限元分析來確定耦合的固有頻率。在制造耦合器之前，可以優(yōu)化和微調(diào)耦合器的設(shè)計以實現(xiàn)高固有頻率。這將避免不必要的設(shè)計修改，并節(jié)省開發(fā)時間和成本。進行這項研究的主要目的是使用有限元分析來確定耦合的固有頻率。在制造耦合器之前，可以對耦合器的設(shè)計進行優(yōu)化和微調(diào)，以實現(xiàn)較高的固有頻率。這將避免不必要的設(shè)計修改，并節(jié)省開發(fā)時間和成本。進行這項研究的主要目的是使用有限元分析來確定耦合的固有頻率。在制造耦合器之前，可以對耦合器的設(shè)計進行優(yōu)化和微調(diào)，以實現(xiàn)較高的固有頻率。這將避免不必要的設(shè)計修改，并節(jié)省開發(fā)時間和成本。

轉(zhuǎn)子和定子聯(lián)軸器

轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器通常由具有彈性（彈簧狀）設(shè)計（圖1）的彈性體，聚合物或金屬等材料制成，以提高靈活性。該聯(lián)軸器有助于軸的徑向和軸向?qū)R。它還必須能夠承受由于電動機的角加速度而產(chǎn)生的巨大轉(zhuǎn)矩。定子聯(lián)軸器（圖2）通常由鋼制成，并且設(shè)計成撓性的，以便承受軸向或徑向軸的不對準(zhǔn)。定子聯(lián)軸器僅承受來自編碼器質(zhì)量的靜載荷，并且軸承中的摩擦力導(dǎo)致產(chǎn)生非常低的扭矩。

轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器（螺旋設(shè)計）

定子聯(lián)軸器

圖3顯示了一個典型配置，該結(jié)構(gòu)顯示了轉(zhuǎn)子和定子聯(lián)軸器如何組裝到系統(tǒng)中。為了理解聯(lián)軸器在機械系統(tǒng)中的相互作用，構(gòu)造了一個自由體圖（圖4）。當(dāng)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器與軸一起旋轉(zhuǎn)時，將問題作為扭轉(zhuǎn)自由度系統(tǒng)進行分析。與編碼器（I）的質(zhì)量慣性矩相比，電機的質(zhì)量慣性矩非常大。可以認為電動機是靜止的（固定的），并且軸，聯(lián)軸器和編碼器在扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)中串聯(lián)連接。電機軸的抗扭剛度（Kt1）通過轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器以（Kt2）的抗扭剛度連接到編碼器軸，抗扭剛度為（Kt3）。如果兩個軸的扭轉(zhuǎn)剛度（Kt1＆

轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器（左）和定子聯(lián)軸器（右）

轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器（左）和定子聯(lián)軸器（右）

可以使用以下公式（公式1）估算扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的固有頻率?？梢钥闯觯S著耦合剛度（Kt）的增加，固有頻率（Fn）也增加，并且隨著力矩慣量或轉(zhuǎn)子（I）的增加，固有頻率（Fn）減小。由于其扭轉(zhuǎn)自由度，轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器具有與定子聯(lián)軸器相比具有較低固有頻率的缺點。

在定子聯(lián)軸器的情況下，該問題可以通過彈簧質(zhì)量振動系統(tǒng)簡化。該系統(tǒng)由一個編碼器質(zhì)量塊（M1）組成，該質(zhì)量塊帶有一個來自具有剛度（K1）的軸的彈簧和一個來自帶有剛性（K2）的定子聯(lián)軸器的組合有效彈簧。與編碼器的質(zhì)量相比，電機的質(zhì)量被認為非常大，并且被認為是靜止的。在此分析中僅考慮編碼器的質(zhì)量。由于定子聯(lián)軸器的復(fù)雜形狀可能會以多個自由度振動，因此使用有限元方法進行的計算分析可用于求解固有頻率和振型。定子聯(lián)軸器由于其穩(wěn)定性和高固有頻率而在高動態(tài)應(yīng)用中是首選。為了獲得最佳性能，

有限元建模

使用ABAQUS軟件在定子聯(lián)軸器的設(shè)計和開發(fā)中進行了有限元分析。定子聯(lián)軸器的初始設(shè)計如圖4所示。它的物理外形尺寸為50×50 mm，高度為10 mm。聯(lián)軸器的頂部連接到編碼器，而底座則連接到電機殼體。聯(lián)軸器由厚度為0.2毫米的不銹鋼制成。

定子聯(lián)軸器（初始設(shè)計）

有限元模型如圖5所示。對軸承座進行了完整建模，但對編碼器進行了簡化造型。為了簡化分析，假定編碼器的質(zhì)量為集總質(zhì)量，但仍保持與實際編碼器相同的質(zhì)量。這樣，我們就可以消除編碼器中任何不會影響整體振動模式的局部無關(guān)緊要的模式。Lanczos本征求解器算法用于求解固有頻率和振型。

定子耦合有限元模型

高固有頻率的耦合設(shè)計優(yōu)化

然后，對聯(lián)軸器的設(shè)計進行優(yōu)化，以實現(xiàn)更高的固有頻率。首先，研究聯(lián)軸器中心孔的影響。卸下聯(lián)軸器的中心孔后，固有頻率降至661Hz（圖7）。當(dāng)中心孔直徑增加時，固有頻率增加。當(dāng)孔直徑為30mm時，記錄到1133Hz的固有頻率。設(shè)計迭代的第一個自然頻率產(chǎn)生的模式形狀如下所示：

編輯：hfy