36机电技术2015年10月基于ANSYS的高速永磁电机转子模态分析
杨桃月1
摘
张贤信2
（1.贵州广播电视大学，贵州贵阳550023；2.贵州大学，贵州贵阳550025）
要：为避免某款高速永磁电机的转子在运行时与外界响应产生共振，运用有限元分析方法、ANSYS软件对高速转
子进行了模态分析和仿真，获得了该转子的8阶固有频率、振型和坎贝尔图。研究结果表明：该转子的额定转速（60000r/min）远低于其临界转速，不会出现共振现象。研究结果可以为相似高速转轴的设计提供理论基础。
关键词：电机转子；模态分析；共振；有限元分析中图分类号：TP391.92
TM301.4+2
文献标识码：A
文章编号：1672-4801（2015）05-036-03
高速永磁电机技术涉及多个学科，是集材料学、电力电子技术、控制理论以及电机设计、制造于一体的新型机电产品。高速电机转子的转速为每分钟数万转至数十万转，其动态特性对电机的正常运行有很大的影响，转子的共振会促使电机零部件甚至整机振动加剧、零部件磨损加速，影响电机运行稳定性，降低电机寿命。本文以某高速永磁电机（800W，60000r/min）为研究对象，建立电机转子的三维模型，运用ANSYS对转子进行模态分析，由坎贝尔图判断其是否出现共振现象。
1.1
ωi——自由振动频率。式中：
(K-ω2iM)x=0
（2）
其特征方程如下：
|K-ωM|=0
2
i
（3）
式（3）的根就是离散模型的固有频率。模型的建立
所研究的电机转子包括了轴、磁钢、挡板、护套。转子具体结构如图1所示，并在三维软件中建立三维模型。
1模态分析
模态分析就是分析机械振动系统的固有频率
图1转子结构示意图
或机械旋转系统的临界转速，包括固有频率、阻尼比和振型等。随着计算机技术和有限元分析技术的发展，现在一般可以采用如ANSYS和ADINA等CAE软件对机械结构进行模态分析。而对于本文
1.2
1.轴；2.挡板；3.挡板；4.磁钢；5.护套；6.挡板
材料参数的确定
所研究的电机转子系统，可以通过计算机分析得到该结构的固有频率及振型，进而判断转子的临界转速，并对相关部件进行优化设计和改进。
进行模态分析时的固有频率和振型参数动力学方程为：
Mx+Cx+Kx=F(t)
''
'
材料参数的取值会直接影响到分析计算结果，查阅机械设计手册和材料力学相关书籍，各部件的材料性能参数如表1所示。
表1各部件材料属性
部件磁钢挡板护套轴
材料XG24/20不锈钢不锈钢30CrMnSi泊松比0.3
杨氏模量/Pa1.75×10111.93×10111.93×10111.77×1011
式中：M——结构质量；
（1）
C——阻尼矩阵；K——刚度矩阵；
x''、x'、速度和位移；x——分别为加速度、
0.310.310.3F（t）——作用力。
在研究振动系统的固有频率时，由于阻尼环节对其影响较小，因此可以忽略不计。则无阻尼自由振动方程为：
1.3网格的剖分
在应用有限元分析机械结构模态时。一般来
讲，对于复杂实体就要尽量避免四面体单元，因为四面体计算量大、计算时间长。本文所研究的转
作者简介：杨桃月（1982－），女，中级实验师，从事机电传动与控制方面的教学和科研工作。
第5期杨桃月等：基于ANSYS的高速永磁电机转子模态分析
37子结构中，磁钢和挡板安装在轴上，转子的重力通过轴承传递到机壳，因此，轴是转子振动分析最关键的零件，特别是在轴承安装部位。所以，转子模型的网格划分重点在轴部件上，本研究在轴模型上没有采用计算机默认的网格密度，而是进行了进一步的细分；而对于磁钢和挡板等部件则可以直接采用计算机默认的网格剖分方式。其网格剖分如图2所示。
（d）4阶（c）3阶
图2转子的网格剖分图
（e）5阶
1.4边界条件的确定
高速转子是通过电机壳体上的轴承进行支撑
的，考虑轴承间隙、油膜等因素的影响，转子的边界条件应为在轴承处的弹性支撑，在ansys中可以采用弹簧单元来进行模拟，弹性模量的选取可以由电机所采用的轴承来确定。
（f）6阶
2有限元结果与分析
在转子振动特性不明确的情况下，一般可以
（g）7阶
逐阶进行模态分析，观察其变化趋势和特点。本文从1阶至8阶进行了逐一分析，分析结果见表2所示，其模态云图见图3所示。
表2
阶数1阶2阶3阶4阶5阶6阶7阶8阶转子前8阶固有频率和振型表
频率/Hz0.1133.1
振型转子无振动转子整体周向振动转子整体周向振动两端弯曲振动两端扭转振动两端径向振动转子扭转振动转子扭转振动
（h）8阶
图3转子模态
1662.31671.32469.42475.64242.14249.3（a）1阶
图4坎贝尔图
由转子的临界转速与固有频率关系式：np——临界转速，式中：r/min；
（b）2阶
np=60f（4）
f——固有频率，Hz。
38可以求得转子临界转速如表3所示。
表3
阶数3456固有频率/Hz1662.31671.32469.42475.6机电技术2015年10月到6阶对应临界转速值。
转子临界转速
临界转速（/r/min）
99738
3结论
通过仿真分析，掌握了某高速永磁电机转子
的振动特性和振型；电机转子3至6阶系统下固定振动频率对应的临界转速远远大于电机额定转速，因此不会产生共振；同时通过模态云图还掌握了该类电机转子的模态特点。对同类型电机转子的振动分析具有一定的借鉴意义。
100278148164148536由坎贝尔图（见图4）可知，临界转速为3到6阶对应值，而电机工作转速为60000r/min，低于3
参考文献:
[1]冯春亮，张高丽，封旭升，等.基于ANSYS小型食品机械用电机转子模态分析[J].包装与食品机械，2012（4）:66-68.[2]刘刚，张卫，陈强.基于ANSYS的航空电机转子振动分析[J].微特电机，2014（42）:47-48.[3]许贞俊，史忠震.基于ANSYS的无刷直流电机转轴的模态分析[J].现代机械，2013（8）:29-31.
[4]康利君，李瑞琴，杨伟，等.一种柔顺五杆机构的动力学建模与仿真[J].机械传动，2013（37）:39-42.
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3结束语
无线收发模块强大的功能可以嫁接到很多现
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有基础设施上，从而使现有基础设施变得更加人性化与实用化。本文只是介绍了其中一部分功能在公交系统上的应用，从而解决了现有公交系统上的不足。实验及调研结果表明，利用本文设计的电子站牌，可以大大提高公交车的工作效率与乘客的出行舒适度，市场前景广阔。当然，本系统设计中还存在一些不足之处，如系统实际工作的稳定性还有待于提高等，系统还需要继续完善。
参考文献：
[1]周小平.LED显示屏及其扫描电路的硬件及软件实现[J].印刷电路信息，2005（1）.[2]庞家成.多功能LED信息显示屏的设计[J].现代显示技术，2006（9）.[3]常玉林，胡启洲.城市公交线网优化的线性模型[J].中国公路学报，2005（18）.