CN113742952B - 永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法、系统、介质及设备，此方法包括步骤：建立电机转子系统有限元模型，进行模态仿真计算；对转子系统进行模态测试，得到模态测试结果，来修正转子系统有限元模型；计算转子系统中各零部件接触面在预紧力载荷下的接触压力；通过转子系统接触压力试验获取转子系统中各零部件接触面的试验压力；根据获取的各零部件接触面的试验压力，修正预紧力载荷；基于修正后的转子系统有限元模型，对转子系统进行仿真评估。本发明具有仿真模型与实际情况相符、仿真结果精度高等优点。

Description

永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法及系统
技术领域
本发明主要涉及转子结构仿真技术领域，特指一种永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法、系统、介质及设备。
背景技术
近年来随着新能源汽车的快速发展，永磁驱动电机转速越来越高，电机的可靠性问题也日益重要。为了在设计初期确定合理参数、减少设计变更、保证产品性能满足要求，在设计过程中常采用有限元仿真校核产品的可靠性。在有限元结构仿真工作中，需要建立准确的有限元模型，并根据试验数据修正仿真模型参数和边界条件，即采用混合建模的方法来对产品的强度进行评估。
其中永磁电机转子在工作状态下主要承受有离心力载荷、热应力载荷和预紧力载荷，通常离心力载荷和热应力载荷可由转子转速和温度场分布确定，而预紧力载荷由紧固获得的轴向夹紧力确定。实际受摩擦系数、表面处理状态、工艺方法等影响，理论设计与实际情况有所偏差。而转子铁心由硅钢片叠压制成，其材料属性呈正交各向异性，变形特性复杂，有限元模型中必须校核三个方向的材料参数。因此，如何考虑紧固的离散性和铁心材料参数对转子强度的影响，构建精确的仿真模型，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种仿真精度高的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法、系统、介质及设备。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法，包括：
建立电机转子系统有限元模型，进行模态仿真计算；
对转子系统进行模态测试，得到模态测试结果，来修正转子系统有限元模型；
计算转子系统中各零部件接触面在预紧力载荷下的接触压力；
通过转子系统接触压力试验获取转子系统中各零部件接触面的试验压力；
根据获取的各零部件接触面的试验压力，修正预紧力载荷；
基于修正后的转子系统有限元模型，对转子系统进行仿真评估。
作为上述技术方案的进一步改进：
按照从零部件级到系统级的顺序，依次进行转子零部件和转子系统的模态仿真和模态测试。
通过调整转子系统中各零部件材料参数和接触条件来修正转子系统有限元模型。
其中转子铁心的材料参数为：密度、正交坐标系三个方向的弹性模量、正交坐标系三个平面的剪切模量、泊松比中的一种或多种。
通过压力试纸来测量各零部件接触面的试验压力。
具体地，通过压力试纸来测量各零部件接触面的试验压力的过程为：在装配转子系统时，按照装配顺序依次在转子系统中的转轴的轴肩与前压圈之间的第一接触面、前压圈与转子铁心之间的第二接触面、转子铁心与后压圈之间的第三接触面、后压圈与圆螺母之间的第四接触面上放置压力试纸；装配好后，按照设计值对圆螺母施加紧固扭矩；
拆解装配好的转子系统，查看第一接触面、第二接触面、第三接触面、第四接触面处的压力试纸结果，其中压力试纸通过颜色的深浅能够体现接触面承受的最大压力。
通过薄膜压力传感器来测量各零部件接触面的试验压力。
修正预紧力载荷的过程为：调整预紧力载荷数值，直至各零部件间接触压力仿真结果与试验结果吻合。
修正预紧力载荷的过程为：根据各零部件接触面的试验压力，在转子系统中的前压圈、后压圈表面对应半径区域内施加相应幅值的压力载荷。
初始预紧力载荷由转子系统中的圆螺母紧固扭矩推算得到。
本发明还公开了一种永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证系统，包括：
第一模块，用于建立电机转子系统有限元模型，进行模态仿真计算；
第二模块，用于对转子系统进行模态测试，得到模态测试结果，来修正转子系统有限元模型；
第三模块，用于计算转子系统中各零部件接触面在预紧力载荷下的接触压力；
第四模块，用于通过转子系统接触压力试验获取转子系统中各零部件接触面的试验压力；
第五模块，用于根据获取的各零部件接触面的试验压力，修正预紧力载荷；
第六模块，用于基于修正后的转子系统有限元模型，对转子系统进行仿真评估。
本发明进一步公开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，所述计算机在被处理器运行时执行如上所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法的步骤。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机在被处理器运行时执行如上所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的永磁同步电机转子系统结构仿真及试验验证方法、系统、介质及设备，将结构仿真和试验相结合，根据模态测试结果和各零部件接触面的试验压力，调整各零部件的材料参数和接触条件，修正预紧力载荷，解决了电机轴向预紧的离散性和转子铁心材料力学特性复杂的问题，使得构建的仿真模型更加符合实际情况，从而使得后续的仿真工作更加精准可靠。
本发明的永磁同步电机转子系统结构仿真及试验验证方法、系统、介质及设备，各零部件的模态仿真、测试和模型修正工作可独立同步开展，从而提高整体工作效率。
附图说明
图1是本发明的方法在实施例的流程图。
图2是本发明中转子结构的二维结构示意图。
图3是本发明中压力试纸的测试结果图：其中(a)为铁心与后压圈接触面的压力试纸测试结果；(b)为后压圈与圆螺母接触面的压力试纸测试结果。
图4是本发明中的压力载荷施加示意图。
图中标号表示：1、转轴；2、前压圈；3、转子铁心；4、后压圈；5、圆螺母；201、第一接触面；202、第二接触面；203、第三接触面；204、第四接触面。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的永磁同步电机转子系统结构仿真及试验验证方法，包括以下步骤：
步骤一、建立电机转子系统有限元模型，进行模态仿真计算；
步骤二、对转子系统进行模态测试，得到模态测试结果，来修正转子系统有限元模型；
步骤三、计算转子系统中各零部件接触面在预紧力载荷下的接触压力；
步骤四、通过转子系统接触压力试验获取转子系统中各零部件接触面的试验压力；
步骤五、根据步骤四中获取的各零部件接触面的试验压力，修正预紧力载荷；
步骤六、基于修正后的转子系统有限元模型，对转子系统进行仿真评估。
本发明的永磁同步电机转子系统结构仿真及试验验证方法，将结构仿真和试验相结合，根据模态测试结果和各零部件接触面的试验压力，调整各零部件的材料参数和接触条件，修正预紧力载荷，解决了电机轴向预紧的离散性和转子铁心材料力学特性复杂的问题，使得构建的仿真模型更加符合实际情况，从而使得后续的仿真工作更加精准可靠。
本实施例中，在步骤二中，根据模态测试获取转子系统的固有频率和模态振型，通过调整零部件材料参数和接触条件修正模型，其中修正转子铁心3的材料参数为：密度、正交坐标系三个方向的弹性模量、正交坐标系三个平面的剪切模量、泊松比。另外由于永磁体具有较强磁场，可采用多普勒激光测振仪等非接触式传感器，来拾取转子系统表面振动数据。
本实施例中，在步骤四中，转子系统接触压力试验可采用压力试纸或薄膜压力传感器等来测量各零部件接触面压力，其外形尺寸需与各部件间接触面相吻合。在试验时，需保证压力试纸或薄膜压力传感器与转子零部件之间不发生相对滑动。
本实施例中，在步骤五中，修正预紧力可采用两种方法，方法一是调整预紧力数值，直至零部件间接触压力仿真结果与试验结果吻合；方法二则根据压力试纸结果，在前压圈2、后压圈4表面对应半径区域内施加相应幅值的压力载荷，前压圈2、后压圈4施加压力载荷的区域和方向呈镜像对称。
本实施例中，各零部件的模态仿真、测试和模型修正工作可独立同步开展，从而提高整体工作效率。
下面以圆螺母5紧固预紧的永磁同步电机转子为例，其中转子系统(或叫转子结构)如图2所示，电机转子系统主要部件有：转轴1、前压圈2、转子铁心3、后压圈4和圆螺母5，对应的方法步骤为：
1)建立电机转子系统的有限元模型，进行模态仿真计算；其中转子铁心3材料特性设定为正交各向异性；
2)对转子系统进行模态测试，根据模态测试的固有频率和振型，修正各零部件的材料参数和接触条件；对于转子铁心3，调整的材料参数为密度、正交坐标系三个方向的弹性模量、正交坐标系三个平面的剪切模量、泊松比；
3)转子系统有限元模型修正后，在转轴1上施加预紧力载荷，计算转子在预紧力载荷下的等效应力和接触压力；其中初始预紧力载荷可由圆螺母5紧固扭矩推算；
4)进行转子系统接触压力测试试验，在装配转子结构时，按照装配顺序依次在转轴1的轴肩与前压圈2之间的第一接触面201、前压圈2与转子铁心3之间的第二接触面202、铁心3与后压圈4之间的接触面203、后压圈4与圆螺母5之间的接触面204上放置压力试纸，装配好后，按照设计值对圆螺母5施加紧固扭矩；
5)拆解装配好的转子，查看各接触面压力试纸结果，其中压力试纸通过颜色的深浅能够体现接触面承受的最大压力；图3中(a)和(b)分别为转子铁心3与后压圈4之间的第三接触面203、后压圈4与圆螺母5之间的第四接触面204上的压力试纸结果，从图3中能够看出，各接触面不同半径区域内承受的压力并不相等；
根据上述获取的各零部件接触面的压力试纸结果，来修正转子预紧力载荷，具体采用两种方法：方法一是调整预紧力数值，直至各接触面的接触压力仿真结果与试验结果吻合；方法二则根据压力试纸结果，在前压圈2和后压圈4表面对应半径区域内施加相应幅值的压力载荷；以后压圈4为例，在后压圈4外表面区域Ⅰ内施加压力载荷A、区域Ⅱ内施加压力载荷B、区域Ⅲ内施加压力载荷C，模拟预紧力载荷，如图4所示；
6)基于上述修正后的转子系统有限元模型，做进一步的仿真评估工作，仿真内容包括但不限于转子静强度仿真计算、有预应力的模态计算、转子临界转速计算、转子不平衡响应计算等。
本发明还公开了一种永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证系统，包括：
第一模块，用于建立电机转子系统有限元模型，进行模态仿真计算；
第二模块，用于对转子系统进行模态测试，得到模态测试结果，来修正转子系统有限元模型；
第三模块，用于计算转子系统中各零部件接触面在预紧力载荷下的接触压力；
第四模块，用于通过转子系统接触压力试验获取转子系统中各零部件接触面的试验压力；
第五模块，用于根据获取的各零部件接触面的试验压力，修正预紧力载荷；
第六模块，用于基于修正后的转子系统有限元模型，对转子系统进行仿真评估。
本发明的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证系统用于执行如上所述的方法，同样具有如上方法所述的优点。
本发明进一步公开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，所述计算机在被处理器运行时执行如上所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法的步骤。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机在被处理器运行时执行如上所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法的步骤。
本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法，其特征在于，包括步骤：
建立电机转子系统有限元模型，进行模态仿真计算；
对转子系统进行模态测试，得到模态测试结果，来修正转子系统有限元模型；
计算转子系统中各零部件接触面在预紧力载荷下的接触压力；
通过转子系统接触压力试验获取转子系统中各零部件接触面的试验压力；
根据获取的各零部件接触面的试验压力，修正预紧力载荷；
基于修正后的转子系统有限元模型，对转子系统进行仿真评估；
通过压力试纸来测量各零部件接触面的试验压力；
通过压力试纸来测量各零部件接触面的试验压力的过程为：在装配转子系统时，按照装配顺序依次在转子系统中的转轴(1)的轴肩与前压圈(2)之间的第一接触面(201)、前压圈(2)与转子铁心(3)之间的第二接触面(202)、转子铁心(3)与后压圈(4)之间的第三接触面(203)、后压圈(4)与圆螺母(5)之间的第四接触面(204)上放置压力试纸；装配好后，按照设计值对圆螺母(5)施加紧固扭矩；
拆解装配好的转子系统，查看第一接触面(201)、第二接触面(202)、第三接触面(203)、第四接触面(204)处的压力试纸结果，其中压力试纸通过颜色的深浅能够体现接触面承受的最大压力。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法，其特征在于，按照从零部件级到系统级的顺序，依次进行转子零部件和转子系统的模态仿真和模态测试。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法，其特征在于，通过调整转子系统中各零部件材料参数和接触条件来修正转子系统有限元模型。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法，其特征在于，其中转子铁心(3)的材料参数为：密度、正交坐标系三个方向的弹性模量、正交坐标系三个平面的剪切模量、泊松比中的一种或多种。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法，其特征在于，通过薄膜压力传感器来测量各零部件接触面的试验压力。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法，其特征在于，修正预紧力载荷的过程为：调整预紧力载荷数值，直至各零部件间接触压力仿真结果与试验结果吻合。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法，其特征在于，修正预紧力载荷的过程为：根据各零部件接触面的试验压力，在转子系统中的前压圈(2)、后压圈(4)表面对应半径区域内施加相应幅值的压力载荷。
8.根据权利要求1～4中任意一项所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法，其特征在于，初始预紧力载荷由转子系统中的圆螺母(5)紧固扭矩推算得到。
9.一种永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证系统，用于执行如权利要求1～8中任意一项所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法的步骤，其特征在于，包括：
第一模块，用于建立电机转子系统有限元模型，进行模态仿真计算；
第二模块，用于对转子系统进行模态测试，得到模态测试结果，来修正转子系统有限元模型；
第三模块，用于计算转子系统中各零部件接触面在预紧力载荷下的接触压力；
第四模块，用于通过转子系统接触压力试验获取转子系统中各零部件接触面的试验压力；
第五模块，用于根据获取的各零部件接触面的试验压力，修正预紧力载荷；
第六模块，用于基于修正后的转子系统有限元模型，对转子系统进行仿真评估。
10.一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，所述计算机在被处理器运行时执行如权利要求1～8中任意一项所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法的步骤。
11.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机在被处理器运行时执行如权利要求1～8中任意一项所述的永磁同步电机转子系统结构仿真与试验验证方法的步骤。
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