基于諧響應分析方法的微型電機振動失效分析
陳和詩l，賈方1，張德峰l，洪著財2
（1東南大學，江蘇南京211189；2江蘇斯菲爾電氣有限公司，江蘇江陰214429）
摘要：以hoerbicer微型電機為研究對象，建立了電機單自由度動力學模型，列出碳刷一扭簧系統的運動微分方程，采用諧響應分析方法求解系統的幅頻響應特性。通過有限元軟件計算獲得在簡諧激振下碳刷一扭簧系統的幅頻響應特性曲線。分析結果表明，電機轉速對電機振動幅度影響較大。根據所獲得的電機轉速與振動規律，合理地選擇電機轉速，可以避開系統可能出現的共振及跳躍等不穩定現象，從而有效地避免電機的振動失效對電機壽命試驗的影響，為合理確定電機壽命提供理論分析依據。
關鍵詞：微型電機；碳刷扭簧；振動失效；諧響應；壽命
中圖分類號：tm38 文獻標識碼：a 文章編號：1004-7018(2010)07-0015-04
0引言
微型電機指直徑小于160 mm或額定功率小于750 w或具有特殊性能、特殊用途的電機。微型電機品種多達5 000余種，已廣泛應用于太空和軍事裁具、汽車、機器人等領域。為了滿足不同領域的應用要求，微型電機應具有更高的可靠性和更長的壽命。在微型電機型式試驗和可靠性試驗中，電機壽命試驗最為耗時耗力。無論電機壽命試驗還是電機實際應用中，選擇合理的轉速，都可以避開電機共振區，避免電機因振動失效而縮短壽命。
目前關于電機振動特性的研究主要集中在大中型電機上，其中大部分研究集中在電機定子結構振動特性上，也有部分學者研究電機的轉子振動特性取得了大量的研究成果[2-3]。但是由于微型電機結構、尺寸與大中型電機存在較大差異，導致大中型電機的振動特性的研究成果不適用于微型電機振動特性研究。當今對微型電機的研究主要集中在超微電機、超聲波電動機等特種電機領域，對于常規微型電機的研究也主要關于噪聲控制，針對結構動力學特性研究較少，而電機動力學特性研究對降低電l機振動失效，延長電機壽命至關重要。我國微型電機技術主要依靠國外引進，近十年來，微型電機行業吸引了大批外商投資。許多新品交貨時，常常因為振動對壽命測試影響的標準不同而有爭議，因此研究微型電機振動失效問題，力電機壽命測試制定標準，具有極其重要的工程意義。
本文以寶馬汽車專用車載hoerbicer微型電機為研究對象，針對該型壽命測試試驗中振動失效；對電機壽命影響存在爭議的問題，提出采用諧響應分析方法來分析電機動力響應特性。在分析ho-erbiger型電機結構的基礎上，建立了電機碳刷扭簧系統的三維cad模型，采用hypermesh建立有限元模型；將該模型導人ansys中進行諧響應分析，得出電機的諧振幅頻響應特性曲線，從而確定電機的固有頻率及共振區。該分析結果為在滿足寶馬公司對車載電機的轉速、運行條件及可靠性要求的前提下，合理選擇電機拖動負載進行周期性變速命測試試驗中的轉速提供了理論依據；為最終解決供需雙方在振動失效對電機壽命影響的爭議問題提供幫助。
1微型電機系統分析
1.1電機機械結構分析
圖l為hoerbicer微型電機的端面視圖。該電機由定子和轉子兩部分組成，碳刷經扭簧壓緊在換向器上，電機轉子通過碳刷和換向器從外部獲得電能。
碳刷只能在如圖1所示的水平方向移動。碳刷一扭簧系統阻尼很小，可略去阻尼，簡化為單自由度無阻尼振動系統，如圖2所示。系統運動方程為：
式中：m為碳刷質量；k為扭簧水平方向等效剛度；x(t)為碳刷位移；f(t)為換向器對碳刷一扭簧系統的激勵。
1 2碳刷一扭簧系統承受激勵特征分析
電機工作時，轉子勻速轉動。電機換向器外圓每一點在沿碳刷移動方向做簡諧運動。如圖3所示，換向器外圓均勻分布7個溝槽，電機轉動時換向器外圓不光滑導致碳刷在水平方向移動，即碳刷水平方向受到簡諧激勵。因此電機轉動時換向器給碳刷以7倍電機轉速 |
