一种基于有限元建模方法的高功率密度维特电机动力学分析方法技术

本发明专利技术设计基于有限元建模方法的高功率密度维特电机动力学分析方法。本发明专利技术公开了一种高功率密度维特电机的有限元建模方法下的动力学分析方法，针对高功率密度的设计要求，采用了Halbach型永磁阵列的维特电机作为对象，同时考虑微尺度下转子系统动力学及非线性特性问题，结合有限元建模和动力学分析，建立了实体模型；进一步地，针对微尺度下转子系统存在的摩擦、磨损与润滑所带来的振动问题，采用模态分析方法进行解决；最后，考虑到转子高速运动及机电耦合非线性动力学问题，进行瞬态动力学分析，采用振型叠加法对系统动力学方程进行解耦单独分析。本发明专利技术能够解决高功率密度维特电机高效、稳定的动力学分析问题。稳定的动力学分析问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元建模方法的高功率密度维特电机动力学分析方法


[0001]本专利技术设计高功率密度维特电机的有限元建模方法下的动力学分析策略，涉及高功率密度维特电机的实体模型建立、高功率密度维特电机的模态分析和基于振型叠加法的高功率密度维特电机瞬态动力学分析。

技术介绍

[0002]本专利技术所针对的有限元建模方法下的维特电机是微机电系统中的动力部分，在光学系统、航空航天、医疗等领域都有着广泛应用[T.C.Neugebauer,D.J.Perreault,J.H.Lang,and C.Livermore,“A six
‑
phase multilevel inverter for MEMS electrostatic induction micro
‑
motors,”IEEE Trans.Circuits Syst.II,Exp.Briefs,vol.51,no.2,pp.49
–
56,Feb.2004.]。在文献[Z.Liu,Y.Xiang and Y.Zhou,"Finite Element Modeling Method and Modal Analysis of a High Temperature Superconducting Motor,"in IEEE Transactions on Applied Superconductivity,vol.31,no.8,pp.1
‑
4,Nov.2021,Art no.5206304,doi:10.1109/TASC.2021.3101765.]以高温超导电机为研究对象，对复杂的定子线圈端部和对称的冷却管道进行等效质量建模，以简化整机有限元模型，通过对有限元模型的合理简化，完成了整个电机的模态仿真，然后完成了样机试验，验证了仿真结果的合理性。文献[J.
‑
H.Lee,Y.
‑
C.Kwon and S.
‑
K.Sul,"High
‑
Fidelity Induction Motor Simulation Model Based on Finite Element Analysis,"in IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.69,no.10,pp.9872
‑
9883,Oct.2022,doi:10.1109/TIE.2022.3163556.]提出了一种基于有限元分析(FEA)的感应电机(IM)的新的高保真模拟模型，可以高度准确地表示IM的非理想特征，如磁饱和、空间谐波、偏移和饱和引起的突出性。为了构建拟议的模型，引入了鼠笼式转子的dq等效电路，并在此基础上，进行了静态有限元分析，与传统的时间步进有限元分析技术相比，可以加速模型的构建。文献[S.Williamson,L.H.Lim and M.J.Robinson,"Finite
‑
element models for cage induction motor analysis,"in IEEE Transactions on Industry Applications,vol.26,no.6,pp.1007
‑
1017,Nov.
‑
Dec.1990,doi:10.1109/28.62370.]提出了两种使用有限元预测笼式感应电机性能的方法。第一种适用于稳态分析，使用定子的相位带模型和转子的单槽模型。第二种方法适用于瞬态分析，使用机器的时间步进耦合电路模型，以及用于更新电路参数的磁静力学有限元场解决方案。本专利技术设计高功率密度维特电机的有限元建模方法下的动力学分析，对高功率密度维特电机优化设计具有重要的意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对维特电机高效、稳定的动力学分析问题，通过基于有限元建模的高功率密度下的维特电机动力学分析方法，提升维特电机动力学分析的完整性和高效性。
[0004]本专利技术通过对Halbach型永磁阵列的高功率密度维特电机的实体模型的建立，将系统非线性特性考虑进系统微分方程组，进而综合模态分析方法分析系统存在的振动问题，利用瞬态动力学分析法，通过振型叠加法对系统微分方程组进行系统解耦分析，提升维特电机动力学分析的完整性和高效性。
[0005]基于有限元建模方法的高功率密度维特电机动力学分析方法包括：
[0006]首先，通过分析微尺度下转子系统动力学及非线性特性问题，微尺度下转子系统的摩擦、磨损与润滑问题，建立具有两相PCB的维特电机实体模型，其中顶层绕组方程为υ1，底层绕组方程为υ2，结合电磁转矩T
e
和运动方程，得到系统微分方程组；然后，针对微尺度下转子系统存在的摩擦磨损与润滑所带来的振动问题，忽略阻尼C的影响，通过模态分析建立以质量M和刚度K为参数的关于位移的无阻尼自由振动微分方程其中，为加速度向量，u为位移向量，将其转化为特质值方程求解系统的无阻尼固有频率ω
i
及其对应的主振型；最后，通过分析转子高速运动及机电耦合非线性动力学问题，将系统阻尼矩阵C视为Rayleigh阻尼，与系统振型矩阵Φ满足正交关系，采用振型叠加法将关于位移的系统振动方程解耦为一系列单自由度运动方程其中q
i
(t)为振型矩阵Φ的逆矩阵Φ
‑1与位移向量u(t)的内积的第i个行向量，ζ
i
为振型阻尼比，ω
i
为固有频率，p
i
(t)为外荷载向量p(t)的第i个行向量分量。再利用Duhamel积分进行求解。
附图说明
[0007]图1为本专利技术有限元建模方法下的高功率密度维特电机动力学分析结构示意图
[0008]具体步骤
[0009]下面针对高功率密度下的维特电机动力学分析，结合附图详细描述本专利技术的技术方案
[0010]如图1所示，本专利技术所设计的基于有限元建模方法的高功率密度维特电机动力学分析，主要包括高功率密度维特电机的实体模型建立、高功率密度维特电机的模态分析和基于振型叠加法的高功率密度维特电机瞬态动力学分析。
[0011]步骤1：针对高功率密度电机，通过分析微尺度下转子系统动力学及非线性特性问题，微尺度下转子系统的摩擦、磨损与润滑问题，建立具有两相PCB的维特电机的实体模型，顶层绕组方程为：底层绕组方程为：其中，υ1(t)和υ2(t)分别为顶层和底层绕组的相电压，i1(t)和i2(t)分别为顶层和底层绕组的相电流，R1和R2分别为顶层和底层绕组的电阻，L1(t)和L2(t)分别为顶层和底层绕组的相电感，e1(t)和e2(t)分别为顶层和底层绕组的反电动势。结合电磁转矩和运动方程其中ω为角速度，p为极对数，θ为电角度，J为转子系统转动惯量，T
d
为转子系统摩擦、磨损下的干扰转矩，T
L
为负载转矩，得出系统微分方程组。
[0012]步骤2：考虑到微尺度下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元建模方法的高功率密度维特电机动力学分析方法，其特征在于，包括高功率密度维特电机有限元建模方法下的实体模型的建立、高功率密度维特电机的模态分析、基于振型叠加法的高功率密度维特电机瞬态动力学分析。2.根据权利要求1所述的高功率密度维特电机有限元建模方法下的实体模型的建立，其特征在于，考虑到维特电机高功率密度的要求，采用Halbach型永磁阵列的排布方案，并对其进行了有限元建模。3.根据权利要求1所述的高功率密度维特电机有限元建模方法下的实体模型的建立，其特征在于，通过分析微尺度下转子系...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇，余政，梁炯炯，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：