关于定子耦合模型分析的研究

本白皮书讨论了Johan Ihsan Mahmood关于定子耦合模型分析的研究。该研究旨在优化定子联轴器的设计，以通过有限元分析提高其固有频率。使用ABAQUS软件在定子联轴器的设计和开发中进行了有限元分析。增加联轴器中心孔的尺寸，并在结构的柔性部分引入加强筋，增加了联轴器的固有频率。

抽象的

在这项研究中，有限元分析被用来优化定子联轴器的设计，以增加其固有频率。通过设计迭代和分析，发现通过增加联轴器的中心孔直径，以及在结构的柔性部分引入加强筋，固有频率将从最初的714 Hz设计提高到优化的1611赫兹。

介绍

联轴器是一种主要用于连接两个轴以传递动力或旋转的装置。在运动控制应用中，转子联轴器用于将编码器连接到电机轴（转子部分），而定子联轴器用于将编码器连接到电机壳体（定子部分）。转子联轴器与电动机轴一起旋转，而定子联轴器在电动机运行期间保持静止。正确的联轴器设计对于编码器在检测轴的转速和位置时发挥良好作用至关重要。由于电动机可以以任何转速或频率旋转，因此编码器使用的联轴器应设计成具有较高的固有频率，高于电动机的工作频率范围，以避免系统发生共振。谐振是电动机的工作频率与联轴器的固有频率一致的条件。发生这种情况时，耦合可能会以高振幅振荡，并且随着该振幅的增加，可能会发生过早的故障。进行这项研究的主要目的是使用有限元分析来确定耦合的固有频率。在制造耦合器之前，可以优化和微调耦合器的设计以实现高固有频率。这将避免不必要的设计修改，并节省开发时间和成本。进行这项研究的主要目的是使用有限元分析来确定耦合的固有频率。在制造耦合器之前，可以对耦合器的设计进行优化和微调，以实现较高的固有频率。这将避免不必要的设计修改，并节省开发时间和成本。进行这项研究的主要目的是使用有限元分析来确定耦合的固有频率。在制造耦合器之前，可以对耦合器的设计进行优化和微调，以实现较高的固有频率。这将避免不必要的设计修改，并节省开发时间和成本。

转子和定子联轴器

转子联轴器通常由具有弹性（弹簧状）设计（图1）的弹性体，聚合物或金属等材料制成，以提高灵活性。该联轴器有助于轴的径向和轴向对齐。它还必须能够承受由于电动机的角加速度而产生的巨大转矩。定子联轴器（图2）通常由钢制成，并且设计成挠性的，以便承受轴向或径向轴的不对准。定子联轴器仅承受来自编码器质量的静载荷，并且轴承中的摩擦力导致产生非常低的扭矩。

转子联轴器（螺旋设计）

定子联轴器

图3显示了一个典型配置，该结构显示了转子和定子联轴器如何组装到系统中。为了理解联轴器在机械系统中的相互作用，构造了一个自由体图（图4）。当转子联轴器与轴一起旋转时，将问题作为扭转自由度系统进行分析。与编码器（I）的质量惯性矩相比，电机的质量惯性矩非常大。可以认为电动机是静止的（固定的），并且轴，联轴器和编码器在扭转系统中串联连接。电机轴的抗扭刚度（Kt1）通过转子联轴器以（Kt2）的抗扭刚度连接到编码器轴，抗扭刚度为（Kt3）。如果两个轴的扭转刚度（Kt1＆

转子联轴器（左）和定子联轴器（右）

转子联轴器（左）和定子联轴器（右）

可以使用以下公式（公式1）估算扭转系统的固有频率。可以看出，随着耦合刚度（Kt）的增加，固有频率（Fn）也增加，并且随着力矩惯量或转子（I）的增加，固有频率（Fn）减小。由于其扭转自由度，转子联轴器具有与定子联轴器相比具有较低固有频率的缺点。

在定子联轴器的情况下，该问题可以通过弹簧质量振动系统简化。该系统由一个编码器质量块（M1）组成，该质量块带有一个来自具有刚度（K1）的轴的弹簧和一个来自带有刚性（K2）的定子联轴器的组合有效弹簧。与编码器的质量相比，电机的质量被认为非常大，并且被认为是静止的。在此分析中仅考虑编码器的质量。由于定子联轴器的复杂形状可能会以多个自由度振动，因此使用有限元方法进行的计算分析可用于求解固有频率和振型。定子联轴器由于其稳定性和高固有频率而在高动态应用中是首选。为了获得最佳性能，

有限元建模

使用ABAQUS软件在定子联轴器的设计和开发中进行了有限元分析。定子联轴器的初始设计如图4所示。它的物理外形尺寸为50×50 mm，高度为10 mm。联轴器的顶部连接到编码器，而底座则连接到电机壳体。联轴器由厚度为0.2毫米的不锈钢制成。

定子联轴器（初始设计）

有限元模型如图5所示。对轴承座进行了完整建模，但对编码器进行了简化造型。为了简化分析，假定编码器的质量为集总质量，但仍保持与实际编码器相同的质量。这样，我们就可以消除编码器中任何不会影响整体振动模式的局部无关紧要的模式。Lanczos本征求解器算法用于求解固有频率和振型。

定子耦合有限元模型

高固有频率的耦合设计优化

然后，对联轴器的设计进行优化，以实现更高的固有频率。首先，研究联轴器中心孔的影响。卸下联轴器的中心孔后，固有频率降至661Hz（图7）。当中心孔直径增加时，固有频率增加。当孔直径为30mm时，记录到1133Hz的固有频率。设计迭代的第一个自然频率产生的模式形状如下所示：

编辑：hfy