基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法技术

本申请提供一种基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法，包括以下步骤：基于ANSYS建立电机定子和转子组件的几何模型；确定定子和转子组件的材料并分别对定子和转子组件进行网格划分，加载设置压电陶瓷压电属性并施加约束边界，获得电机机电模型；获取电机的温度场、随机振动场以及离心力场；选取三个数据模块分别读取温度场、随机振动场和离心力场，将三个数据模块作为电机机电模型的参数设置选项；插入频响曲线功能、阻抗曲线功能、结点力功能，获得电机实际工作下的工作频率和工作振幅、电压组件阻抗和堵转力矩。本申请提供的基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法可以在综合环境下获得更全面的电机输出特性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法


[0001]本公开一般涉及机电仿真与多应力耦合仿真
，具体涉及一种基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法。

技术介绍

[0002]超声电机具有定位和速度控制精度高、结构设计灵活，易实现装置的小型化和轻量化，不受也不会产生电磁干扰等优点，广泛用于精密驱动等相关领域，随着技术的成熟，超声电机也非常适用于各类武器装备和航天器的驱动器与私服系统中。美国“机遇号”和“好奇号”火星车，我国某型号制导弹药、嫦娥5号、张衡一号探测器均应用了超声电机，但是其核心部件与关键工艺均为进口引进，在核心工业国产化替代的迫切需求形势下，我们还有许多技术需要研究和突破。与民用超声电机不同，应用在导弹或航天器上的超声电机会随着飞行器一起经历恶劣的综合发射环境，甚至需要在一些综合飞行环境中工作，此时，超声电机出现各类工作性能超差或故障失效的概率将明显增大，为了保障超声电机在武器与航天器上高可靠使用，研究发射阶段恶劣的综合环境对超声电机工作特性的影响具有重要意义。
[0003]关于环境对超声电机的影响，在国外，许多研究者率先开展了电机在非常态和真空环境、尤其是超高低温下的工作性能研究以及相关的探索性工作，但基本只有试验结论的报道，许多关键数据并未公开。在国内，一些在超声电机研制方面有一定技术积累和经验的研究所和高校，其研究一方面偏重于民用领域，一方面集中在高低温等单环境应力下的，因此关于特殊综合环境对超声电机工作性能的影响未见有相关文献报道。研究综合环境可靠性可通过试验手段、分析实际任务数据开展，但是一方面综合环境试验往往会受现有试验设备能力限制，另一方面超声电机在武器、航天器上应用的数据还非常少或者不适用，由此，本文利用仿真软件开展以温度、随机振动、离心三综合为典型发射环境的可靠性仿真，获得经过单应力试验修正与验证的综合环境可靠性仿真模型，研究综合环境对超声电机工作输出特性影响，将是一个有前景的技术解决途径。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法以解决上述问题。
[0005]本申请提供一种基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法，包括以下步骤：
[0006]S100、基于ANSYS建立电机定子组件和转子组件的几何模型；
[0007]S200、基于ANSYS确定所述定子组件和转子组件的材料并分别对定子组件和转子组件进行网格划分，加载设置压电陶瓷压电属性并施加约束边界，获得电机机电模型；
[0008]S300、基于ANSYS通过所述电机机电模型获取电机的温度场、随机振动场以及离心力场，所述温度场用于表征电机的温度应力分布，所述随机振动场用于表征所述电机的随
机振动分布，所述离心力场用于表征电机的离心应力分布；
[0009]S400、基于ANSYS选取三个数据模块分别读取所述温度场、随机振动场和离心力场，将三个所述数据模块分别添加至所述电机机电模型作为模型的参数设置选项，得到综合环境下的电机机电模型；
[0010]S500、基于ANSYS在所述综合环境下的电机机电模型插入频响曲线功能以获得电机的工作频率和工作振幅、插入阻抗曲线功能以获得电压组件阻抗、插入结点力功能以获得堵转力矩。
[0011]根据本申请实施例提供的技术方案，获取所述温度场的方法为：
[0012]基于所述电机机电模型，计算电机工作状态下的热损耗；
[0013]根据所述热损耗获得电机每个位置的热载荷，将热载荷施加到稳态热分析模块中；
[0014]在所述稳态热分析模块中设置热边界；
[0015]求解所述稳态热分析模块并将结果添加至静力分析模块，在所述静力分析模块中施加预紧力并求解得到所述温度场。
[0016]根据本申请实施例提供的技术方案，计算所述热损耗的公式如下：
[0017][0018]T
y
＝F
n
·
μ，
[0019]其中，U为电机输入电压，I为电机输入电流，n为电机转速，T2为输出力矩、T
y
为预紧力力矩，F
n
为施加的预紧力，μ为定子齿面与转子的摩擦系数，P
R
为压电陶瓷的结构内损耗和介点损耗，P
f
为定子和转子接触面的摩擦损耗，P
s
为定子振动引起的结构内损耗。
[0020]根据本申请实施例提供的技术方案，施加所述热载荷的方法为：
[0021]在所述稳态分析模块中，将P
f
作为荷载施加在摩擦材料表面，将P
R
以第一生热率q
R
荷载形式添加到整个压电陶瓷体内，将P
R
以第二生热率q
s
荷载形式添加到定子整体中，所述第一生热率q
R
的计算公式如下：
[0022][0023]其中，V
R
为压电陶瓷体积；
[0024]所述第二生热率q
s
的计算公式如下：
[0025][0026]其中，V
s
定子体积。
[0027]根据本申请实施例提供的技术方案，获取所述随机振动场的方法为：
[0028]基于所述电机机电模型，在静力分析模块中施加预紧力，求解所述静力分析模块得到由所述预紧力引起的第一预应力场；
[0029]将所述第一预应力场添加至模态分析模块，求解所述模态分析模块；
[0030]将所述模态分析的结果添加至随机振动分析模块，并向所述随机振动分析模块添加电机实际工作时的振动条件，求解所述随机振动分析模块获得所述随机振动场。
[0031]根据本申请实施例提供的技术方案，获取所述离心力场的方法为：
[0032]基于所述电机机电模型，在静力分析模块中添加电机实际工作时的离心力，求解所述静力分析模块获得所述离心力场。
[0033]根据本申请实施例提供的技术方案，步骤S500包括：
[0034]基于所述综合环境下的电机机电模型，分别在谐响应分析模块插入ANSYS的频响曲线功能至某一定子齿面以获得综合环境下电机的工作频率和工作振幅、插入ANSYS的阻抗曲线功能至压电陶瓷以获得电机的电压组件阻抗、插入ANSYS的结点力功能至某定子齿面与转子的接触对以获得电机的堵转力矩。
[0035]根据本申请实施例提供的技术方案，所述堵转力矩T的计算公式如下：
[0036]T＝krμF
max
，
[0037]其中，k为工作波数，r为转子半径，F
max
为目标定子齿面最大的法向接触力。
[0038]与现有技术相比，本申请的有益效果在于：通过设置所述电机机电模型，并分别对所述电机机电模型进行温度参数设置、随机振动参数设置和离心力参数设置，分别仿真得到电机温度场、随机振动场和离心应力场，选取三个数据模块分别读本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：S100、基于ANSYS建立电机定子组件和转子组件的几何模型；S200、基于ANSYS确定所述定子组件和转子组件的材料并分别对定子组件和转子组件进行网格划分，加载设置压电陶瓷压电属性并施加约束边界，获得电机机电模型；S300、基于ANSYS通过所述电机机电模型获取电机的温度场、随机振动场以及离心力场，所述温度场用于表征电机的温度应力分布，所述随机振动场用于表征所述电机的随机振动分布，所述离心力场用于表征电机的离心应力分布；S400、基于ANSYS选取三个数据模块分别读取所述温度场、随机振动场和离心力场，将三个所述数据模块分别添加至所述电机机电模型作为模型的参数设置选项，得到综合环境下的电机机电模型；S500、基于ANSYS在所述综合环境下的电机机电模型插入频响曲线功能以获得电机的工作频率和工作振幅、插入阻抗曲线功能以获得电压组件阻抗、插入结点力功能以获得堵转力矩。2.根据权利要求1所述的基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法，其特征在于，获取所述温度场的方法为：基于所述电机机电模型，计算电机工作状态下的热损耗；根据所述热损耗获得电机每个位置的热载荷，将热载荷施加到所述电机机电模型的稳态热分析模块中；在所述稳态热分析模块中设置热边界；求解所述稳态热分析模块并将结果添加至静力分析模块，在所述静力分析模块中施加预紧力并求解得到所述温度场。3.根据权利要求2所述的基于ANSYS的电机工作态综合环境可靠性仿真方法，其特征在于，计算所述热损耗的公式如下：T
y
＝F
n
·
μ，其中，U为电机输入电压，I为电机输入电流，n为电机转速，T2为输出力矩、T
y
为预紧力力矩，F
n
为施加的预紧力，μ为定子齿面与转子的摩擦系数，P
R
为压电陶瓷的结构内损耗和介点损耗，P
f
为定子和转子接触面的摩擦损耗，P
s
为定子振动引起的结构内损耗。4.根据权利要求3所述的基于ANSYS的电机工作态综合环...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡芳，黄首清，杨晓宁，苏新明，郭悦，陈安然，杨勇，秦泰春，张军，王亚南，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：