车用机电复合传动系统机电耦合非线性振动研究

【摘要】：高速大功率机电复合传动系统由永磁同步电机与机械传动构件组成,是一种典型的机电耦联系统。传动系统的动态特性不仅与机械结构参数有关,而且与电机的电磁参数、以及动态性能有关。同时,永磁同步电机本身也是一个复杂的机电系统,电机的运动变化影响转子的动态性能,转子系统运动参数的改变也会影响电机自身的运动状态,耦合影响使得永磁同步电机与其机械转子之间产生机电耦合振动问题。可以说,“机电耦合”已成为机电传动系统的一个基本特征。因此需要探索耦合对系统构件运动的约束机制,分析耦合参数对系统功能生成及性能的相关耦合机理,进行奇异工况预控和系统优化设计。通过考虑车用永磁同步电机的气隙磁场特点(磁场饱和、磁场时间谐波与空间谐波),将气隙磁场解析模型与经典的Park变换结合,建立了一种可以反映电磁转矩饱和与波动的解析模型,从而揭示了永磁同步电机电磁振动的频率特征;从机电耦合的角度,分析了负载波动与转子动态偏心对电磁系统的频率特征影响,结果表明一定频率的负载波动与转子动态偏心,引起定子电枢电流在基波电流产生一定频率的边频带,该机电耦合频率特征为传动系统机械故障的诊断提供理论指导。综合考虑转子扭转角对永磁同步电机磁动势的影响,从能量角度推导了电磁扭转激励的解析式,从而建立了车用永磁同步电机与机械转子非线性扭转振动模型。采用多尺度法研究了永磁同步电机电磁激励非线性扭转振动系统在主参数共振情况下的近似解,从机电耦合共振与稳定性的角度分析了机电参数对转子系统扭振的影响规律。基于Melnikov理论研究了机电耦合转子系统的分岔和混沌特性,给出了稳定性运行边界条件。高速大功率永磁同步电机在实际运行过程中由气隙磁场不均匀产生不平衡磁拉力(Unbalanced Magnetic Pull,UMP),从而引起机电耦合横向振动。考虑永磁同步电机电枢反应的作用,采用Maxwell-Tensor法推导了永磁同步电机不平衡磁拉力的解析式,定义了等效电磁刚度系数。结果表明:考虑机电耦合作用后,机电耦合横向振动系统的电磁刚度使得电机转子系统产生了“负刚度”效应,改变了转子系统的刚度属性,从而导致转子系统固有频率下降与系统失稳;同时分析了不同机电参数对机电耦合横向振动的影响规律,为电机-转子系统的参数设计提供了一定的理论依据。气隙磁场的不对称分布不仅产生横向电磁激励,同时会引起扭转电磁激励。考虑旋转耦合通道与横向运动耦合通道之间的交叉耦合作用,基于Lagrang-Maxwell理论建立了多重机电耦合动力学模型,通过非线性动力学理论求解电磁参数作用下的多重机电耦合参数振动规律,从参数设计与控制优化的角度探讨了机电传动系统的机电耦合振动的减振措施与方法,为机电耦合主动减振提供了理论指导。