電機中徑向電磁力的力型
摘要:筆者在前一個帖子《圓柱形結構的模態特點》中總結出,對于圓柱結構,只要激勵頻率為共振頻率,不論激勵位置,都會引起共振,也就是說圓柱結構并不存在和梁板結構一樣的模態節點概念。之所以這樣,可以認為是存在重根模態的原因。本文展示這一屬性帶來的獨特現象。
01 圓柱結構模態分析
02 圓柱結構受單簡諧激勵

圓柱結構在單簡諧激勵下的振動響應,最大值0.05768mm:
03 圓柱結構受雙簡諧激勵
當兩力相位差180度(等于模態振型的相位差)

如果兩力同相位:

圓柱結構的振動響應,幾乎沒有變形:
也可能是如下兩個力:

圓柱結構的振動響應,看起來像在轉動(其實沒有轉):

綜上可得結論:
01 單激勵下,頻率相近則發生共振,激勵位置不影響振型的形式,影響振型的角度。
02 雙激勵下,頻率相近不一定發生共振,和相位關系很大,可能相互疊加,也可能相互抵消。
03 雙激勵下,可能產生的圓柱轉動現象,是一種錯覺,各處此起彼伏看起來像轉動而已。
04 電機中徑向電磁力波的力型
在電機定子避開共振設計中,會提到共振的兩個條件:第一,電磁力的頻率和模態頻率接近;第二,電磁力的力型和模態振型接近。從上文的動畫中,可以看出,激勵之間的相位關系確實影響結構的響應。
電機中的徑向電磁力分布在定子圓柱面上,力型其實就是描述這些電磁力的相位關系。如下圖紅線(某時刻的電磁力幅值分布),其實表達的就是電磁力的相位關系,拿n=3來說,設此刻三個角點的相位是90度,凹進去的三個點,相位則為270度,紅線與黑線的交點則為180度或者0度。下圖紅線也是定子n=3的模態振型。如果這樣分布(相位關系,因為每一點的電磁力都是隨時間變化的)的電磁力的頻率和這個振型頻率接近,那就意味著每一個徑向電磁力對結構的每個點都在做正功,能量不斷的輸入到結構中,結構便產生較大的振動。

同樣電磁力由于此起彼伏,力型看起來也像旋轉一樣(其實沒有旋轉):
總結就是:如果頻率相近,力型和振型相近,則每個電磁力都在做正功,能量不斷輸入到定子,定子振動增大,噪聲也相應增大。如果只是頻率相近,力型和振型不相近,則有的電磁力做正功,有的電磁做負功。如果是力型和振型相近,頻率不相近,則電磁力有時做正功,有時做負功。
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