２０１１年（第３３卷）第１２期 汽车工程 Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１１（Ｖｏ１．３３）Ｎｏ．１２
２０１１２２２
汽车爪极发电机定子模态分析和固有频率计算术
鲍晓华 ，刘 健 ，倪有源 ，刘 冰 ，温旭 （１．合肥工业大学电气与自动４／５－￣－程学院，合肥２３０００９；２．合肥三益江海泵业有限公司，合肥２３１１３１）
［摘要］ 建立爪极电机定子结构的三维有限元模型，利用ＡＮＳＹＳ软件对其进行模态分析，计算爪极电机定子 的固有频率。结果表明，定子６阶模态对爪极电机噪声和振动的贡献最大。 关键词：爪极发电机；定子；模态分析；有限元法；固有频率
Ｍｏｄａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
Ｓｔａｔｏｒ ｉｎ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｌａｗ－ｐｏｌｅ Ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ
Ｂａｏ Ｘｉａｏｈｕａ ，Ｌｉｕ Ｊｉａｎ ，Ｎｉ Ｙｏｕｙｕａｎ ，Ｌｉｕ Ｂｉｎｇ ＆Ｗｅｎ Ｘｕ。
１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９； ２．Ｈｅｆｅｉ Ｓａｎ Ｊｉａｎｇｈａｉ Ｐｕｍｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｅｆｅｉ ２３１１３１
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ａ ３ Ｄ ＦＥ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｏｆ ｃｌａｗ－ｐｏｌｅ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｂｕｉｌｔ，ａ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ｉｔ Ｕ—
ｓｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ ａｎｄ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｓｔａｔｏｒ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ６ｔｈ ｏｒｄｅｒ
ｍｏｄｅ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ｈａｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｌａｗ—ｐｏｌｅ ｍｏｔｏｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｌａｗ－ｐｏｌｅ ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ；ｓｔａｔｏｒ；ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ＦＥＭ；ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
模态分析意义
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中
的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻
尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试
验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则
称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获
得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模
态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在
某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在
外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设 备的故障诊断的重要方法。 机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息
变化。模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。首先，将结构物
在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与胯动响应并进行双通道快速傅里 叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态
分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立
起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，
就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。 近十多年来，由于计算机技术、
FFT 分析仪、高速数据采集系统以及振动传
感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电
力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种
原理的模态分析硬件与软件问世。在各种各样的模态分析方法中，大致均可分为 四个基本过程： （1）动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析 1）激励方法。试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各
点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取
直接频率响应分析
分析原理
模态频率响应是在模态空间中，将模态进行线性叠加得到频率响应函数，模态频率响应的计算速度要比直接频率响应的计算速度快。
问题描述
对该件进行响应计算。
边界条件
一端孔固定，一端孔施加随时间变化的载荷。
材料参数
材料为铁材，单元厚度T=0.2mm，集中力F=sin（360*200*t）N。
分析结果
Mode
Displacement
Acceleration
外部激励与系统在25Hz和109Hz发生共振
25Hz 29Hz
25Hz
109Hz
卡片控制
GLOBAL_CASE_CONTROL工况控制卡片设置
FREQ1扫描频率设置（起始频率1，间隔2，数目100）
TABDMP1阻尼设置
约束点
激励点
网格模型 RLOAD频率动态载荷设置
因为EXCITEID为DAREA或SPCD的编号，定义A；DELAY定义τ，当前取0；DPHASE定义θ，当前取0；TB为TABLEDi的编号，定义B（f）；TP为TABLEDi的编号，定义Φ（f），当前取0；故
P(f)=A*B(f)
TABLED定义表函数
DAREA设置定义静态和动态载荷的比例（面积）
EIGRL模态求解设置
SOL求解卡片设置（模态频率响应分析）
PARAM输出文件控制
GLOBAL_OUTPUT_REQUEST输出结果数据控制
什么是模态分析,模态分析有什么用
什么是模态分析 模态分析有什么用
结构劢力学分析中，最基础、也是最重要的一种分析类型就是“结构模态分析”。模态分析主要用亍计算结构的振劢频率和振劢形态，因此，又可以叫做频率分析戒者是振型分析。劢力学分析可分为时域分析不频域分析，模态分析是劢力学频域分析的基础分析类型。
基础理论 劢力学控制方程可表示为微分方程：
其中，[ M ] 为结构质量矩阵，[ C ] 为结构阷尼矩阵，[ K ] 为结构刚度矩阵，{ F } 为随时间变化的外力载荷函数，{ u } 为节点位移矢量， 为节点速度矢量，{ ü } 为节点加速度矢量。
在结构模态分析中丌需要考虑外力的影响，因此，模态分析的劢力学控制方程可表示为：
理想情况下，结构在振劢过程中，丌考虑阷尼效应，也就是所谓的自由振劢情况，模态分析又可描述为：
对上迚一步分析，假设此时的自由振劢为谐响应运劢，也就是说
u = u 0 sin( ωt )，上又可迚一步描述为：
对上式求解，可得方程的根是 ω i
²，即特征值，其中 i 的范围是从 1 到结构自由度个数 N （有限元分析中，自由度个数 N 一般丌超过分析模型网格节点数的三倍）。
特征值开平方根是 ω i ，即固有圆周频率，这样，结构振劢频率（结构固有频率）
f i
就可通过公式 f i = ω i /2 π 得到。有限元模态分析可以得到 f i
戒者ω i ，都可以用来描述结构的振劢频率。
特征值对应的特性矢量为{ u } i 。特征矢量{ u } i
表示结构在以固有频率 f i 振劢时所具有的振劢形状（振型）。
模态分析中的矩阵 1. 模态分析微分方程组包含六个矩阵：
[ K ] 代表刚度矩阵。可参考“结构静力学”中的解释说明。
