本白皮書討論了Johan Ihsan Mahmood關于定子耦合模型分析的研究。該研究旨在優化定子聯軸器的設計，以通過有限元分析提高其固有頻率。使用ABAQUS軟件在定子聯軸器的設計和開發中進行了有限元分析。增加聯軸器中心孔的尺寸，并在結構的柔性部分引入加強筋，增加了聯軸器的固有頻率。

抽象的

在這項研究中，有限元分析被用來優化定子聯軸器的設計，以增加其固有頻率。通過設計迭代和分析，發現通過增加聯軸器的中心孔直徑，以及在結構的柔性部分引入加強筋，固有頻率將從最初的714 Hz設計提高到優化的1611赫茲。

介紹

聯軸器是一種主要用于連接兩個軸以傳遞動力或旋轉的裝置。在運動控制應用中，轉子聯軸器用于將編碼器連接到電機軸（轉子部分），而定子聯軸器用于將編碼器連接到電機殼體（定子部分）。轉子聯軸器與電動機軸一起旋轉，而定子聯軸器在電動機運行期間保持靜止。正確的聯軸器設計對于編碼器在檢測軸的轉速和位置時發揮良好作用至關重要。由于電動機可以以任何轉速或頻率旋轉，因此編碼器使用的聯軸器應設計成具有較高的固有頻率，高于電動機的工作頻率范圍，以避免系統發生共振。諧振是電動機的工作頻率與聯軸器的固有頻率一致的條件。發生這種情況時，耦合可能會以高振幅振蕩，并且隨著該振幅的增加，可能會發生過早的故障。進行這項研究的主要目的是使用有限元分析來確定耦合的固有頻率。在制造耦合器之前，可以優化和微調耦合器的設計以實現高固有頻率。這將避免不必要的設計修改，并節省開發時間和成本。進行這項研究的主要目的是使用有限元分析來確定耦合的固有頻率。在制造耦合器之前，可以對耦合器的設計進行優化和微調，以實現較高的固有頻率。這將避免不必要的設計修改，并節省開發時間和成本。進行這項研究的主要目的是使用有限元分析來確定耦合的固有頻率。在制造耦合器之前，可以對耦合器的設計進行優化和微調，以實現較高的固有頻率。這將避免不必要的設計修改，并節省開發時間和成本。

轉子和定子聯軸器

轉子聯軸器通常由具有彈性（彈簧狀）設計（圖1）的彈性體，聚合物或金屬等材料制成，以提高靈活性。該聯軸器有助于軸的徑向和軸向對齊。它還必須能夠承受由于電動機的角加速度而產生的巨大轉矩。定子聯軸器（圖2）通常由鋼制成，并且設計成撓性的，以便承受軸向或徑向軸的不對準。定子聯軸器僅承受來自編碼器質量的靜載荷，并且軸承中的摩擦力導致產生非常低的扭矩。

轉子聯軸器（螺旋設計）

定子聯軸器

圖3顯示了一個典型配置，該結構顯示了轉子和定子聯軸器如何組裝到系統中。為了理解聯軸器在機械系統中的相互作用，構造了一個自由體圖（圖4）。當轉子聯軸器與軸一起旋轉時，將問題作為扭轉自由度系統進行分析。與編碼器（I）的質量慣性矩相比，電機的質量慣性矩非常大。可以認為電動機是靜止的（固定的），并且軸，聯軸器和編碼器在扭轉系統中串聯連接。電機軸的抗扭剛度（Kt1）通過轉子聯軸器以（Kt2）的抗扭剛度連接到編碼器軸，抗扭剛度為（Kt3）。如果兩個軸的扭轉剛度（Kt1＆

轉子聯軸器（左）和定子聯軸器（右）

轉子聯軸器（左）和定子聯軸器（右）

可以使用以下公式（公式1）估算扭轉系統的固有頻率。可以看出，隨著耦合剛度（Kt）的增加，固有頻率（Fn）也增加，并且隨著力矩慣量或轉子（I）的增加，固有頻率（Fn）減小。由于其扭轉自由度，轉子聯軸器具有與定子聯軸器相比具有較低固有頻率的缺點。

在定子聯軸器的情況下，該問題可以通過彈簧質量振動系統簡化。該系統由一個編碼器質量塊（M1）組成，該質量塊帶有一個來自具有剛度（K1）的軸的彈簧和一個來自帶有剛性（K2）的定子聯軸器的組合有效彈簧。與編碼器的質量相比，電機的質量被認為非常大，并且被認為是靜止的。在此分析中僅考慮編碼器的質量。由于定子聯軸器的復雜形狀可能會以多個自由度振動，因此使用有限元方法進行的計算分析可用于求解固有頻率和振型。定子聯軸器由于其穩定性和高固有頻率而在高動態應用中是首選。為了獲得最佳性能，

有限元建模

使用ABAQUS軟件在定子聯軸器的設計和開發中進行了有限元分析。定子聯軸器的初始設計如圖4所示。它的物理外形尺寸為50×50 mm，高度為10 mm。聯軸器的頂部連接到編碼器，而底座則連接到電機殼體。聯軸器由厚度為0.2毫米的不銹鋼制成。

定子聯軸器（初始設計）

有限元模型如圖5所示。對軸承座進行了完整建模，但對編碼器進行了簡化造型。為了簡化分析，假定編碼器的質量為集總質量，但仍保持與實際編碼器相同的質量。這樣，我們就可以消除編碼器中任何不會影響整體振動模式的局部無關緊要的模式。Lanczos本征求解器算法用于求解固有頻率和振型。

定子耦合有限元模型

高固有頻率的耦合設計優化

然后，對聯軸器的設計進行優化，以實現更高的固有頻率。首先，研究聯軸器中心孔的影響。卸下聯軸器的中心孔后，固有頻率降至661Hz（圖7）。當中心孔直徑增加時，固有頻率增加。當孔直徑為30mm時，記錄到1133Hz的固有頻率。設計迭代的第一個自然頻率產生的模式形狀如下所示：

編輯：hfy