电机转子磁固热多场耦合振动响应分析方法、设备及介质与流程

本发明涉及电机转子振动响应分析，特别涉及一种电机转子磁固热多场耦合振动响应分析方法、设备及介质。

背景技术：

1、随着我国航空航天、石油炼化及智能制造等领域对高性能机电伺服系统的迫切需求，永磁同步电机、异步电机等旋转电机凭借其高功率密度、精确控制等优势，已成为关键动力与执行装置的核心部件。然而，电机转子作为旋转机械的核心承力部件，在复杂运行工况下面临严峻的多场耦合振动挑战：

2、电磁场与结构场耦合效应：不平衡磁拉力的强非线性作用显著，电机运行时，定转子气隙磁场的不均匀分布会引发周期性不平衡磁拉力，该力与转子旋转速度的平方成正比，易诱发共振，如一倍频、二倍频振动。

3、滚动轴承非线性支反力的动态特性：滚动轴承作为转子支承机构，其滚动体与滚道的接触刚度随载荷、位移及温升动态变化。当轴承间隙因温升发生改变时，支反力刚度可突变30%～50%，进而引发系统硬/软特性突变，加剧振动非线性。

4、热场对多场耦合的调制作用：温升会导致转子几何与材料退化，电机运行时，电磁损耗及轴承摩擦生热引发转子温升，导致转子铁芯热膨胀和气隙变化，进一步改变电磁力分布与轴承间隙，形成“热-磁-固”耦合反馈。

5、热-结构耦合引发的碰摩风险：当转子振动位移与气隙尺寸比值超过临界阈值时，定转子可能发生碰摩，导致振动幅值突增及局部过热烧毁。

6、据统计，工业领域电机转子系统失效案例中，约35%与多场耦合振动直接相关，传统设计依赖线性化分场仿真或两场耦合模型，无法准确预测非线性耦合效应，导致安全裕度冗余或早期失效风险，亟需建立电机转子精确的多物理场耦合动力学分析方法。

7、目前针对电机转子振动响应分析的主流技术方案主要有三大类，一类是分场解耦的线性化分析方法，独立开展电磁场、结构场和热场分析。通过有限元法（finite elementmethod，fem）计算气隙磁场分布，提取不平衡磁拉力；基于模态叠加法或频域响应分析计算轴承支反力与振动载荷的线性响应；独立计算电机绕组和轴承温升，忽略热对电磁力、轴承刚度等参数的动态反馈；将电磁力、轴承支反力及热膨胀引起的静态位移简单叠加，评估转子振动响应。一类方法为两场耦合的简化模型技术方案，分别开展磁-结构或热-结构耦合转子振动分析。通过热-力耦合方程迭代求解温升对转子热膨胀的影响，搭建电机转子热-结构耦合模型，获取电机转子不同温升下的动力学响应；或者通过耦合气隙磁场与结构振动方程，获取不同气隙长度下转子所受电磁力表达式，并带入电机转子振动方程中求解电机转子位移响应。另一类研究电机转子振动响应的方法主要是电机转子试验，搭建高速轴承-电机转子试验台架，从而获取电机转子在不同物理场共同作用下的动力学行为特性。

8、采用现有方法，其存在以下问题：

9、1、成本高。具体表现为：

10、分场解耦的线性化分析方法：该技术需分别建立电磁、结构、热场三个独立模型，重复开发计算成本较高；且当线性叠加结果与实际偏差大时，需多次调整参数重新计算，增加人工和计算资源消耗，后期需返工优化，修正成本高。

11、两场耦合的简化模型技术方案：该技术需针对不同耦合场，如热-力或磁-结构，分别开发专用模型，增加软件开发与验证成本；简化假设可能引入误差，需额外实验验证，进一步增加成本。每种模型仅适用于特定场景，如仅热-结构耦合或仅磁-结构耦合，难以覆盖复杂多场耦合场景，需开发多种模型以应对不同需求。

12、电机转子振动响应的方法：高速轴承-电机转子试验台架搭建费用高，且需定期维护；不同转速、负载、温度等多工况试验需多次重复，成本随测试数量指数级增长；极端工况试验可能导致试件损坏，增加材料与人力成本；如高温或高压测试等高风险操作需额外安全措施，进一步推高成本。

13、2、效率低。具体表现为：

14、分场解耦的线性化分析方法：该技术需多次迭代调整参数以弥补解耦分析的不足，整体流程冗长；线性假设导致模型无法直接捕捉复杂工况下的非线性响应，需依赖经验修正，延长分析周期。

15、两场耦合的简化模型技术方案：该技术方案计算资源与时间消耗较大，耦合场的迭代计算需反复交换数据，采用数值或理论方法求解增加计算时间；此外，静态假设或单向耦合需多次手动调整参数以逼近真实工况，降低分析效率。

16、电机转子振动响应的方法：：该技术方案的试验周期长，单次试验需准备、调试、数据采集及分析，耗时较多；参数优化需多次试验迭代，整体研发周期显著延长且数据处理依赖人工经验，难以快速生成高精度分析结果。

17、3、准确性低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供了一种电机转子磁固热多场耦合振动响应分析方法、设备及介质，以解决现有技术存在成本高、效率低且准确性低的技术问题。

2、本发明第一方面提供了一种电机转子磁固热多场耦合振动响应分析方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、获取电机的结构参数和运行工况下的控制参数，所述结构参数包括定转子电磁参数和滚动轴承结构参数；

4、步骤s2、根据所述结构参数和所述控制参数计算得到滚动轴承非线性支反力和电机转子所受不平衡磁拉力；

5、步骤s3、基于所述滚动轴承非线性支反力、电机转子所受不平衡磁拉力构建电机转子在磁场、结构场和温度场共同作用下的动力学方程，

6、步骤s4、设置所述动力学方程的时间步长，

7、步骤s5、判断所述动力学方程在所述时间步长下计算结果是否收敛，响应于计算结果收敛，在下一时间步时获取电机转子几何中心的位移，

8、步骤s6、比较所述电机转子几何中心的位移与气隙长度大小，

9、步骤s7、响应于所述电机转子几何中心的位移小于气隙长度，计算该时间步滚动轴承和转子的温升；

10、步骤s8、反复循环步骤s1至步骤s7，对不同时间步的电机转子几何中心的位移进行汇总后进行傅里叶变换得到转子振动频域和时域响应。

11、本发明第二方面提供了一种电机转子磁固热多场耦合振动响应分析设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面中所述的一种电机转子磁固热多场耦合振动响应分析方法。

12、本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述第一方面中所述的一种电机转子磁固热多场耦合振动响应分析方法的计算机程序。

13、与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

14、1、本发明考虑磁场的不平衡磁拉力、结构场的滚动轴承非线性支反力和温度场的温升等影响因素，对转子磁固热多场耦合振动响应进行分析，该方法能够准确获得电机转子在磁场、结构场和温度场耦合作用下振动特性，为电机转子系统的动强度评估与优化提供可靠依据。

15、2、本方法使电机滚动轴承转子系统的电磁设计和结构设计优化分析更加经济、快速，避免了试验测试过程的人力物力消耗

16、3、本方案仅涉及一个模型，即动力学方程，其成本低。