一种汽车电子水泵全模型模态计算方法与流程

1.本发明涉及汽车电子水泵技术领域，具体的说是一种汽车电子水泵全模型模态计算方法。


背景技术：

2.目前，电子水泵广泛应用在新能源汽车、房车以及特种车辆中，起到作为水循环、冷却或供水系统的作用。电子水泵主要由三个部分组成：控制器元器件、电机定转子部件、水力叶轮与蜗壳以及进出水管路等。这三个部分内部通过转子轴、滑动轴承、止推轴承组成；外部通过螺栓连接泵壳、电机壳与控制器壳。为了给电机散热，电机定转子之间往往会设计隔离套来隔离冷却液。因此，电子水泵的结构非常复杂、动静结构之间相互配合，相互影响。
3.随着电子水泵应用在新能源车上，没有了发动机的强噪声掩盖，电子水泵的噪声也逐渐成为了乘客舱的噪声源。准确预测电子水泵的各阶固有频率在给定的速度运行范围内避免共振，是抑制电子水泵振动噪声的关键；准确预测各阶模态的振型是判断噪声源来自水力、电机或控制器的关键。
4.电子水泵低转速运行时，电机噪声会取代叶频噪声成为主要噪声源，获取电机定子固有频率与振型是评估与改善电机噪声的关键。目前电机定子的模态往往只分析定子本身，而忽略了定子与外壳、定子与铜线绕组、定子与塑料线架之间的影响。建立电机的完整模型以及考虑水泵对电机的影响是准确计算电机模态的关键。


技术实现要素：

5.现为了解决上述技术问题，本发明提出了一种汽车电子水泵全模型模态计算方法。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
6.一种汽车电子水泵全模型模态计算方法，该方法包括以下步骤：
7.第一步：建立电子水泵模型，确定各部件的接触关系、材料及材料属性；
8.第二步：读取电子水泵的质量与质心，并调整质量与真实水泵质量一致；
9.第三步：确定电子水泵与匹配的整车或整机的安装定位孔，随之开展各频率的有限元计算，并读取电子水泵的各阶振型；
10.第四步：通过各阶振型分析水泵振动噪声的产生原因并对水泵结构进行改进。
11.所述水泵模型包括水泵叶轮、蜗壳、定子铁芯、转子铁芯、磁钢和控制器元器件。
12.所述定子铁芯与转子铁芯由层叠硅钢片组成，在有限元计算前将各层的硅钢片模型简化为一个整体模型；所述控制器元器在有限元计算前简化为质量点。
13.材料属性包括材料密度、弹性模量、泊松比。
14.读取电子水泵的质量时，若质量偏少，增加额外的质量点进行微调，若质量偏多，减小轴或轴承的密度。
15.提取电子水泵的1阶至3阶频率和振型，其中电子水泵的1阶为水泵整体绕某个方
向的摆动，电子水泵的2阶、3阶振型为转子带动轴与叶轮的绕某个方向的摆动。
16.电子水泵的1阶频率大于整车或发动机的2倍以上共振频率。
17.定子铁芯的振型读取方法包括以下步骤：
18.第一步：对电子水泵开展频率计算直至定子发生共振；
19.第二步：根据定子的变形量判断定子的振型，并读取当前状态下电子水泵的振动频率；
20.第三步：根据定子的振型和电子水泵的振动频率对定子结构进行改进。
21.本发明的有益效果是：本发明通过模拟计算，利用电子水泵的固有频率与振型可以帮忙分析振动噪声产生的原因，如果是因为共振引起的，通过振型可以找到振幅较大的薄弱结构，进而指导设计对该薄弱结构进行加强；根据模拟计算结果还可以帮助设计评估水泵模态是否满足要求。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
23.图1为本发明的电子水泵结构示意图；
24.图2为本发明的电子水泵1阶振型状态示意图；
25.图3为本发明的电子水泵2阶振型和3阶振型状态示意图；
26.图4为本发明的定子振型示意图；
27.图5为本发明的定子振型判断示意图；
28.图6为本发明的材料属性示意图；
29.图7为本发明的电子水泵振动频率和阶次示意图。
具体实施方式
30.为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合实施例中的附图，对本发明进行更清楚、更完整的阐述，当然所描述的实施例只是本发明的一部分而非全部，基于本实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动性的前提下所获得的其他的实施例，均在本发明的保护范围内。
31.如图1至图7所示，一种汽车电子水泵全模型模态计算方法，该方法包括以下步骤：
32.第一步：建立电子水泵模型，确定各部件的接触关系、材料及材料属性；
33.第二步：读取电子水泵的质量与质心，并调整质量与真实水泵质量一致；通过调整质量点的位置保证计算总成的质心与实际的一致，从而弥补仿真中简化的绕组铜线、铁芯硅钢片等复杂结构与实际的差异；
34.第三步：确定电子水泵与匹配的整车或整机的安装定位孔，随之开展各频率的有限元计算，并读取电子水泵的各阶振型；可以准确的计算电子水泵的模态频率与振型，而且能够得到水泵叶片、转子、轴与轴承等内部转子系统的局部模态，这些局部模态与水泵的叶频接近，容易产生共振风险，可以让设计通过修改叶频数或修改轴承支承位置来错开转子系统的低阶模态频率与叶频，进而减小共振风险；
35.第四步：通过各阶振型分析水泵振动噪声的产生原因并对水泵结构进行改进；可以通过修改约束位置、加强支架结构、修改材料或者增加壁厚以及加强筋来提高低阶固有
频率；还可以通过振型可以找到振幅较大的薄弱结构，进而指导设计对该薄弱结构进行加强。
36.所述水泵模型包括水泵叶轮、蜗壳、定子铁芯、转子铁芯、磁钢和控制器元器件；详细建立了水泵内部转子的模型，模拟再现了固定件与旋转件之间的配合关系；如图1所示，电子水泵的结构示意图，其中泵壳为1、叶轮为2、定子铁芯为3、转子铁芯为4、轴承为5、轴为6、电机壳为7。
37.所述定子铁芯与转子铁芯由层叠硅钢片组成，在有限元计算前将各层的硅钢片模型简化为一个整体模型；所述控制器元器在有限元计算前简化为质量点；控制器是电子水泵的一部分，但控制器由不同的电器元件以及印制电路板组成，结构非常复杂；用质量点代替实际的结构，既可以考虑控制器对整体模态的影响，又可以在不影响精度的前提下简化计算，提高效率。
38.材料属性包括材料密度、弹性模量、泊松比；如图6所示为不同材料的材料属性。
39.读取电子水泵的质量时，若质量偏少，增加额外的质量点进行微调，若质量偏多，减小轴或轴承的密度；对质量点的质量调节或对轴或轴承密度得调节是为了保证电子水泵的质量与真实的重量保持一致。若不调节，计算出来的固有频率会有所偏差。
40.提取电子水泵的1阶至3阶频率和振型，其中电子水泵的1阶为水泵整体绕某个方向的摆动，电子水泵的2阶、3阶振型为转子带动轴与叶轮的绕某个方向的摆动；对电子水泵的模态计算可以得到任意阶次与任意频率范围内的固有频率与振型结果不局限于三个阶段的计算，可以根据实际情况当中测量的振动噪声频谱，识别产生共振风险的频率段，进而补充或调整计算频率范围，得到发生共振风险频率段内的水泵总成的模态振型。
41.电子水泵的频率和振型一般计算前20阶，也可提取更多阶次。重点关注电子水泵的1阶至3阶。
42.如图2至图3所示电子水泵在不同阶段振型示意图；图2为电子水泵的1阶状态示意图，其中电子水泵的1阶为水泵整体绕y轴的摆动；图3为电子水泵的2阶、3阶状态示意图，电子水泵的2阶、3阶振型为转子带动轴与叶轮的绕着z向与y向的摆动。
43.电子水泵的1阶频率大于整车或发动机的2倍以上共振频率；随着频率的阶次增加，对振动噪声的影响越小，所以设计中通过提高电子水泵的1阶频率使得它超过激励基频2倍以上，就能大幅度减小共振风险。
44.定子铁芯的振型读取方法包括以下步骤：
45.第一步：对电子水泵开展频率计算，提取至少前20阶模态，并单独查看定子的振型；
46.第二步：根据定子的变形量判断定子的振型，并读取当前状态下电子水泵的振动频率；
47.第三步：根据定子的振型和电子水泵的振动频率对定子结构进行改进；如图4所示为定子不同频率下的形态。
48.对于电机来说，电机定子与转子之间的气隙当中有电磁力，电磁力会导致定子铁芯变形，进而产生振动与噪声。而变形的大小为定子空间次数的四方次分之一。也就是说，如果定子空间次数越大，变形就越小。因此对于定子来说，主要关心0至4的空间次数对应的振型与频率。假定空间次数为r，r的大小按照定子的变形后的形状来定义。如图5所示如果
均匀的扩大与缩小，则为r＝0；如果一个方向突出，类似圆整体偏移，r＝1；如果两个方向凸出，类似椭圆形，r＝2；如果三个方向凸出，类似三角形，r＝3；如果四个方向凸出，类似四边形，r＝4，依此类推；定子的空间次数即为定子的振型。
49.不管电子水泵的电机极槽数如何变化，通过电子水泵的模态分析，查看定子的变形凸出个数，均可以找到关心的空间次数以及对应的频率。
50.由于定子的振型与电子水泵的振型判定标准不同，故需要先通过电子水泵总成的模态分析，再单独提取定子的振型，并找到定子的0至4空间阶次的振型对应的固有频率。
51.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。