一种电机运行工况力测试方法及装置
技术领域
本发明涉及电机测试
技术领域
，尤其是涉及一种电机运行工况力测试方法及装置。背景技术
源-路径-贡献(Source Path Contribution)SPC技术也称为传递路径分析技术，被广泛使用在航空业和汽车工业领域用来识别飞行器和汽车行驶时产生的振动噪声源。这一重要的技术同样可以运用于电机的内部工况力测量，目前电机运行工况下内部工况力的测量方法较少，且准确性难以保证。基于SPC的电机内部工况力测试的新方法具有较高的准确性，对人们清楚了解电机内部工况力具有重要意义。
现有直接测量的方法，受环境影响大，例如应变片一类的传感器，提高其传输信号的信噪比也是一大难点。而间接测量中经典传递路径分析技术主要有多重相干法、源替代法、悬置刚度法和阻抗矩阵法。这些方法主要用于振动噪声的结构传递路径分析与贡献量分析，其中悬置刚度法测量困难且很难保证实验结果的准确性。阻抗矩阵法不仅仅可用于振动噪声分析同时也可以用于电机内部工况力的测量，而这一重要应用却被人们所忽略。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电机运行工况力测试方法、振动分析方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电机运行工况力测试方法，该方法包括如下步骤：
S1、在电机机壳圆周同时布置多个加速度传感器；
S2、在电机定子齿壁内侧选取激振点，在激振点施加激振力，基于传递路径分析法测得电机的机械阻抗矩阵，所述的机械阻抗矩阵表征工况力与加速度之间的传递关系；
S3、实时获取加速度传感器测得的加速度，基于机械阻抗矩阵反向求解电机运行工况力。
优选地，步骤S1中加速度传感器在电机机壳圆周上均匀分布。
优选地，步骤S2具体为：
S21、沿电机定子齿壁内侧选取N个激振点；
S22、依次第n个激振点施加激振力，记作fn(ω)，ω为激振力的角频率，n＝1,2……N；
S23、电机机壳上的每个加速度传感器位置作为一个目标点，获取激振力fn(ω)在第m个目标点处产生的加速度为M为目标点的总个数；
S24、根据下式求取机械阻抗矩阵[H]-1：
其中，为在某一激振力下第m个目标点处产生的加速度大小，[H]为机械传递函数矩阵。
优选地，所述的激振点沿电机定子齿壁内侧均匀分布。
优选地，步骤S3具体为：
S31、实时获取加速度传感器测得的加速度，组成实时加速度矩阵[A]；
S32、根据下式得到电机运行工况力矩阵[F]：[F]＝[H]-1[A]，[F]中的元素表示电机定子齿壁内侧各激振点位置处的工况力。
一种电机运行工况力测试装置，包括传感器组件、激振器、采集器和处理器，所述的传感器组件包括多个加速度传感器，所述的加速度传感器布置在电机机壳圆周，所述的激振器用于在激振点施加激振力，所述的激振点选取在电机定子齿壁内侧，所述的采集器用于获取实时获取加速度传感器测得的加速度，所述的处理器用于获取电机的机械阻抗矩阵，所述的机械阻抗矩阵表征工况力与加速度之间的传递关系，同时所述的处理器还用于根据获取的加速度并基于机械阻抗矩阵反向求解电机运行工况力。
优选地，所述的加速度传感器在电机机壳圆周上均匀分布。
优选地，所述的激振点沿电机定子齿壁内侧均匀分布多个。
优选地，获取机械阻抗矩阵的方式为：
沿电机定子齿壁内侧均匀分布N个激振点；
采用激振器依次第n个激振点施加激振力，记作fn(ω)，ω为激振力的角频率，n＝1,2……N；
电机机壳上的每个加速度传感器位置作为一个目标点，获取激振力fn(ω)在第m个目标点处产生的加速度为M为目标点的总个数；
根据下式求取机械阻抗矩阵[H]-1：
其中，为在某一激振力下第m个目标点处产生的加速度大小，[H]为机械传递函数矩阵。
优选地，求解电机运行工况力的方式为：
将实时获取的加速度组成实时加速度矩阵[A]；
根据下式得到电机运行工况力矩阵[F]：[F]＝[H]-1[A]，[F]中的元素表示电机定子齿壁内侧各激振点位置处的工况力。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明运用基于SPC的电机内部工况力测试新方法，实现电机内部工况力的测量，并得到较为准确的电机内部工况力测量结果，充分体现SPC在电机运行工况分析中的优势，该方法是一种间接测量的方法，由于在电机机壳圆周方向同时布置多个加速度传感器，比传统直接测量的方法精确度更高，得到的电机工况力频谱更宽广，且克服了传统直接测量方法精确度受工况、环境温度等因素影响大的局限性。
(2)本发明方法可以运用于多种类型的电机内部运行工况力的测量，且可以测得同一款电机在多工况下的电机内部运行工况力频谱，具有较高的准确性，并且可以获得较为宽广的电机运行工况力频谱，为电机的内部运行工况力测试方法提供了一种新思路。同时利用该技术可确定电机振动噪声的主要来源，为降低电机振动噪声提供有力的试验参考。
附图说明
图1为本发明一种电机运行工况力测试方法的流程框图；
图2为本发明机械阻抗矩阵测试示意图；
图3为采用本发明方法得到的某一激振点位置处的工况力频谱；
图4为线性坐标下的加速度SPC合成值与实验值响应对比图；
图5为对数坐标下的加速度SPC合成值与实验值响应对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种电机运行工况力测试方法，该方法包括如下步骤：
S1、在电机机壳圆周同时布置多个加速度传感器，加速度传感器在电机机壳圆周上均匀分布；
S2、在电机定子齿壁内侧选取激振点，在激振点施加激振力，基于传递路径分析法测得电机的机械阻抗矩阵，机械阻抗矩阵表征工况力与加速度之间的传递关系；
S3、实时获取加速度传感器测得的加速度，基于机械阻抗矩阵反向求解电机运行工况力。
结合图2，步骤S2具体为：
S21、沿电机定子齿壁内侧选取N个激振点，激振点沿电机定子齿壁内侧均匀分布；
S22、依次第n个激振点施加激振力，记作fn(ω)，ω为激振力的角频率，n＝1,2……N；
S23、电机机壳上的每个加速度传感器位置作为一个目标点，获取激振力fn(ω)在第m个目标点处产生的加速度为M为目标点的总个数；
S24、根据下式求取机械阻抗矩阵[H]-1：
即：
其中，为在某一激振力下第m个目标点处产生的加速度大小，[H]为机械传递函数矩阵。
步骤S3具体为：
S31、实时获取加速度传感器测得的加速度，组成实时加速度矩阵[A]；
S32、根据下式得到电机运行工况力矩阵[F]：[F]＝[H]-1[A]，[F]中的元素表示电机定子齿壁内侧各激振点位置处的工况力。
在上述获取电机运行工况力的基础上，可对电机内部各点的运行工况力进行傅里叶分解获取运行工况力频谱；根据运行工况力频谱进行振动分析。
利用上述方法完成了一台48槽8极内置式永磁同步电机在8200r/min-48Nm工况下的电机工况力测试实验与准确性验证。图3所示为采用本发明方法得到的某一激振点位置处的工况力频谱，由图3可见，该在该点处，频率为138Hz的工况力分量最大，幅值为95.48563N。
为了验证本发明方法的有效性，采用获取的机械阻抗矩阵对加速度进行验证，得到线性坐标下的加速度SPC合成值与实验值响应对比图，如图4所示；以及对数坐标下的加速度SPC合成值与实验值响应对比图，如图5所示；根据验证可知，两者基本吻合，本发明方法有效。
本发明利用传递路径分析法中的阻抗矩阵的概念，测得电机的阻抗矩阵，并将电机某一工况下机壳表面测得的加速度矩阵代入传递方程，反向求解得到电机的工况力矩阵，这种方法是一种间接测量的方法，由于在电机机壳圆周方向同时布置多个加速度传感器，比传统直接测量的方法精确度更高，得到的电机工况力频谱更宽广，且克服了传统直接测量方法精确度受工况、环境温度等因素影响大的局限性。
该种方法可以运用于多种类型的电机内部运行工况力的测量，且可以测得同一款电机在多工况下的电机内部运行工况力频谱，具有较高的准确性，并且可以获得较为宽广的电机运行工况力频谱，为电机的内部运行工况力测试方法提供了一种新思路。同时利用该技术可确定电机振动噪声的主要来源，为降低电机振动噪声提供有力的试验参考。
该方法不同于传统的直接测量方法，直接测量方法通常在电机定子齿壁安装应变片一类的传感器，应变片输出与工况力相关的信号的信噪比难以保证，对应关系也会随周围环境发生一定变化，这些都限制其测量的精确性。本发明采用的加速度传感器间接测量法，在电机机壳圆周同时布置多个加速度传感器，通过工况力与加速度之间的传递关系来反向求解工况力，这种方法不仅受外部环境影响小，且相比与传统安装应变片的方式，在安装上更加方便，并且可以适用于电机多工况下的运行工况力测量，可得到相对准确的电机运行时内部实际所受到的各阶机械力和电磁力频谱，从而可确定电机振动噪声的主要来源，为降低电机振动噪声提供有力的试验参考。
实施例2
本实施例提供一种电机运行工况力测试装置，包括传感器组件、激振器、采集器和处理器，传感器组件包括多个加速度传感器，加速度传感器布置在电机机壳圆周，激振器用于在激振点施加激振力，激振点选取在电机定子齿壁内侧，采集器用于获取实时获取加速度传感器测得的加速度，处理器用于获取电机的机械阻抗矩阵，机械阻抗矩阵表征工况力与加速度之间的传递关系，同时处理器还用于根据获取的加速度并基于机械阻抗矩阵反向求解电机运行工况力。
加速度传感器在电机机壳圆周上均匀分布。
激振点沿电机定子齿壁内侧均匀分布多个。
获取机械阻抗矩阵的方式为：
沿电机定子齿壁内侧均匀分布N个激振点；
采用激振器依次第n个激振点施加激振力，记作fn(ω)，ω为激振力的角频率，n＝1,2……N；
电机机壳上的每个加速度传感器位置作为一个目标点，获取激振力fn(ω)在第m个目标点处产生的加速度为M为目标点的总个数；
根据下式求取机械阻抗矩阵[H]-1：
其中，为在某一激振力下第m个目标点处产生的加速度大小，[H]为机械传递函数矩阵。
求解电机运行工况力的方式为：
将实时获取的加速度组成实时加速度矩阵[A]；
根据下式得到电机运行工况力矩阵[F]：[F]＝[H]-1[A]，[F]中的元素表示电机定子齿壁内侧各激振点位置处的工况力。
本实施例中一种电机运行工况力测试装置用于电机运行工况力测试，其具体测试方法与实施例1相同，在本实施例中不再赘述。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。
