耦合器定向性物理意义（耦合器的定向性）

本白皮书讨论了Johan Ihsan Mahmood 在定子耦合模型分析方面的研究。本研究旨在通过有限元分析优化定子联轴器的设计，以提高其固有频率。利用ABAQUS软件对定子联轴器的设计和开发进行了有限元分析。增大联轴器中心孔的尺寸，并在结构的柔性部分引入加强筋，增加了联轴器的固有频率。

抽象的

在这项研究中，利用有限元分析来优化定子联轴器的设计，以提高其固有频率。通过设计迭代和分析发现，通过增大联轴器中心孔径并在结构柔性部分引入加强筋，固有频率将从原来的714 Hz设计提高到优化后的1611 Hz。

介绍

联轴器是主要用于连接两轴以传递动力或旋转的装置。在运动控制应用中，转子联轴器用于将编码器连接到电机轴（转子部分），而定子联轴器用于将编码器连接到电机外壳（定子部分）。转子联轴器随电机轴旋转，而定子联轴器在电机运行期间保持静止。正确的联轴器设计对于编码器在检测轴的速度和位置方面发挥良好作用至关重要。由于电机可以以任意速度或频率旋转，因此编码器所使用的联轴器应设计为具有较高的固有频率，该固有频率高于电机的工作频率范围，以避免系统中出现共振。共振是电机的工作频率与联轴器的固有频率一致的情况。当这种情况发生时，联轴器可能会以高振幅振荡，并且随着该振幅的增加，可能会发生过早失效。进行这项研究的主要目的是使用有限元分析确定联轴器的固有频率。在制造耦合器之前，可以对耦合器设计进行优化和微调，以实现高固有频率。这将避免不必要的设计修改并节省开发时间和成本。进行这项研究的主要目的是使用有限元分析确定联轴器的固有频率。在制造耦合器之前，可以对耦合器设计进行优化和微调，以获得更高的固有频率。这将避免不必要的设计修改并节省开发时间和成本。进行这项研究的主要目的是使用有限元分析确定联轴器的固有频率。在制造耦合器之前，可以对耦合器设计进行优化和微调，以获得更高的固有频率。这将避免不必要的设计修改并节省开发时间和成本。

转子和定子联轴器

转子联轴器通常由弹性体、聚合物或金属等材料制成，具有弹性（弹簧状）设计（图1），以提高灵活性。该联轴器有助于轴的径向和轴向对准。它还必须能够承受由于电动机角加速度而产生的巨大扭矩。定子联轴器（图2）通常由钢制成，设计灵活，可承受轴向或径向轴不对中。定子联轴器仅承受编码器质量的静载荷，轴承中的摩擦会产生非常低的扭矩。

转子联轴器（螺旋设计）

定子联轴器

图3 显示了典型配置，显示了转子和定子联轴器如何组装到系统中。为了理解机械系统中耦合的相互作用，构建了自由体图（图4）。该问题被分析为转子联轴器随轴旋转时的扭转自由度系统。与编码器(I) 的质量惯性矩相比，电机的质量惯性矩非常大。电机可以被认为是静止的（固定的），轴、联轴器和编码器串联连接在扭转系统中。扭转刚度为(Kt1) 的电机轴通过扭转刚度为(Kt3) 的转子联轴器连接到扭转刚度为(Kt2) 的编码器轴。如果两个轴的扭转刚度(Kt1&

转子联轴器（左）和定子联轴器（右）

转子联轴器（左）和定子联轴器（右）

扭转系统的固有频率可以使用以下公式（方程1）进行估算。可以看出，随着联轴器刚度(Kt) 的增加，固有频率(Fn) 也会增加，而随着转动惯量或转子(I) 的增加，固有频率(Fn) 会降低。由于其扭转自由度，转子联轴器的缺点是与定子联轴器相比具有较低的固有频率。

在定子联轴器的情况下，这个问题可以通过弹簧质量振动系统来简化。该系统由编码器质量块(M1) 和来自具有刚度的轴的弹簧(K1) 以及来自具有刚度的定子联轴器的组合主动弹簧(K2) 组成。与编码器的质量相比，电机的质量被认为非常大，并且被认为是静止的。此分析中仅考虑编码器的质量。由于定子联轴器的复杂形状可能会在多个自由度上振动，因此使用有限元方法进行计算分析来求解固有频率和振型。定子联轴器因其稳定性和高固有频率而成为高动态应用的首选。为了获得最佳性能，

有限元建模

利用ABAQUS软件对定子联轴器的设计和开发进行了有限元分析。定子联轴器的初始设计如图4所示。其物理尺寸为5050 mm，高度为10 mm。联轴器的顶部连接到编码器，而底座连接到电机外壳。联轴器由不锈钢制成，厚度为0.2毫米。

定子联轴器（初始设计）

有限元模型如图5所示。轴承座已完全建模，但编码器已简化。为了简化分析，假设编码器的质量为集总质量，但仍保持与实际编码器相同的质量。通过这种方式，我们消除了编码器中任何不影响整体振动模式的局部无关紧要的模式。 Lanczos 特征求解器算法用于求解固有频率和振型。

定子耦合有限元模型

高固有频率的联轴器设计优化

然后优化联轴器设计以获得更高的固有频率。首先，研究联轴器中心孔的影响。去掉联轴器中心孔后，固有频率降至661Hz（图7）。当中心孔直径增大时，固有频率增大。当孔径为30mm时，记录到的固有频率为1133Hz。设计迭代的第一固有频率产生的图案形状如下所示：

编辑：hfy