角磨电机转子的振动优化设计
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摘 要：电动工具电机的振动，对操作者身体健康，工作效率和安全性等影响很大。本文在进行角磨振动测试的基础上，提出以电机转子固有频率为目标函数的自动计算优化。结合某型角磨振动系统，通过Excel编程，求解电机系统的固有频率，从而最高效便捷的完成角磨振动优化设计。实际制作安装后进行测试，角磨整体振动由原设计的4.5m/s2降低到1.5m/s2，提高了操作舒适性。
关键词：角磨转子 固有频率 Excel编程 优化设计
中图分类号：TH113.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）11（c）-0113-02
Abstract： Vibration effect of the power tool had a strong influence on the consumer’s health， the working efficiency and safety. The article proposed an automatic optimization design method for rotor system. The natural frequency parameters of rotor system were obtained by Excel program， and the goal of vibration decreasing was achieved.
Key Words： Grinder Rotor; Natural Frequency; Excel programming; Auto-optimizing Design
電动工具在使用过程中，产生的振动对人体会造成很大的伤害[1]。其中控制电机振动最重要的是结合机器运转速度来避开转子的共振。因此，能够快速准确的计算出转子固有频率显得尤为重要。目前，很多研究者对转子固有频率的计算进行了研究设计：张春良[2]提出了一种新的计算系统一阶固有预率的近似方法;周叮将参数优化与瑞雷法相结合，迭代求解系统的各阶固有频率和振型，可达到任意要求的精度;然而目前转子的固有频率多通过实验来获取，即使采用有限元方法也很难将实际制造过程中绕组，滴漆等工艺的具体影响考虑在内，因而无法得到准确的计算结果。
1 原角磨振动评价
1.1 角磨振动评价原理
振动是通过加速度来表示的，单位为米每秒平方 （m/s2）。EAV是欧洲标准中用于评价用户每日可以操作手持式工具的时间，其公式如下：
EAV= （1）
ah即为手传振动加权后的振动值。由公式可知，当ah数值小于2.5m/s2时，用户可以每日操作480min（即8h），所以我们期望我们所设计的角磨振动小于2.5m/s2。
1.2 原角磨振动测试
振动测量三向均方根值4.5m/s2超过设计预期2.5m/s2，为了查明振动大的原因，进一步对机器进行扫频测试。扫频结果如图1所示。
拆机后取出转子，对其进行扫频分析，从转子扫频结果可知，转子的固有频率为630Hz，贴近机器的共振点。所以可以判断共振是由转子导致，因此需要优化转子结构，提高转子刚度。
2 转子固有频率优化设计
2.1 理论计算公式
对于无阻尼单自由度系统而言，其固有频率计算公式如下[4]：
（2）
由公式可知，固有频率只受刚度分布和质量分布的影响，所以提高固有频率主要从这两方面入手。根据材料力学，我们知道刚度公式如下：
（3）
而极惯性矩I的计算如下：
（4）
2.2 优化设计
将转子系统的关键影响因子-转子轴径，转子叠片内外径和长度，绝缘管厚度，轴承支撑间距，滴漆工艺等参数考虑在内。根据固有频率的理论计算公式得到如下的固有频率快速计算方法。
2.3 新转子设计
结合实际应用，为了节省模具更改带来的成本增加和工作量，所以期望在最小变动，成本相对耗费少的基础上来提高系统刚度。因此我们采取以下两种措施：其一将转子轴直径增加1mm，其二改变叠片和转子轴之间的连接刚度-将绝缘管优化为注塑工艺。
优化后，转子固有频率由601Hz提高到791Hz。
为了进一步验证设计表格的准确性，再次对新设计的转子采取扫频测试，新转子扫频测试结果为795Hz，与固有频率理论计算值791Hz极为接近，所以进一步验证了固有频率计算方法的准确性。
将新设计转子装机并进行振动测试，得到振动值为1.5m/s2，为原设计振动的1/3，满足了<2.5m/s2设计要求。
3 总结
（1）提出了基于实验分析的角磨转子固有频率优化设计方法，并验证了此方法的准确性。
（2）全新设计（增加1mm转子轴径以及提高轴与叠片连接刚度）将振动值降低为原来的1/3，提高了操作舒适性。
参考文献
[1] 朱强， 秦泳元. 人体工程学与电动工具[J].电动工具，2005（2）：1-10.
[2] 张春良.一种计算固有频率的新方法[J].设计-计算，1995：24-27.
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