一种基于声子晶体的低频减振电机机座及其制作方法

本发明涉及电机减振，尤其涉及一种基于声子晶体的低频减振电机机座及其制作方法。

背景技术：

1、电机常作为机电系统的动力源，其运行时产生的振动会传递至系统其他结构，从而引起整个系统的振动和噪声问题。研究发现，按照产生机理的不同，电机噪声根据来源可以分为三种：机械噪声、电磁噪声、空气动力噪声。机械噪声主要来源于转子平衡、转子不对中、偏心运行等机械因素。空气动力学噪声是电机散热装置导致，散热风扇高速运转时会产生噪声。电磁噪声是电机运行时产生噪声的主要组成成分，它与电机内部的电磁力、机身结构模态和非线性振动等因素有关。电机机座大都采用铸铁、铝合金等金属材料铸造而成，但由于金属材料自身的阻尼性能有限，并不能起到很好的吸收振动能量的作用。在整个电动机结构当中，电机机座是电机与基础直接相连的部分，不仅起着支撑铁芯、绕组、端盖等部件的作用，同时也是电机振动传递路径上的主要结构，因此对电机机座进行减振设计可抑制电机运行时振动的传递，从而减小整个系统的振动，维持系统稳定。

2、目前国内已经进行了许多关于电机减振的研究，包括磁路优化、控制策略和结构减振三个方面，但主要集中在磁路优化减振。磁路法优化减振主要是通过优化电机的磁路设计，改善电机的磁场分布，从而降低电机的振动。控制策略减振主要是通过调整电机的电流谐波和转矩，从而降低电机的振动。结构减振主要是通过改进电机的结构设计提高电机的刚性和阻尼特性或其他结构装置，从而降低电机的振动。

3、然而现有的电机减振装置往往结构较为复杂，制作难度和成本大大增加，且难以在实现结构轻量化的同时有效降低电机的振动。近年来，声子晶体的研究受到越来越多的关注，但目前在工程领域的应用较少，其结构可尝试应用于电机机座，利用带隙特性来实现电机的减振降噪。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术所存在的问题，本发明提供一种基于声子晶体的低频减振电机机座及其制作方法，利用声子晶体的原理对机座结构进行优化设计，在保证机座具有足够强度和刚度的前提下，达到轻量化和降低振动的双重效果。

2、技术实现要素：为实现以上目的，本发明提供了一种基于声子晶体的低频减振电机机座，包括定子铁芯、电机机壳和电机机脚，其中电机机壳与内部的定子铁芯过盈配合，并与底部的电机机脚固定连接，所述电机机壳的端面上开设有围绕定子铁芯周期性分布的第一通孔，且第一通孔沿定子铁芯的轴向延伸，用于填充阻尼材料，由此形成嵌入电机机座内部的声子晶体。

3、弹性常数及密度周期分布的复合材料或结构被称为声子晶体。声子晶体是由弹性固体周期排列在另一种固体或流体介质中形成的一种新型功能材料。弹性波在声子晶体中传播时，受其内部结构的作用，在一定频率范围(带隙)内被阻止传播，而在其他频率范围(通带)可以无损耗地传播。

4、布拉格散射机理作用下，弹性波带隙的产生及其特性与复合介质的材料参数(密度和弹性常数)以及结构参数(晶格结构、周期尺寸及填充率等)均紧密相关。一般来说，声子晶体中各组分的弹性常数和密度差异越大，越容易产生带隙；同时，弹性波带隙的频率随周期尺寸的增加而单调降低。

5、具体地，当基体为固体时，结构内部波场存在纵波cl与横波ct的耦合：

6、

7、

8、其中，f为结构系数，f＝1；λ、μ和ρ为散射体的弹性常数和密度。

9、根据mie散射矩阵分析，第一带隙的形成主要取决于单个散射体在mie散射中低频纵波向横波转化。因此，第一带隙中心频率f约为：

10、f＝ct/2a，

11、其中，ct为散射体中横波波速，a为晶格常数，由此根据所需的低频减振带隙来设计声子晶体的晶格参数。

12、进一步地，所述阻尼材料为丁基、丙烯酸酯、聚硫、丁腈、硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯和环氧树脂中的一种。

13、进一步地，所述第一通孔沿定子铁芯的周向均匀分布，分布间距即为晶格常数a。

14、进一步地，所述电机机壳的端面上设有若干沿周向均布的端盖安装部，且第一通孔沿周向均布于端盖安装部之间。

15、进一步地，所述第一通孔呈空心扇形，其中空心扇形孔的内侧圆弧面分布在同一个圆柱面上，且空心扇形孔的外侧圆弧面分布在同一个圆柱面上，这两个圆柱面的中心轴线均与定子铁芯的中心轴线重合。

16、进一步地，所述电机机脚的端面上开设有若干周期性排布的第二通孔，且第二通孔沿定子铁芯的轴向延伸。相比单独在电机机壳上开孔，同时在电机机壳和电机机脚上开孔在多数频率处的振动量级更小，减振降噪的效果更明显。

17、进一步地，所述第二通孔内也可用于填充阻尼材料。若第二通孔的体积较大，可以填充阻尼材料，若第二通孔相对较小，则无需填充阻尼材料。

18、进一步地，所述第二通孔的截面形状为圆弧形(如圆形、椭圆形等)、多边形(如矩形、蜂窝形等)中的一种或多种。

19、此外，本发明还提供了上述低频减振电机机座的制作方法，包括：采用3d打印技术制作一体成型的电机机壳和电机机脚(未填充阻尼材料)，并根据通孔的形状和尺寸裁剪出适配的条状阻尼材料，而后使用阻尼胶或阻尼膏将阻尼材料填充进适配的通孔内。

20、有益效果：

21、本发明通过电机机座的结构优化设计，将机座部分金属替换为密度更低的阻尼材料，可明显降低机座本身的重量，从而提升了电机的功率密度，即单位质量的输出功率。

22、本发明基于布拉格型声子晶体原理，在保证机座具有足够强度和刚度的前提下，通过合理的结构设计获得需要的低频减振带隙，具有工艺简单、成本较低等优点，不受安装空间的限制，对机座的结构强度也没有破坏。

技术特征：

1.一种基于声子晶体的低频减振电机机座，包括定子铁芯、电机机壳和电机机脚，其中电机机壳与内部的定子铁芯过盈配合，并与底部的电机机脚固定连接，其特征在于，所述电机机壳的端面上开设有围绕定子铁芯周期性分布的第一通孔，且第一通孔沿定子铁芯的轴向延伸，用于填充阻尼材料。

2.根据权利要求1所述的低频减振电机机座，其特征在于，所述阻尼材料为丁基、丙烯酸酯、聚硫、丁腈、硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯和环氧树脂中的一种。

3.根据权利要求1所述的低频减振电机机座，其特征在于，所述第一通孔沿定子铁芯的周向均匀分布。

4.根据权利要求3所述的低频减振电机机座，其特征在于，所述电机机壳的端面上设有若干沿周向均布的端盖安装部，且第一通孔沿周向均布于端盖安装部之间。

5.根据权利要求1所述的低频减振电机机座，其特征在于，所述第一通孔呈空心扇形，其中空心扇形孔的内侧圆弧面分布在同一个圆柱面上，且空心扇形孔的外侧圆弧面分布在同一个圆柱面上，这两个圆柱面的中心轴线均与定子铁芯的中心轴线重合。

6.根据权利要求1所述的低频减振电机机座，其特征在于，所述电机机脚的端面上开设有若干周期性排布的第二通孔，且第二通孔沿定子铁芯的轴向延伸。

7.根据权利要求6所述的低频减振电机机座，其特征在于，所述第二通孔内填充有阻尼材料。

8.根据权利要求6所述的低频减振电机机座，其特征在于，所述第二通孔的截面形状为圆弧形、多边形中的一种或多种。

9.一种如权利要求1～8任一所述低频减振电机机座的制作方法，其特征在于，包括：采用3d打印技术制作一体成型的电机机壳和电机机脚，并根据通孔的形状和尺寸裁剪出适配的条状阻尼材料，而后使用阻尼胶或阻尼膏将阻尼材料填充进适配的通孔内。

技术总结本发明公开了一种基于声子晶体的低频减振电机机座及其制作方法，其中低频减振电机机座包括定子铁芯、电机机壳和电机机脚，电机机壳与内部的定子铁芯过盈配合，并与底部的电机机脚固定连接，所述电机机壳的端面上开设有围绕定子铁芯周期性分布的第一通孔，且第一通孔沿定子铁芯的轴向延伸，用于填充阻尼材料。本发明通过电机机座的结构优化设计，将机座部分金属替换为密度更低的阻尼材料，明显降低了机座本身的重量，同时基于布拉格型声子晶体原理，在保证机座具有足够强度和刚度的前提下，通过合理的结构设计获得需要的低频减振带隙，具有工艺简单、成本较低等优点，不受安装空间的限制，对机座的结构强度也没有破坏。技术研发人员：龚京风,熊德辉,宣领宽,高恺受保护的技术使用者：武汉科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29