基于ANSYS的定子鐵心退機(jī)座過程有限仿真分析

襄陽中車電機(jī)技術(shù)有限公司　吳望群，李蕩，曾巍

以某型號永磁同步驅(qū)動電機(jī)的定子鐵心及機(jī)座為研究對象，通過設(shè)定不同的烘焙加熱溫度，利用ANSYS有限元分析軟件模擬了定子鐵心退機(jī)座過程中定子鐵心與機(jī)座之間瞬態(tài)受力過程，得出退機(jī)座過程中定子鐵心與機(jī)座之間產(chǎn)生的壓力隨加熱溫度的變化曲線，可知隨溫度的升高定子鐵心與機(jī)座之間產(chǎn)生的正壓力越小，正壓力減小的幅度也越變越小，為實際操作工藝提供了參考依據(jù)。

一、前言

目前新能源電機(jī)一般都采用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在氣密性檢測過程中有時會出現(xiàn)機(jī)座漏水的情況，當(dāng)個別微小氣孔出現(xiàn)在機(jī)座兩端時，往往可以通過過程修補達(dá)到滿足氣密性的條件。但是當(dāng)微小氣孔較多或者微小氣孔出現(xiàn)在機(jī)座內(nèi)壁中部時，一般情況都是將定子鐵心從機(jī)座中退出后更換機(jī)座。目前本公司將定子鐵心從機(jī)座中取出的方法一般都是采用將機(jī)座沿軸向銑一道缺口，然后將嵌線定子從機(jī)座中退出。在實施過程中存在如下風(fēng)險點：一是在機(jī)床上裝夾過程需要專門夾具，并且需要進(jìn)行找正，在此過程中可能碰傷繞組端部絕緣；二是在銑削過程中金屬雜質(zhì)可能掉入繞組端部，若清理不干凈，在以后電機(jī)運行過程中雜質(zhì)可能掉入定轉(zhuǎn)子之間，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子之間發(fā)生刮蹭?，F(xiàn)考慮直接將定子鐵心從機(jī)座中退出，就可以規(guī)避掉上述兩個風(fēng)險點，但是直接退機(jī)座就需要考慮定子鐵心與機(jī)座之間產(chǎn)生的壓力大小。本文利用ANSYS有限元分析軟件模擬了不同加熱溫度下鐵心退機(jī)座過程中受力變化情況，得出了不同加熱溫度下鐵心退機(jī)座過程中的受力變化趨勢。

二、過盈配合正壓力理論計算

定子鐵心與機(jī)座配合屬于過盈配合，如圖1所示，過盈配合是將兩個厚壁圓筒套合在一起，外筒內(nèi)經(jīng)略小于內(nèi)筒外徑，即存在過盈量δ。裝配后，兩圓筒接觸面上會因為變形而產(chǎn)生相互壓緊的裝配壓力P，裝配壓力P與過盈量δ的關(guān)系由式（1）確定。

圖1 壓裝示意圖

式中 Ei、μi為內(nèi)筒材料的彈性模量和泊松比；E0、μ0為外筒材料的彈性模量和泊松比。

永磁同步驅(qū)動電機(jī)定子鐵心及機(jī)座參數(shù)如表1所示。

表1 定子鐵心及機(jī)座參數(shù)

根據(jù)表1得出最大過盈δ=0.301mm；將δ及表1中數(shù)據(jù)帶入式（1）可得裝配壓力P為5.7×108Pa。

那么同樣可得出，定子鐵心退機(jī)座時冷態(tài)壓力也為P=5.7×108Pa。

三、有限元仿真分析

1.仿真平臺搭建

本次仿真采用穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析與瞬態(tài)分析聯(lián)合進(jìn)行，先進(jìn)行不同溫度下穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析，然后將穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析結(jié)果導(dǎo)入到瞬態(tài)分析中進(jìn)行瞬態(tài)力學(xué)分析，搭建仿真平臺如圖2所示，分析結(jié)構(gòu)樹模型如圖3所示。

圖2 仿真平臺

2.材料參數(shù)設(shè)置

根據(jù)定子鐵心與機(jī)座的材質(zhì)，兩種模型的材料參數(shù)分別參照硅鋼片及鋁合金進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2定子鐵心及機(jī)座的材料參數(shù)

圖3 仿真過程結(jié)構(gòu)樹模型

3.仿真模型建立及網(wǎng)格劃分

考慮到仿真的時效性以及分析效果的直觀性，將定子鐵心與機(jī)座模型簡化等效為2D模型，采用定子鐵心入機(jī)座示意圖。根據(jù)表2材料參數(shù)，在有限元分析軟件ANSYS中分別為定子鐵心和機(jī)座設(shè)定材料參數(shù)，然后進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，如圖4所示。約束條件為將機(jī)座底面固定，機(jī)座徑向設(shè)置為自由移動，定子鐵心設(shè)定為移動，約束添加示意圖如圖5所示。

圖4等效有限元模型

圖5約束設(shè)定示意圖

表3 不同溫度下機(jī)座所受正壓力

通過設(shè)置不同的環(huán)境溫度，在機(jī)座上指定觀測，觀測定子鐵心入機(jī)座過程中隨溫度變化所受的正壓力，所指定的觀察路徑如圖6所示，在不同設(shè)定溫度下觀測路徑所受的正壓力如表3所示。

圖6指定觀測路徑

觀測路徑所受的正壓力隨溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 觀測路徑所受的正壓力隨溫度變化曲線

觀測路徑瞬態(tài)應(yīng)力變化云圖如圖8所示，機(jī)座內(nèi)壁軸向各點瞬態(tài)應(yīng)力云圖如圖9所示，定子鐵心與機(jī)座接觸面瞬態(tài)等效應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖8 觀測路徑瞬態(tài)應(yīng)力變化云圖

圖9 機(jī)座內(nèi)壁軸向各點瞬態(tài)應(yīng)力云圖

圖10鐵心與機(jī)座接觸面瞬態(tài)等效應(yīng)力云圖

四、結(jié)語

本文以定子鐵心退機(jī)座過程為研究對象，利用有限元分析軟件ANSYS完成了有限元模型的建立、熱穩(wěn)態(tài)分析及瞬態(tài)響應(yīng)分析，通過熱力學(xué)及瞬態(tài)響應(yīng)分析可以為定子鐵心退機(jī)座制定更加合理的返修工藝，從分析結(jié)果中可以得出以下結(jié)論。

（1）在常溫下（22℃）理論計算出機(jī)座內(nèi)壁所受的正壓力為5.7×108Pa，均大于仿真分析設(shè)定溫度下機(jī)座內(nèi)壁所受的正壓力（Pmax=5.615×108Pa），說明了仿真模型建立的可靠性。

（2）根據(jù)圖7觀測路徑所受的正壓力隨溫度變化曲線可以看出，隨著溫度的升高機(jī)座內(nèi)壁所受的正壓力逐漸變小，說明將定子鐵心與機(jī)座加熱后，在退機(jī)座過程中可有效減小機(jī)座所受的正壓力。

（3）圖7中還反映出隨著溫度的不斷升高，機(jī)座內(nèi)壁所受正壓力減小的梯度也在變小，說明溫度一味地升高雖然能減少機(jī)座內(nèi)壁產(chǎn)生的正壓力，但是溫度過高可能破壞繞組絕緣性能或使機(jī)座變形，制定合理的工藝溫度是必要的。